11.1  Польові транзистори з керувальними  p-n-переходами

 

                ПТ з керувальним p-n  переходом (ПТУП) виготовляють з кремнієвого кристала n - або p - типу. Схемні позначення ПТУП показано на рисунку 11.1. До таких транзисторів належать прилади: КП 101, КП 102, КП 103, КП 201 – транзистори з p - каналом; КП 302, КП 303, КП 307, КП 312 – транзистори з n - каналом. Як бачимо з позначень, низькочастотні ПТУП мають канал p - типу, високочастотні – канал n - типу. Справа в тому, що в p - каналі основні носії – дірки, а їх рухомість менша, ніж у електронів, які є основними носіями в каналах n - типу.

а)                               б)

Рисунок 11.1 Схемні позначення ПТУП з n - каналом (а) і з

 p - каналом (б)

 

                Схематично будова ПТУП з p - каналом показана на рис.11.2.

Рисунок 11.2Схематична будова польового транзистора з керувальним переходом і p - каналом

 

Транзистор складається з напівпровідникової області p - типу і двох областей n - типу. Останні з’єднуються разом і утворюють керувальний  електрод – затвор. На межах поділу n - областей та p - області виникають високоомні запірні шари – керувальний p-n перехід. Частина p - області між запірними шарами називається каналом. Під дією джерела напруги  у каналі утворюється поздовжнє електричне поле, яке примушує дірки рухатися до “-”  в напрямі від електрода, що називається витоком, до електрода, який називається стоком. Отже, в каналі і в зовнішньому колі стоку проходить струм стоку  під дією напруги на стоці стосовно витоку . На затвор стосовно витоку подається напруги , яка зміщує p-n переходи в зворотному напрямі. У колі затвора проходить малий струм .

                Приклади конструкції ПТУП зображені на рисунку 11.3        (КП 102) та рисунку 11.4 (КП 103).

                              

Рисунок 11.3Конструкція КП 102

 

Рисунок 11.4Фрагмент структури ПТУП КП 103

 

               У рамках планарної технології (рисунок 11.3) засобом дифузії в приповерхневому шарі кремнієвого кристала типу створюються вузька область типу (канал) і дві високолеговані області p - типу (витік і стік). На ці області наносять  тонку  плівку з алюмінію, до якої припаюють  виводи витоку і стоку.

              Поверхню кристала покривають захисним шаром двоокису кремнію (). Затвором служить кристал-підкладка, до якого припаюють вивід  керувального  електрода. Всю конструкцію розміщають у герметичному металевому або пластмасовому корпусі.

                Польові транзистори типу КП 103, на відміну від попередніх, мають п’ять паралельних каналів, біля кожного з яких розташований додатковий затвор 32 (першим затвором 31 є підкладка) – рисунок 11.4. Наявність п’яти каналів і додаткових затворів дозволяє збільшити струм стоку, а також підвищити ефективність керування товщиною каналу, оскільки перекриття каналу відбувається з боку затвора і зверху, і знизу.

               

 

 

Принцип дії ПТУП  розглянемо за допомогою схематичного зображення приладу на рисунку 11.2. При збільшенні напруги , яка містить запірні шари у  зворотному напрямі, ці шари розширяються. Товщина p-nпереходу зростає повністю у бік каналу, оскільки у ПТУП області затвора завжди високолеговані, а канал має низьку концентрацію домішок ( для транзистора з p - каналом). Розширення керувального p-n переходу приводить до зменшення ширини каналу, зниження його електропровідності і зменшення струму через нього () при незмінній напрузі. Отже, змінюючи напругу на затворі , тобто змінюючи поперечне електричне поле, можна ефективно керувати зміною струму стоку  (величиною внутрішнього опору транзистора.) Це найважливіша властивість польового транзистора в режимі підсилення сигналів. Саме вона зумовлює суттєву відмінність ПТ від біполярних транзисторів, яка полягає в наступному. При зміні вхідної напруги ПТ  змінюється лише поперечне поле, що керує інтенсивністю потоку носіїв через канал. Вхідний струм транзистора – струм затвора  -  практично не змінюється як струм насичення p-n переходу в зворотному вмиканні. Отже, внаслідок слабкої зміни  при зміні затворної напруги, а також із причини великого вхідного опору ПТ (малого струму ) вважають, що керування вихідним струмом приладу  відбувається не за рахунок зміни вхідного струму, як у БТ, а внаслідок зміни вхідної напруги, як у вакуумному тріоді. Великий вхідний опір усіх ПТ  порівняно з біполярними – це суттєва перевага польових приладів.

                Нехай стокова напруга =0. Тоді при зміні  можна досягти повного перекриття каналу внаслідок змикання запірних шарів. Канал у цьому випадку має дуже великий опір, а напруга, при якій це відбувається, називається напругою відсічення ().         Напруга  є важливим параметром ПТУП. Оцінимо її, а також дослідимо вплив напруги  на товщину каналу .

                Товщина p-n переходу, як відомо з першого розділу конспекту, дорівнює

                     (11.1)

                Оскільки , то , і тоді для зворотної напруги затвора

                            (11.2)

Ширину каналу можна визначити згідно з рисунком 11.2 за формулою

          ==,                             (11.3)

де  - відстань між областями затвора.

                Як було зазначено, при = канал перекривається (=0). Для цього випадку з формули (11.3) випливає, що

 

+=.

Наприклад, для ПТУП з  см і  см маємо

+= 6 В.

                Оскільки контактна різниця потенціалів  В, то можна вважати, що , і тоді

=.                                             (11.4)

Використовуючи рівності (11.3) та (11.4), можна одержати аналітичну залежність ширини каналу  від напруги на                   затворі

=.                                   (11.5)

Оскільки опір каналу обернено пропорційний до його ширини, то існує така залежність

()=,                              (11.6)

де () – опір каналу при даній напрузі затвора;

 - опір каналу при =0.

                Тепер нехай 0. Напруга, що діє на стоці ПТУП, викликає проходження  через канал і в зовнішньому колі струму . Струм стоку, проходячи через ненульовий розподільний опір каналу, створює на ньому спад напруги (рисунок 11.5).

Рисунок 11.5До пояснення конфігурації каналу ПТУП                при 0

 

             На цьому рисунку вибрано переріз каналу на відстані їх від витоку. Падіння напруги пропорційне до величини опору ділянки каналу і до струму стоку . Таким чином, в перерізі  напруга на переході +, оскільки напруга  має той самий  напрям, що і напруга , і її дія на p-nперехід еквівалентна дії  додаткової зворотної напруги.

                На підставі цього можна одержати залежність ширини каналу від координати , тобто від величини напруги :

()=                                 (11.7)

Очевидно, що спад напруги при проходженні струму через канал залежить від координати . Так, біля витоку (=0) =0. Біля стоку (=, де  - довжина каналу) =()=. З цього приводу можна вважати, що при ненульовій стоковій напрузі ширина каналу зменшується в напрямі від витоку до стоку згідно з формулою (11.7). Біля стоку ширина каналу мінімальна, оскільки =:

=.                                       (11.8)

З формули (11.8) випливає, що при проходженні через канал ПТУП струму стоку  опір каналу, а також струм через нього залежить і від напруги , і від напруги .

Розглянемо статичні характеристики ПТУП, які знімають за допомогою схеми рисунку 11.6. На цій схемі досліджуваний транзистор має канал типу.

 

Рисунок 11.6Схема для експериментального зняття характеристик ПТУП

 

Не потрібно забувати, що при дослідженні транзистора з каналом типу полярності під’єднання джерел живлення і вимірювальних приладів треба змінити на зворотні.