p-n -переходом
Устройство полевого транзистора с управляющим р-n- переходом было показано на рис. 4.1, а.
На рис. 4.2 приведена схематически данная структура с подключенными источниками питания в цепь затвора и стока.
Рис. 4.2
Полевой транзистор включен по схеме с общим истоком. Предположим вначале, что напряжения между электродами транзистора равны нулю. На границах р -областей с n -кристаллом полупроводника существует электронно-дырочный переход. Поперечное сечение "суженной” части n -полупроводника (канала) между верхним и нижним переходами определяет его электрическое сопротивление. Если подать на переход обратное напряжение между затвором и истоком, т. е. включить отрицательное напряжение U зи, то ширина запирающего слоя увеличится, поперечное сечение канала уменьшится и, следовательно, возрастет его электрическое сопротивление. Таким образом, изменяя напряжение U зиможно регулировать электрическое сопротивление канала. Эффективность этого процесса увеличивается с ростом удельного сопротивления кристалла.
При подключении положительного напряжения U си между стоком и истоком возникнет дрейфовое движение электронов – основных носителей заряда – от истока через канал к стоку: появится ток стока I с. В результате включения напряжения U сиизменится также конфигурация канала. Если пренебречь падением напряжения на объемных сопротивлениях частей n -полупроводника, лежащих между истоком и каналом и стоком и каналом, то потенциал канала у истокового конца будет равен нулю, а у стокового U си. Напряжение на р-n- переходе вблизи истока будет равно | U зи|, а вблизи стока | U зи| + U си, и область запирающего слоя у стокового конца канала расширится.
Таким образом, при U си > 0 в транзисторе течет ток I си, значение которого определяется полным сопротивлением канала, имеющего неоднородную по его длине площадь поперечного сечения. Обратное напряжение на р-n- переходах увеличивает потенциальный барьер и не позволяет электронам, движущимся по каналу, перейти в р -области. Ток через р-n- переходы, а следовательно, в цепи затвора обусловлен движением неосновных носителей и при невысокой концентрации nр - в р -областях и pn в n -кристалле достаточно мал.
Током I с можно управлять, меняя напряжение U зи или же напряжение U си. При некотором отрицательном напряжении U зизапирающие слои верхнего и нижнего переходов могут сомкнуться; поперечное сечение канала при этом станет равным нулю, и транзистор оказывается запертым: I с = 0. Напряжение U зи, при котором транзистор запирается, называется напряжением отсечки U зи отс. Смыкание запирающих слоев может произойти и при увеличении напряжения U си, однако при этом ток I с ≠ 0. Это явление мы обсудим ниже при рассмотрении характеристик прибора.
4.1.1. Статические характеристики
Выходные (стоковые) характеристики
Служат основным семейством характеристик полевого транзистора и представляют зависимость I с = f (U си) при U зи= const (рис. 4.3).
Рис. 4.3
Рассмотрим кривую I С = f(U СИ ) при U ЗИ = 0. Вначале при малых значениях U СИ ток I С увеличивается с ростом U СИ почти по линейному закону. Некоторое отклонение этого участка характеристики от прямолинейной зависимости объясняется сужением канала у стокового конца, где напряжение на переходе равно | U ЗИ| + U СИ и, как следствие, увеличением сопротивления канала. При дальнейшем увеличении напряжения U СИ наступает так называемый режим насыщения: рост тока I С увеличением U СИ почти прекращается (пологий участок характеристики). Это происходит в результате дальнейшего сужения канала у стокового конца.
При достаточно больших напряжениях Uси канал стягивается в узкую полоску (горловину). Поперечное сечение канала больше возле области истока вследствие того, что напряжение, смещающее переход затвор-канал в обратном направлении, постепенно увеличивается в направлении от истока к стоку, так как оно является суммой падений напряжений на объемных сопротивлениях областей истока и канала и внешнего напряжения на затворе U ЗИ. Затем наступает своеобразное динамическое равновесие: увеличение напряжения U СИ и соответствующий рост тока I С вызывают дальнейшее сужение канала, которое в свою очередь уменьшает ток, и наоборот. Напряжение на стоке, при котором наступает этот режим, называется напряжением насыщения U СИ НАС (см. рис. 4.3)..
Таким образом, при U СИ = U СИ НАС и | U ЗИ| < | U ЗИ ОТС| наблюдается почти такой же эффект, как при подаче на затвор отрицательного напряжения U ЗИ = – U ЗИ ОТС, но при U СИ< U СИ НАС. Отличие заключается лишь в том, что в последнем случае сопротивление канала R К → ∞ и транзистор запирается, а в режиме насыщения стремится к бесконечности дифференциальное сопротивление канала R КАН ДИФФ. Поскольку влияние напряжений U ЗИ и U СИ на ширину канала у стокового конца практически одинаково, можно записать:
(4.1)
Некоторый рост тока в режиме насыщения объясняется следующим образом. С увеличением напряжения U СИ удлиняется горловина канала (рис. 4.4).
Рис. 4.4
Кроме того, с увеличением U СИполе в горловине канала достигает такого значения, при котором подвижность электронов почти не меняется с ростом напряженности поля. Эти причины приводят к увеличению сопротивления канала, однако оно растет не пропорционально увеличению напряжения U СИ, а медленнее. В результате, в режиме насыщения все же наблюдается слабый рост тока I С.
При достаточно высоком напряжении U СИ наблюдается резкий рост тока I С, обусловленный пробоем р-n- перехода у стокового конца канала, так как в этой части к переходу оказывается приложенным наибольшее суммарное обратное напряжение.
При подаче на затвор отрицательного напряжения режим насыщения наступает при меньших значениях напряжения на стоке, меньше станет и ток I С, так как поперечное сечение канала уменьшается по всей длине; при меньших значениях U СИ наступает и пробой перехода.
Зависимость I С = φ(U СИ) описывается соотношением
(4.2)
Здесь r кан.диф 0 = ∂U си/ ∂I с – наименьшее дифференциальное сопротивление канала при U ЗИ = 0 и U СИ= 0.
При подстановке сюда соотношения (4.1) можно получить выражение для тока насыщения:
. (4.3)
Характеристика прямой передачи (стоко-затворная) полевого транзистора показана на рис. 4.5. Это зависимость I С = f (U ЗИ) при сохранении постоянства напряжения стока.
U зи отс
Рис. 4.5
Ток в приборе возникает при условии | U ЗИ| < | U ЗИ ОТС|. В режиме насыщения напряжение U СИ практически не оказывает влияния на эту характеристику, которая достаточно точно описывается соотношением (4.3) или более простой квадратичной зависимостью:
(4.4)
Входная характеристика полевого транзистора (рис. 4.6) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики р-n- перехода.
Рис. 4.6
Ток затвора (входной ток) зависит от напряжения между стоком и истоком. Наибольшего значения он достигает при условии короткого замыкания выводов истока и стока: I З = I з ут (I з ут – ток утечки затвора).
При отрицательном напряжении U зи и в режиме холостого хода в цепях затвор-исток и сток-затвор протекают обратные токи I зи 0, I зc 0 соответственно.
В любом из этих случаев обратный ток через переход очень слабо зависит от напряжения | U зи| что, как известно, характерно для обратной ветви характеристики р-n- перехода. Это обстоятельство и обусловливает очень высокое входное дифференциальное сопротивление прибора.
4.1.2. Эквивалентные схемы
Исходя из принципа действия и структуры полевого транзистора с управляющим p-n -перeходом, можно составить его эквивалентную схему: рис. 4.7.
Рис. 4.7
Сопротивления r с и r и представляют собой объемные сопротивления кристалла полупроводника на участках между концами канала и контактами стока и истока соответственно. Эти сопротивления зависят от конструкции транзистора и технологии его изготовления. На низких частотах влиянием сопротивления r c можно пренебречь по сравнению с обычно большим сопротивлением нагрузки в цепи стока и большим дифференциальным сопротивлением канала Ri. Общее для входной и выходной цепей сопротивление r и является сопротивлением внутренней обратной связи в полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком. Падение напряжения на этом сопротивлении при прохождении тока стока оказывается обратным для р-n -перехода. В свою очередь, увеличение обратного напряжения на р-n -переходе затвора транзистора приводит к уменьшению тока стока.
Емкости C зи и C зс, сопротивления r зи и r зс замещают в этой эквивалентной схеме р-n -переход с его барьерной емкостью и большим активным дифференциальным сопротивлением при обратном смещении.
Генератор тока, включенный параллельно сопротивлению канала, отражает усилительные свойства транзистора. Ток этого генератора пропорционален входному напряжению, коэффициентом пропорциональности является крутизна характеристики S.
Нужно учитывать, что емкость и сопротивление затвора распределены по всей его площади и что сопротивление канала также является распределенным. В этом случае эквивалентная схема полевого транзистора должна быть представлена схемой с распределенными параметрами (рис. 4.8).
Рис. 4.8
Однако такая схема значительно сложнее для выяснения свойств и характеристик полевых транзисторов.
Кроме физических эквивалентных схем полевого транзистора, можно представить и формальные эквивалентные схемы с y -, z - или h -параметрами. Так как входные и выходные сопротивления полевых транзисторов велики, то практически удобнее измерять и задавать комплексные параметры проводимостей его формальной эквивалентной схемы (рис. 4.9). Токи и напряжения на выводах полевого транзистора в режиме малого сигнала для схемы с
Рис. 4.9
общим истоком соответствуют следующим характеристическим уравнениям четырехполюсника:
(4.5)
Определяются y -параметры при режимах короткого замыкания по переменному току на выходе и входе транзистора:
(4.6)
(4.7)
Если эти режимы воспроизвести на эквивалентной схеме рис. 4.7, то можно найти формулы перехода от параметров сосредоточенных элементов физической эквивалентной схемы к y -параметрам. Пренебрегая малыми проводимостями р-n -перехода затвора и объемными сопротивлениями полупроводника около истока и стока, получим:
; (4.8)
(4.9)
Все эти параметры зависят от значений постоянных смещений на электродах полевого транзистора.
4.1.3. Частотные свойства полевых транзисторов
с управляющим p-n -переходом
Принцип действия полевого транзистора не связан с инжекцией неосновных носителей заряда в базу и их относительно медленным движением до коллекторного перехода. Полевой транзистор – это прибор без инжекций. Поэтому инерционность и частотные свойства полевого транзистора с управляющим p-n -переходом обусловлены инерционностью процесса заряда и разряда барьерной емкости р-n -перехода затвора. Напряжение на затворе измениться мгновенно не может, так как барьерная емкость p-n -перехода затвора перезаряжается токами, проходящими через распределенное сопротивление канала и через объемные сопротивления кристалла полупроводника на участках между концами канала и контактами истока и стока. Поэтому не может мгновенно измениться и сечение канала.
На низких частотах полное входное сопротивление полевого транзистора с управляющим p-n -переходом определяется большой величиной r зи. С ростом частоты входного сигнала полное входное сопротивление транзистора уменьшается в связи с наличием емкости C зс. Следовательно, для управления полевым транзистором при высоких частотах необходима большая мощность входного сигнала.
Кроме того, наличие в полевом транзисторе проходной емкости C зс приводит к возникновению в полевом транзисторе частотно-зависимой обратной связи. С ростом частоты увеличивается обратная связь через цепь C зс r c (см. рис. 4.7), что эквивалентно уменьшению полного входного сопротивления полевого транзистора и уменьшению его усиления.
Для получения оптимального усиления в реальных схемах на полевых транзисторах необходимо согласование внешних сопротивлений с входным и выходным сопротивлениями транзистора. Поэтому во внешней цепи входа и выхода полевого транзистора обычно имеют место большие сопротивления, которые значительно увеличивают постоянные времени перезаряда емкостей полевого транзистора.
В связи с перечисленными причинами максимальные рабочие частоты реальных схем на полевых транзисторах с управляющим р-n -переходом не превышают нескольких сотен мегагерц.