1.2. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом

Обобщенная структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом представлена на рис. 2. Для изоляции канала от затвора и подложки используется p-n-переход. Области стока и истока выполняются сильнолегированными, а область канала − слаболегированной. Этим обеспечивается наибольшая эффективность управления.

Рис. 2

Под действием напряжения U_ис через канал начинается дрейфовое движение основных носителей. К затвору прикладывается напряжение U_зи, которое смещает p-n-переход в обратном направлении и изолирует затвор запирающим слоем. При увеличении обратного смещения возрастает ширина p-n-перехода. Поэтому ширина канала снижается и растет его объёмное сопротивление. В результате будет изменяться величина тока I_c, протекающего по каналу. Таким образом, изменения входного напряжения U_зи приводит к изменению тока I_c в выходной цепи транзистора. На этом основано действие транзистора с управляющим p-n-переходом.

Основные особенности полевого транзистора.

1. Перенос тока в канале обусловлен дрейфовым движением основных носителей.

2. Управление током в канале осуществляется с помощью электрического поля или напряжением на затворе, управляющим шириной канала.

3. Поскольку управляющий переход смещен в обратном направлении, ток через него ничтожно мал. При этом мощность, потребляемая по цепи затвора для управления током канала, также ничтожна мала. Поэтому при подключении мощного источника питания в цепь исток-сток-сопротивление нагрузки, полевой транзистор обеспечивает усиление входного сигнала, как по мощности, так и по току и по напряжению.

1.2.1. Влияние напряжений на электродах на процессы в транзисторе

1.2.1.А Влияние напряжения на затворе (uзи)

Определим влияние U_зи на сопротивление канала. Рассмотрим случай , когда U_с = 0, а подложка соединена с затвором (рис. 3).

Пусть к затвору приложено напряжение U_зи. Тогда толщина канала определяется выражением: , (1)

где d_пер – толщина запирающего слоя p-n-перехода, U_к – потенциальный барьер,

h – толщина канала при отсутствии напряжений.

Рис. 3

Чем больше U_зи, тем тоньше канал. При U_зи=U_{зи отс} канал будет полностью перекрыт, то есть y = 0. Величину U_{зи отс} называют напряжением отсечки. Полагая в (1) y = 0, найдем: U_{зи отс} = . Тогда: .

Сопротивление канала обратно пропорционально его ширине и определяется выражением: , где R_ко – сопротивление канала при отсутствии напряжений на транзисторе.

При U_зи стремящемся к U_{зи отс}, R_к стремится к бесконечности и транзистор закрывается.

1.2.1.Б Влияние напряжения стока (Uси)

При подаче на сток напряжения U_си в канале возникает ток I_с, который создает падение напряжения U_x по длине канала, зависящее от координаты Х (рис. 4). Поэтому толщина канала изменяется вдоль оси Х по закону .

Рис. 4

Минимальная толщина канала будет наблюдаться вблизи стока при U_х = U_си. При увеличении U_си наряду с ростом тока через канал I_с будет наблюдаться рост сопротивления канала вследствие сужения канала в области стока, что будет препятствовать росту тока I_с.

При U_сиU_{си нас} ток I_с достигает значения насыщения и дальнейший рост U_си не приводит к увеличению тока I_с. Величину U_{си нас} определяют из условия смыкания канала в области стока, где U_х = U_си и y = 0. U_{си нас} = U_{зи отс} − U_зи −U_к  U_{зи отс} – U_зи.

Это напряжение U_си называют напряжением насыщения.