Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом.

8.2. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом.

В полевых транзисторах с управляющим р-п переходом поперечное сечение канала d изменяется путем изменения ширины р-п перехода, отделяющего электрод затвора от канала. На рисунке 8.2 показано устройство и

Рис.8.2. Устройство и электрическая схема включения полевого транзистора

I_C

с управляющим р-п переходом.

схема включения полевого транзистора с управляющим р-п переходом и каналом п-типа проводимости. Как видно из рисунка, в полупроводнике п-типа с двух боковых сторон созданы высоколегированные области р-типа проводимости, на которых сформированы выводы затвора. На торцах полупроводника изготовлены выводы для истока и стока. Р-области затвора с полупроводником п-типа образуют р-п переходы, заштрихованные на рисунке. Область полупроводника между р-п переходами образует канал полевого транзистора п-типа проводимости.

Для пояснения принципа работы рассматриваемого полевого транзистора создадим электрическую схему, в которой в цепи между истоком и стоком, называемой выходным, включим плюсом к стоку источник постоянного напряжения V_СИ . Оно обеспечивает дрейфовое движение электронов от истока к стоку через канал, образуя ток стока I_C. В цепь между затвором и истоком, называемым входным, включаем источник напряжения V_ЗИ, при изменении которого меняется ширина р-п переходов. Таким образом, исток в схеме является общим, т.е. полевой транзистор включен в электрическую цепь с общим истоком (ОИ), которая, в основном, и находит применение на практике.

При управляющем напряжении V_ЗИ = 0 основные носители заряда - электроны под действием ускоряющего электрического поля в канале ( = 10³Q10⁴ В/см), создаваемым V_СИ, дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток I_С, создаваемый этими электронами, определяется как напряжением стока V_СИ, так и сопротивлением канала. Последнее зависит от поперечного сечения канала, которое ограничивается p-n переходами (заштрихованные области). Как видно из рисунка 8.2, активная ширина канала d, по которой протекает ток стока полевого транзистора, определяется выражением:

, (8.1)

где d₀ – технологическая ширина канала, а l – общая ширина р-п перехода.

Если теперь будем менять напряжение V_ЗИ, то меняется ширина р-п перехода и, тем самым в соответствие с (8.1), меняется активная ширина канала. Изменение ширины канала меняет сопротивление канала и величину тока стока. Таким образом, появляется возможность управления током стока.

Эффективность управления током стока в полевых транзисторах повышается при заметном изменении d с изменением управляющего напряжения V_ЗИ. Для этого р-область полевого транзистора делают низкоомной, а область канала – высокоомной. Тогда р-п переход шириной l лежит, в основном, в области канала. Эффективность управления повышается также при обратно смещенном р-п переходе, когда напряжение V_ЗИ можно менять в широких пределах. При обратно смещенном р-п переходе его сопротивление велико, что обеспечивает высокое входное сопротивление полевого транзистора и низкую потребляемую мощность управления. Поэтому, в полевых транзисторах с управляющим р-п переходом напряжение V_ЗИ должно обеспечивать обратное смещение р-п перехода.

Проведем расчет активной ширины канала в зависимости от напряжения V_ЗИ для двух случаев:

1. Пусть V_СИ = 0. Тогда ширина р-п перехода при V_ЗИ < 0 (обратное напряжение на переходе для транзистора с каналом п-типа) как известно, имеет вид:

, (8.2)

где φ_K - контактная разность потенциалов, п – концентрация электронов в области канала. Обычно в реальных полевых транзисторах φ_K < V_ЗИ, поэтому для упрощения расчетов можно пренебречь величиной φ_K . Тогда имеем:

. (8.3)

Подставив (8.3) в (8.1) получим

. (8.4)

При некотором V_ЗИ = V_ЗИ0 вес канал транзистора будет охвачен р-п переходом (рис. 8.3, б) и канал исчезнет, т.е. d = 0. Напряжение V_ЗИ0 называется напряжением отсечки канала. Из (8.4) при d = 0 получим, что

. (8.5)

С учетом (8.5) (8.4) примет вид:

. (8.6)

Выражение (8.6) описывает зависимость активной ширины канала от напряжения на затворе V_ЗИ.

При V_СИ = 0 ширина р-п перехода определяется только напряжением на затворе и остается неизменной во всех сечениях по длине канала от истока до стока (рис.8.3, а), остается постоянной и площадь сечения канала.

Рис.8.3. Профили канала полевого транзистора при разных напряжениях

на его электродах (области р-п-перехода затемнены).

2. Пусть V_СИ > 0. Тогда через канал потечет ток стока, который создаст вдоль канала распределенное падение напряжения V(x). Напряжение на р-п переходе теперь определяется напряжением на затворе и напряжением V(x), т.е. для абсолютных значений напряжений можно написать:

. (8.7)

Тогда при протекании тока стока для активной ширины канала с учетом (8.7) имеем: . (8.8)

Поскольку напряжение V(x) линейно возрастает от истока к стоку вдоль канала, то толщина p-n-перехода будет при х = 0 (см. рис.8.2) минимальна вблизи истока, где V(x) = 0 и максимальна при х = L вблизи стока, где V(x) = V_C_И. Таким образом, канал сужается вдоль p-n-перехода от истока к стоку и наибольшим сопротивлением канал обладает в наиболее узкой своей части, т.е. в стоковом конце. При некотором канал в стоковом конце перекрывается (рис. 8.3, в), т.е. d = 0. Из (8.8) при условии тогда имеем:

. (8.9)

Перекрытие канала в стоковом конце не означает отсечку тока стока, как при перекрытии канала напряжением на затворе. Действительно, перекрытие канала в стоковом конце обусловлено протеканием тока стока. Отсечка тока стока привела бы к открыванию канала, так как при этом V(x) станет равной нулю. Это приводит к появлению тока стока, что, в свою очередь, перекрывает канал и т.д. В результате этих процессов устанавливается равновесное состояние канала, при котором через канал будет протекать некоторый постоянный ток насыщения , где - сопротивление канала при . Таким образом, при перекрытии канала в стоковом конце наблюдается отсечка приращения тока стока и полевой транзистор при этом по отношению к внешней цепи представляет собой источник постоянного тока с большим выходным сопротивлением.

С физической точки зрения протекание тока стока при закрытом канале в стоковом конце можно объяснить существованием падения напряжения в области перекрытия канала. При этом падение напряжения выделяется только между истоком и точкой (рис. 8.7, г) перекрытия канала и практически остается постоянной с изменением . Это падение напряжения создает продольное электрическое поле, которое переводит подошедшие к перекрытию электроны к стоку, вызывая ток стока. С ростом падение напряжения увеличивается, что вызывает некоторый рост тока стока в области его насыщения, что хорошо наблюдается экспериментально.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒