Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом

В полевых транзисторах с управляющим р-п переходом поперечное сечение канала изменяется путем изменения ширины р-п перехода, отделяющего электрод затвора от канала. На рисунке 8.2 показано устройство и

Рис.8.2. Устройство и электрическая схема включения полевого транзистора

с управляющим р-п переходом.

схема включения полевого транзистора с управляющим р-п переходом и каналом п -типа проводимости. Как видно из рисунка, в полупроводнике п -типа с двух боковых сторон созданы высоколегированные области р -типа проводимости, на которых сформированы выводы затвора. На торцах полупроводника изготовлены выводы для истока и стока. Р -области затвора с полупроводником п -типа образуют р-п переходы, заштрихованные на рисунке. Область полупроводника между р-п переходами образует канал полевого транзистора п -типа проводимости.

Для пояснения принципа работы рассматриваемого полевого транзистора создадим электрическую схему, в которой в цепи между истоком и стоком, называемой выходным, включим плюсом к стоку источник постоянного напряжения V_СИ. Оно обеспечивает дрейфовое движение электронов от истока к стоку через канал, образуя ток стока I_C. В цепь между затвором и истоком, называемым входным, включаем источник напряжения V_ЗИ, при изменении которого меняется ширина р-п переходов. Таким образом, исток в схеме является общим, т.е. полевой транзистор включен в электрическую цепь с общим истоком (ОИ), которая, в основном, и находит применение на практике.

При управляющем напряжении V_ЗИ = 0 основные носители заряда - электроны под действием ускоряющего электрического поля в канале ( = 10³Q10⁴ В/см), создаваемым V_СИ, дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток I_С, создаваемый этими электро­нами, определяется как напряжением стока V_СИ, так и сопротивле­нием канала. Последнее зависит от поперечного сечения канала, которое ограничивается p-n переходами (заштрихованные области). Как видно из рисунка 8.2, активная ширина канала d, по которой протекает ток стока полевого транзистора, определяется выражением:

, (8.1)

где d₀ – технологическая ширина канала, а l – общая ширина р-п перехода.

Если теперь будем менять напряжение V_ЗИ, то меняется ширина р-п перехода и, тем самым в соответствие с (8.1), меняется активная ширина канала. Изменение ширины канала меняет сопротивление канала и величину тока стока. Таким образом, появляется возможность управления током стока.

Эффективность управления током стока в полевых транзисторах повышается при заметном изменении d с изменением управляющего напряжения V_ЗИ. Для этого р -область полевого транзистора делают низкоомной, а область канала – высокоомной. Тогда р-п переход шириной l лежит, в основном, в области канала. Эффективность управления повышается также при обратно смещенном р-п переходе, когда напряжение V_ЗИ можно менять в широких пределах. При обратно смещенном р-п переходе его сопротивление велико, что обеспечивает высокое входное сопротивление полевого транзистора и низкую потребляемую мощность управления. Поэтому, в полевых транзисторах с управляющим р-п переходом напряжение V_ЗИ должно обеспечивать обратное смещение р-п перехода.

Проведем расчет активной ширины канала в зависимости от напряжения V_ЗИ для двух случаев:

1. Пусть V_СИ = 0. Тогда ширина р-п перехода при V_ЗИ < 0 (обратное напряжение на переходе для транзистора с каналом п -типа) как известно, имеет вид:

, (8.2)

где φ_K - контактная разность потенциалов, п – концентрация электронов в области канала. Обычно в реальных полевых транзисторах φ_K < V_ЗИ, поэтому для упрощения расчетов можно пренебречь величиной φ_K. Тогда имеем:

. (8.3)

Подставив (8.3) в (8.1) получим

. (8.4)

При некотором V_ЗИ = V_ЗИ0 вес канал транзистора будет охвачен р-п переходом (рис. 8.3, б) и канал исчезнет, т.е. d = 0. Напряжение V_ЗИ0 называется напряжением отсечки канала. Из (8.4) при d = 0 получим, что

. (8.5)

С учетом (8.5) (8.4) примет вид:

. (8.6)

Выражение (8.6) описывает зависимость активной ширины канала от напряжения на затворе V_ЗИ.

При V_СИ = 0 ширина р-п перехода определяется только напряжением на затворе и остается неизменной во всех сечениях по длине канала от истока до стока (рис.8.3, а), остается постоянной и площадь сечения канала.

Рис.8.3. Профили канала полевого транзистора при разных напряжениях

на его электродах (области р-п -перехода затемнены).

2. Пусть V_СИ > 0. Тогда через канал потечет ток стока, который создаст вдоль канала распределенное падение напряжения V(x). Напряжение на р-п переходе теперь определяется напряжением на затворе и напряжением V(x), т.е. для абсолютных значений напряжений можно написать:

. (8.7)

Тогда при протекании тока стока для активной ширины канала с учетом (8.7) имеем: . (8.8)

Поскольку напряжение V(x) линейно возрастает от истока к стоку вдоль кана­ла, то толщина p-n -перехода будет при х = 0 (см. рис.8.2) минимальна вблизи истока, где V(x) = 0 и максимальна при х = L вблизи стока, где V(x) = V_CИ. Таким образом, канал сужается вдоль p-n -перехода от истока к стоку и наибольшим сопротивлением канал обладает в наиболее узкой своей части, т.е. в стоковом конце. При некотором канал в стоковом конце перекрывается (рис. 8.3, в), т.е. d = 0. Из (8.8) при условии тогда имеем:

. (8.9)

Перекрытие канала в стоковом конце не означает отсечку тока стока, как при перекрытии канала напряжением на затворе. Действительно, перекрытие канала в стоковом конце обусловлено протеканием тока стока. Отсечка тока стока привела бы к открыванию канала, так как при этом V(x) станет равной нулю. Это приводит к появлению тока стока, что, в свою очередь, перекрывает канал и т.д. В результате этих процессов устанавливается равновесное состояние канала, при котором через канал будет протекать некоторый постоянный ток насыщения , где - сопротивление канала при . Таким образом, при перекрытии канала в стоковом конце наблюдается отсечка приращения тока стока и полевой транзистор при этом по отношению к внешней цепи представляет собой источник постоянного тока с большим выходным сопротивлением.

С физической точки зрения протекание тока стока при закрытом канале в стоковом конце можно объяснить существованием падения напряжения в области перекрытия канала. При этом падение напряжения выделяется только между истоком и точкой (рис. 8.7, г) перекрытия канала и практически остается постоянной с изменением . Это падение напряжения создает продольное электрическое поле, которое переводит подошедшие к перекрытию электроны к стоку, вызывая ток стока. С ростом падение напряжения увеличивается, что вызывает некоторый рост тока стока в области его насыщения, что хорошо наблюдается экспериментально.

8.3. Расчет тока стока полевого транзистора с управляющим р-п переходом.

Для расчета тока стока I_C полевого транзистора с управляющим р-п переходом рассмотрим падение напряжения вдоль канала на малом его участке dx за счет протекания тока стока I_C, определяемое на основе закона Ома:

, (8.10)

где - сопротивление участка канала dx. Так как площадь поперечного сечения канала S = ad, то с учетом (8.8) для S имеем:

. (8.11)

Подставив (8.11) в (8.10) получим

. (8.12)

Представим (8.12) в виде:

. (8.13)

Уравнение (8.13) представляет собой дифференциальное уравнение первого порядка. Проинтегрируем это уравнение с учетом граничных условий: и и, решая его относительно тока стока, имеем

, (8.14)

где сопротивление полностью открытого канала при и . Из (8.9) следует, что (8.15)

Подставив в (8.14) вместо (8.15) и заменив получим связь между током и напряжением насыщения:

. (8.16)

С учетом (8.9) после несложных преобразований (8.16) можно получить зависимость тока насыщения от напряжений и в виде:

. (8.17)

Если ток стока будет максимальным. Из (8.17) следует, что

, (8.18)

Подставив (8.18) в (8.17) получим основное уравнение для расчета тока стока, полученное ещё в 1952 г В. Шокли:

. (8.19)

8.4. Статические вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим р-п переходом.

Из приведенных расчетных соотношений для тока стока следует, что ток стока зависит от напряжений и . Отсюда вытекает, что статические вольтамперные характеристики полевого транзистора можно описать двумя семействами:

- стоко-затворные или передаточные характеристики полевого транзистора при ;

- стоковые или выходные характеристики полевого транзистора при .

Теоретической основой для построения семейства стоко-затворных характеристик является выражение (8.19), которое для удобства практических расчетов обычно аппроксимируют приближенной зависимостью

, (8.20)

справедливой при . Из (8.20) вытекает, что ток стока, начиная с нулевого значения при растет по квадратичному закону для . На рисунке 8.4 приведены такие зависимости. Рост тока стока при , как мы знаем, обусловлено тем, что уменьшение напряжения на затворе увеличивает ширину канала полевого транзистора, что в свою очередь уменьшает сопротивление канала и вызывает рост ток стока.

Рис.8.4. Статические стоко-затворные характеристики полевого транзистора с управляющим р-п переходом.

Семейство статических выходных или стоковых вольтамперных характеристик при постоянных значениях напряжения на затворе полевого транзистора приведены на рисунке 8.5. Как видно, всю область

Рис.8.5. Статические выходные характеристики полевого транзистора с

управляющим р-п переходом.

выходных характеристик можно разделить на три характерные участки. Квазилинейный участок 1, где , называется омическим. Ток стока на этом участке определяется сопротивлением открытого канала и меняется практически линейно с ростом напряжения на стоке. Теоретически этот участок достаточно точно описывается выражением (8.14). При возникает насыщение тока стока (участок 2). Режим работы полевого транзистора на этом участке называют режимом насыщения. На этом участке ток стока растет незначительно с ростом (см. раздел 8.3). Работа полевого транзистора на участке насыщения описывается аналитическими зависимостями (8.16) и (8.17).

С дальнейшим ростом напряжения на стоке при возможен резкий рост тока стока (участок 3), что вызывается лавинным пробоем р-п перехода в стоковом конце затвора. В этом месте напряжение является суммой напряжений на затворе и стоке, т.е. достигает максимальной величины, достаточной для электрического пробоя перехода. Следует также учесть, что чем больше напряжения на затворе, тем при меньших напряжениях на стоке происходит пробой.

Физические процессы и вольтамперные характеристики в полевых транзисторах с управляющим р-п переходом и каналом р -типа проводимости аналогичны рассмотренным выше полевым транзисторам с каналом п -типа проводимости. Полевые транзисторы с каналом р -типа формируются на основе полупроводника р -типа с последующей диффузией донорной примеси для создания р-п переходов. Ток стока в них создается дрейфовым движением в канале основных носителей - дырок. В электрической схеме меняется полярность включения напряжений V _СИ и V_ЗИ и направление тока стока.

Дата добавления: 2015-05-06