Униполярные транзисторы
В классе полевых транзисторов различают транзисторы с управляющим pn -переходом и транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП- транзисторы).
С помощью pn -перехода, включенного в обратном направлении, возможно в объеме кристалла создать область с управляемым сечением, будем называть её каналом. Поскольку в таких структурах мощность, затрачиваемая на управление сечением канала, значительно меньше мощности, которую может отдавать в нагрузку проходящий через сечение управляемый ток, то такие структуры нашли применение в усилительных приборах, названных полевыми транзисторами с управляющим pn-переходом, или просто полевые транзисторы. Рассмотрим структуру транзистора, представленную на рис. 8.1.
Рис. 8.1 Структура полевого транзистора с управляющим pn -переходом |
Он состоит из пластины полупроводника n-типа, к торцам которой присоединены сток и исток; к боковым граням пластины присоединяется затвор; между pn -переходами располагается канал ПТУП, который имеет следующие геометрические размеры: L – длина, d -толщина и b – ширина.
|
|
Основной рабочей областью в рассматриваемой структуре служит канал, электрическое напряжение к которому прикладывается с помощью двух контактов: истока и стока. Стоком называют ту область (или тот электрод), в сторону которой текут основные носители. В полевых транзисторах сток и исток можно менять местами, сохраняя работоспособность прибора.
Канал ограничен сильно легированной p-областью образующей тело затвора, потенциал которого задается с помощью внешнего контакта. При отсутствии напряжения на затворе сопротивление канала мало, говорят, что ПТУП – нормально открытый прибор.
Тогда, используя приведенные на рис. 8.1, обозначения размеров, можно записать:
, | (8.5) |
На управляющий pn -переход можно подавать только обратное напряжение, и поэтому ПТУП работает в режиме обеднения канала носителями заряда.
При изменении потенциала затвора происходит изменение ширины области пространственного заряда (ОПЗ) pn -перехода и соответственно изменение сечения канала. Поскольку ОПЗ обладает высоким сопротивлением, изменение сечения канала будет приводить к изменению тока через него, именно этот эффект и используется для управления током, проходящим через канал. В отличие от биполярных транзисторов в данном случае управление осуществляется потоком основных носителей заряда, поэтому принципиально эти транзисторы могут быть более быстродействующими, чем биполярные, поскольку в них отсутствует накопление избыточного заряда и не требуется время на его создание и рассасывание при изменении входного сигнала.
|
|
В приведенной на рисунке структуре, канал обладает электронной проводимостью. Аналогичная структура может быть создана с каналом p -типа.
Рассмотрим процессы в канале ПТУП при Uси =0. При подаче обратного смещения на затвор относительно истока (Uзи) ОПЗ расширяется, соответственно, толщина проводящего канала уменьшается и сопротивление канала увеличивается.
. | (8.1) |
где d0 – исходная максимально возможная толщина канала (Uзи =0)
При некотором значении Uзи ОПЗ занимает весь канал (2∙ w=d0) – происходит так называемая отсечка канала. Из (8.1) нетрудно выразить напряжение Uотс, при котором достигается отсечка канала – напряжение отсечки (при d=0):
, | (8.2) |
тогда
. | (8.3) |
Рассмотрим процессы в канале ПТУП при Uси ≠0. Транзистор включается таким образом, чтобы pn -переход затвора находился под обратным смещением, а полярность напряжения исток – сток выбирается такой, чтобы основные носители заряда под действием электрического поля в канале смещались к стоку. Для n -канального транзистора, показанного на рис. 8.2, на сток относительно истока должен подаваться положительный потенциал, к которому под действием поля будут дрейфовать электроны. На затвор относительно стока необходимо подавать отрицательный потенциал, чтобы затворный переход находился под обратным смещением.
Толщина канала в этом случае будет зависеть не только от Uзи, но и от Uси, которое распределяется по оси х (рис. 8.2): в точке канала с координатой падение х падение напряжения равно U(х), а напряжение на pn -переходе Uз+ U(х).
Тогда толщина канала d есть функция координаты х:
(8.4) |
При увеличении Uси толщина канала будет уменьшаться прежде всего вблизи стока (рис. 8.3), а сопротивление канала расти. Когда Uси достигает граничного значения, при котором Uси гр= Uотс- Uзи, канал перекрывается ОПЗ.
p-канал |
Рис. 8.2 Структура ПТУП при Uси гр≥ Uси |
При этом вблизи стока возникает область протяженностью Δ L, сопротивление которой значительно превосходит сопротивление остального участка канала, следствием чего явится перераспределение падения напряжения вдоль канала. Практически все падение напряжения между истоком и стоком оказывается приложенным к участку Δ L.
Рис.8. Форма канала при различных значениях напряжений на затворе и стоке а) Uc мало, Uз изменяется; б) Uз=0, Uc изменяется; в) Uз=0, Uc= Ucотс; г) Uc+ Uз> Ucотс |
Дальнейшее увеличение напряжения между истоком и стоком приведет к росту величины Δ L, это приводит к увеличению сопротивления канала таким образом, что изменение тока с ростом напряжения становится незначительным, т.е. имеет место переход на участок насыщения тока стока (пологая область ВАХ).