14. ZŁĄCZOWE TRANZYSTORY POLOWE

14.1. Działanie złączowego tranzystora polowego

Widzimy, że jednorodny kanał w półprzewodniku n-typu o wysokości a jest ograniczany przez obszar ładunku przestrzennego o wysokości W(x) w ten sposób, że grubość n-kanału wynosi tylko w(x) = a-W(x). Taki zasięg ładunku przestrzennego może pochodzić od złącza p+-n (w tranzystorze JFET) lub od złącza metal-półprzewodnik (w tranzystorze MESFET). W każdym przypadku, przy jednorodnie zdomieszkowanym n-kanale o koncentracji donorów Nd, wysokość kanału elektronowego wynosi

gdzie: ψ napięcie dyfuzyjne złącza p+-n lub M-S, u(x) - spadek napięcia wzdłuż kanału o długości L, UP - napięcie progowe, przy którym kanał zostaje całkowicie odcięty

Prąd drenu jest tylko prądem dryftowym, strumieniem elektronów (-q) płynącym przez neutralny kanał o przekroju (a-W)Z i długości L w polu elektrycznym -duDS/dx, czyli
gdzie U_PO jest określane jako wewnętrzne napięcie odcięcia. Dla małych napięć drenu; gdy uDS< ψ_uGS łatwo wykazać, że

czyli prąd drenu jest funkcją liniową uD w liniowym zakresie pracy tranzystora. Ponadto można wykazać, że iD = 0, gdy uGS= ψ uPO.

Jeżeli w kanale nastąpi odcięcie, to napięcia zewnętrzne spełniają warunek

uDS - uGS = UP

Prąd drenu w tych warunkach staje się niezależny od napięcia uDS , i wynosi

oraz osiąga stałą wartość prądu nasycenia dla napięcia UDSS , które spełnia warunki

uDS > UDSS = Up - (ψ  uGS)

Dla uG=0 prąd ten ma wartość największą,

UDSS jest takim napięciem na drenie, przy którym na końcu kanału pole elektryczne jest na tyle duże, że w krzemie (Si) następuje nasycenie prędkości nośników, a w arsenku galu (GaAs) pojawia się efekt Gunna. Wraz ze wzrostem potencjału na drenie; uDS> UDSS , może maleć efektywna długość kanału L'<L, co jeszcze powoduje słaby przyrost prądu. Efekt modulacji długości kanału jest modelowany parametrem , który określa skończone nachylenie charakterystyk i_DS =i_DS (u_DS, u_GS) w zakresie nasycenia. Dobrym przybliżeniem prądu nasycenia dla napięć pomiędzy uGS=0, a uGS=UPO , jest zależność kwadratowa

Jednakże dyskretne tranzystory JFET są elementami o czterech wyprowadzeniach zewnętrz-nych (rys.14.2). Obszar podłoża (body) stanowi dodatkową bramkę, którą zwykle łączy się z bramką górną (joined-gate JFET). W układach scalonych jest ona na własnym potencjale uB lub uziemiona uB=0.

W związku z tym, w idealizowanych modelach tych tranzystorów kanał ma wysokość 2a i jest jednostajnie i symetryczne zawężany z dwóch stron. Należy więc przyjąć, że przewodność kanału Go jest dwukrotnie mniejsza niż wartość określona wyrażeniem (14.5).

14.2. Parametry małosygnałowe

Definujemy dwa podstawowe parametry małosygnałowe JFET-a:

- konduktancję drenu (kanału)

przy UG=const

oraz transkonduktancję

przy UD= const

Z zależności (14.4) łatwo wykazać, że w zakresie liniowym:

oraz

Natomiast w zakresie nasycenia transkonduktancja jest pochodną cząstkową równania (14.8), i wynosi

Dla idealnej kwadratowej zależności, dla której , podstawowy związek pomiędzy gm, IDSS i UPO jest postaci

Należy tutaj zauważyć, że zależności (14.14) i (14.16) są identyczne; zatem konduktacja wyjściowa zakresu liniowego jest równa transkonduktacji zakresu nasycenia. Ponadto rezystancja szeregowa źródła rS redukuje wartość teoretyczną gm do wartości efektywnej

---