Р- канал n - канал р -канал n - канал

 

Рис.9.3 Упрощенная классификация полевых транзисторов

Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена

Ю. Лилиенфельдом в 1926-1928 годах. Объективные научные и технологические трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году.

 

В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора - с управляющим p-n переходом.

 

Конструкция полевых транзисторов с барьером Шоттки - была предложена и реализована Мидом в 1966 году.

Полевой транзистор с управляющим р-n переходом

 

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего электрического перехода, смещенного в обратном направлении.

 

Конструкция

Схематическое устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом представлено на рис. 9.4

 

 

Рис. 9.4 Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом

 

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой монокристалл полупроводника n - типа проводимости.

 

По торцам кристалла методом напыления сформированы электроды, а посередине, с двух сторон, созданы две области p -типа проводимости также с электрическими выводами от этих областей, соединенные между собой (возможны и другие варианты структуры, например – цилиндрическая с кольцевым затвором).

 

На границе раздела областей с различным типом проводимости возникнет

р-n переход.

 

ПТ содержит три полупроводниковые области: две одного и того же типа проводи­мости, называемые соответственно истоком (И) и стоком (С), и противоположной им типа проводимости, называемой затвором (З).

Область между стоком и истоком называется каналом.

 

К каждой из областей (стоку, истоку и затвору) присоединены соответствую­щие выводы (невыпрямляющие контакты, омические).

 

В транзисторе используется движение носителей заряда одного знака (ос­новных носителей), которые, ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, СОЗДАВАЕМОГО ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ (U_си), движутся из истока через канал в сток.

 

Этим объ­ясняются названия: исток - область, из которой выходят носители заряда, и сток - область, в которую они входят.

 

p-n переход при нормальном режиме работы транзистора должен быть обратносмещенным.

 

Физика работы

Действие прибора основано на зависимости толщины p-n перехода в зависимости от

приложенного к нему напряжения.

 

Источник напряжения U_3И создает отрицательное напряжение на затворе (относительно истока), p-n переход находится в запертом состоянии и почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость практически равна нулю.

 

Увеличение запирающего напряжение на затворе приводит к увеличению ширины перехода (области обедненной носителями заряда) и соответственно к уменьшению сечения проводящего канала.

 

Если подключить к каналу источник питания U_ИС между стоком и истоком (невыпрямляющими контактами), то через кристалл полупро­водника потечет ток.

 

С уменьшением или увеличением напряжения на затворе (U_3И’, U_3И” на рис.9.4) уменьшается или увеличивается ширина p-n перехода, вследствие этого изменяется сечение канала которое зависит от толщины р-n перехода т.е. изменяется сопротивление канала и в результате изменяется величина тока стока I_С.

Таким образом, изменением напряжения на затворе, можно управлять 1_С.

 

Носители в канале движутся от истока к стоку под действием продольного электрического поля (направленного вдоль канала), создаваемого напряжением меду стоком и истоком.

 

Основным процессом переноса носителей заряда, образующим ток полевого транзистора, является дрейф основных носителей в электрическом поле.

 

Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения между затво­ром и истоком, направлено перпендикулярно дви­жению носителей в канале и при этом говорят, что ток транзистора управляется поперечным электрическим полем.

 

Можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе, при котором произойдет полное перекрытие канала.

При полностью перекрытом канале ток канала I_C обращается в нуль, а в це­пи стока течет лишь малый остаточный ток (или ток отсечки) I_СО.

Он состоит из обратного тока p-n перехода I₀ и тока утечки I_у, протекающего по поверх­ности кристалла. Т.к. I_у «I₀, то I_со ~ I₀.

 

!!! Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда называют униполярным, т. к. его работа основана только токах основных носителях заряда либо электронов, либо дырок (зависит от типа канала).

Вследствие этого в полевом транзисторе отсутствуют процессы накопления и рассасывания объемного заряда неосновных носителей, оказывающих заметное влияние на быстродействие биполярного транзистора.

 

 

Модуляция ширины канала

 

В рабочем режиме по каналу протекает ток I_С, поэтому потенциалы раз­личных поперечных сечений оказываются неодинаковыми, рис.9.5 (для примера показан транзистор с каналом p- типа, напряжение на затворе – положительное, а на стоке - отрицательное).

 

Рис. 9.5Модуляция ширины p- канала

 

Потенциал U_Cх, распре­деленный вдоль канала, меняется от 0 (у земляного вывода) у истока до U_C у стока.

Оба напряжения U_ЗИ (положительное) и U_Cх (отрицательное)являются запирающими для p-n перехода.

Наибольшим будет сечение канала возле истока, где напряжение на переходе U_pn = U_3И, и наименьшим возле стока, где U_{pn =} U_ЗИ - Uc.

Если увеличивать напряжение на стоке Uc, то увеличение I_С, начиная с некоторого

значения Uc, прекратиться, т.к. сужение канала будет увеличивать его сопро­тивление и увеличения тока, несмотря на увеличение напряжения, происходить не будет. Этот процесс называется насыщением.

При относительно большом напряжении Uc, когда U_СИ + U_3И > U_{pn допуст}, в сто­ковом участке обратно включенного управляющего p-n перехода возникает электрический лавинный пробой и I_С резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

 

Условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n переходом:

 

 

Рис. 9.6 Условные обозначения полевого транзистора, имеющего канал n-типа (а) и

p-типа (б). Стрелка в выводе затвора указывает направление прямого тока через р-n переход