5

Лекция 10. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом

1. Конструкция и принцип действия полевого транзистора

Полевой транзистор (ПТ) с управляющим р–n-переходом имеет низколегированный проводящий канал с двумя омическими переходами (контактами). С одного из них – истока в канал – инжектируются основные носители (монополярная инжекция), с другого – стока носители заряда – выходят во внешнюю электрическую цепь. Для протекания тока по каналу между истоком и стоком необходимо за счет внешнего источника питания создать разность потенциалов U_ис. Канал имеет длину а в направлении протекания тока и соответственно ширину b в направлении, перпендикулярном току. Перпендикулярно направлению тока изготавливается один или два управляющих р–n-перехода (затвора). Затвор всегда высоколегирован и имеет проводимость противоположного типа по сравнению с типом проводимости канала. Каждый затвор имеет омический переход (контакт). Потенциал затвора относительно истока может быть нулевым (затвор соединен с истоком) или обратно смещающим управляющий р–n-переход (для этого между затвором и истоком включается источник питания U_з). Полевые транзисторы могут отличаться типом проводимости канала. Изготавливаются транзисторы с каналом n-или р–типа. На рис.1 приведены структуры ПТ с одним (рис.1,а) и двумя затворами (рис.1,б) и условные обозначения ПТ с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа (рис.1,в) и p-типа (рис.1,г).

Для управления током стока I_с необходимо изменять проводимость канала, изменяя его ширину. На рис.2 приведена схема двухзатворного полевого транзистора с каналом n-типа, а на рис.3 – зонная диаграмма в сечении х₁. Из рис.3 видно, что ширина канала h = l − 2d_n, где l – расстояние между двумя областями затвора, а d_n – толщина р-n - перехода в канале. Для перекрытия канала используют свойство обратносмещенного р-n - перехода изменять толщину d_n под действием разности потенциалов U_зк(х): ; здесь φ₀ – контактная разность потенциалов, U_зк(х) – напряжение на управляющем р-n - переходе в сечении х, ε – относительная диэлектрическая проницаемость, ε₀ – диэлектрическая постоянная, q – элементарный заряд, а N_d – концентрация донорных примесей в канале n - типа. Концентрация акцепторных примесей N_a в высоколегированном затворе р⁺-типа много больше концентрации донорных примесей, поэтому р–n-переход в основном располагается со стороны канала. Малая толщина обедненной области в затворе позволяет использовать тонкие затворы.

Управляющий р-n - переход, обратносмещенный напряжением U_зк(х) = U_к(х) − U_зи, образует обедненный носителями слой, который распространяясь в проводящий канал, эффективно ограничивает его ширину (рис.2). Если напряжение на стоке невелико U_cи1<U_c нас, где U_c нас – напряжение, при котором канал перекрыт у стока, то распределение U_к1(х) можно в первом приближении считать линейным (толстая наклонная линия на рис.3). Предположим, что U_зк=0 (толстая горизонтальная линия на рис.2), тогда разность потенциалов U_зк(х) изменяется линейно, увеличиваясь от нуля в области истока до U_cи1 в районе стока. Самое узкое место канала расположено не точно на стоке, а вблизи него в сечении х₁, это связано с геометрией затворов и краевыми эффектами вблизи электрода стока.

Увеличивая напряжение на стоке до U_c нас, можно перекрыть канал вблизи стока. При этом сопротивление канала r_к(х) будет изменяться вдоль х, достигая максимального значения в сечении х₁. Распределение потенциала U_к2(х) будет изменяться нелинейно (штриховая наклонная линия на рис.2). Максимальная напряженность продольного (вдоль оси х канала) электрического поля будет сосредоточена в самой узкой части канала. За счет электрического дрейфа электроны преодолеют перекрытую часть канала и достигнут стока. При дальнейшем увеличении напряжения на стоке перекрытая часть канала распространяется в сторону истока. Сопротивление канала r_к увеличивается почти пропорционально увеличению U_cи, и ток I_с изменяется слабо.

Увеличение напряжения стока до U_{c проб} приводит к лавинному пробою обратносмещенного p–n-перехода затвор – канал в районе стока. Этот пробой является обратимым, если не произойдет теплового разрушения транзистора.

Более эффективно проводимостью канала можно управлять, изменяя напряжение на затворе с уменьшением U_зи1<U_зи0 (штриховая горизонтальная линия на рис.2) изменяется разность потенциалов U_зк и соответственно ширина канала вдоль всего канала, при этом ток стока I_с уменьшается вначале пропорционально уменьшению U_зи, а затем при напряжении U_зи,< U_отс (напряжения отсечки) уменьшается почти до нуля.

Токи, текущие через обратносмещенные затворы, на несколько порядков меньше тока стока, а напряжения на затворе по абсолютной величине меньше или порядка напряжения на стоке, поэтому управлять током стока путем изменения напряжения на затворе энергетически выгоднее, чем изменением напряжения на стоке.

Входным сопротивлением полевого транзистора в схемах с общим стоком и общим истоком будет большое сопротивление обратносмещенного p–n-перехода, которое на несколько порядков больше входного сопротивления биполярного транзистора при любой схеме включения. Однако коэффициент усиления ПТ меньше коэффициента усиления усилительного каскада с биполярным транзистором. Поэтому ПТ используют в основном во входных каскадах усилителей, где существенно большое входное сопротивление.

Полевой транзистор будет работать, если при включении в электрическую цепь поменять местами электроды истока и стока. Нормальная работа ПТ с каналом p - типа обеспечивается подачей положительного смещения на затвор и отрицательного на сток.

Максимальный ток стока и максимальная крутизна у ПТ с управляющим р–n-переходом (как с каналом p-типа, так и с каналом n-типа) наблюдается при нулевом смещении на затворе. При подаче прямого смещения на затвор ПТ появляется прямой ток через участок затвор – исток и резко уменьшается входное сопротивление транзистора. В этом режиме полевые транзисторы не используют.