ПТ с управляющим р-п-переходом

Полевые транзисторы

 

Полевые транзисторы (ПТ) в отличие от биполярных (БТ) управляются электрическим полем и поэтому имеют ряд специфических особенностей:

1 - высокое входное сопротивление;

2 - малое потребление энергии по цепи управления

3 - малый уровень шумов, т.к в полевых транзисторах в переносе заряда

участвуют носители одного знака, что исключает появление рекомбинационного шума.

 

ПТ не заменяют БТ, а позволяют реализовать определенные схемные функции. ПТ нашли широкое применение и как дискретный элемент, а также ши­роко используются в интегральных микросхемах (ИМС). Это объясняется относительной простотой изготовления ПТ ИМС, по сравнению с БТ, и малым потреблением энергии и высокой плотностью расположения элементов в ИМС.

 

Классификация полевых транзисторов (упрощенная)

ПТ

С изолированным

Затвором (МОП, МДП)

металл -п/п с управляющим встроенный канал индуцированный канал

P-n переходом

Р- канал n - канал р -канал n - канал

ПТ с управляющим р-п-переходом

Простейший полевой транзистор с управляющим p-n-переходом пред­ставляет собой тонкую пластинку полупроводникового материала с одним р-п-переходом и невыпрямляющими контактами по краям.

 

ПТ содержит три полупроводниковые области одного и того же типа проводи­мости, называемые соответственно истоком, каналом и стоком, а также управ­ляющий электрод - затвор.

В транзисторе используется движение носителей заряда одного знака (ос­новных носителей), которые из истока через канал движутся в сток.

Этим объ­ясняются названия: исток- область, из которой выходят носители заряда, и сток - область, в которую они входят.

К каждой из областей (стоку и истоку) присоединены соответствую­щие выводы (омический контакт).

Схематическое устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом представлено на рис.13, и представляет собой вертикальный n -канал с кольцевой p -областью – затвором (возможны и другие варианты структуры).

 

 

Рис.13

 

Образованный p-n переход при нормальном режиме работы транзистора должен быть обратносмещенным.

Действие прибора основано на зависимости толщины p-n-перехода в зависимости от

приложенного к нему напряжения.

Источник U₃ создает отрицательное напряжение на затворе, что приво­дит к увеличению толщины перехода (области обедненной носителями заряда) и уменьшению сечения проводящего канала.

Т.к. p-n-переход находится в запертом состоянии и почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость практически равна нулю.

Уменьшение напряжение на затворе (по абсолютной величине) приводит к уменьшению ширины перехода. Если подключить к каналу источник питания Uun между стоком и истоком, то через пластину полупро­водника между невыпрямляющими контактами потечет ток.

С уменьшением или увеличением напряжения на затворе, соответственно изменяется ширина перехода. С изменением ширины перехода уменьшается или увеличивается сечение канала, при этом уменьшается или увеличивается сопротивление канала и вследствие этого изменяется величина тока стока 1_С.. В пластине полупроводника, в данном примере n-типа, образуется токопроводящий канал, сечение которого зависит от толщины р-n-перехода, а изменением напряжения на затворе U₃, можно управлять 1_С.

 

Носители в канале движутся от истока к стоку под действием продольного электрического поля (направленного вдоль канала), создаваемого напряжением меду стоком и истоком.

Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения между затво­ром и истоком, направлено перпендикулярно дви­жению носителей в канале и при этом говорят, что ток транзистора управляется поперечным электрическим полем.

 

Всегда можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе, ко­гда произойдет полное перекрытие канала и ток канала окажется равным нулю. При полностью перекрытом канале ток канала обращается в нуль, а в це­пи стока течет лишь малый остаточный ток (или ток отсечки) I_СО.

Он состоит из обратного тока p-n-перехода I ₀ и тока утечки Iу, протекающего по поверх­ности кристалла. Т.к. I_у «I₀, то I_со ~ I₀.

 

В рабочем режиме по каналу протекает ток 1_С, поэтому потенциалы раз­личных поперечных сечений оказываются неодинаковыми, рис.14 (для примера показан транзистор с каналом p- типа, напряжение на затворе – положительное, а на стоке - отрицательное).

Рис,14

 

Потенциал, распре­деленный вдоль канала, меняется от 0 у истока до U_C у стока. Наибольшим будет сечение канала возле истока, где напряжение на переходе Upn = U₃, и наименьшим возле стока, где Upn ₌ U_З - Uc.

Если увеличивать напряжение на стоке Uc, то увеличение 1_С, начиная с некоторого

значения Uc, прекратиться, т.к. сужение канала будет увеличивать его сопро­тивление и увеличения тока, несмотря на увеличение напряжения, происходить не будет. Этот процесс называется насыщением

При относительно большом напряжении Uc, когда Uc + U₃ > Upn, в сто­ковом участке обратно включенного управляющего p-n-перехода возникает электрический лавинный пробой и 1_С резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

 

Условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n переходом:

 

 

Стрелка в выводе затвора указывает направление прямого тока через р-n-переход

 

Отличие ПТ от БТ

Характерным для всех ПТ является очень малый ток в цепи затвора, т.к. затвор либо изолирован (МДП), либо образует с каналом управляющий переход, вклю­чаемый в обратном направлении. Т.к. затвор в электрических схемах является входным электродом, то ПТ обладает высоким входным сопротивлением на постоянном токе (более 10⁸-10¹⁰ Ом).

В этом заключается важнейшее отличие ПТ от БТ, входное сопротивление которых, составляет единицы - сотни Ом (ОБ, ОЭ).

В связи с указанным различием входных сопротивлений иногда говорят, что ПТ - прибор, управляемый напряжением (электрическим полем), а БТ - это прибор, управляемый током.

В приборах, управляемых напряжением, напряжение на входном электроде прибора из-за высокого входного сопротивления Rвx практически не зависит от параметров самого прибора и определяется источником ЭДС входного сигнала, если Rвx» Rucm, где Rиcm - внутреннее сопротивление источника.

В приборах, управляемых током, входной ток из-за малого входного сопротив­ления прибора слабо зависит от параметров прибора и определяется током ис­точника входного сигнала (при Rвx «Rиcm)