Принцип работы ПТУП

Как и в случае с биполярными транзисторами, для работы полевого транзистора в том или ином режиме необходимо подключить к его контактам определенные постоянные напряжения.

Для дальнейшего анализа следует особо подчеркнуть необходимость выбора полярности питающих напряжений, подключаемых к контактам И, С, З. В частности, полярность внешних постоянных напряжений, подводимых к транзистору, в режимах усиления класса А (без искажения входного сигнала) показана на рис. 4.1, а, г.

Во-первых, управляющее (входное) напряжение U _зи подается между затвором З и истоком И. Эффективность управления зависит от того, насколько чувствительна величина проводимости канала к изменению потенциала затвора. Дальнейший анализ показывает, что для эффективного управления током канала потенциал затвора j_зи должен ²смещать² p-n -переход на границе ²затвор-канал² в обратном направлении (смещении). В нашем случае (рис. 4.1, а, г) j_з должен быть отрицательным!

Если затворов - два (рис. 4.1, а), то отрицательный потенциал объединенных затворов j_з (по отношению к истоку) является обратным для обоих p-n -переходов.

Увеличим значение отрицательного потенциала j_з. Известно (см. п. 1.2.3), что увеличение обратного напряжения увеличивает ширину области l (U) объемного заряда, и, в нашем случае, из-за различия в степени легирования, высокоомная область p-n -перехода, обедненная носителями (концентрация основных носителей мала), еще больше ²прорастает² в область n -канала. Эффективное сечение канала w(U _зи) (ширина канала) уменьшается, и, в соответствии с выражением (1.2), за счет уменьшения площади поперечного сечения S электрическое сопротивление R_n n -канала растет. Тем самым, за счет модуляции величины проводимости канала создается препятствие для прохождения основных носителей заряда от истока к стоку.

Другими словами, поскольку р ⁺-область, примыкающая к затвору, имеет большую концентрацию примеси, чем n -канал, ширина l (U _зи) p-n -переходов растет, в основном, за счет уменьшения толщины w(U _зи) более высокоомного n -слоя канала. Это явление носит название - эффект модуляции ширины канала, который приводит к изменению величины его проводимости.

Именно поэтому, в рассматриваемой нами схеме на затвор З подается отрицательный потенциал по отношению к истоку.

Во-вторых, ток I _с через канал (и далее через нагрузку R _н) определяется напряжением U _си. Заземлим исток И, и покажем, какой потенциал следует подавать на электрод С стока. Казалось бы, на сток С можно подавать как ²+², так и ²-², однако, анализ структуры показывает, что в данном случае подавать ²-² на сток нельзя! Это связано с тем, что при отрицательном потенциале на стоке собственно p-n -переход, локализованный в области структуры ²сток-затвор², включится в прямом направлении, и при соответствующих напряжениях разрушится из-за протекания большого тока через открытый p-n -переход.

Именно поэтому, на сток С по отношению к истоку И необходимо подавать потенциал требуемой полярности с учетом конкретного типа проводимости канала.

Можно использовать простое мнемоническое правило, согласно которому, на сток нужно подавать такой потенциал, который притягивает к стоку основные носители канала. В рассматриваемом нами случае необходимо подавать только ²+² потенциал!

Из вышесказанного следуют важные выводы. Управляющие свойства полевого транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения U _зи между затвором и истоком меняется ширина l (U _зи) его двух (или одного) p-n -переходов, представляющих собой протяженные граничные участки полупроводника (от истока к стоку) между областями p - (под контактом металлического затвора З) и n -типа (область проводящего канала).

Если p-n -переход смещен в обратном направлении, и, значит, в нем мало свободных носителей заряда. Увеличение напряжения U _зи приводит к увеличению ширины l (U _зи) области p-n -перехода, и еще большему ²сдвигу² p-n -перехода в область канала из-за различной степени легирования канала и области затвора.

Особо следует подчеркнуть то обстоятельство, что p-n -переход, смещенный в обратном направлении, не только имеет большое сопротивление, но и характеризуется увеличением ширины l (U _зи) области объемного заряда. При этом область p-n -перехода ²внедряется² в сторону того полупроводника, который, как указано выше, имеет меньшую степень легирования. В нашем случае, область объемного заряда (обедненная носителями заряда) внедряется в область канала!

Поскольку объем кристалла ограничен, то, в конечном счете, при увеличении области p-n -перехода ширина канала w(U _зи) уменьшается. Другими словами, в результате ²прорастания² области р-n -перехода в объем канала изменяется площадь поперечного сечения S токопроводящего канала. Проводимость канала постепенно падает (а сопротивление растет), влияя на выходной ток I _с стока прибора при фиксированном напряжении U _си между стоком и истоком.

Это важное обстоятельство следует понять, т.к. именно оно объясняет работу всех полевых транзисторов!

Для анализа работы полевого транзистора также важно понять, что объем слаболегированной области канала, характеризуемый вполне определенным резистивным сопротивлением, может быть представлен схемой замещения в виде соединенных последовательно совокупности идентичных резисторов R_i (рис. 4.1, а), ответственных, например, за сопротивление единицы длины канала.

Ниже будет показано, что особенностью полевого транзистора является влияние на проводимость канала как управляющего напряжения U _зи, так и напряжения U _си. Влияние подводимых напряжений на проводимость канала иллюстрирует рис. 4.2.

а) б) в)

Рис. 4.2. Проводимость ПТУП с каналом n -типа при подключении внешних напряжений: а) U _зи < 0, U _си = 0; б) U _си > 0, U _зи = 0; в) U _си > 0, U _зи < 0