Статические характеристики и параметры МДП транзисторов со встроенным каналом.

Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называют полевыми транзисторами. У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки).

Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим p-n-переходом и со структурой металл - диэлектрик — полупроводник (МДП-транзисторы).

Рис. 2.37. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом (а); условные обозначения транзистора, имеющего канал n-типа (б) и р-типа (в); типовые структуры (г, д): структура транзистора с повышенным быстродействием (е)

Транзистор с управляющим p-n-переходом (рис. 2.37) представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода — электроды стока и истока. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n-переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод — затвор.

Внешние напряжения прикладывают так, что между электродами стока и истока протекает электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает электрический переход в обратном направлении. Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, которая носит название канала, зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала.

Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения.

Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом приведена на рис. 2.37, а. Условные обозначения даны на рис. 2.37, б, в, а структуры выпускаемых промышленностью полевых транзисторов — на рис. 2.37, г — е.

Если в пластинке полупроводника, например n-типа, созданы зоны с электропроводностью p-типа, то при подаче на p-n-переход напряжения, смещающего его в обратном направлении, образуются области, обедненные основными носителями заряда (рис. 2.37, а). Сопротивление полупроводника между электродами истока и стока увеличивается, так как ток проходит только по узкому каналу между переходами. Изменение напряжения затвор — исток приводит к изменению размеров зоны объемного заряда (размеров p-n перехода), т. е. к изменению сопротивления канала. Канал может быть почти полностью перекрыт и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень высоким (несколько — десятки МОм).

Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения Ic, называют напряжением отсечки полевого транзистора Uзи отс. Строго говоря, при напряжении отсечки транзистор должен закрываться полностью, но наличие утечек и сложность измерения особо малых токов заставляют считать напряжением отсечки то напряжение, при котором ток достигает определенного малого значения. Поэтому в технических условиях на транзистор указывают, при каком токе стока произведено измерение Uзи отс.

Ширина p-n-перехода зависит также от тока, протекающего через канал. Если Uси не равно 0, например Uси >0 (рис. 2.37, а), то ток Ic, протекающий через транзистор, создаст по длине последнего падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор - канал.

Рис. 2.38. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом(а); его входная характеристика (6) и характеристика передачи (стокозатворная) (в): I - крутая область; II - пологая область, или область насыщения; III - область пробоя

Это приводит к увеличению ширины p-n-перехода и соответственно к уменьшению сечения и проводимости канала, причем ширина p-n-перехода увеличивается по мере приближения к области стока, где будет иметь место наибольшее падение напряжения, вызванное током Ic на сопротивлении канала Rси. Так, если считать, что сопротивление транзистора определяется только сопротивлением канала, то у края p-n-перехода, обращенного к истоку, будет действовать напряжение Uзи, а у края, обращенного к стоку, — напряжение / Uзи / +Uси. При малых значениях напряжения Ucи и малом Iс транзистор ведет себя как линейное сопротивление. Увеличение Uси приводит к почти линейному возрастанию Ic, а уменьшение Ucи - к соответствующему уменьшению Ic. По мере роста Ucи характеристика Ic=f(Ucи) все сильнее отклоняется от линейной, что связано с сужением канала у стокового конца. При определенном значении тока наступает так называемый режим насыщения (участок II на рис. 2.38, а), который характеризуется тем. что с увеличением Ucи ток Ic меняется незначительно. Это происходит потому, что при большом напряжении Ucи канал у стока стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение Ucи и рост тока Ic вызывают дальнейшее сужение канала и соответственно уменьшение тока Ic. В итоге последний остается почти постоянным. Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Оно, как видно из рис.2.38a, меняется при изменении напряжения Ucи. Так как влияние Uзи и Ucи на ширину канала у стокового вывода практически одинаково, то

Итак, напряжение отсечки, определенное при малом напряжении Uси<Uси нас, численно равно напряжению насыщения при Uзи=0, а напряжение насыщения при определенном напряжении на затворе Uзи равно разности напряжения отсечки и напряжения затвор - исток.

При значительном увеличении напряжения Uзи у стокового конца наблюдается пробой p-n-перехода.

В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить две рабочие области ОА и ОВ. Область ОА называют крутой областью характеристики, область АВ - пологой или областью насыщения. В крутой области транзистор может быть использован как омическое управляемое сопротивление. В усилительных каскадах транзистор работает на пологим участке характеристики. За точкой В возникает пробой электрического перехода.

Входная характеристика полевою транзистора с управляющим p-n-переходом (рис. 2.38,б) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики p-n-перехода. Хотя ток затвора несколько меняется при изменении напряжения Ucи и достигает наибольшего значения при условии короткого замыкания выводов истока и стока (ток утечки затвора Iз ут) - им в большинстве случаев можно пренебречь. Изменение напряжения Uзи не вызывает существенных изменений тока затвора, что характерно для обратного тока p-n-переходa.

При работе в пологой области вольт-амперной характеристики ток стока при заданном напряжении Uзи определяют из выражения

Где Ic нач - начальный ток стока, под которым понимают ток при Uзи=0 и напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщения: / Ucи / > / Ucи нас /.

Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то для количественном оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики