4.      Принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Принцип работы полевого транзистора с управляющим p‑n‑переходом рассмотрим на примере ПТУП с каналом n‑типа и одним управляющим p‑n‑переходом. На рис. 4.13 представлены структура и условное изображение приборов подобного типа.

 

Рис. 4.13. ПТУП с каналом n-типа: а - структура; б - условное графическое изображение

 

Прибор содержит две сильно легированные области -типа, которые называются истоком и стоком. Эти области соединяются каналом, расположенным в слаболегированном слое n‑типа. Управляющий p‑n‑переход образован между сильнолегированной областью затвора ‑типа и каналом п-типа. Второй границей раздела канала служит p‑n‑переход, образованный n‑каналом и подложкой p‑типа, которая обычно соединена с истоком. На сток подается положительное напряжение , под действием которого происходит дрейфовое движение носителей заряда (электронов) от истока к стоку. К электроду затвора приложено некоторое затворное напряжение , смещающее p‑n‑переход затвор‑канал в обратном направлении. Под действием затворного напряжения обедненная область  перехода расширяется, а толщина канала  уменьшается. По мере сужения канала его сопротивление возрастает, а ток в цепи исток‑сток уменьшается. Следовательно, напряжение на затворе управляет током в канале. Данный прибор можно рассматривать как переменный резистор, управляемый напряжением . Причем для лучшего управления необходимо, чтобы большая часть перехода находилась в области канала. Поэтому область затвора выполняется из высоколегированного материала.

Определим зависимость толщины и проводимости канала от управляющего напряжения на затворе при нулевом напряжении на стоке. Толщину канала согласно рис. 4.13 можно записать следующим образом:

,

(4.42)

где         ‑ расстояние от границ подложки до металлургической границы управляющего p‑n‑перехода.

Используя для выражение (2.59), получаем зависимость толщина канала от напряжения на затворе:

.

(4.43)

Из условия  можно найти напряжение отсечки , при котором обедненный слой перекрывает весь канал:

.

(4.44)

Например, при  мкм напряжение отсечки  В.

Как видно, толщина канала  и концентрация примеси  в нем должны быть достаточно малы. В противном случае напряжение отсечки будет настолько большим, что полное управление током окажется практически невозможным.

Если считать, что проводимость канала  равна

,

(4.45)

то с учетом формулы (4.43) и (4.44)можно записать зависимость проводимости от напряжения на затворе:

,

(4.46)

где         ‑ проводимость канала при отсутствии обедненного слоя, т.е. при  В.

При подаче на сток некоторого напряжения по каналу потечет ток , который, как и в случае с МОП‑транзистором, называют током стока. Если  мало, как на рис. 4.14, а, то канал действует как простой резистор, в котором соблюдается линейная зависимость тока от напряжения ,

 

Рис. 4.14. Принцип работы ПТУП с каналом n-типа

 

с ростом которого увеличивается падение напряжения вдоль канала, приводящее к возрастанию обратного смещения на p‑n‑переходе затвор‑канал вдоль канала от стока к истоку. Другими словами, при произвольном  напряжение между затвором и каналом есть функция координаты . Следовательно, ширина обедненной области и сечение канала также меняются с изменением координат. Поэтому ширина обедненной области возрастает от истока к стоку.

Когда напряжение  достигает некоторого критического значения , называемого напряжением насыщения, канал около стока перекрывается. Образуется "горловина" канала. В окрестности "горловины" взаимодействие горизонтального и вертикального электрических полей с плотностью тока сложно описать. Для краткости изложения будем считать, что в "горловине" обедненные слои смыкаются, изолируя исток от стока. Примем также, что ток стока проходит через обедненный слой так же, как проходят носители заряда через область коллекторного перехода в биполярном транзисторе. Обозначим ток стока при этом условии (рис. 4.14, б).

При увеличении напряжения стока  обедненный слой становится шире (рис. 4.14, в), но ток в канале остается примерно равным , потому что основная часть прироста напряжения находится на обедненный слой, а точка, где начинается полное обеднение канала, несколько сместится в сторону истока. В этом случае ПТУП работает в режиме насыщения, а ток  называют током насыщения. Напряжение на стоке, при котором наступает режим насыщения, равно

(4.47)