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-nпереход.
ПТ содержит три полупроводниковые области: две одного и того же типа проводимости, называемые соответственно истоком (И) истоком (С), и противоположной им типа проводимости, называемойзатвором (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 (Uси), 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 U3Исоздает 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 UИСмежду стоком и истоком (невыпрямляющими контактами), то через кристалл полупроводника потечет ток.
С уменьшением или увеличением напряжения на затворе(U3И’, U3И”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 IС.
Таким образом, изменением напряжения на затворе, можно управлять 1С.
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 IC обращается в нуль, а в цепи стока течет лишь малый остаточный ток (или ток отсечки) IСО.
Он состоит из обратного тока p-n перехода I0 и тока утечки Iу, протекающего по поверхности кристалла. Т.к. Iу « I0, то Iсо ~ 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 IС, 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
ПотенциалUCх, распределенный вдоль канала, меняется от 0(у земляного вывода) у истока до UCу стока.
Оба напряженияUЗИ(положительное) иUCх(отрицательное)являются запирающими для p-n перехода.
Наибольшим будет сечение канала возле истока, где напряжение на переходе Upn = U3И, и наименьшим возле стока, где Upn = UЗИ - Uc.
Если увеличивать напряжение на стоке Uc,то увеличение IС, 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 UСИ + U3И > Upn допуст, в стоковом участке обратно включенного управляющего p-n перехода возникает электрический лавинный пробой и IС 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