4.2.2. Вольт-амперні характеристики польового транзистора з керуючим р-n – переходом

Важливими вольт-амперними характеристиками для польового транзистора з керуючим р-n – переходом є сім’я вихідних статичних характеристик і сім’я статичних характеристик передачі.

Вихідні статичні характеристики: I_c=f(U_c), якщо U_з=const. При фіксованій напрузі зміщення на затворі U_з, (нульовому або від’ємному) струм у каналі збільшується зі зростанням напруги на стоці U_с доти, доки при деякій порівняно невеликій напрузі U_c=U_c.нас не відбувається насичення струму I_c=I_c.нас. Розглянемо типові вихідні вольт-амперні характеристики польового транзистора з керуючим р-n-переходом (рис. 4.8). Розрізняютьсґ дві ділянки: лінійна (при малих напругах на стоці), де струм стоку I_c пропорційний U_с; ділянка насичення, де струм стоку I_c=I_c.нас не залежить від напруги стоку.

При підвищенні від’ємної напруги зміщення на затворі U_з струм насичення I_{с нас} і напруга, що відповідає початку насичення U_{с нас,} зменшуються. Це зумовлено зниженням початкової товщини провідного каналу, що у свою чергу призводить до більшого початкового (при U_с=0) опору каналу транзистора.

Рис. 4.8. Вихідні статичні характеристики (а) і статичні характеристики передачі (б) польового транзистора з керуючим р – n – переходом

При значних напругах на стоці може виникнути пробій р⁺-n – переходу затвора. Зворотна напруга на р⁺-n – переході затвора змінюється вздовж каналу, досягаючи максимального значення в кінці каналу біля стоку і дорівнює сумі напруг на стоці і на затворі. Отже, пробій польового транзистора може відбуватися при різних напругах на стоці залежно від напруги на затворі. Оскільки польові транзистори виготовляють здебільшого на основі кремнію, пробій таких транзисторів, як правило, має лавинний характер.

Статичні характеристики передачі: I_c=f(U_з) при U_c=const зображені на рис.4.8б. Струм стоку буде максимальним при U_з=0. Якщо напруга на затворі досягає значення напруги відсікання (U_з=U_відс), то канал повністю перекривається і струм у вихідному колі спадає практично до нуля. Оскільки основним робочим режимом польових транзисторів є режим насичення струму стоку, що відповідає пологій частині вихідних статичних характеристик, то найважливішою є залежність струму насичення від напруги на затворі при постійній напрузі на стоці. При зміні напруги на стоці зміщенням характеристик передачі практично можна знехтувати у зв’язку з малими змінами струму стоку.

Вхідні статичні характеристики; I_з=f(U_з) при U_c=const. Оскільки польовий транзистор з керуючим р-n – переходом працює при зворотній напрузі на затворі, то струм у вхідному колі проходить дуже малий. При прямому зміщенні затвора польові транзистори з керуючим р-n – переходом практично не використо­вуються, оскільки в цьому режимі різко зростає струм затвора, а ефективність керування вихідним струмом знижується.

4.2.3. Розрахунок вихідних статичних характеристик польового транзистора з керуючим р-n – переходом

Проаналізуємо вольт-амперні характеристики польового транзистора з керуючим р-n – переходом, скориставшись такими припущеннями:

- наближенням плавного каналу;

- незалежністю рухливості носіїв заряду від напруженості електричного поля;

- наближенням різкого краю збідненого шару переходу;

- у межах каналу n-типу концентрація легуючої домішки однакова.

Рис. 4.9. Поперечний переріз верхньої половини польового транзистора

з керуючим р-n – переходом і каналом п-типу

Враховуючи симетрію приладу (рис.4.9), розглянемо лише верхню половину польового транзистора. Позначимо символами h₁, і h₂ товщини збіднених ділянок біля витоку і стоку відповідно. Якщо N_а>>N_d , то товщина збідненого шару на відстані (y) від витоку:

, (4.24)

де – контактна різниця потенціалів; U(y) – функція, яка описує розподіл потенціалу вздовж каналу, що виникає під дією прикладеної напруги U_c.

Напруга U(y) разом із U_з і φ_k, зміщує р⁺-n – перехід у зворотному напрямку. Якщо у=0, напруга U(y)=0, тому

. (4.25)

Якщо y=L, то U(y)=U_c так, що

. (4.26)

Напруга U_c створює електричне поле, горизонтальна складова напруженості (Е_y) якого спрямована в бік, протилежний до руху електронів. Це поле зумовлює дрейф основних носіїв заряду в каналі у напрямку від витоку до стоку.

Густина струму j_c(у) змінюється вздовж каналу, що пов’язано як зі зміною його перерізу, так і з відповідною зміною горизонтальної складової напруженості електричного поля

, (4.27)

де а(у) – питома провідність каналу.

З іншого боку,

. (4.28)

Оскільки

, (4.29)

то, враховуючи абсолютне значення Е_у, отримаємо:

. (4.30)

Перетворимо формулу (4.30) так:

. (4.31)

Диференціюючи вираз (4.23), отримаємо:

. (4.32)

Підставивши диференціал dU_y у формулу (4.31) і провівши інтегрування за y в межах від 0 до L, знаходимо:

(4.33)

де .

Вираз (4.33) можна подати в іншому вигляді:

(4.34)

де – провідність каналу n-типу при відсутності збідненого шару.

У лінійній ділянці вихідних статичних характеристик, де U_c<<U – φ_k вираз (4.34) можна спростити, розклавши в ряд праву частину загальної формули:

. (4.35)

Для аналітичного опису вихідних статичних характеристик у ділянці насичення вважають, що струм стоку на цій ділянці в першому наближенні постійний і дорівнює граничному значенню струму:

, (4.36)

де – опір каналу n-типу провідності за відсутності збідненого шару.

Вираз (4.36) описує також характеристику передачі польового транзистора з керуючим р-n – переходом для активного режиму роботи.