Полевые транзисторы с p-n-переходом

Модель полевого транзистора с p-n-переходом показана на рис. 3.17, а. В приведенной конструкции канал протекания тока представляет собой слой полупроводника n-типа, заключенный между двумя p-n-переходами. Электрод, от которого начинают движение носители заряда (в данном случае электроны) называют истоком, а электрод, к которому они движутся, - стоком. Полупроводниковые слои р-типа, образующие с n-слоем два p-n-перехода, созданы с более высокой концентрацией примеси, чем n-слой. Оба р-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором. Подобную же конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p-типа. Условные обозначения полевых транзисторов с каналами n- и p-типа приведены на рис. 3.17, б, в.

Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 3.17, а. Управляющее (входное) напряжение U_зи подается между затвором и истоком. Напряжение U_зи является обратным для обоих p-n-переходов. В выходную цепь, в которую входит канал транзистора, включается напряжение U_си, положительным полюсом к стоку.

Управляющие свойства транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения U_зи изменяется ширина его p-n-переходов, представляющих собой участки полупроводника, обедненные носителями заряда. Поскольку р-слой имеет большую концентрацию примеси, чем n-слой, изменение ширины p-n-переходов происходит в основном за счет более высокоомного n-слоя (эффект модуляции ширины базы). Тем самым изменяются сечение токопроводящего канала и его проводимость, т.е. выходной ток I_с прибора.

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. 3.18.

Если внешнее напряжение приложено только к входной цепи транзистора (рис. 3.18, а), то проводимость канала изменяется только за счет изменения его сечения на одинаковую величину по всей длине канала. Но выходной ток I_с = 0, поскольку U_си = 0.

Если внешнее напряжение приложено только между стоком и истоком (U_си > 0, U_зи = 0, рис. 3.18, б), то через канал протекает ток I_с, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. В силу этого потенциалы точек канала будут неодинаковыми по его длине, возрастая в направлении стока от нуля до U_си. В связи с этим обратное напряжение, приложенное к p-n-переходам, возрастает и p-n-переходы расширяются в направлении стока. При некотором напряжении U_си происходит сужение канала, при котором границы обоих p-n-переходов смыкаются (рис. 3.18, б) и сопротивление канала становится высоким.

На рис. 3.18, в показано результирующее влияние на канал обоих напряжений U_си и U_зи. Канал показан для случая смыкания p-n-переходов. Для полевых транзисторов представляют интерес два вида вольт-амперных характеристик: стоковые и стоко-затворные.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с p-n-переходом и каналом n-типа показаны на рис. 3.19, а. Они отражают зависимость тока стока от напряжения сток-исток при фиксированном напряжении затвор-исток .

Отличительной особенностью стоковых характеристик полевых транзисторов является практически линейная зависимость на начальном участке характеристики (участок 0-а на характеристике, соответствующей U_зи = 0). При дальнейшем увеличении напряжения U_си крутизна увеличения тока уменьшается (участок а-б) из-за сужения токопроводящего канала. При переходе из области I в область II (пунктирная кривая на рис. 3.19, а) сечение токопроводящего канала уменьшается до минимума в результате смыкания обоих p-n-переходов. Дальнейшее увеличение напряжения U_си не должно приводить к увеличению тока, так как одновременно с ростом напряжения U_си будет увеличиваться сопротивление канала (наступает так называемый режим насыщения). Некоторое увеличение тока I_c объясняется наличием различного рода утечек и влиянием сильного электрического поля в p-n-переходах, прилегающих к каналу.

Участок III резкого увеличения тока I_с характеризуется лавинным пробоем области p-n-переходов вблизи стока по цепи сток-затвор (начало в точке в).

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток . Примерный вид этой характеристики показан на рис. 3.19, б. Максимального значения ток стока достигает при U_зи = 0. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока становится равным нулю, называют напряжением отсечки затвор-исток U_{зи отс}.

Другой параметр полевого транзистора, напрямую связанный со стоко-затворной характеристикой, - это крутизна характеристики

,(мА/В),

которая отражает связь выходного тока (тока стока) полевого транзистора с входным напряжением (напряжением затвор-исток).

Крутизна характеристики S – это усилительный параметр полевого транзистора.

Внутреннее (выходное) сопротивление полевого транзистора

,

характеризует наклон стоковой (выходной) характеристики на участке II (см. рис. 3.19, а).

Входное сопротивление r_вх = dU_зи/dI_з определяется сопротивлением p-n-переходов, смещенных в обратном направлении. Величина входного сопротивления имеет порядок (10⁸-10⁹) Ом, поэтому входной ток I_з в статическом режиме можно считать равным нулю.

К основным параметрам полевого транзистора также относятся:

- максимальный ток стока I_{c max};

- максимальное напряжение стока U_{си max;}

- межэлектродные емкости затвор-исток С_зи, затвор-сток С_зс и сток-исток С_си.

Маломощные полевые транзисторы с p-n-переходом выпускают на токи I_{c max} до 50 мА и напряжения U_{си max} до 50 В. Типичные значения параметров таких транзисторов:

U_{зи отс} = (0,8-10) В,

r_i = (0,02=0,5) кОм,

S = (0,3-7) мА/В,

r_вх = (10⁸-10⁹) Ом,

С_зи = С_си = (6-20) пФ,

С_зс = (2-8) пФ.