Принцип действия и статические характеристики полевого транзистора с p-n затвором

Полевого транзистора с p-n затвором

Схема включения и питающие напряжения

Рассмотрим включение n-канального ПТУП по схеме с общим истоком и его работу в стационарном режиме. Р-n переход канал-подложка служит для изоляции канала от подложки и устанавливает начальную толщину канала. Подложка наряду с затвором может служить вторым управляющим электродом, а может и подключаться накоротко к затвору, как это показано на рис. 2. Напряжения, действующие на электродах транзистора, для входной и выходной цепи принято отсчитывать от общего электрода, т.е. в данном случае от истока.

Во входную цепь транзистора между истоком и затвором подают напряжение, обеспечивающее обратное смещение управляющего p-n перехода затвор-канал. Для n-канального ПТУП, изображённого схематически на рисунках 1 и 2, U_ЗИ ≤ 0. Для него при U_ЗИ = 0 потенциал начальной части канала превышает потенциал р⁺-области затвора на величину встроенной контактной разности потенциалов управляющего p-n перехода Ф_i. В выходную цепь между истоком и стоком включают источник питания так, чтобы основные носители заряда в канале под действием приложенного напряжения совершали дрейф от истока к стоку. Для n-канального ПТУП U_СИ > 0, а ток выходной цепи течет в направлении от стока к истоку.

Под действием напряжения U_СИ вдоль канала и в выходной цепи транзистора протекает ток стока I_С. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к расширению обедненной области управляющего p-n перехода, сужению проводящей области канала, возрастанию его сопротивления и уменьшению управляемого тока стока. В этом состоит принцип действия ПТУП, который при малых выходных напряжениях можно рассматривать как переменный резистор, управляемый напряжением на затворе. Для того, чтобы напряжение U_ЗИ эффективно управляло толщиной проводящего канала область затвора должна быть легирована значительно сильнее, чем канал. Только в этом случае увеличение обратного смещения U_ЗИ будет приводить к расширению обеднённой области управляющего p-n перехода именно в область канала и уменьшению толщины низкоомной проводящей части этой области.

Входные характеристики ПТУП

Входным током ПТУП в схеме с общим истоком является ток затвора I_З, который при обратном смещении управляющего p-n перехода очень мал. Поэтому говорят, что выходной ток транзистора I_С управляется напряжением на затворе. Входная характеристика ПТУП в схеме с общим истоком

I_З = I_З (U_ЗИ) есть обратная ветвь ВАХ управляющего p-n перехода. В отличие от обычного полупроводникового диода на ток экстракции управляющего p-n перехода может влиять ударная ионизация в перекрытой части канала вблизи стока (см. далее). Это приводит к зависимости I_З ещё и от напряжения U_СИ.

Поскольку входное напряжение того же порядка, что и выходное |U_ЗИ|≈|U_СИ|, а I_З << I_С, то ПТУП обеспечивает достаточно большое усиление по мощности.

Выходные характеристики ПТУП

Наибольший практический интерес представляет семейство выходных характеристик ПТУП I_С = I_С (U_СИ) при U_ЗИ = const, изображенное на рис.3г.

Чтобы понять существенные черты отдельной характеристики, соответствующей постоянному напряжению на управляющем переходе, рассмотрим процессы в канале при I_С ≠ 0 и U_CИ < U_{СИ НАС} (рис. 4). Благодаря протеканию тока стока имеется падение напряжения вдоль канала U(y), вследствие чего различные участки управляющего p-n перехода оказываются под разным обратным смещением.

Рис. 4. Распределение потенциала вдоль средней линии n-канала ПТУП при протекании тока стока в условиях U_CИ < U_{СИ НАС}. Потенциал истока принят равным нулю. Нижняя линия показывает потенциал затвора φ_З < 0

Из рис. 4 ясно, что разность потенциалов между средней линией канала и затвором увеличивается на величину U(y) от истока к стоку. Соответственно этому по мере перемещения от истока к стоку область пространственного заряда управляющего p-n перехода расширяется, а низкоомная часть канала сужается. При U_ЗИ = const и малых токах стока ширина канала модулируется незначительно (рис. 3а). Поэтому зависимость I_С = I_С (U_СИ) при U_ЗИ = const, как видно из рис.3г, близка к линейной и ВАХ идет достаточно круто из-за сравнительно малого сопротивления не перекрытого канала. Как уже отмечалось в п. 1.3, в крутой области ВАХ транзистор может быть использован как сопротивление, управляемое напряжением на затворе (пинч-резисторы интегральных микросхем).

По мере увеличения U_СИ рост тока стока замедляется из-за заметного сужения низкоомной части канала в области стока. Когда напряжение на стоке достигает величины, при которой канал в области стока перекрывается полностью, дальнейший рост тока стока почти прекращается (рис. 3в, 3г). Напряжение на стоке, при котором наступает переход от крутой области ВАХ к пологой, называют напряжением насыщения и обозначают U_{СИ НАС}. При дальнейшем увеличении стокового напряжения протяженность перекрытой части канала ∆L увеличивается (рис.3в). Напряжённость электрического поля в этой части канала достигает большой величины. Поле экстрагирует основные носители из не обедненной части канала и переносит их к стоку со скоростями, близкими к предельной скорости дрейфа. Вследствие этого ток стока остается почти неизменным вплоть до области пробоя управляющего p-n перехода. В режиме пробоя лавинообразно нарастает ток в цепи сток-затвор. Пробой развивается в области стока, где напряженность электрического поля максимальна. Ток стока в режиме насыщения I_{С НАС}, как и U_{СИ НАС}, уменьшаются при увеличении обратного напряжения на затворе (см. пунктирную кривую на рис. 3г). Напряжение на затворе, достаточное для полного перекрытия канала по всей длине и уменьшения тока стока до нуля, называют напряжением отсечки (или пороговым напряжением) и обозначают U_{ЗИ ОТС}. Пологий участок выходных ВАХ используется при работе ПТУП в усилительных каскадах (см. п. 1.5). Малый наклон пологой части ВАХ характерен для ПТ с длинным каналом (L мкм). В приборах с коротким каналом эффекты, связанные с модуляцией длины канала проявляются гораздо заметнее.

Если управляющее напряжение отсутствует (U_ЗИ = 0), то I_{С НАС} достигает максимума. В связи с этим говорят, что ПТУП является нормально открытым прибором: при отсутствии управляющего смещения ток в выходной цепи максимален.

Передаточные характеристики ПТУП

В схеме с общим истоком передаточные или сток-затворные характеристики представляют собой зависимости I_С = I_С (U_ЗИ) при различных U_СИ = const > U_{СИ НАС}. Семейство передаточных характеристик реального ПТУП с n-каналом представлено на рис.5. Они могут быть легко получены перестроением семейства выходных характеристик. Достаточно провести сечение U_СИ = const. Несовпадение передаточных характеристик, построенных для различных значений U_СИ, свидетельствует о том, что даже в режиме насыщения ток стока слегка возрастает при увеличении U_СИ. Так проявляется эффект модуляции длины канала ПТ.

Дата добавления: 2014-11-18