Полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами. Особенностью их является то, что ток выхода управляется электрическим полем и напряжением одной полярности. Регулирующий сигнал поступает на затвор и осуществляет регулировку проводимости перехода транзистора. Этим они отличаются от биполярных транзисторов, в которых сигнал возможен с разной полярностью. Другим отличительным свойством полевого транзистора является образование электрического тока основными носителями одной полярности.
Разновидности
Существует множество разных видов полевых транзисторов, действующих со своими особенностями. Разберемся, по каким признакам классифицируются полевые транзисторы.
Тип проводимости.
От нее зависит полюсность напряжения управления.
Структура:
диффузионные, сплавные, МДП, с барьером Шоттки.
Количество электродов:
бывают транзисторы с 3-мя или 4-мя электродами. В варианте с 4-мя электродами подложка является отдельной частью, что дает возможность управлять прохождением тока по переходу.
Материал изготовления
:
наиболее популярными стали приборы на основе германия, кремния. В маркировке транзистора буква означает материал полупроводника. В транзисторах, производимых для военной техники, материал маркируется цифрами.
Тип применения:
обозначается в справочниках, на маркировке не указан. На практике известно пять групп применения «полевиков»: в усилителях низкой и высокой частоты, в качестве электронных ключей, модуляторов, усилителей постоянного тока.
Интервал рабочих параметров:
набор данных, при которых полевики могут работать.
Особенности устройства:
унитроны, гридисторы, алкатроны. Все приборы имеют свои отличительные данные.
Количество элементов конструкции:
комплементарные, сдвоенные и т. д.
Кроме основной классификации «полевиков», имеется специальная классификация, имеющая принцип действия:
Полевые транзисторы с р-n переходом, который осуществляет управление.
Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
«Полевики» с изолированным затвором, которые делятся:
— с индукционным переходом;
— со встроенным переходом.
В научной литературе предлагается вспомогательная классификация. В ней говорится, что полупроводник на основе барьера Шоттки необходимо выделить в отдельный класс, так как это отдельная структура. В один и тот же транзистор может входить сразу оксид и диэлектрик, как в транзисторе КП 305. Такие методы применяют для образования новых свойств полупроводника, либо для снижения их стоимости.
На схемах полевики имеют обозначения выводов: G – затвор, D – сток, S – исток. Подложку транзистора называют «substrate».
Конструктивные особенности
Электрод управления полевым транзистором в электронике получил название затвора. Его переход выполняют из полупроводника с любым видом проводимости. Полярность напряжения управления может быть с любым знаком. Электрическое поле определенной полярности выделяет свободные электроны до того момента, пока на переходе не закончатся свободные электроны. Это достигается воздействием электрического поля на полупроводник, после чего величина тока приближается к нулю. В этом заключается действие полевого транзистора.
Электрический ток проходит от истока к стоку. Разберем отличия этих двух выводов транзистора. Направление движения электронов не имеет значения. Полевики обладают свойством обратимости. В радиотехнике полевые транзисторы нашли свою популярность, так как они не образуют шумов по причине униполярности носителей заряда.
Главной особенностью полевых транзисторов является значительная величина сопротивления входа. Это особенно заметно по переменному току. Эта ситуация получается по причине управления по обратному переходу Шоттки с определенным смещением, или по емкости конденсатора возле затвора.
Материалом подложки выступает нелегированный полупроводник. Для «полевиков» с переходом Шоттки вместо подложки закладывают арсенид галлия, который в чистом виде является хорошим изолятором.
К нему предъявляются требования:
На практике оказывается трудным создание структурного слоя со сложным составом, отвечающим необходимым условиям. Поэтому дополнительным требованием является возможность медленного наращивания подложки до необходимых размеров.
Полевые транзисторы с р- n переходом
В такой конструкции тип проводимости затвора имеет отличия от проводимости перехода. Практически применяются различные доработки. Затвор может быть изготовлен из нескольких областей. В итоге наименьшим напряжением можно осуществлять управление прохождением тока, что повышает коэффициент усиления.
В разных схемах применяется обратный вид перехода со смещением. Чем больше смещение, тем меньше ширина перехода для прохождения тока. При определенной величине напряжения транзистор закрывается. Применение прямого смещения не рекомендуется, так как мощная цепь управления может оказать влияние на затвор. Во время открытого перехода проходит значительный ток, или повышенное напряжение. Работа в нормальном режиме создается путем правильного выбора полюсов и других свойств источника питания, а также подбором точки работы транзистора.
Во многих случаях специально применяют непосредственные токи затвора. Такой режим могут применять и транзисторы, у которых подложка образует переход вида р-n. Заряд от истока разделяется на сток и затвор. Существует область с большим коэффициентом усиления тока. Этот режим управляется затвором. Однако, при возрастании тока эти параметры резко падают.
Подобное подключение применяется в схеме частотного затворного детектора. Он применяет свойства выпрямления перехода канала и затвора. В таком случае прямое смещение равно нулю. Транзистор также управляется затворным током. В цепи стока образуется большое усиление сигнала. Напряжение для затвора изменяется по закону входа и является запирающим для затвора.
Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:
- Постоянная величина. Не применяется.
- Сигнал несущей частоты. Отводится на заземление с применением фильтров.
- Сигнал с модулирующей частотой. Подвергается обработке для получения из него информации.
В качестве недостатка затворного детектора целесообразно выделить значительный коэффициент искажений. Результаты для него отрицательные для сильных и слабых сигналов. Немного лучший итог показывает фазовый детектор, выполненный на транзисторе с двумя затворами. Опорный сигнал подается на один их электродов управления, а информационный сигнал, усиленный «полевиком», появляется на стоке.
Несмотря на значительные искажения, этот эффект имеет свое назначение. В избирательных усилителях, которые пропускают определенную дозу некоторого спектра частот. Гармонические колебания фильтруются и не влияют на качество действия схемы.
Транзисторы МеП, что означает – металл-полупроводник, с переходом Шоттки практически не отличаются от транзисторов с р-n переходом. Так как переход МеП имеет особые свойства, эти транзисторы могут функционировать на повышенной частоте. А также, структура МеП простая в изготовлении. Характеристики по частоте зависят от времени заряда затворного элемента.
МДП-транзисторы
База элементов полупроводников постоянно расширяется. Каждая новая разработка изменяет электронные системы. На их базе появляются новые приборы и устройства. МДП-транзистор действует путем изменения проводимости полупроводникового слоя с помощью электрического поля. От этого и появилось название – полевой.
Обозначение МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-полупроводник. Это дает характеристику состава прибора. Затвор изолирован от истока и стока тонким диэлектриком. МДП транзистор современного вида имеет размер затвора 0,6 мкм, через который может протекать только электромагнитное поле. Оно оказывает влияние на состояние полупроводника.
При возникновении нужного потенциала на затворе возникает электромагнитное поле, которое оказывает влияние на сопротивление участка стока-истока.
Достоинствами такого применения прибора является:
- Повышенное сопротивление входа прибора. Это свойство актуально для применения в цепях со слабым током.
- Небольшая емкость участка сток-исток дает возможность применять МДП-транзистор в устройствах высокой частоты. При передаче сигнала искажений не наблюдается.
- Прогресс в новых технологиях производства полупроводников привел к разработке транзисторов IGBT, которые включают в себя положительные моменты биполярных и полевых приборов. Силовые модули на их основе широко применяются в приборах плавного запуска и преобразователях частоты.
При разработке таких элементов нужно учесть, что МДП-транзисторы имеют большую чувствительность к повышенному напряжению и статическому электричеству. Транзистор может сгореть при касании к его выводам управления. Следовательно, при их установке необходимо применять специальное заземление.
Такие транзисторы обладают многими уникальными свойствами (например, управление электрическим полем), поэтому они популярны в составе электронной аппаратуры. Также следует отметить, что технологии изготовления транзисторов постоянно обновляется.
ТЕМА 5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевой транзистор – это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.
К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми.
По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.
В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа – электронной.
5.1 Полевые транзисторы с управляющим р- n- переходом
5.1.1 Устройство и принцип действия
Полевой транзистор с управляющим р-n- переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении.
Рисунок 5.1 – Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (каналом n- типа)
Рисунок 5.2 – Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа (а), каналом р- типа (б)
Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.
Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором.
Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток р-n- перехода, получается во много раз меньше, чем у германия.
Условные обозначения полевых транзисторов с каналом n- и р- типов приведены на рис. 5.2.
Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 5.1. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратным для обоих р-n- переходов. Ширина р-n- переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения Uси, то силой тока стока Iс, протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р-n- переходом.
При напряжении Uзи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим.
Ток стока Iс нач при Uзи = 0 называют начальным током стока.
Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки Uзиотс.
5.1.2 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р- n- переходом
Рассмотрим вольт - амперные характеристики полевых транзисторов с р-n- переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт - амперных характеристик: стоковые и стоко - затворные.
Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа показаны на рис. 5.3, а. Они отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic= f(Uси) при Uзи = const.
а) б)
Рисунок 5.3 – Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые (выходные); б – стоко - затворная
Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси. При Uси = 0 выходной ток Iс = 0. При Uси > 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uсинас. При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uсинас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик.
Стоко - затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси: Ic= f(Uси) при Uси = const (рис. 5.3, б).
5.1.3 Основные параметры
· максимальный ток стока Iсmax (при Uзи = 0);
· максимальное напряжение сток-исток Uсиmax;
· напряжение отсечки Uзиотс;
· внутреннее (выходное) сопротивление ri − представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока:
При Uзи = const;
· крутизна стоко-затворной характеристики:
При Uси = const,
отображает влияние напряжение затвора на выходной ток транзистора;
· входное сопротивление при Uси = const транзистора определяется сопротивлением р-n- переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-n- переходом довольно велико (достигает единиц и десятков мегаом), что выгодно отличает их от биполярных транзисторов.
5.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором
5.2.1 Устройство и принцип действия
Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП - транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.
МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП - транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).
Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.
Рассмотрим особенности МДП - транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 5.4, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.
Рисунок 5.4 – Конструкция МДП - транзистора со встроенным каналом n- типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)
При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда – электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.
При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.
В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси > 0), протекает ток стока Iснач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.
Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n- типа показана на рис. 5.5, а
Рисунок 5.5 – Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n-типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)
Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р- типа и на одном из р-n- переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.
Условное обозначения МДП - транзисторов приведены на рис. 5.6.
Рисунок 5.6 – Условное обозначение МДП - транзисторов:
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки
5.2.2 Статические характеристики МДП - транзисторов
Стоковые (выходное) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n- типа Ic= f(Uси) показаны на рис. 5.4, б.
При Uзи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения Uзи < 0 поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны – носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при Uзи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей Uзи = 0.
При подаче на затвор напряжения Uзи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины (подложки) р- типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи > 0 располагаются выше исходной кривой при Uзи = 0.
Стоко-затворная характеристика транзистора со встроенным каналом n-типа Ic= f(Uзи) приведена на рис. 5.4, б.
Стоковые (выходные) характеристики Ic=f(Uси) и стоко-затворная характеристика Ic= f(Uзи) полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 5.5, б; в.
Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Ic= 0 при Uси = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.
5.2.3 Основные параметры МДП - транзисторов
Параметры МДП - транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р-n- переходом.
Что касается входного сопротивления то МДП - транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р-n- переходом. Входное сопротивление у них составляет rвх = 1012 … 1014 Ом.
5.2.4 Область применения
Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении интегральных схем и др.
5.3 Основные схемы включения полевых транзисторов
Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 5.7).
Рисунок 5.7 – Схемы включения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС
На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.
5.4 Простейший усилительный каскад на полевых транзисторах
В настоящее время широко применяются усилители, выполненные на полевых транзисторах. На рис. 5.9 приведена схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ и одним источником питания.
Рисунок 5.9
Режим работы полевого транзистора в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока Iсп и соответствующим ему напряжением сток-исток Uсип. Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора Uзип. Это напряжение возникает на резисторе Rи при прохождении тока Iсп (URи = Iсп Rи) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R3. Резистор Rи, кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя Iсп. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си и таким образом обеспечивают неизменность коэффициента усиления каскада. Сопротивление конденсатора Си на наименьшей частоте сигнала должно быть намного большим сопротивления резистора Rи, которое определяют по выражению:
где Uзип, Iсп – напряжение затвор-исток и ток стока при отсутствии входного сигнала.
Емкость конденсатора выбирается из условия:
(5.2)
где fmin – наинизшая частота входного сигнала.
Конденсатор Ср называется разделительным. Он используется для развязки усилителя по постоянному току от источника входного сигнала.
Емкость конденсатора:
(5.3)
Резистор Rс выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого напряжением между затвором и истоком.
При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения uвх напряжение между затвором и истоком будет изменяться во времени DUзи(t) = uвх; ток стока также будет изменяться во времени, т.е. появится переменная составляющая DIc(t) = ic. Изменение это тока приводит к изменению напряжения между стоком и истоком; его переменная составляющая uс равная по величине и противоположная по фазе падению напряжения на резисторе Rс, является входным напряжением усилительного каскада DUси(t) = uc= uвых = −Rcic.
В усилителях на МДП - транзисторах с индуцированным каналом необходимое напряжение Uзип обеспечивается включением в цепь затвора делителя R1R2 (рис. 5.10).
Рисунок 5.10
(5.4)
От выбранного значения тока делителя Iд = Ес/(R1+R2) зависят сопротивления резисторов R1 и R2. Поэтому ток делителя выбирают исходя из обеспечения требуемого входного сопротивления усилителя.
5.5 Расчет электрических цепей с полевыми транзисторами
В усилителе на полевом транзисторе, схема которого приведена на рис. 5.9, ток стока Ic и напряжение Uси связаны уравнением:
В соответствии с этим уравнением можно построить линию нагрузки (нагрузочную характеристику):
(5.6)
Для ее построения на семействе статических выходных (стоковых) характеристик полевого транзистора достаточно определить две точки:
1-я точка: полагает Ic= 0, тогда Uси = Ес;
2-я точка: полагает Uси = 0, тогда Ic= Ес/(Rc+Rи).
Графическим решением уравнения для выходной цепи рассматриваемого каскада являются точки пересечения линии нагрузки со стоковыми характеристиками.
Рисунок 5.11 – Графический расчет режима покоя каскада на полевом транзисторе при помощи выходных и входной характеристик
Значение тока стока Iс и напряжения Uси зависят также от напряжения затвора Uзи. Три параметра Iсп, Uсип и Uзип определяют исходный режим, или режим покоя усилителя. На выходных характеристиках этот режим отображается точкой По, лежащей на пересечении выходной нагрузочной характеристики с выходной статической характеристикой, снятой при заданном значении напряжения затвора.
Резистор R3 предназначен для подачи напряжения Uзип с резистора Rи между затвором и истоком транзистора. Сопротивление R3 принимают равным 1…2 МОм.
Сопротивление резистора Rи для обеспечения режима покоя, харак-теризуемого значениями Iс = Iсп и Uзи = Uзип (точка По, рис. 5.11), рассчитывают по формуле.
Полевой транзистор с управляющим электронно-дырочным переходом имеет 2 невыпрямляющих контакта к области полупроводника, через которую проходит ток и один (либо два) управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в обратном направлении .
Изменением обратного напряжения на переходе управляют шириной перехода, тем самым изменяется толщина слоя полупроводника, по которому протекает ток.
Область полупроводника, по которой протекает ток основных носителей, называется каналом .
Электрод, из которого основные носители входят в канал, называется истоком .
Электрод, через который основные носители уходят из канала, называется стоком .
Электрод, служащий для управления толщиной канала, называется затвором.
Различают два типа полевых транзисторов:
Канал в полевых транзисторах может
иметь проводимость
-типа
и
-типа.
Однако при использовании канала-типа
будут худшие частотные свойства, хуже
стабильность параметров и выше уровень
шумов по сравнению с каналом-типа.
Устройство и графическое изображение
различных полевых транзисторов на
основе кристалла полупроводника
-типа
приведено на рисунках.
|
Транзистор
с управляющим
|
МДП транзистор с индуцированным каналом |
МДП транзистор со встроенным каналом |
|
|
|
|
|
|
|
|
переходом
Ток в полевых транзисторах обусловлен
движением в канале только основных
носителей заряда (это дрейф основных
носителей заряда под действием
электрического поля). Управляющее поле
создается обратным напряжением на
управляющем
переходе
или на затворе в МДП транзисторах. Токи
в цепи управления (в затворе) имеют малую
величину, и, следовательно, входное
дифференциальное сопротивление цепи
управления велико.
С точки зрения проводимости и входных токов и сопротивления, полевые транзисторы близки к электронным лампам. Поэтому, как и в лампах, усилительные свойства полевых транзисторов принято характеризовать крутизной характеристики, определяющей зависимость выходного тока (тока стока) от напряжения, приложенного ко входной цепи (цепи затвора).
Принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом.
Графическое изображение транзистора и его включение по схеме с общим истоком приведено на рисунке.
Из
рисунка видно, что электрическое
сопротивление канала между истоком и
стоком зависит от толщины канала. Толщина
канала может уменьшаться за счет
изменения ширины
перехода.
Ширинаперехода
зависит от приложенного к нему обратного
напряжения, то есть изменяется при
изменении отрицательного напряжения
затвор-исток
.
Следовательно, изменяя напряжение затвор-исток, можно управлять электрическим сопротивлением канала.
При подаче положительного напряжения
между стоком и истоком
под действием электрического поля
возникает дрейф основных носителей
зарядов в канале-типа
от стока к истоку.
В результате приложения положительного
напряжения между стоком и истоком
изменяется электрическое поле в теле
полупроводника, что приводит к изменению
конфигурации
перехода
–будет наблюдаться вытягивание
запирающего слоя по направлению к стоку.
Объясняется данный процесс следующим
образом. Если не учитывать сопротивление
канала, можно считать, что потенциал у
стока соответствует напряжению
.
Тогда дляперехода
потенциал на переходе у стока будет
определяться величиной
и тем самым увеличивается потенциальный
барьер на переходе и его ширина. В тоже
самое время потенциал у истока остается
неизменным и определяется напряжением.
Приложение положительного напряжения
вызывает не только протекание тока
стока
по каналу, но и изменение конфигурации
самого канала. Значение тока стока
определяется сопротивлением канала.
Ток затвора
обусловлен движением неосновных
носителей зарядов через обратно смещенный
электронно-дырочный переход. Ввиду
незначительной концентрации неосновных
носителей заряда ток затворамал.
Током стока
можно управлять напряжением
затвор-исток.
При некотором значении напряженияширина перехода может возрасти до такой
величины, что весь канал будет перекрыт.
При этом ток стока будет равен нулю и
транзистор запирается.
Напряжение
,
при котором транзистор запирается,
называется напряжением отсечки
.
Как отмечалось выше, увеличение ширины
электронно-дырочного перехода также
происходит и при возрастании напряжения
сток-исток
.
Можно предположить, что при этом также
возможно полное запирание канала.
Практически полного запирания канала не наблюдается, то есть в цепи стока протекает некоторый ток. Это связано с тем, что возрастание напряжения сток-исток приводит к вытягиванию запирающего слоя в направлении стока и при этом всегда остается некоторая конечная толщина канала.
Выходные вольт-амперные характеристики
полевого транзистора определяют
зависимость тока стока
от напряжения на стоке
при фиксированном напряжении затвора:
Типичное семейство выходных статических
характеристик полевого транзистора с
управляющим
переходом и
-каналом
приведено на рис. . На рис. приведены
статические характеристики передачи
полевого транзистора с управляющимпереходом и-каналом.
|
|
|
Выходные статические характеристики полевого транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом (рис.) имеют два характерных участка:
начальный участок –крутая зависимость тока стока от напряжения сток-исток;
пологий участок –ток стока практически не зависит от напряжения сток- исток.
При фиксированном значении напряжения
проводящий канал имеет определенное
сопротивление, зависящее от его длины
и поперечного сечения. Поэтому при
начальном увеличении напряжения
сопротивление остается практически
постоянным и ток на выходе возрастает
пропорционально напряжению. Однако по
мере роста напряженияк управляющему электронно-дырочному
переходу прикладывается все большее
обратное напряжение (в области стока),
что приводит к уменьшению площади
поперечного сечения канала, и как
следствие, его сопротивления.
При некотором значении напряжения
сток-исток, получившим название напряжения
насыщения
-происходит
полное перекрытие канала и в дальнейшем
не наблюдается роста стока при увеличении
напряжения.
Очевидно, что наибольшее значение тока стока будет при нулевом напряжении затвор-исток. Чем больше абсолютное значение напряжения затвор-исток тем меньше начальное поперечное сечение канала, и, следовательно, выше его сопротивление.
При больших значениях напряжения сток-исток может возникнуть электрический пробой обратно смещенного перехода затвор-исток. Пробой электронно-дырочных переходов кремниевых полевых транзисторов носит лавинный характер.
Статические характеристики передачи (рис.) представляют зависимость тока насыщения стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.
Основным рабочим режимом полевых
транзисторов с управляющим
переходом
являетсярежим насыщения тока стока
.
Статические характеристики передачи
дают возможность определить один из
основных параметров транзистора,
характеризующий его усилительные
свойства - крутизну характеристики
,
представляющую отношение изменения
тока стока к изменению напряжения на
затворе.
Для полевых транзисторов с управляющим
переходом
характерно то, что их максимальная
проводимость наблюдается при нулевом
смещении на затворе. С ростом смещения
(по абсолютной величине) проводимость
канала уменьшается. Смещение для полевых
транзисторов управляющимпереходом
имееттолько
одну полярность, которая
соответствует отсутствию инжекции
основных носителей через переход.
Для полевых транзисторов с изолированным затвором характерно наличие диэлектрического слоя между металлическим электродом затвора и материалом полупроводника.
Наличие диэлектрика снимает ограничение на полярность управляющего напряжения - оно может быть как положительным, так и отрицательным.