7

Физические основы электроники

Лабораторная работа

Изучение полевого эффекта в объеме полупроводника

Цель работы: изучить принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n переходом, измерить его вольтамперные характеристики.

Структура и принцип действия

Полевыми транзисторами называются транзисторы, работа которых основана на управлении размерами токопроводящей области (канала) посредством изменения напряженности поперечно-приложенного электрического поля. Проводимость канала в таких приборах определяется основными носителями заряда.

Структура и схема включения полевого транзистора с управляющим p–n переходом показана на рис.1.

Рис.1. Структура и схема включения полевого транзистора с p–n переходом (а) и конструкция для расчета параметров (б)

Транзистор состоит из полупроводникового бруска с омическими контактами на концах и p–n переходом на боковой грани. Боковой p–n переход, называемый затвором, включается в обратном направлении. Поскольку p–n переход несимметричный (p_p >> n_n), область его объемного заряда расположена в n–полупроводнике (заштрихованная область). Ток между омическими контактами, один из которых называется истоком, а другой – стоком, протекает по каналу, остающемуся между областью объемного заряда и противоположной гранью бруска. При изменении отрицательного напряжения на затворе V_з (входная цепь) ширина области объемного заряда изменяется. Соответственно изменяется и ширина канала, а следовательно, и ток в выходной цепи. Ток во входной цепи равен обратному току p–n перехода, который можно считать практически равным нулю. Управляющая цепь полевого транзистора тока практически не потребляет, а управление осуществляется за счет изменения электрическим полем ширины канала, по которому протекает выходной ток.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются глубиной модуляции сопротивления между стоком и истоком. Это сопротивление называется обычно сопротивлением канала R_к. Для получения заметной модуляции ширины бруска и ширины области объемного заряда должны быть сравнимы. Ширины области объемного заряда несимметричного p– n перехода определяется формулой

. (1)

Для нашего случая ( V_p-n >> j_к и 1/qN_d = m_n / qm_nN_d = m_nr) эту формулу можно записать как

, (2)

где V_p-n – напряжение на p–n переходе. Так как ширина области объемного заряда растет с увеличением r , то для получения больших значений d при изменении напряжения, нужно брать материал с большим удельным сопротивлением.

Как видно из рис.1, а, ширина области объемного заряда вблизи стока больше, чем вблизи истока, потому что к различным участкам p–n перехода приложено неодинаковое напряжение. Если считать потенциал истока равным нулю, то потенциал стока равен V_c. Это напряжение распределяется вдоль бруска полупроводника, создавая падения напряжения V₁, V₂ и т.д. на различных участках бруска. К нижней части p–n перехода приложено напряжение V^¢_p-n = V_з + V₁ , к верхней V^’’_p-n = V_з + V₂. Так как V₂>V₁, то V^’’_p-n > V^’_p-n и ширина области объемного заряда вверху больше. Участки стержня, расположенные между p–n переходом и истоком и p–n переходом и стоком, являются пассивными, поэтому их величину сводят к минимуму. Падениями напряжения на этих участках обычно пренебрегают, а следовательно, V₁»0, V₂»V_c и

(3)

Для увеличения глубины модуляции сопротивления бруска p–n переход делается с двух противоположных сторон (рис.1, б). В этом случае при том же DV_з изменение ширины канала удваивается.

Очевидно, полевой транзистор на материале p–типа работает так же и отличается лишь тем, что боковой контакт n–типа, а полярность источников напряжения меняется на противоположную.