Полевые транзисторы и пзс

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом

Полевыми называют транзисторы с управляемым каналом для тока основных носителей заряда (с п- ир-каналом представлены на рис. 4.1). Эти транзисторы называются униполярными, так как в них ток переносится за счет дрейфа лишь основных носителей. ПТ делят на транзисторы с затвором в виде управляющего р-п-перехода или барьера Шоттки и транзисторы с изолированным затвором (МОП или МДП транзисторы). Рассмотрим транзисторы с затвором в виде управляющего р-п-перехода, предложенным в 1952 г. Уильямом Шокли и названным унитроном.

Рис. 4.1. Условное графическое обозначение полевых транзисторов с управляющим р-л-переходом с ли р-каналами.

В кристалле п-типа формируются области p-типа, которые образуют р-п-переходы. В центральной части кристалла под р-п-переходами образуется канал, размеры которого можно изменять величиной потенциала на управляющем электроде — затворе (3), к торцам пластины припаяны омические контакты. Один из этих электродов называется истоком (И), а другой — стоком ©. Между истоком и стоком приложено напряжение Е_с. Прибор управляется обратным напряжением, приложенным к р-п-переходу.

Следует отметить, что такая структура (с двумя переходами) в настоящее время не используется, так как ее трудно реализовать на практике. Однако она удобна для анализа, причем результаты анализа легко применить к современным типам приборов с одним переходом.

Конструкции полевых транзисторов разрабатываются с наименьшим возможным поперечным сечением канала (рис. 4.2, б), чтобы получить более сильную модуляцию. Для этого затвор выполняют в виде кольца.

Кроме того, для увеличения глубины модуляции площади поперечного сечения канала и его сопротивления исходный полупроводниковый материал должен обладать малой концентрацией примеси (при этом обратное смещение на переходе будет вызывать значительное расширение р-п-перехода в сторону канала, как в высокоомную область).

Рис. 4.2. Полевой транзистор с управляющим р-п-переходом:

а — структура; б — конструкция С увеличением обратного напряжения на затворе ширина р-п- переходов увеличивается, сечение канала уменьшается, а следовательно, уменьшается и ток 1_С.

При большом отрицательном смещении U₃₀ р-п-переходы перекрывают канал и транзистор будет «запираться».

Понятно, что, меняя напряжение на затворе U_m в пределах до U₃₀, можно изменять сопротивление канала R_K, при этом будет происходить управление током стока 1_С, который определяется как.

где г_и, г_с — сопротивление объема полупроводника, прилегающего к истоку и стоку. Можно показать, что величина R_K будет определяться через значения ширины канала ш, удельное сопротивление р", толщину обедненного слоя I:

Рассмотрим основные характеристики ПТ — стокозатворную и стоковую (выходную).

Вдоль канала происходит падение напряжения, обусловленное прохождением тока между истоком и стоком. В результате разность потенциалов между р- и п-областями полупроводникового кристалла в разных точках р-п-перехода вдоль канала различна. Поэтому канал по мере приближения к стоку сужается (рис. 4.2, а), последовательно принимая положение 1,2,3 с ростом U_m либо [/_си.

В наиболее узком месте (около стока) напряжение на переходе равно U₃ + U_c. С ростом U_c это напряжение в конце концов делается равным напряжению отсечки U_3Q, и переходы почти смыкаются (положение 3). Однако это не приводит к отсечке тока при U_m > U₃₀, так как само «смыкание» является следствием увеличения тока. Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т. е. резкое возрастание дифференциального сопротивления канала (насыщение ВАХ). При этом на кривой /_с =/ (Н_с), начиная с некоторой точки Н, получается практически горизонтальный участок (рис. 4.3).

Такой режим, по аналогии с вакуумными приборами, можно назвать насыщением, а напряжение U_cw при котором он наступает — напряжением насыщения.

Несложно показать, что с ростом | U₃ величина U_CH уменьшается, так как U_CH = U_3Q — U₃. Причем в этом режиме ширина канала вблизи стока становится порядка длины Дебая.

В режиме насыщения, когда U_c > U_CH, потенциал «горловины» канала сохраняет значение Н_си (в противном случае канал должен был бы еще больше сужаться, что невозможно), но «горловина» становится более протяженной и сдвигается в сторону истока.

При достижении режима насыщения рост П_зи приводит к экспоненциальному уменьшению концентрации носителей в канале и одновременно к увеличению скорости носителей до тех пор, пока скорость оставшихся носителей не достигнет дрейфовой скорости насыщения v_s (см. диод Ганна: так как ток определяется j = env, а п снижается с ростом v, то j = const).

Рис. 4.3. Стоковые (выходные) характеристики ПТ с управляющем.

р-п-переходом Разность потенциалов U_c — U_CH падает на участке между стоком и «началом горловины» со стороны истока, а протяженность этого участка определяется как

Таким образом, в режиме насыщения происходит модуляция длины канала (по аналогии с эффектом Эрли в биполярных транзисторах — зависимость ш (t/_K)).

Аналитическое выражение для ВАХ полевого транзистора (рис. 4.2) (начальные участки выходных характеристик близки к линейным) на крутом участке (область нарастания тока).

на пологом участке (область насыщения) или в активной области.

где R_{K min} — сопротивление канала при U_m = 0.

Область насыщения является основной рабочей областью, потому что ток стока эффективно управляется напряжением на затворе U₃ и не зависит от U_c. По этой причине в качестве характеристики передачи рассматривают обычно зависимость тока насыщения от напряжения на затворе I =/ (Н_зи) при U_CH = = const (рис. 4.4, а).

Рис. 4.4. Характеристика передачи ПТ /_сн = f{U_3W) при U_CH = const, семейство статических характеристик передачи Семейство статических характеристик передачи при различных значениях U_c имеет вид, показанный на рис. 4.4, б.

В случае p-канала входные и выходные ВАХ ПТ принимают соответственно вид как на рис. 4.5.

На основании принципа действия можно составить эквивалентную схему полевого транзистора для низких частот. Она будет состоять из объемных сопротивлений кристалла полупроводника стока г_с и истока г_и, величины которых будут определяться конструкцией и технологией прибора.

Рис. 4.5. ВАХ ПТ с р-каналом.

Схема включает в себя: большое по величине дифференциальное сопротивление канала R_K; общее для входной и выходной цепей сопротивление истока г_и, которое играет роль сопротивления внутренней обратной связи в транзисторе, включенном по схеме с общим истоком; емкости С_зи, С_зс; сопротивления г_зи, г_зс, которые замещают в эквивалентной схеме р-п-переход с его барьерной емкостью и большим активным дифференциальным сопротивлением при обратном смещении; генератор тока, включенный параллельно сопротивлению канала, отражающий усилительные свойства транзистора (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Эквивалентная схема ПТ для низких частот.

Необходимо отметить, что эта схема не учитывает реально распределенного характера отдельных параметров, однако для низких частот она дает достаточно полное представление о функционировании прибора и временном влиянии параметров. Учитывая, что емкость и сопротивление затвора распределены по всей площади, как и сопротивление канала, можно представить эквивалентную схему полевого транзистора в виде (рис. 4.7).

Кроме физических эквивалентных схем, можно представить ПТ и формальными эквивалентными схемами на основе описания транзистора юо с помощью уравнений четырехполюсника с Y-, Z- или Я-параметрами, как это выполнено для БТ. При этом, считая малыми объемные сопротивления полупроводника г_с, г_и (они равны приблизительно 10—20 Ом, что на 3−5 порядков меньше г_зи, г_зс) и пренебрегая проводимостями запертого р-п-перехода (мегомы), получаем

Рис. 4.7. Эквивалентная схема ПТ.

Как и в биполярных транзисторах, значения малосигнальных параметров (У_и — входная проводимость при коротком замыкании на выходе; У]₂ — проводимость обратной связи при коротком замыкании на входе; Y₂₁ — проводимость прямой передачи при коротком замыкании на выходе; У₂₂ — выходная проводимость при коротком замыкании на входе) зависят от величины питающих прибор напряжений, но позволяют определять свойства таких приборов в значительном частотном диапазоне.

Как уже отмечалось, принцип действия полевого транзистора не связан с инжекцией неосновных носителей, обладающих «низкими» скоростями, это прибор без инжекции. Здесь частотные свойства в отличие от биполярных транзисторов обусловлены исключительно инерционностью процессов заряда и разряда барьерных емкостей затвора С_{зи с} через распределенные сопротивления R_K, объемные сопротивления кристалла полупроводника г_и, г_с и г_зи, г_зс. По этой причине и сечение канала изменяется не мгновенно, а с какой-то постоянной времени.

На НЧ входное сопротивление определяется величиной г_зи, которое с ростом частоты шунтируется емкостью С_зи и требует при этом для управления значительно большей мощности входного сигнала.

Существенное влияние оказывает и проходная емкость С_зс, создающая частотно-зависимую обратную связь. При этом с ростом частоты возрастает обратная связь через цепь г_с С_зи, что эквивалентно снижению полного входного сопротивления полевого транзистора, а следовательно, и уменьшению усиления.

Основными параметрами ПТ следует считать:

• крутизну характеристики (определяет усилительные свойства).

• выходное или внутреннее сопротивление.

• входное сопротивление.

• • напряжение отсечки (Н_зи > 1/₃₀) и насыщения П_си нас = Н_сн;
• • входную и проходную емкости С_зи, С_зс (п-1 пФ);
• • предельную рабочую частоту / (частота, на которой крутизна | S снижается в 2°>⁵ раза);
• • коэффициент шума (порядка 2 дБ на / = 1 кГц);
• • допустимую мощность рассеяния (5 и более Вт при/. = 500 МГц).

Основными причинами шума в ПТ являются тепловой шум в канале и индуцированный шум затвора. Первый из них представляет собой обычный тепловой шум сопротивления проводящей части канала, а второй является следствием первого, поскольку любая флуктуация потенциала канала вызывает флуктуацию напряжения затвора. Следует отметить, что ПТ с каналом p-типа имеет худшие частотные свойства и большие шумы.

ПТ принципиально отличается от биполярных тем, что управляются электрическим полем, а не зарядом, поступающим в базу под действием входного тока. Достоинства ПТ: большое входное сопротивление; большая эффективность управления, так как обратно смещенный переход затвора не потребляет энергии; лучшие частотные характеристики, потому что перенос носителей определяется проводимостью, а не диффузией.