Лекция 16. Транзисторы с управляемым р-п-переходом
Анализ работы полевого транзистора с р-п-переходом проведем на его модели, показанной на рис. 5.1, а. В приведенной конструкции канал протекания тока транзистора представляет собой слой полупроводника n-типа, заключенный между двумя p-n-переходами.
Канал имеет контакты с внешними электродами прибора. Электрод, oт которого начинают движение носители заряда (в данном случае электроны), называют истоком, а электрод, к которому они движутся, — стоком. Полупроводниковые слои p-типа, образующие с п-слоем два р-п-перехода, созданы с более высокой концентрацией примеси, чем п-слой. Оба р-слоя электрически связаны между собой и имеют общий внешний электрод, называемый затвором. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом р-типа.
Рис. 5.1. Конструкция полевого транзистора с р-п-переходом (а); условные обозначения полевого транзистора с р-п-переходом и каналом п-типа (б); с р-п-переходом и каналом р-типа (в)
Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 5.1, а. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратным для обоих п-р-переходов. В выходную цепь, в которую входит канал транзистора, включается напряжение Ucи положительным полюсом к стоку.
Управляющие свойства транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения Uзи изменяется ширина его p-n-переходов, представляющих собой участки полупроводника, обедненные носителями заряда. Поскольку р-слой имеет большую концентрацию примеси, чем n-слой, изменение ширины p-n-переходов происходит в основном за счет более высокоомного n-слоя (эффект модуляции ширины базы). Тем самым изменяются сечение токопроводящего канала и его проводимость, т.е. выходной ток Iс прибора.
Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси.
Влияние подводимых напряжений на проводимость канала иллюстрирует рис. 5.2, а—в, где для простоты не показаны участки n-слоя, расположенные вне р-п-переходов.
Рис. 5.2. Поведение полевого транзистора с p-n-переходом и каналом n-типа при подключении внешних напряжений: а) Uзи < 0, Uси = 0; б) Uзи = 0, Uси > 0; в) Uзи < 0, Uси > 0
На рис. 5.2, а внешнее напряжение приложено только к входной цепи транзистора. Изменение напряжения Uзи приводит к изменению проводимости канала за счет изменения на одинаковую величину его сечения по всей длине канала. Но выходной ток Iс = 0, поскольку Uси = 0.
Рис. 5.2, б иллюстрирует изменение сечения канала при воздействии только напряжения Uси (Uзи = 0). При Uси > 0 через канал протекает ток Iс, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток — сток равно Uси. В силу этого потенциалы точек канала n-типа будут неодинаковыми по его длине, возрастая в направлении стока от нуля до Uси. Потенциал же точек р-области относительно истока определяется потенциалом затвора относительно истока и в данном случае равен нулю. В связи с указанным обратное напряжение, приложенное к p-n-переходам, возрастает в направлении от истока к стоку и p-n-переходы расширяются в направлении стока. Данное явление приводит к уменьшению сечения канала от истока к стоку (рис. 5.2, б). Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечений, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих p-n-переходов смыкаются (рис. 5.2, б) и сопротивление канала становится высоким. На рис. 5.2, в отражено результирующее влияние на канал обоих напряжений Uзи и Uси. Канал показан для случая смыкания р-п-переходов.
Рассмотрим вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с п-р-переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт-амперных характеристик: стоковые и стоко-затворные.
Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-п-переходом и каналом п-типа показаны на рис. 5.3. Они отражают зависимость тока стока от напряжения сток — исток при фиксированном напряжении затвор — исток Iс = F(Uси) Uзи = const и представляются в виде семейства кривых. На каждой из этих кривых можно выделить три характерные области: I — сильная зависимость тока Iс от напряжения Uси (начальная область); II — слабая зависимость тока Iс от напряжения Uси; III — пробой р-п-перехода.
Рис. 5.3. Семейство стоковых (выходных) характеристик полевого транзистора с р-п-переходом и каналом п-типа
Рассмотрим выходную характеристику полевого транзистора при Uзи = 0 (см. рис. 5.3, б). В области малых напряжений Uси (участок 0—а) влияние напряжения Uси на проводимость канала незначительно, в связи с чем здесь имеется практически линейная зависимость Iс = F(Uси). По мере увеличения напряжения Uси (участок а—б) сужение токопроводящего канала оказывает все более существенное влияние на его проводимость, что приводит к уменьшению крутизны нарастания тока. При подходе к границе с участком II (точка б) сечение токопроводящего канала уменьшается до минимума в результате смыкания обоих p-n-переходов. Дальнейшее повышение напряжения на стоке не должно приводить к увеличению тока через прибор, так как одновременно с ростом напряжения Uси будет увеличиваться сопротивление канала. Некоторое увеличение тока Iс на экспериментальных кривых объясняется наличием различного рода утечек и влиянием сильного электрического поля в p-n-переходах, прилегающих к каналу.
Участок III резкого увеличения тока Iс характеризуется лавинным пробоем области p-n-переходов вблизи стока по цепи сток — затвор. Напряжение пробоя соответствует точке в.
Приложение к затвору обратного напряжения вызывает сужение канала (см. рис. 5.2, а) и уменьшение его исходной проводимости. Поэтому начальные участки кривых, соответствующих большим напряжениям на затворе, имеют меньшую крутизну нарастания тока (рис.
5.3). Ввиду, наличия напряжения Uзи перекрытие канала объемным зарядом p-n-переходов (см. рис. 5.2, в) происходит при меньшем напряжении и границе участков I и II будут соответствовать меньшие напряжения сток — исток. Напряжениям перекрытия канала соответствуют абсциссы точек пересечения стоковых характеристик с пунктирной кривой, показанной на рис. 5.3. При меньших напряжениях наступает и режим пробоя транзистора по цепи сток — затвор.Важным параметром полевого транзистора является напряжение на затворе, при котором ток стока близок к нулю. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или отсечки Uзи. Числовое значение Uзиo равно напряжению Uси в точке б вольт-амперной характеристики при Uзи = 0.
Поскольку управление выходным током полевых транзисторов производится напряжением входной цепи, для них представляет интерес так называемая переходная или стоко-затворная вольт-амперная характеристика. Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока стока от напряжения затвор — исток при фиксированном напряжении сток — исток: Iс = F(Uзи)Uси = const (рис. 5.4). Стоко-затворная характеристика связана с выходными характеристиками полевого транзистора и может быть построена по ним.
Рис. 5.4. Стоко-затворная характеристика полевого транзистолра с р-п-переходом и каналом п-типа
Основными параметрами полевого транзистора являются: максимальный ток стока Iсmах, максимальное напряжение стока Uсmах, напряжение отсечки Uзиo, внутреннее сопротивление ri, крутизна S, а также межэлектродные емкости затвор — исток Cзи, затвор — сток Сзс и сток — исток Сси.
Максимальное значение тока стока Iс мах соответствует его значению в точке в на выходных характеристиках (при Uзи = 0). Максимальное значение напряжения сток — исток Uсиmах выбирают в 1,2—1,5 раза меньше напряжения пробоя участка сток — затвор при Uзи = 0. Напряжению отсечки Uзиo соответствует напряжение на затворе при токе стока, близком к нулю.
Внутреннее сопротивление транзистора 
, при Uзи = const характеризует наклон выходной характеристики на участке II. Крутизна стоко-затворной характеристики 
, при Uси = const, отражает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора. Крутизну S находят по стоко-затворной характеристике прибора (рис. 5.4). Входное сопротивление rвх = dUзи / dIз транзистора определяется сопротивлением р-п-переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-п-переходом довольно велико, что выгодно отличает их от биполярных транзисторов. Межэлектродные емкости Сзи и Сзс связаны главным образом с наличием в приборе р-п-переходов (см. рис. 5.1), примыкающих соответственно к истоку и стоку.
Рис. 5.5. Схема замещения полевого транзистора с р-п-переходом в области высоких (а) и низких (б) частот
Полевые транзисторы с р-п-переходом выпускаются на токи Iс до 50 мА и напряжения до 50 В. Приведем типичные значения параметров этих транзисторов: Uзио = 0,8÷10 В, ri = 0,02÷0,5 МОм, S = 0,3÷ 7 мА/В, rвх = 108—109Ом, Сзи = Сси = 6÷20 пФ, Сзс = 2÷8 пФ.
Влияние температуры на характеристики и параметры рассматриваемого класса транзисторов обусловливается температурными зависимостями контактной разности потенциалов φ0 и подвижности носителей заряда (электронов или дырок).
Величина φ0 фактически является одной из составляющих напряжения обратносмещенных р-п-переходов. Изменение φ0 в зависимости от температуры приводит к изменению напряжения на переходах и их ширины, а следовательно, к изменению сечения токопроводящего канала и его проводимости. С ростом температуры контактная разность потенциалов φ0 уменьшается, что сказывается на увеличении сечения канала и повышении его проводимости.
Вследствие уменьшения подвижности носителей заряда проводимость канала уменьшается с повышением температуры.Влияние температуры на характеристики и параметры полевого транзистора оказывается достаточно сложным и по-разному проявляется в конкретных типах приборов этого класса. Температурные зависимости характеристик и параметров транзисторов приводятся в справочниках.
Схема замещения полевого транзистора с р-п-переходом показана на рис. 5.5, а Она характеризует работу транзистора на участке II выходных характеристик для переменных составляющих тока и напряжения. При ее построении были использованы следующие соображения. Ток прибора на участке II определяется напряжением на затворе (входе) и крутизной, в связи с чем в выходную цепь схемы замещения введен источник тока Suвх. Параллельно источнику тока включено сопротивление ri, учитывающее влияние напряжения стока на ток прибора. Величины Сзи, Сзс, Сси отражают влияние межэлектродных емкостей на работу транзистора в области высоких частот. Для области низких частот схема замещения полевого транзистора принимает вид, показанный на рис. 5.5, б.