ПТ с p-n затвором

Примем следующие упрощающие предположения:

- управляющий P⁺-n переход является резким;

- в пределах канала n-типа концентрация легирующей примеси распределена однородно;

- при наличии тока стока электрическое поле вдоль канала много меньше электрического поля в обедненной области управляющего p-n перехода, направленного перпендикулярно каналу. Это предположение, называемое приближением плавного канала, позволяет ширину ОПЗ управляющего p-n перехода на всех участках канала определять по формуле, полученной из одномерного анализа;

- процессы, протекающие в приборной структуре за пределами канала, не оказывают существенного влияния на вольтамперные характеристики ПТ;

- оба управляющих перехода равноценны и подложка соединена накоротко с затвором.

5.3.2. Влияние напряжения на затворе на сопротивление канала. Выходная ВАХ ПТУП в области малых токов стока

Рассмотрим случай малых токов стока, когда напряжение затвор-канал, а следовательно, и ширина ОПЗ управляющего p-n перехода практически постоянны вдоль всего канала (рис.9^а). Ток стока будет прямо пропорционален напряжению на стоке U_СИ и обратно пропорционален сопротивлению канала I_С = U_СИ/ R.

а)

б)

Рис. 5.3.1. Поперечный разрез n-канального полевого транзистора с управляющим p-n переходом при различных стоковых напряжениях а) U_cи<<U_{cи нас}; б) U_cи<<U_{cи нас}

Найдем сопротивление канала для случая, когда из-за малого тока стока сечение необедненной части канала имеет прямоугольную форму (см. рис.9^а). ОПЗ управляющего p-n перехода при N_ap >>N_dn =N расположена почти целиком в n-области структуры. Толщина необедненной части канала 2Z при U_СИ 0 определяется выражением

(10)

где U_ЗИ – абсолютная величина обратного смещения на затворе, Φ_i = φ_тln(N_dnN_ap/n_i²) – контактная разность потенциалов управляющего p-n перехода. При увеличении управляющего напряжения канал сужается и при U_ЗИ = U_{ЗИ ОТС} полностью перекрывается. Величину напряжения отсечки канала найдем из (10), положив 2Z = 0.

(11)

Напряжение отсечки определяется уравнением легирования канала и его металлургической толщиной h. Учитывая (11) формулу для толщины канала как функцию напряжения на затворе можно представить в виде

(12)

Сопротивление канала R при малых токах стока и U_ЗИ ≠ 0 можно найти по формуле

(13)

где ρ = 1 / qNμ_n – удельное сопротивление материала канала, L и W – его длина и ширина.

Учитывая (5), получим

(14)

Обычно Φ_i << U_{ЗИ ОТС}. Поэтому начальное сопротивление канала R₀ – сопротивление в отсутствии управляющего напряжения – можно рассчитать по формуле

(15)

и представить выражение (14) в виде

. (16)

При малых токах стока, когда выполняется закон Ома

. (17)

Мы получили уравнение выходной ВАХ ПТ для области малых стоковых напряжений, когда ПТ представляет омическое сопротивление, управляемое напряжением на затворе. Начальный наклон ВАХ будет определяться величиной R₀ и управляющим напряжением на затворе. При U_ЗИ® U_{ЗИ ОТС} толщина канала стремится к нулю, R® и транзистор закрывается: I_С® 0.