Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Наиболее широко распространенные полевые транзисторы содержат один p-n переход. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой пластину (канал) полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного, как правило, n-типа (рис.6.1).

На торцы канала наносят металлические пленки, к которым припаивают или приваривают внешние выводы транзистора. Электрод, из которого в канал втекают основные носители заряда, называется истоком (И). Из канала носители проходят к электроду, который называется стоком (С).

Для управления током ПТ, на одной из боковых граней канала располагают полупроводниковая пластина или слой р-типа.

Эта часть транзистора называется затвором (З). На границе р- и n- областей возникает обедненный слой (заштрихованная область). При подключении к каналу напряжения U_ИС, через канал возникнет ток, равный:

I_C = qnSV, (6.1)

где q – заряд электрона, n – концентрация носителей заряда, V – скорость движения носителей, S – площадь эффективного поперечного сечения канала.

Если между затвором и истоком приложить управляющее напряжение u_ЗИ, то ширина обедненной области будет определяться этим напряжением. Различают два семейства статических характеристик ПТ.

Когда u_ЗИ является обратным (запирающим) напряжением (см. рис.6.1), то ширина обедненной области увеличивается, а площадь эффективного сечения канала S, через которую проходят носители заряда, уменьшается. В результате ток стока i_С зависит от напряжения u_ЗИ.

Стоко – затворной (управляющей, переходной) характеристикой называется зависимость тока стока от напряжения затвор – исток при постоянном напряжении сток – исток:

I_c = f (U_зи)½_{U(си) =const} , (6.2)

типичный вид которой приведен на рис. 6.2. При некотором напряжении u_ЗИ площадь S поперечного сечения канала станет равной нулю,

одновременно станет равным нулю и ток стока i_С. Это напряжение называется запирающим u_ЗАП или напряжением отсечки.

Определенным образом выбирается полярность напряжения между истоком и стоком. Оно должно быть обратным для p-n перехода затвор-исток. Одновременно запирающим должно быть и напряжение u_ЗС между затвором и стоком, т.е. потенциал стока должен быть выше потенциала затвора. Поэтому к стоку прилагается «+», а к истоку - «-» и в этом случае:

u_ЗС = u_СИ + ½u_ЗИ½,

т.е. напряжение на переходе между стоком и затвором оказывается большим, чем u_ЗИ на р-n переходе между затвором и стоком. Поэтому запирающий слой перехода сток-затвор имеет большую ширину, чем в районе перехода затвор-исток, а площадь сечения канала вблизи стока меньше, чем вблизи истока.

Стоковой (выходной) характеристикой называется зависимость тока стока от напряжения сток – исток при постоянном напряжении затвор – исток:

I_c = f (U_си)½_{U(зи) =const} . (6.3)

При увеличении напряжения u_СИ вначале ток i_С увеличивается.

Это объясняется ростом дрейфовой скорости V носителей заряда в канале:

V = mЕ, (6.4)
где m - подвижность носителей заряда; Е – напряженность поля в канале, которая растет с ростом напряжения u.

Одновременно с ростом u_СИ увеличивается запирающее напряжение на переходе сток-затвор, уменьшается сечение канала вблизи стока, и рост скорости V компенсируется уменьшением площади S, зависящей от напряжений u_ЗИ, u_СИ. Увеличение u_СИ и уменьшение S (u_ЗИ, u_СИ) приводит к тому, что ток i_С при изменении большего по величине u_СИ меняется очень слабо (рис.6.3). Эти зависимости i_С (u_СИ) при разных значениях u_ЗИ называются выходными (стоковыми) характеристиками.

При подаче большего по абсолютному значению запирающего напряжения на затвор u_ЗИ площадь канала S и ток i_С уменьшаются, а соответствующие кривые i_С (u_СИ) проходят ниже. Дальнейшее повышение напряжения u_СИ приводит к электрическому пробою р-n перехода затвор-сток, ток i_С начинает нарастать, что показано пунктиром.

Работа транзистора происходит на пологих участках выходных характеристик. Напряжение u_{СИ НАС}, с которого прекращается заметный рост тока, называется напряжением насыщения.

Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами:

1) крутизной, определяющей управляющее действие затвора

S = Di_C / DU_ЗИ при u_СИ = const, (6.5)

При работе в активном режиме в среднем составляет
S » 0,3 ¸ 3 мА/В;

2) внутренним (выходным) сопротивлением R_i, представляющим дифференциальное сопротивление транзистора между истоком и стоком

R_i = Du_СИ / Di_C при u_ЗИ = соnst, Du_СИ ® 0, (6.6)

достигает от нескольких сотен килоом до единиц мегаом и может быть больше сопротивления транзистора по постоянному току
R₀ = u_СИ / i_CИ;

3) коэффициентом усиления m, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток i_C изменение u_ЗИ, нежели изменение u_СИ

m = - Du_СИ/ Du_ЗИ при i_C = соnst, Du_ЗИ ® 0.

DU_ЗИ ® 0

Чтобы i_C оставалось постоянным при изменениях u_СИ и u_ЗИ, приращения Du_СИ и Du_ЗИ должны иметь разные знаки, а величина m положительна и равна

m = ½Du_СИ/ Du_ЗИ ½= SR_i (6.7)

На пологих участках выходных характеристик m достигает сотен и тысяч.

Величины S и R_i находятся по характеристикам рис.6.2 и рис.6.3, при малых приращениях Di_C, Du_СИ, Du_ЗИ, а m находится перемножением S и R_i. Входное сопротивление R_ВХ полевого транзистора представляет собой дифференциальное сопротивление запертого p-n перехода затвор-исток. Это сопротивление очень велико и на низких частотах достигает значений от единиц до сотен мегаом.