Физические процессы в полевом транзисторе с p-n-переходом и его статические характеристики

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых управление током осуществляется путём изменения сопротивле­ния токопроводящего полупроводникового слоя (канала) поперечным электрическим полем. В отличии от биполярных транзисторов полевые транзисторы называют униполярными, поскольку  в них используется дви­жение носителей заряда только одного типа – электронов или дырок, яв­ляющихся основными носителями заряда в канале.

Полевой транзистор с p-n-переходом схематически изображен на рис. 5.1. Он представляет собой стержень прямоугольного сечения из полупро­водникового материала n (или p) типа. На торцевых поверхностях имеются невыпрямляющие контакты с выводами. Один вывод называются стоком, другой – истоком. Боковые грани легированы примесями p (или n) типа. От этой области также имеются вывод, называемый затвором. На границе областей p и n типа образуется p-n-переход.
На затвор и сток подаются напряжения такой полярности, чтобы p-n-переход был заперт (потен­циал истока принимают равным нулю). Таким образом, область затвора изолирована от толщи полупроводника закрытым p-n-переходом.

Область между стоком и истоком представляет собой проводящий ка­нал, сопротивление которого определяется удельной электропроводно­стью материала и канала, его се­чением и длиной. В дальнейшем для оп­ре­де­ленности будем рассматривать канал n-типа. При канале p-типа имеют место те же физические процессы, если полярности напряжений на электродах заменить на противоположные.

В полевых транзисторах с каналом n-ти­па на затвор необходимо пода­вать относительно истока отрицательное напряжение (или равное нулю), а на сток – положительное. При таких полярностях напряжение к
p-n-пе­ре­ходу будет приложено всегда запирающее напряжение и затвор будет на­дежно изолирован от канала закрытым p-n-пе­ре­хо­дом.

Рассмотрим зависимость тока стока от напряжения на стоке при раз­личных напряжениях на затворе (выходные характеристики полевого тран­зистора). Пусть сначала напряжение на затворе будет равно нулю. При малых напряжениях на стоке ток стока определяется приложенным на­пря­же­нием и сопротивлением канала. Следовательно, выходная характе­ристика есть характеристика линейного резистора – прямая линия (рис. 5.2). Но это справедливо лишь приближенно. По мере увеличения положи­тельного напряжения на стоке растет запирающее напряжение, прило­женное к p-n-пе­реходу, особенно вблизи стока.

Пояснить это можно численным примером. Пусть, например, к стоку приложено напряжение 10В. Так как рассматривается случай, когда на­пряжение на затворе равно нулю, то разность потенциалов на p-n-пе­ре­ходе вблизи стока равна 10В. Этим напряжением и будет заперт p-n-пе­реход вблизи стока. Эквипотенциальная линия 5В, например, будет рас­положена в средней части канала, и в этом месте p-n-пе­ре­ход будет за­перт напряжением 5В. Вблизи истока, потенциал которого равен нулю, к p-n-переходу будет приложено нулевое напряжение. Таким образом, по длине p-n-пе­рехода заперт различными напряжениями: минимальным у истока, максимальным у стока. Так как толщина p-n-перехода тем больше, чем большим напряжением заперт p-n-переход, то отсюда сле­дует, что толщина p-n-пе­рехода возрастает от истока к стоку. Элек­тронно-дырочный переход представляет собой двойной электрический слой неподвижных ионов, объеденных подвижными носителями заряда, и поэтому увеличение толщины p-n-перехода приводит к сужению прово­дящего канала, т. е. к возрастанию его сопротивления. Итак, увеличение напряжения на стоке приводит к сужению проводящего канала, особенно вблизи стока (пунктир на рис. 5.1), увеличению его сопротивления и к за­медлению роста тока стока. При некотором напряжении на стоке канал почти перекрывается, происходит отсечка  приращения тока и ток стока практически перестает завесить от напряжения на стоке. Эта область ха­рактеристик называется областью насыщения и является рабочей обла­стью при использовании полевого транзистора в качестве усилительного элемента.

Теперь рассмотрим случай, когда на затвор подано отрицательное на­пряжение, и снова проследим зависимость тока стока от напряжения на стоке. При подаче на затвор отрицательного напряжения p-n-переход бу­дет заперт им по всей длине перехода и, следовательно, по всей длине  канала станет более узким, чем при U_з=0. При малых напряжениях на стоке ток стока будет по-прежнему почти линейно зависеть от этого на­пряжения, но поскольку сопротивление канала возросло, то наклон харак­теристики будет меньшим, чем в случае U_з=0 . Режим транзистора при малых напряжениях на стоке называется  режимом управляемого сопро­тивления. При напряжениях на стоке больших, чем напряжение насыще­ния, происходит те же процессы, что и при U_з=0.

Семейство выходных характеристик показано на рис. 5.2. Резкое воз­растание тока при больших напряжениях объясняется пробоем p-n-пере­хода.

Для каждого типа полевого транзистора существует напряжение, по­дача которого на затвор приводит к полному перекрытию канала и паде­нию тока стока практически до нуля. Это напряжение называется напря­жением отсечки.

Напряжение на стоке, при котором начинается режим насыщения, U_снас, зависит от напряжения на затворе и определяется из соотношения

U_з – U_снас = U_пор ,                                            (5.1)

где U_пор – напряжения отсечки (пороговое напряжение); U_з – напряжение на затворе.

Стокозатворными (проходными) характеристиками называются зави­си­мости тока стока от напряжения на затворе  при различных напряжениях на стоке. Это семейство характеристик можно получить из  выходных (рис. 5.2). Они отражают тот факт, что с увеличением отрицательного напряже­ния на затворе ширина канала уменьшается, его сопротивление возрас­тает и ток стока уменьшается. При напряжении отсечки U_пор канал пере­крывается и ток стока падает до нуля (рис. 5.3).

При проведении аналитических расчетов эти характеристики в режиме насыщения достаточно хорошо апроксимируются параболой (рис. 5.4).

                                                           Рис. 5.3                                                            Рис. 5.4

(5.2)

где I_cmax – ток стока при U_з = 0.

Итак, по принципу действия полевой транзистор представляет собой резистор, сопротивление которого можно изменить электрическим полем практически без затрат энергии. При малых напряжениях на стоке (об­ласть линейного управляемого резистора) полевой транзистор использу­ется в управляемых делителях напряжения. Сопротивление канала R для этого случая можно определить R = R₀[1 – (U_з / U_пор)^1/2]^-1, где R₀ – сопротивле­ние канала при U_з = 0.

При работе в области насыщения полевой транзистор применяется в усилителях, генераторах и других устройствах.

Источник:В.А. Нахалов,Электронные твердотельные приборы