Полевой транзистор с управляющим p-n переходом.

На рисунке 4.1 приведена упрощенная структура  полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа.  В принципе канал может иметь электропроводимость, как p-типа, так и n-типа; поскольку mn > mp   выгоднее применять n-канал. Затвор выполняют в виде полупроводниковой области p+-типа. Во входную цепь между затвором и каналом включен источник обратного смещения UЗИ. Выходная цепь состоит из источника постоянного напряжения UСИ плюсом подсоединенного к стоку. Исток является общей точкой схемы. Контакты истока и стока невыпрямляющие.

Полевой транзистор работает следующим образом. При отсутствии напряжения на входе основные носители

заряда - электроны под действием ускоряющего электрического поля в канале (E = 105Q104В/см) дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток IС, создаваемый этими электро­нами, определяется как напряжением стока UСИ, так и сопротивле­нием канала. Последнее зависит от поперечного сечения канала, которое ограничивается p-n переходом (заштрихованная область). Поскольку потенциал электрического поля линейно возрастает от истока к стоку вдоль кана­ла, толщина p-n перехода минимальна вблизи истока и максималь­на вблизи стока, и канал сужается вдоль  p-n перехода от истока к стоку. Таким образом, наибольшим сопротивлением канал обла­дает в наиболее узкой своей части, т.е. у стока.

Если обратное напряжение UЗИ подаваемое к затвору увеличить, то толщина p-n перехода по всей его длине увеличится, а площадь сечения канала и, следователь­но, ток в цепи стока уменьшаются.

Указанный эффект будет тем сильнее, чем больше удельное сопротивление материала полупроводника, поэтому полевые транзисторы выполняют из высокоомного материала (с малой концентрацией примесей в канале). При обратном напряжении на затворе равном UЗИ0 сечение канала в определенной его части станет равным нулю и ток через канал прекратится. Такой режим называется режимом отсечки.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

В качестве статических характеристик ПТ представляются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам:входная характеристика IЗ = f(UЗИ) при UСИ = const; характеристика обратной связи I3=f(UСИ) при UЗИ = const; характеристика прямой передачи IС=f(UЗИ) при UСИ = const; выходная характеристика IС = f(UСИ) при UЗИ = const.

На практике широко используются лишь две последние характеристики, причем первую из них часто называют передаточной характеристикой.

Входная характеристика и характеристика обратной связи применяется редко, так как в абсолютном большинстве случаев входные токи ПТ пренебрежимо малы (от 10-8 до 10-12 А) по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные ко  входу.

На рисунке 4.2, а изображена характеристика прямой передачи IС =f(UЗИ).

При напряжениях на стоке UСИ > UЗИ0 характеристика прямой передачи хорошо описывается формулой

   ,                                               (4.1)

где IС0 – ток стока при UЗИ=0.

На рисунке 4.2, б изображено семейство статических выходных характеристик IС =f(UСИ) при различных значениях напряжения затвора  UЗИ. Каждая характеристика имеет три участка - омический (для  UСИ < UЗИ0-  UЗИ), насыщения (для UСИ > UЗИ0 - UЗИ) и пробоя. При UЗИ = 0 с увеличением напряже­ния UСток IС вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться линейному закону; ток IС начинает расти медленнее, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и потенциала вдоль канала. Вследствие этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала в области, прилегающей к стоку,   это приводит к замедлению возрастания самого тока IС. При напряжении насыщения UСИ = UЗИ0 сечение канала вблизи стока приближается к нулю и рост IС прекращается.

В омической области UCИ < |UЗИ0 - UЗИ|  ток стока определяется формулой                          

,                            (4.2)                         

где КПТ – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора и свойства материала, из которого он изготовлен.

Значение КПТ можно выразить через параметры ПТ. Например, в случае ПТ с p-n-переходом

                                                 (4.3)

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора UЗИ1, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях UСИ, будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит при меньших значениях UСИ1=UЗИ0 -UЗИ1.

При больших напряжениях на стоке наблюдается резкое увеличение IС, и, если мощность рассеивания на стоке превышает допустимую, то происходитнеобратимый пробой участка затвор-сток. При увеличении запирающего напряжения до UЗИ2 увеличивается разность потенциалов между затвором и стоком. В этом случае пробой наблюдается при меньшем напряжении UСИ на величину напряжения UЗИ2, т.е. UСИ2 = UСИ1- UЗИ2.

Если к p-n-переходу затвор-канал прикладывать прямое напряжение, то обедненный слой уменьшается и эффективная толщина проводящего канала увеличивается. Выходной ток в данном случае возрастает. Однако при определенных значениях отпирающего напряжения (превышающих 0,6 В для кремниевых приборов) возникают существенные прямые токи перехода затвор-канал, ток стока и входное сопротивление прибора в этом случае резко падают. Из-за этого в большинстве случаев применения ПТ работа с прямыми токами затвора нежелательна. Поэтому обычно транзисторы с p-n-переходом используют при запирающих входных напряжениях.

Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна S уменьшается с увеличе­нием температуры. Кроме того, с повышением температуры увели­чивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток IЗ черед переход и, следовательно, уменьшается RВХ. У полевых кремниевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые 10°С.

Особенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки (ТСТ), т. е. точки, в которой ток стока прак­тически постоянен при различных температурах (рисунок 4.3). Это объясняется следующим образом. При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителе удельная проводимость канала уменьшается, а, следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина p-n перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Первое сказывается при больших токах стока, второе при малых. Эти два противоположных процесса при определенном выборе рабочей точки мо­гут взаимно компенсироваться. При правильном ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи затвора, в зависимости от температуры будет из­меняться падение   напряжения на нём и потенциал на затворе, которое изменит рабочий ток стока.

Полевые транзисторы с p-n переходом целесообразно приме­нять во входных устройствах усилителей при работе от высокоомного источника сигнала, в чувствительной по току измерительной аппаратуре, импульсных схемах, регуляторах уровня сигнала и т. п.