8.1.1 Вольт-амперные характеристики птуп

Входная характеристика ПТУП соответствует вольт-амперной характеристике pn-перехода. Она представляет ВАХ диода затвор-исток.

Выходные характеристики транзистора, представляющие зависимости тока стока I_с от напряжения между истоком и стоком U_с, измеренные при различных значениях потенциала затвора U_з приведены на рис. 8.4,а. Самое низкое сопротивление канала и, соответственно, самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (U_з = 0). Затем, по мере увеличения ширины ОПЗ при возрастании U_з и, соответственно, уменьшении сечения канала ток будет падать и при некотором напряжении отсечки U_отс канал полностью перекроется и ток через него перестанет протекать.

Передаточные (сток-затворные) характеристики приведены на рис.8.4,б, они представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при постоянном параметре на стоке I_c=f(U_з)|_Uс=const.

Рис. 9. Выходные ВАХ ПТ. Пунктиром показаны кривые, соответствующие выражению (8.9), штрихпунктиром — выражению (8.11).	Рис. 10. Передаточные характеристики полевого транзистора. Пунктиром показаны кривые, соответствующие выражению (8.12).

Чем круче эти характеристики, тем выше можно получить усиление в полевом транзисторе.

Выведем уравнение, описывающее ВАХ ПТУП, при этом сделаем ряд допущений. Будем считать, что подвижность носителей заряда есть величина постоянная и не зависит от концентрации носителей заряда. Потенциал, электрическое поле и плотность тока постоянны по сечению канала (одномерное приближение). Ток в канале определяется только основными носителями заряда, и при нулевом смещении ширина ОПЗ близка к нулю.

Если разность потенциалов между электродами затвор-исток и сток-исток равна нулю, то pn-переходы находятся в состоянии термодинамического равновесия, и ширина ОПЗ будет определяться уровнем легирования p- и n-областей.

,

(8.6)

где R_к0 – сопротивление канала при нулевом напряжении на затворе (минимальное сопротивление канала), ρ – удельное сопротивление материала канала, L – длина канала, b – ширина канала, d – глубина канала, S – сечение канала.

(8.7)

Падение напряжения от постоянного тока стока I_c на некотором участке dx в точке х:

.

(8.8)

Выражение (8.8) – дифференциальное уравнение относительно U(х). Решая его с граничными условиями U(х=0)=0 и U(х=L)=U_си, и пренебрегая контактной разностью потенциалов на pn-переходе, получим искомую зависимость I_c=f(U_си):

Iс = .

(8.9)

где – сопротивление полностью открытого канала. Уравнение (8.9) представляет собой кривые параболического типа и описывает семейство характеристик ПТУП в крутой части вольт-амперной характеристики. Максимум (I_с нас) соответствует точке перекрытия канала. Его положение можно определить из уравнения (8.9) при :

,

(8.10)

таким образом, U_отс = U_зи+U_си . После достижения насыщения ток стока можно считать постоянным, равным I_{с. нас}.

После перекрытия канала практически все напряжение падает в области перекрытия. Дальнейшее увеличение напряжение стока приводит к расширению области перекрытия и, соответственно, увеличению падения напряжения на ней и не сопровождается увеличением тока. В то же время ток не уменьшается, поскольку все электроны, достигшие ОПЗ, вблизи стока переносятся электрическим полем в область стока.

Пренебрегая значением и подставляя в (8.10) значениеU_cи для экстремальной точки, можно получить для пологой области ВАХ:

.

(8.11)

т.е. ток стока насыщения будет максимальным при U_з = 0.

.

(8.12)

где I_с max ≈ U_отс / (3), зависимостьявляется передаточной характеристикой ПТУП и представлена на рис. 10.

Усилительные свойства полевого транзистора принято характеризовать крутизной δ:

.

(8.13)

С ростом напряжения затвора крутизна для полевого транзистора с управляющим pn-переходом падает.

Рассмотрим влияние температуры на параметры транзистора с управляющим переходом. Изменение ВАХ ПТУП с температурой определяется температурной зависимость начальной проводимости канала. R_к0 и, соответственно, максимального тока I_cmax, а также напряжения отсечки U, эти значения влияют как на вид ВАХ, так и на величину крутизны.

Изменение с температурой R_к0 определяется температурной зависимостью электропроводности материала канала, т.е. температурными зависимостями концентрации основных носителей заряда и подвижности. На изменение напряжения отсечки, в основном, влияет изменение контактной разности потенциалов. Из уравнения (8.2)

∂Uoтс/∂T = - ∂φк/∂T,

(8.14)

С увеличением температуры контактная разность потенциалов линейно уменьшается, следовательно, с ростом температуры напряжение отсечки будет возрастать.

В настоящее время разработаны ПТУП на основе GaAs, SiC, Ge, однако наибольшее распространение получили приборы на основе Si. Существует большое количество вариантов технологического и конструктивного выполнения ПТУП, отличающихся диапазоном рабочих температур, требуемыми частотными характеристиками, величиной крутизны передаточной характеристики, диапазоном рабочих токов и напряжений, возможностью изготовления интегральных схем. Хотелось бы отметить ПТУП на основе барьера Шоттки, не требующего pn-перехода. Важным достоинством ПТУП является малый уровень собственных шумов и высокая стабильность параметров во времени. Причина этих достоинств в том, что канал в ПТУП отделен от поверхности pn-переходом, благодаря чему на границе канала с ОПЗ отсутствуют поверхностные дефекты. Следует подчеркнуть также высокую радиационную стойкость ПТУП.

Рис. 11. Конструкции полевых транзисторов с управляющим рn-переходом; изготовленного методом двойной диффузии (а); по планарной эпитаксиально-диффузионной технологии (б); с электростатическмм и приповерхностным затвором (в); конструкция полевого транзистора с барьером Шоттки (г)