Podręcznik

Podstawową strukturę tranzystora PNFET  stanowi układ dwóch złączy p-n o wspólnym obszarze quasi-neutralnym stanowiącym kanał typu p lub n. W przykładzie na rys. 1.1, strumień elektronów płynie od elektrody źródła S do drenu D przez kanał typu n pomiędzy obszarami p⁺. Elektrody kontaktów do tych obszarów stanowią bramki G tranzystora.

Rys. 1.1 Uproszczona struktura tranzystora PNFET z kanałem typu n

O tym, która z elektrod pełni rolę źródła a która drenu, decyduje sposób polaryzacji, ponieważ struktura jest symetryczna. W rozważanym przypadku potencjał drenu („zbierającego” elektrony) jest wyższy od potencjału źródła („emitującego” elektrony), czyli U_DS > 0. Kanał tego tranzystora położony jest pomiędzy warstwami zaporowymi złączy p-n (rys. 1.2).

Rys. 1.2  Wpływ spadku napięcia na kanale na jego kształt w tranzystorze PNFET

Zaporowa polaryzacja złączy zapewnia ich niewielką upływność (prądy źródła i drenu są praktycznie równe) oraz pozwala na efektywne sterowanie konduktancją kanału (zmiany napięcia U_GS < 0 powodują stosunkowo duże zmiany głębokości wnikania warstw zaporowych w obszar n). Zjawisko to decyduje o przebiegu charakterystyki przejściowej tranzystora (rys. 1.3). Dla napięć U_GS poniżej tzw. napięcia progowego U_T polaryzacja zaporowa złączy jest tak duża, że warstwy zaporowe stykają się na całej długości, a w konsekwencji prąd drenu zanika.

Rys. 1.3 Charakterystyka przejściowa tranzystorza PNFET z kanałem typu n

Kanał tranzystora jest sterowanym rezystorem i należałoby się spodziewać liniowej charakterystyki wyjściowej I_D(U_DS). W rzeczywistości tak jest jedynie dla niewielkich wartości napięcia U_DS. Ze wzrostem napięcia wyjściowego obserwuje się coraz wolniejszy wzrost prądu aż do nasycenia się (rys. 1.4).

Rys. 1.4 Charakterystyka wyjściowa tranzystorza PNFET z kanałem typu n

Przyczyną nieliniowego przebiegu charakterystyki wyjściowej jest towarzyszący wzrostowi U_DS wzrost spadku napięcia na kanale. W jego konsekwencji różnica potencjałów między bramką a fragmentami kanału rośnie w kierunku do drenu i tym samym maleje grubość kanału jak na rys. 1.2. Ta różnica potencjałów rośnie do osiągnięcia wartości równej U_T bliżej drenu dla napięcia dren-źródło nazywanego napięciem nasycenia U_DSat = U_GS – U_T. Kanał zostaje wówczas odcięty od drenu obszarem zubożonym i tranzystor wchodzi w zakres nasycenia.

Przy silniejszej polaryzacji, nadwyżka napięcia U_DS ponad napięcie nasycenia odkłada się na krótkim odcinku obszaru zubożonego oddzielającego kanał od drenu (rys. 1.2 ), przez który nośniki są szybko unoszone w polu elektrycznym. Na kanale spadek napięcia nie może przekroczyć wartości U_DSat, z czego wynika nasycenie charakterystyki. Niewielki wzrost prądu drenu w zakresie nasycenia (U_DS. > U_DSat) spowodowany jest skracaniem kanału (odcinek na którym schodzą się warstwy zaporowe obu złączy nieznacznie wydłuża się w funkcji DU_DS = U_DS - U_DSat).