4.1. Полевые транзисторы с p-n-Переходом

ПринциП действия. Полевыми (униПолярными) назы­ваются транзисторы, работа которых основана на уПрав­лении размерами токоПроводящей области (канала) Посредством из­менения наПряженности ПоПеречно Приложенного электрического Поля. Проводимость канала в таких При­борах оПределяется основными но­сителями заряда.

схема включения Полевого тран­зистора с p-n-Переходом иллюст­рируется рис. 4.1,а. транзистор со­стоит из ПолуПроводникового брус­ка с омическими контактами на концах и p-n-Переходом на боко­вой грани. боковой p-n-Переход, называемый затвором, включается в обратном наПравлении. Поскольку p-n-Переход  несимметричный

(p_р>>n_n), область его объемного заряда расПоложена в n-ПолуПро­воднике (заштрихованная область). ток между омическими контактами, один из которых называется исто­ком, а другой — стоком, Протекает По

               

 

 

рис.4.1. схема Поле­вого транзистора с p-n-Переходом (а) и конструкция для рас­чета Параметров (б)

 

каналу, остающемуся между об­ластью объемного заряда и ПротивоПоложной гранью бруска. При изменении отрицательного наПряжения на затворе v₃ (входная цеПь) ширина области объемного заряда изменяется. соответственно изменяется, и шири­на канала, а, следовательно, и ток в выходной цеПи. ток во входной цеПи равен обратному току p-n-Перехода, который можно считать Практически равным нулю. По­этому в отличие от биПолярного транзистора, действую­щего на основе изменения соПротивления коллекторного p-n-Перехода носителями заряда, инжектированными за счет Протекания тока во входной цеПи, можно счи­тать, что уПравляющая цеПь Полевого транзистора тока Практически не Потребляет, а уПравление осуществляет­ся за счет изменения электрическим Полем ширины ка­нала, По которому Протекает выходной ток.

усилительные свойства Полевого транзистора оПреде­ляются глубиной модуляции соПротивления между сто­ком и истоком. это соПротивление называется обычно соПротивлением канала r_k. для Получения заметной мо­дуляции ширина бруска и ширина области объемного заряда должны быть сравнимы. Формулу для ширины области объемного заряда несимметричного p-n-Пере­хода можно заПисать для данного случая       (v_р-n»?_к   и  1/qn=?_n/q?_nn==?_n?) как

                                   d= (2??₀?_П? v_р-n)^1/2,                                   (4.1)

где v_р-n — наПряжение на p-n-Переходе. так как ши­рина области объемного заряда растет с увеличением ?, то для Получения больших значений d, а, следовательно, и больших изменений d При изменении наПряжения, нужно брать материал с большим удельным соПротив­лением.

как  видно из рис. 4.1,а, ширина области объемного заряда вблизи стока больше, чем вблизи истока Потому, что к различным участкам p-n-Перехода Приложено неодинаковое наПряжение. если считать Потенциал исто­ка равным нулю, то Потенциал стока равен v_c. это на­Пряжение расПределяется вдоль бруска ПолуПроводни­ка, создавая Падения наПряжения v₁ v₂ и т. д. на раз­личных участках бруска. к нижней части p-n-Перехода Приложено наПряжение v'_p-n=v₃+ v₁ к верхней v"_p-n=.v₃+ v₂. так как v₂>v₁ то v"_p__n> v'_p-n   и ши­рина области объемного заряда вверху больше. участки стержня, расПоложенные между p-n-Переходом и истоком и p-n-Переходом и стоком, являются Пассивными, Поэтому их величину сводят к минимуму. Падениями наПряжения на этих участках обычно Пренебрегают, а, следовательно, v₁>0, v₂> v_c и

v'_p-n=v₃, v"_p__n =v₃+v_c.                                                              (4.2)

для увеличения глубины модуляции соПротивления бруска p-n-Переход делается с двух ПротивоПоложных сторон (рис. 4.1,б). в этом случае При том же , ?v₃ изме­нение ширины канала удваивается.

очевидно, Полевой транзистор на материале p-тиПа работает так же и отличается лишь тем, что боковой контакт n-тиПа, а Полярность источников наПряжения меняется на ПротивоПоложную.

основные характеристики. главной характеристикой Полевого транзистора является зависимость тока через канал I_с от наПряжения на затворе: I_с=F(v₃). оПреде­лим сначала зависимость соПротивления канала от на­Пряжения на затворе При v_c=0, когда v_p-n=v₃. как следует из рис. 4.1,б и Формул (4.1), (4.2),

h=a—2d=a— (8??₀?_n?v₃)^1/2.       (4.3)

 

обозначим через v₃₀ наПряжение, При котором области объемного заряда смыкаются, т. е. h=0. это наПряже­ние называется наПряжением отсечки и равно

v_зо=а²/8??₀?_П?.                           (4.4)

исПользуя    (4.4), можно заПисать (4.3) как 

соПротивление  канала оПределяется По обычной Формуле

,                          (4.5)

где b — ширина бруска (а — толщина), а r_k0=? (l/ab)—минимальное соПротивление канала (При v₃=0).

если v_c>0, то ширина канала По длине бруска неоди­накова, а, следовательно, Формула (4.5) неПрименима. ее можно Применить лишь для элементарного участка dX По длине активной части бруска (исток: х=0, сток х=l).

Пе­рекрытие канала При увеличении v_p-n Происходит сна­чала в самом верхнем сечении канала, где выПолняется условие

v_p-n=v₃+v_c=v₃₀.      (4.6)

очевидно, Перекрытие канала может Произойти из-за увеличения или у₃, или у_с. возможность Перекрытия ка­нала и отсечки тока до нуля за счет увеличения v₃ до v₃₀ очевидно и в Пояснениях не нуждается.

рассмотрим возможность отсечки тока I_с за счет увеличения v_с. для Простоты возьмем v₃=0 (рис. 4.1,а; затвор короткозамкнут). в этом случае увеличение v_с Приводит к росту I_с. рост тока через канал Приводит к увеличению заПирающего наПряжения на p-n-Пере­ходе v_p-n и к уменьшению сечения канала, т. е. к умень­шению тока. таким образом, увеличение тока создает условия, Приводящие к его же уменьшению, т. е. насту­Пает самоограничение тока.

отсечки тока до нуля в этом случае не Происходит, так как уменьшение сечения канала Порождается самим ростом тока и если I_с уменьшится до нуля, то это значит, что заПирающее наПряжение тоже станет равным нулю, т. е. канал откроется. Поэтому с ростом v_с Происходит не отсечка тока, а отсечка его Приращений. это означает, что с увеличением v_с должно наблю­даться насыщение тока I_с, т. е. дальнейшее увеличение наПряже­ния не будет Приводить к росту тока.

насыщение тока Происходит При v_с, близких к значению v₃₀, когда относительное изменение сечения канала велико. При ма­лых v_с это изменение невелико и I_c=F(у_c) Почти линейна (рис. 4.2). если на затвор Подано за­Пирающее смещение v₃<v_зо, то насыщение тока настуПает При выПолнении равенства (4.6), т. е. При меньших значениях v_с.

наиболее удобным рабочим участком выходной ха­рактеристики (рис. 4.2) является область насыщения тока, так как в этой области ток не зависит от

рис. 4.2. выходные ха­рактеристики Полевого транзистора с р—n-Пере­ходом

 

от v_с, а за­висит только от входного наПряжения v₃. усилительные свойства Полевого транзистора характеризуются крутиз­ной характеристики

g=-dI_c/dv₃       (4.7)

знак минус Появляется за счет того, что увеличению v₃ соответствует уменьшение I_c и наоборот.

в настоящее время Предложено множество различ­ных конструкций Полевых транзисторов с p-n-Перехо­дом. наиболее технологичной является Планарная кон­струкция (рис. 4.3).

в рассмотренных Полевых транзисторах большая часть мощности выделяется на участке канала вблизи стока, Поскольку ширина канала там наименьшая, а со­Противление наибольшее. увеличение мощности можно Получить в конструкции Полевого транзистора с неравно­мерной концентрацией Примеси в канале, от истока к сто­ку. При n_и<n_c расПределение концентрации Примеси Подбирается таким образом, что ширина канала стано­вится одинаковой По всей длине канала. в таком Прибо­ре мощность, выделяемая в канале, расПределяется рав­номерно По его длине, что Позволяет увеличить общую мощность Полевого транзистора.

рис. 4.3. Планерная кон­струкция Полевого транзи­стора с р—n-Переходом. и — исток, с — сток, 3 — за­твор, о — обедненная область

 

основными особенностями Полевых транзисторов, По сравнению с биПолярными, являются: высокое входное соПротивление Порядка 10⁶ ом (в биПолярных 10... ...100 ом); большая Предельная частота вследствие отсутствия инжекции и диФФузионной емкости на входе.