Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Эквивалентная схема, статистические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевым (унипольным) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к управляющему электроду (затвору).

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом (p-n-переходом или барьером Шоттки) и с изолированным затвором.

Принцип устройства и включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, а также его условное графическое обозначение показаны на рис. 1. Пластинка из п/п, например n-типа (канал) имеет на противоположных концах электроды – исток (И) и сток (С). Входная (управляющая) цепь транзистора имеет p-область – затвор (З). в рабочем режиме затвор отделен от канала обратно смещенным р-n-переходом. Удельное сопротивление канала намного больше удельного сопротивления р-области.

Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, используя его выходные (стоковые) и стокозатворные (передаточные, переходные) хар-ки, изображенные на рис. 2. на выходных характеристиках транзистора (рис. 2а) можно выделить три области: 1 – начальная (крутая, омическая) область (особенно на начальном участке хар-ка близка к линейной и транзистор можно использовать как электрически управляемое сопротивление); II- область насыщения (активная, пологая область); III – пробой p-n-перехода.

Пусть UЗИ=0 (затвор и исток закорочены) и подано положительное напряжение UСИ. За счет протекания тока по каналу обратное напряжение в различных частях p-n-перехода различно (рис.1а). в области вблизи истока это напряжение близко к нулю, а в области вблизи стока это напряжение равно UСИ. Поэтому p-n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. А при изменении ширины канала изменяется и ток через него. При увеличении напряжения до напряжения насыщения UСИ.нас канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 1а – пунктир), и сопротивление канала становится высоким. Следует учитывать условность понятия «перекрытие» канала, т.к. в данном случае через канал протекает максимальный ток стока IС.нач. Таким образом, можно считать, что в результате увеличения напряжения на стоке автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала со стороны стокового электрода.

При дальнейшем увеличении напряжения UСИ длина перекрытой части канала будет расширяться (точечный пунктир на рис.1а). Транзистор перейдет в область насыщения II (рис. 2а, верхняя характеристика). В этой области ток стока слабо зависит от напряжения сток – исток. Объясняется это тем, что при повышении UСИ ток должен увеличиваться, но, т.к. одновременно повышается обратное напряжение на p-n-переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается, т.е. его сопротивление возрастает, и за счет этого ток IC должен уменьшаться. Таким образом, имеют место два взаимно противоположных воздействия на ток, который в результате остается почти постоянным.

Приложение к затвору обратного напряжения вызывает сужение канала и уменьшает его исходную проводимость. Поэтому начальные участки кривых при UЗИ 0 имеют меньшую крутизну нарастания тока, перекрытие канала происходит при меньшем напряжении и границе участков I и II будут соответствовать меньшие напряжения насыщения сток – исток UСИ.нас (рис 2а). Соответственно будет и меньше ток стока.

Зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении UСИ показана на рис. 2б. Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю или достигает заданного малого значения называется напряжением отсечки UЗИ.отс (или напряжением запирания).

Усилительные свойства полевого транзистора определяются глубиной модуляции сопротивления канала. Для увеличения глубины модуляции вдвое изготавливают p-n-переход с двух противоположных сторон (рис. 1б).

Входное сопротивление транзистора определяется обратно смещенным p-n-переходом и может составлять 108-1012 Ом. Усилительные свойства транзистора характеризуются крутизной стоко-затворной характеристики (при UСИ=const), отражающей влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора. Типичные значения S лежат в пределах 0,3-7 мА/В. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом выпускаются на токи IC до 50 мА и напряжения UСИ до 50 В. Межэлектронные емкости, определяемые p-n-переходом, находятся в пределах 2-20 пФ.

Если транзистор выполнен на подложке, то вывод подложки обычно соединяют с истоком. Толщина канала может составлять 1 мкм, длина – несколько микрометров, а ширина зависит от мощности транзистора.