Полевой транзистор с управляющим pn- переходом (ПТУП)

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 U_си =0. При подаче обратного смещения на затвор относительно истока (U_зи) ОПЗ расширяется, соответственно, толщина проводящего канала уменьшается и сопротивление канала увеличивается.

.

(8.1)

где d₀ – исходная максимально возможная толщина канала (U_зи =0)

При некотором значении U_зи ОПЗ занимает весь канал (2∙ w=d₀) – происходит так называемая отсечка канала. Из (8.1) нетрудно выразить напряжение U_отс, при котором достигается отсечка канала – напряжение отсечки (при d=0):

,

(8.2)

тогда

.

(8.3)

Рассмотрим процессы в канале ПТУП при U_си ≠ 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 U_зи, но и от U_си, 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 U_з+ U(х).

Тогда толщина канала d есть функция координаты х:

(8.4)

При увеличении U_си толщина канала будет уменьшаться прежде всего вблизи стока (рис. 8.3), а сопротивление канала расти. Когда U_си достигает граничного значения, при котором U_{си гр}= U_отс- U_зи, 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).