Статические характеристики. Наличие большого входного и выходного сопротивлений в полевом транзисторе позволяет исследовать статические характеристики с помощью генераторов напряжения

 

Наличие большого входного и выходного сопротивлений в полевом транзисторе позволяет исследовать статические характеристики с помощью генераторов напряжения. Полевой транзистор с управляющим p–n переходом описывается тремя статическими характеристиками:

1. Выходные (стоковые) характеристики при U_зи=const.

2. Сток-затворные характеристики (характеристики передачи) при U_си=const.

3. Входные (затворные) характеристики при U_си=const.

Вид семейства статических стоковых характеристик представлен на рис. 4.2.

Рассмотрим стоковую характеристику транзистора с каналом n-типа, снятую при U_зи = 0. При подаче на сток положительного относительно истока напряжения (рис. 4.2) начинается движение носителей заряда (электронов) от истока через канал к стоку. Если бы сопротивление канала не зависело от проходящего через него тока стока, то наблюдалась бы линейная зависимость тока стока I_c от напряжения U_си. Ток стока I_c создает на объемном сопротивлении канала падение напряжения, что вызывает увеличение толщины запирающего слоя вблизи стока, сужение поперечного сечения канала и уменьшение проводимости канала (рис. 4.1,б,в).

Ширина p–n перехода увеличивается по мере приближения к области стока, где имеет место наибольшее значение падения напряжения, вызванного протеканием тока I_c через канала. Наибольшее сечение канала будет около истока, а наименьшее – около стока, где напряжение на p–n переходе равно .

Увеличение напряжения сток-исток U_си вызывает увеличение I_c, и напряжение на p–n переходе возле стокового вывода может достигнуть значения, равного |U_{зи отс}|, при котором в сечении канала около стока должно произойти перекрытие.

На практике полного перекрытия канала и отсечки тока стока не происходит. Около стока остается узкая токопроводящая перемычка (горловина канала), в которой напряженность электрического поля достигает критического значения, а скорость дрейфа носителей – скорости насыщения (V_{n макс} = const), которая определяет постоянную плотность дрейфового тока

.

При дальнейшем увеличении напряжения стока горловина удлиняется и на ней падает все дополнительное напряжение стока, сверх того значения, при котором произошло условное перекрытие канала. В результате происходит не отсечка, а лишь ограничение роста тока, ток стока становится практически независимым от приложенного напряжения U_си.

Если U_зи=0, то напряжение U_си, при котором происходит перекрытие канала из-за увеличения толщины p–n перехода называют напряжением насыщения (перекрытия) U_{си пер(нас)}. Ток стока, при котором происходит перекрытие канала, называют начальным током стока I_{си нач}, ему соответствует начало пологого участка стоковой характеристики. Если к затвору полевого транзистора приложить обратное напряжение U_зи¹0, то перекрытие канала наступит при меньшем значении напряжения U_си, рис. 4.2.

К p–n переходу между затвором и стоком прикладывается обратное напряжение величиной . Перекрытие канала происходит, когда напряжение, приложенное к p–n переходу, достигает напряжения отсечки

. (4.1)

При значительном увеличении напряжения U_си у стокового вывода может произойти электрический (лавинный) пробой p–n перехода, ток стока резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

На стоковых характеристиках можно выделить две рабочие области: АВ и ВD (рис. 4.2). Область АВ называют крутой областью характеристики, область ВD – пологой или областью насыщения. При малых значениях U_си ток стока изменяется прямо пропорционально изменениям напряжения (участок АВ). Наклон этого участка соответствует полностью открытому каналу и прямо пропорционален его проводимости. С увеличением U_си (точка B) на росте I_c начинает сказываться сужение канала, которое приводит к уменьшению его проводимости и характеристика отклоняется от прямой линии.

При подаче на затвор обратного напряжения и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Это приводит к изменению наклона начальных участков стоковых характеристик, что соответствует большим начальным статическим сопротивлениям канала.

Геометрическое место точек, соответствующих условному перекрытию канала и наступлению режима насыщения, показано штрих-пунктирной линией (рис. 4.2).

В крутой области стоковых характеристик транзистор можно использовать, как электрически управляемое сопротивление. Пологий участок характеристик является рабочим при использовании при работе транзистора в усилительных устройствах.

Ток стока для крутой области характеристик полевого транзистора с управляющим p–n переходом достаточно точно описывается аналитической зависимостью

. (4.2)

При работе в пологой области вольтамперной характеристики ток cтока представляется выражением

, (4.3)

где I_{с нач} – начальный ток стока при U_зи= 0 и рабочем напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщения.

Характеристика передачи, называемая часто сток-затворной, проходной или характеристикой управления полевого транзистора, представляет собой зависимость при различных напряжениях на стоке в режиме перекрытия канала (рис. 4.3). Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, то характеристика описывается уравнением (4.3). При изменении напряжения на стоке смещением характеристик передачи можно пренебречь ввиду малого изменения тока стока в пологой области стоковых характеристик.

При увеличении обратного напряжения на p–n переходе уменьшается сечение канала, что приводит к уменьшению тока стока. При через канал протекает обратный ток стока малой величины, и это может быть использовано для ориентировочного определения напряжения отсечки.

Характеристика передачи может быть получена экспериментально или с помощью перестройки стоковых характеристик.

Входная (затворная) характеристика полевого транзистора с управляющим p–n переходом (рис. 4.4) представляет собой обратную ветвь волът-амперной характеристики p–n перехода. Изменение напряжения U_cи влияет на распределение поля в канале, что вызывает изменения тока затвора. Наибольшего своего значения, которое называется током утечки, ток затвора достигает при условии короткого замыкания выводов истока и стока, однако оно очень мало и им часто пренебрегают.

 

4.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором

 

Характерное отличие полевых транзисторов с изолированным затвором состоит в том, что у них между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика. В этом качестве чаще используется слой двуокиси кремния, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называются также МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) - или МОП (металл-окисел-полупроводник)-транзисторами.

Существуют два типа МДП-транзисторов: с индуцированным и встроенным каналами.