Напряжение между стоком и истоком отсутствует

ТЕМА 5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором ток через электропроводящий канал управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между контактами затвора и истока.

Полевые транзисторы относятся к униполярным транзисторам, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в униполярных транзисторах осуществляется под воздействием электрического поля посредством изменения проводимости канала, через который протекает ток транзистора. Именно поэтому униполярные транзисторы называют полевыми.

По способу создания и управления каналом (n - или р -типа) различают полевые транзисторы:

- с управляющим p-n -переходом;

- с встроенным каналом;

- с индуцированным каналом.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (ПТУП)

Структура ПТУП

Полевой транзистор с управляющим p-n -переходом – это разновидность полевого транзистора, область затвора которого отделена от объема канала p-n -переходом, смещенным в обратном направлении.

Модель полевого транзистора с управляющим p-n -переходом (ПТУП) показана на рис. 5.1, а. Следует отметить, что данная модель лишь поясняет работу ПТУП, но не в полной соответствует реальной структуре полевого транзистора, имеющей, как правило, планарную (поверхностную) топологию (рис. 5.1, г) [2].

Рис. 5.1. Модель конструкции ПТУП (а), его УГО с каналом n -типа (б), с каналом p- типа (в), примерная планарная структура (г)

Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда (в данном случае электроны), называют истоком И, а электрод, к которому они движутся, – стоком С. В приведенной модели (а) конструкции канал протекания тока (далее, просто, канал) представляет собой слаболегированный слой полупроводника n -типа, длина d которого простирается от контакта истока И к контакту стока С. Данный канал может быть ограничен двумя p-n- переходами (рис. 5.1, а) или соприкасаться с одним p-n- переходом (рис. 5.1, г).

Контакт, называемый затвором З, устанавливается на области полупроводника с типом проводимости, противоположным типу проводимости области канала; другими словами, непосредственно под металлическим контактом затвора в данном случае находится область полупроводника p -типа.

Р-n- переход является своего рода высокоомной диэлектрической прослойкой, отделяющей электропроводящий канал от металлического контакта затвора.

В модели, приведенной на рис. 5.1, а, для простоты сформированы два симметричных затвора, объединенных между собой внешним проводником, т.е. оба контакта затвора З, а, значит, и области полупроводника р -типа, электрически связаны между собой.

Отметим, что обычно затвором называют как металлический контакт З, так и сильно легированную область (например, р ⁺) полупроводника, примыкающую указанному металлическому контакту.

Управление полевыми транзисторами (регулирование тока I _си между стоком и истоком, далее I _c,) осуществляется изменением управляющего напряжения U _зи между контактами истока И и затвора З, так что ² входным ² напряжением в схемах с полевыми транзисторами является величина напряжения U _зи, но не ток затвора, который крайне мал.

Для дальнейшего понимания работы полевых транзисторов, следует обратить особое внимание на то, что в каждом из них существуют (или создается):

- канал проводимости (длиной d), обеспечивающий перемещение свободных носителей заряда (электронов или дырок) от истока к стоку;

- протяженные области p-n -переходов, отделяющие затвор от канала; параметрами (шириной l, удельным сопротивлением r) этих p-n -переходов можно управлять с помощью внешних воздействий, а именно, потенциалом затвора.

В рассматриваемой нами структуре (рис. 5.1, а, г) полупроводниковые слои р -типа, прилегающие к n -каналу, образуют два протяженных (от истока до стока) p-n -перехода. Для эффективного влияния на свойства этого p-n- перехода p ⁺-область, примыкающая к затвору, формируется с более высокой концентрацией примеси, чем n- слой канала, т.е. N _А >> N _Д. Другими словами, n -канал – менее легирован, и его сопротивление более высоко, чем p ⁺-область, примыкающая к металлическому затвору.

Учитывая, что ширина объемного заряда l_n в n -области (рис. 1.3) и ширина объемного заряда l_р в р ⁺-области связаны соотношением (1.7):
l_n / l_р = N _А/ N _Д, имеем, что l_n >> l_р. Другими словами, из-за различной степени легирования области затвора и канала, собственно p-n -переход на границе ²затвор-канал² смещен в область канала тем больше, чем меньше в канале примесных донорных центров.

Подобную же конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p -типа.

Условные графические изображения полевых транзисторов с управляющим p-n -переходом и каналами n - и p -типа приведены на рис. 5.1, б, в.

Принцип работы ПТУП

Как и в случае с биполярными транзисторами, для работы полевого транзистора в том или ином режиме необходимо подключить к его контактам определенные постоянные напряжения.

Для дальнейшего анализа следует особо подчеркнуть необходимость выбора полярности питающих напряжений, подключаемых к контактам И, С, З. В частности, полярность внешних постоянных напряжений, подводимых к транзистору, в режимах усиления класса А (без искажения входного сигнала) показана на рис. 5.1, а, г.

Во-первых, управляющее (входное) напряжение U _зи подается между затвором З и истоком И. Эффективность управления зависит от того, насколько чувствительна величина проводимости канала к изменению потенциала затвора. Дальнейший анализ показывает, что для эффективного управления током канала потенциал затвора j_зи должен ²смещать² p-n -переход на границе ²затвор-канал² в обратном направлении (смещении). В нашем случае (рис. 5.1, а, г) j_з должен быть отрицательным!

Если затворов - два (рис. 5.1, а), то отрицательный потенциал объединенных затворов j_з (по отношению к истоку) является обратным для обоих p-n -переходов.

Увеличим значение отрицательного потенциала j_з. Известно (см. п. 1.2.3), что увеличение обратного напряжения увеличивает ширину области l (U) объемного заряда, и, в нашем случае, из-за различия в степени легирования, высокоомная область p-n -перехода, обедненная носителями (концентрация основных носителей мала), еще больше ²прорастает² в область n -канала. Эффективное сечение канала w(U _зи) (ширина канала) уменьшается, и, в соответствии с выражением (1.2), за счет уменьшения площади поперечного сечения S электрическое сопротивление R_n n -канала растет. Тем самым, за счет модуляции величины проводимости канала создается препятствие для прохождения основных носителей заряда от истока к стоку.

Другими словами, поскольку р ⁺-область, примыкающая к затвору, имеет большую концентрацию примеси, чем n -канал, ширина l (U _зи) p-n -переходов растет, в основном, за счет уменьшения толщины w(U _зи) более высокоомного n -слоя канала. Это явление носит название - эффект модуляции ширины канала, который приводит к изменению величины его проводимости.

Именно поэтому, в рассматриваемой нами схеме на затвор З подается отрицательный потенциал по отношению к истоку.

Во-вторых, ток I _с через канал (и далее через нагрузку R _н) определяется напряжением U _си. Заземлим исток И, и покажем, какой потенциал следует подавать на электрод С стока. Казалось бы, на сток С можно подавать как ²+², так и ²-², однако, анализ структуры показывает, что в данном случае подавать ²-² на сток нельзя! Это связано с тем, что при отрицательном потенциале на стоке собственно p-n -переход, локализованный в области структуры ²сток-затвор², включится в прямом направлении, и при соответствующих напряжениях разрушится из-за протекания большого тока через открытый p-n -переход.

Именно поэтому, на сток С по отношению к истоку И необходимо подавать потенциал требуемой полярности с учетом конкретного типа проводимости канала.

Можно использовать простое мнемоническое правило, согласно которому, на сток нужно подавать такой потенциал, который притягивает к стоку основные носители канала. В рассматриваемом нами случае необходимо подавать только ²+² потенциал!

Из вышесказанного следуют важные выводы. Управляющие свойства полевого транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения U _зи между затвором и истоком меняется ширина l (U _зи) его двух (или одного) p-n -переходов, представляющих собой протяженные граничные участки полупроводника (от истока к стоку) между областями p - (под контактом металлического затвора З) и n -типа (область проводящего канала).

Если p-n -переход смещен в обратном направлении, и, значит, в нем мало свободных носителей заряда. Увеличение напряжения U _зи приводит к увеличению ширины l (U _зи) области p-n -перехода, и еще большему ²сдвигу² p-n -перехода в область канала из-за различной степени легирования канала и области затвора.

Особо следует подчеркнуть то обстоятельство, что p-n -переход, смещенный в обратном направлении, не только имеет большое сопротивление, но и характеризуется увеличением ширины l (U _зи) области объемного заряда. При этом область p-n -перехода ²внедряется² в сторону того полупроводника, который, как указано выше, имеет меньшую степень легирования. В нашем случае, область объемного заряда (обедненная носителями заряда) внедряется в область канала!

Поскольку объем кристалла ограничен, то, в конечном счете, при увеличении области p-n -перехода ширина канала w(U _зи) уменьшается. Другими словами, в результате ²прорастания² области р-n -перехода в объем канала изменяется площадь поперечного сечения S токопроводящего канала. Проводимость канала постепенно падает (а сопротивление растет), влияя на выходной ток I _с стока прибора при фиксированном напряжении U _си между стоком и истоком.

Это важное обстоятельство следует понять, т.к. именно оно объясняет работу всех полевых транзисторов!

Для анализа работы полевого транзистора также важно понять, что объем слаболегированной области канала, характеризуемый вполне определенным резистивным сопротивлением, может быть представлен схемой замещения в виде соединенных последовательно совокупности идентичных резисторов R_i (рис. 5.1, а), ответственных, например, за сопротивление единицы длины канала.

Ниже будет показано, что особенностью полевого транзистора является влияние на проводимость канала как управляющего напряжения U _зи, так и напряжения U _си. Влияние подводимых напряжений на проводимость канала иллюстрирует рис. 5.2.

а) б) в)

Рис. 5.2. Проводимость ПТУП с каналом n -типа при подключении внешних напряжений: а) U _зи < 0, U _си = 0; б) U _си > 0, U _зи = 0; в) U _си > 0, U _зи < 0

Напряжение между стоком и истоком отсутствует

Для упрощения считаем, что контакт истока И заземлен. Пустьнапряжение U _зи приложено только между истоком И и затвором З (рис. 5.1, а), так что j_з < 0, а U _си = 0. Будем увеличивать U _зи так, что j_з становится все более отрицательным. Сопротивление канала монотонно возрастает (а проводимость - падает) за счет расширения обратно смещенного р-n -перехода и ²прорастания² его в область слаболегированного канала. Соответственно, уменьшается сечение w(U _зи) канала на одинаковую величину по всей длине d канала. Выходной ток, естественно, отсутствует (I _с = 0), поскольку напряжение на стоке равно нулю U _си = 0.

Таким образом, мы показали, что изменением напряжения U _зи на затворе можно модулировать (изменять) сопротивление канала. Поскольку ширина p-n- перехода играет большую роль, то этот переход называют управляющим.