ПТ с управляющим p – n переходом

На рис. 1 показана структура ПТУП, схематически иллюстрирующая принцип действия прибора.

Проводящий канал между истоком И и стоком С образован двумя переходами p – n и n – p⁺. Канал имеет электропроводность n – типа (рис. 1а). Концентрация носителей в канале сделана меньше, чем в областях p и p⁺. Поэтому при подаче на затвор обратного напряжения U_зи обедненный слой (ОПЗ) расширяется в основном в сторону канала и сужает его. Если напряжение между стоком и истоком отсутствует (U_си = 0), то увеличение обратного напряжения на затворе до некоторого значения U _зи = U _{зи отс} (напряжение отсечки) приводит к смыканию ОПЗ двух переходов по всей длине канала и полному его перекрытию. При этом протекание тока по каналу становиться невозможным.

Если U_зи < U_{зи отс}, а U_си ¹ 0, то по каналу течет ток основных носителей I_с (ток стока). С ростом U_си ток I_с растет. Однако при достижении некоторого значения U_си = U_{си нас} (напряжение насыщения) ток I_с практически перестает расти. Это объясняется следующим образом. Обратное напряжение на p – n переходе зависит не только от U_зи, но и от потенциала данной точки канала U(x), создаваемого напряжением U_си, поскольку этот потенциал увеличивает обратную разность потенциалов между p и n областями. Потенциал U(x) определяется выражением:

,

(7)

где L – длина канала, x – расстояние от истока до данной точки канала.

Рис. 1 Структура ПТУП:

а) режим равновесия (U_зи=0, U_си=0)

б) момент перекрытия канала (0<÷U_зи÷<÷U_{зи отс.}; ÷U_си÷=÷U_{си нас.}÷)

в) режим глубокого насыщения (0<÷U_зи÷<÷U_{зи отс.}; ÷U_си÷>÷U_{си нас.}÷)

Ширина ОПЗ d  в точке x определяется формулой:

(8)

где e – относительная диэлектрическая постоянная материала транзистора, e_o – электрическая постоянная вакуума, e – заряд электрона, N –концентрация примеси в канале.

Наибольшее значение d будет в области стока при x = L. Там же будет наименьшая ширина канала. При условии

ширина ОПЗ в точке x = L составит  (а – ширина канала при U _зи = U _си = 0) и канал в этой точке полностью перекроется (рис.1б). Соответствующее напряжение U(L) = U _{си нас} и называется напряжением насыщения:

Понятие «перекрытие» канала при увеличении U_си и неизменном напряжении U_зи является условным, так как перекрытие канала при указанных условиях является следствием увеличения тока I_с. Ток I_с при этом не уменьшается, а прекращает расти. Поэтому можно считать, что при U _си = U _{си нас} автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала со стороны стокового электрода. При дальнейшем увеличении напряженияU_си увеличивается длина перекрытий части канала (по оси x в сторону истока) и растет статическое сопротивление канала (рис.1в). В результате ток почти не увеличивается. При больших напряжениях на стоке может возникнуть пробой p – n перехода затвора. Поэтому существует ограничение допустимого напряжения U_си.

Если при неизменном напряжении U_си увеличивается напряжение U_зи, то, как уже говорилось, канал будет сужаться и ток I_с уменьшаться. При некотором напряжении U _зи = U _{зи отс} канал полностью перекроется ОПЗ по всей длине. При этом перекрытие канала будет не условным, а действительным и ток I_с обратится в нуль.

Рис.1 поясняет принцип действия ПТУП на примере прибора с каналом n – типа. Показанные на этом рисунке полярности напряжений также соответствуют n – канальному транзистору. Однако ПТУП может иметь канал р – типа. В этом случае полярности всех напряжений должны быть изменены на противоположные. Условное графическое изображение ПТУП на схемах приведено на рис. 2.

В соответствии с описанными процессами выходные статические характеристики ПТУП имеют вид, показанный на рис. 3а. На выходных характеристиках можно выделить две части. Первая часть характеристики – крутая часть. Крутая часть – сублинейна. Вторая часть характеристики – пологая часть, которая начинается от напряжения насыщения U_{си нас.}. Штриховая линия на рис. 3а разделяет сублинейную область и область насыщения. В [1] получены приближенные аналитические выражения для крутой части (U_си < U_{си нас.}):

(11)

и для тока насыщения (U _си ≥ U _{си нас.}):

(12)

где  – сопротивление сток – исток в открытом состоянии (при U _зи = 0 и U _си < U _{си нас.}), γ – удельная проводимость канала, S – полное сечение канала. При получении формул (11) и (12) использованы закон Ома в дифференциальной форме и выражения (8) и (10).

Для характеристик передачи в [1] получено выражение (при условии U _си > U _{си нас.}):

(13)

Типичный вид характеристик передачи ПТУП показан на рис. 3б.

Из формулы (13) можно получить аналитическое выражение для крутизны характеристики S:

(14)

Из выражения (14) следует, что для получения больших значений S необходимо уменьшать сопротивление сток – исток в открытом состоянии транзистора, то есть иметь большую удельную проводимость исходного материала. В то же время концентрация примеси в канале должна быть небольшой, чтобы при увеличении напряжения на p – n переходе он расширялся в сторону канала. Поэтому желательно для изготовления ПТУП выбирать материал с большей подвижностью носителей.

В заключение отметим, что в ПТУП проводящий канал существует при нулевом напряжении на затворе, то есть ПТУП является нормально открытым прибором. На управляющий электрод этого прибора можно подавать только обратное напряжение, уменьшающее проводимость канала. Поэтому ПТУП работает в режиме обеднения канала носителями заряда.