Принцип действия и статические характеристики ПТ с p-n затвором

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

С УПРАВЛЯЮЩИМ p-n ПЕРЕХОДОМ

Устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом (ПТУП).

Структура и топология полевого транзистора с p-n затвором

Для изготовления по планарной технологии n-канальных ПТУП на сильно легированной подложке P⁺-типа наращивают тонкий эпитаксиальный слой материала n-типа с низким содержанием донорной примеси. В этом слое формируются n⁺- области под контакты истока и стока и p⁺-область затвора (рис.1).

Важнейшие геометрические параметры структуры:L – длина канала; W – ширина канала;h – технологическая толщина канала, т.е. расстояние между металлургическими границами n-слоя канала. При рассмотрении простейшей модели ПТУП его структуру часто представляют так, как изображено на рис.2а.

Важнейшие электрофизические параметры структуры: N_ap – концентрация акцепторной примеси в области затвора; N_dn – концентрация донорной примеси в области канала; μ_n – подвижность основных носителей в области канала.

Внеканальные области не должны влиять на ВАХ полевого транзистора. Для этого необходимо обеспечить малое сопротивление внеканальных областей и омичность контактов.

Схема включения и питающие напряжения ПТ с p-n затвором

Рассмотрим включение n-канального ПТУП по схеме с общим источником и его работу в статическом режиме. P-n переход канал-подложка служит для изоляции канала от подложки и устанавливает начальную толщину канала. Подложка может служить вторым управляющим электродом, а может и подключаться накоротко к затвору, как показано на рис.2.

Во входную цепь транзистора между истоком и затвором включают источник питания, обеспечивающий обратное смещение управляющего p-n перехода затвор-канал. Для n-канального ПТУП U_ЗИ ≤ 0. В выходную цепь между истоком и стоком включают источник питания так, чтобы основные носители канала под действием приложенного напряжения совершали дрейф от истока к стоку. Для n-канального ПТУП U_СИ > 0, а ток течет в направлении от стока к истоку. Питающие напряжения транзистора принято отсчитывать от общего электрода, т.е. в данном случае от истока.

Принцип действия и статические характеристики ПТ с p-n затвором

Под действием напряжения U_СИ вдоль канала и в выходной цепи транзистора протекает ток стока I_С. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к расширению обедненной области управляющего p-n перехода, сужению приводящей области канала, возрастанию его сопротивления и уменьшению управляемого тока стока. В этом состоит принцип действия ПТУП, который можно рассматривать как переменный резистор, управляемый напряжением на затворе.

Для того, чтобы напряжение U_ЗИ эффективно управляло толщиной проводящего канала область затвора должна быть легирована значительно сильнее, чем канал. Только в этом случае увеличение обратного смещения U_ЗИ будет приводить к расширению обедненной области управляющего p-n перехода в канал.

ВХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТУП

Входным, управляющим током ПТУП является ток затвора I_З, который для обратносмещенного p-n перехода очень мал. Поэтому говорят, что выходной ток транзистора I_С управляется напряжением на затворе. Входная характеристика ПТУП I_З = I_З (U_ЗИ) есть обратная ветвь ВАХ управляющего p-n перехода. В отличие от обычного полупроводникового диода на ток экстракции управляющего p-n перехода влияет ударная ионизация в перекрытой части канала вблизи стока (см. далее). Это приводит к зависимости I_З ещё и от напряжения U_СИ.

Поскольку входное напряжение того же порядка, что и выходное |U_ЗИ|~|U_СИ|, но I_З << I_С, ПТУП обеспечивает большое усиление по мощности.

ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТУП

Наибольший практический интерес представляют выходные характеристики ПТУП I_С = I_С (U_СИ) при U_ЗИ = const, изображенные на рис.5. Чтобы понять их существенные черты, необходимо рассмотреть процессы, протекающие в канале при наличии напряжения на стоке U_СИ ≠ 0.

Благодаря протеканию тока стока имеется падение напряжения вдоль канала U (y), вследствие чего различные участки управляющего p-n перехода оказываются под разным обратным смещением.

Из рис. 5.1.3 ясно, что разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается от истока к стоку. Соответственно этому по мере перемещения от истока к стоку область пространственного заряда управляющего p-n перехода расширяется, а необедненный канал сужается.

При U_ЗИ = const и малых I_С ширина канала модулируется незначительно (рис. 4^а – 5). Поэтому зависимость I_С = I_С (U_СИ) при U_ЗИ = const, как видно из рис.5, близка к линейной и ВАХ идет достаточно круто из-за сравнительно малого сопротивления неперекрытого канала. В крутой области ВАХ ПТУП может быть использован как омическое сопротивление, управляемое напряжением на затворе (пинч-резисторы интегральных микросхем).

По мере увеличения U_СИ рост тока стока замедляется из-за заметного сужения канала в области стока. Когда напряжение на стоке достигает величины, при которой канал в области стока перекрывается полностью, дальнейший рост тока стока почти прекращается (рис.4^а – 5). Напряжение на стоке, при котором наступает переход от крутой области ВАХ к пологой, называют напряжением насыщения и обозначают U_{СИ НАС}. При дальнейшем увеличении стокового напряжения протяженность перекрытой части канала ∆L увеличивается (рис.4в). Электрическое поле в этой части канала экстрагирует основные носители из необедненной области и переносит их к стоку со скоростями, близкими к предельной скорости дрейфа. Вследствие этого ток стока остается почти неизменным вплоть до области пробоя управляющего p-n перехода. В режиме пробоя лавинообразно нарастает ток в цепи сток-затвор. Пробой развивается в области стока, где напряженность электрического поля максимальна.

Ток стока в режиме насыщения I_{С НАС}, как и U_{СИ НАС}, уменьшаются при увеличении обратного напряжения на затворе (см. пунктирную кривую на рис.5). Напряжение на затворе, достаточное для полного перекрытия канала и уменьшения тока стока до нуля, называют напряжением отсечки (или пороговым напряжением) и обозначают U_{ЗИ ОТС}.

Если управляющее напряжение отсутствует (U_ЗИ = 0), то I_{С НАС} достигает максимума. В связи с этим говорят, что ПТУП является нормально открытым прибором: при отсутствии управляющего смещения ток в выходной цепи максимален.

Пологий участок выходных ВАХ используется при работе ПТУП в усилительных каскадах.

ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТУП

В схеме с общим истоком передаточные или сток-затворные характеристики определяют зависимость I_С = I_С (U_ЗИ) при U_СИ = const > U_{СИ НАС}. Семейство передаточных характеристик реального ПТУП с n-каналом представлено на рис.6. Они могут быть легко получены перестроением семейства выходных характеристик. Достаточно провести сечение U_СИ = const. Несовпадение передаточных характеристик, построенных для различных значений U_СИ, свидетельствует о том, что даже в режиме насыщения ток стока слегка возрастает при увеличении U_СИ. Так проявляется эффект модуляции длины канала ПТ.