Устройство и принцип действия транзистора

С УПРАВЛЯЮЩИМ p-n ПЕРЕХОДОМ

 

Устройство транзистора, в котором изоляция затвора выполняется с помощью p-n перехода, показано на рис. 9.2.

                          

                     

                                                Рис. 9.2

   Для изоляции канала от затвора и подложки используют p-n переходы. Области стока и истока делают сильнолегированными, а область канала -слаболегирована.

Под действием напряжения Uис через канал начинается дрейфовое движение основных носителей. К затвору прикладывается напряжение Uиз, которое смещает p-n переход в обратном направлении и изолирует затвор. При увеличении обратного смещения возрастает ширина p-n перехода. Поэтому ширина канала снижается и растет его сопротивление. В результате будет изменяться величина тока Ic, протекающего по каналу. Таким образом, изменения входного напряжения Uиз приводит к изменению тока Ic в выходной цепи транзистора. На этом основано действие транзистора с управляющим p-n переходом.

Основные особенности:

1. Перенос тока в канале обусловлен дрейфовым движением основных носителей.

2. Управление током в канале осуществляется с помощью электрического поля или напряжением на затворе, управляющим шириной канала.

3. Поскольку управляющий переход смещен в обратном направлении, ток через него ничтожно мал. При этом мощность, потребляемая по цепи затвора для управления током канала, также ничтожна мала. Поэтому при подключении мощного источника питания в цепь исток-сток-сопротивление нагрузки полевой транзистор обеспечивает усиление входного сигнала, как по мощности, так и по току и по напряжению.

 

 

9.2. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

 

Аналогично биполярному транзистору различают три схемы включения (рис. 9.3).

Рис. 9.3

Полярность напряжений соответствует n-каналу. При канале p-типа полярности следует изменить на обратные.

 

9.3. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРОДОВ НА ПРОЦЕССЫ В             КАНАЛЕ. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЗАТВОРА Uзи

 

Определим влияние Uзи на сопротивление канала.

Рассмотрим случай, когда Uс = 0, а подложка соединена с затвором (рис. 9.4).

            

                                         Рис. 9.4

Пусть к затвору приложено напряжение Uзи. Тогда толщина канала определяется выражением:

 

(1) ,

 

где dпер – толщина запирающего слоя p-n перехода, Uк – потенциальный барьер, h – толщина канала при отсутствии напряжений.

Чем больше Uзи, тем тоньше канал. При Uзи = Uотс канал будет полностью перекрыт, то есть y = 0. Величину Uотс называют напряжением отсечки. Полагая в (1) y = 0, найдем

 

Uотс = .

Тогда

 

.

 

Сопротивление канала обратно пропорционально его ширине. Поэтому:

,

где Rко – сопротивление канала при отсутствии напряжений.

При Uзи стремящемся к Uотс, Rк стремится к бесконечности и транзистор закрывается.

 

9.4. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ СТОКА Uси

 

При подаче на сток напряжения Uси в канале возникает ток Iс, который создает падение напряжения Ux, зависящее от координаты x.

Поэтому смещение зависит от координаты x, а толщина канала изменяется вдоль оси x по закону:

 

                                            Рис. 9.5

 

Минимальная толщина канала будет наблюдаться вблизи стока при
Uх = Uси. При увеличении Uси наряду с ростом тока через канал Iс будет наблюдаться рост сопротивления канала вследствие сужения канала в области стока, что будет препятствовать росту тока Iс.

При Uси ³ Uнас ток Iс достигает насыщения и дальнейший рост Uси не приводит к увеличению тока Iс. Величину Uнас определяют из условия смыкания канала в области стока, где Uх = Uси и y = 0.

Тогда Uнас = Uотс - Uзи -Uк» Uотс - Uзи

Это напряжение называют напряжением насыщения.

Теоретическая ВАХ полевого транзистора описывается соотношениями:

               

                       , при 0 £ Uси £ Uнас

          Jc =

                             

                          Jс нас                                                                       при Uси > Uнас

                          

 

 

9.5. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА  С p-n ПЕРЕХОДОМ

 

Полевые транзисторы имеют большие входные и выходные сопротивления. Поэтому в отличие от биполярных транзисторов статические характеристики исследуют при фиксированных напряжениях (а не токах).

I1 = f(U1); U2 = const – входные характеристики.

I2 = f(U2); U1 = const – выходные характеристики.

I2 = f(U1); U2 = const – передаточная характеристика.

Рассмотрим схему с OU.

Входные характеристики полностью определяются ВАХ управляющего p-n перехода

 

                  

                                   Рис. 9.6

 

Iз = I0 (exp Uзи/jт – 1); Uси = const

 

Поскольку полевой транзистор работает при обратных смещениях управляющего перехода Iз» -Iо. При прямых смещениях полевые транзисторы не используются, так как вследствие роста тока Iз резко падает эффективность управления током Iс.

Входные ВАХ из-за малости Iз обычно не рассматривается и не используется.