Полевые транзисторы

Полевой транзистор представляет собой прибор, в котором управление проходящим через него током осуществляется объёмным зарядом электронно-дырочного перехода. Такие транзисторы называют униполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда одного знака; только дырок или только электронов. С этой точкой зрения обычные транзисторы, рассмотренные ранее, называются биполярными, т.к. в их работе применяют как положительные (дырки), так и отрицательные (электроны) носители заряда. Термин “полевые” характеризует механизм управления током: с помощью электрического поля, а не тока, как в биполярных транзисторах.

Полевые транзисторы по принципу действия подразделяются на транзисторы с управляющим p-n-переходом и транзисторы со структурой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), МОП.

Рассмотрим вначале полевой транзистор с уп-равляющим p-n переходом. Одна из его разновид-ностей носит наз-вание унитрон. Унитрон представляет собой пластинку n/n n-типа, имеющую на торцах контакты, а на обеих больших гранях слои p-типа (вариант p-типа, не имея принципиальных отличий, уступает типу n по частотным свойствам, шумам и стабильности).

Оба p-слоя соединены между собой и образует электрод, называемый затвором. К двум другим омическим контактам подсоединяется источник питания. При этом ток, контакт, от которого движутся основные носители (электроны) называется истоком, а тот к которому они движутся – стоком.

Исходя из сказанного, схема включения унитрона выглядит следующим образом:

Принцип действия унитронов прост и заключается в том, что при изменении U_з меняется ширина p-n переходов и, следовательно, ширина пластинки в области затвора. Это приводит к изменению сопротивления пластинки полупроводника и, следовательно, к изменению тока через унитрон. Основной полупроводник применяется сравнительно высокоомный, т.е. концентрация примесей в нём невелика. Область, расположенная между p-n-переходами называется каналом. Рассматриваемый нами транзистор с n-каналом. Аналогично работает транзистор с p-каналом. Иногда поэтому унитрон называют канальный транзистор. Так как унитрон работает при обратном смещении на затворе, он обладает очень высоким выходным сопротивлением. Оно составляет 10⁷÷10⁹ Ом, в то время как для биполярных транзисторов оно = 10²÷10³ Ом. Большое входное сопротивление позволяет осуществлять управление изменением тока в выходной цепи входным напряжением. Унитрон имеет много общего с электронными лампами (большое входное сопротивление). Исток и сток аналогичны соответственно катоду и аноду лампочки. Кроме этого, при возрастании отрицательного напряжения затвора до U₃₀, расширившиеся переходы могут перекрыть всё сечение полупроводника, что вызовет отсечку тока в рабочей цепи. При U_с неравном нулю ввиду того, что вдоль канала существует падение напряжения от U_с, разность потенциалов между электронным n/n и дырочным слоев в разных точках p-n перехода будет различной. Поэтому обратное напряжение на p-n- переходах меняется от U_з у истока до U_з+U_с у стока. Поэтому при приближении к стоку канал сужается. С ростом U_с переходы почти смыкаются. В отличие от отсечки тока (при возрастании U_з) смыкание переходов не приводит к отсечке тока, т.к. само смыкание является следствием возрастания тока. (Если бы ток уменьшался, то переходы разомкнулись бы, и это способствовало бы увеличению тока). Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т.е. резкое возрастание дифференциального сопротивления канала. Такой режим называется режимом насыщения, а напряжение, при котором он наступает – напряжением насыщения (точки Н). С возрастанием U₃₀ режим насыщения наступает при меньших значениях U_с. Напряжение насыщения можно получить из условия: U_з+U_с=U_зо => U_сн=U_зо-U_з.

Унитрон может работать лишь при нулевом или отрицательных напряжениях U_з. При U_з>0 появляется прямой ток через затвор – исток и r_вх резко понижается.

Усилительные свойства унитрона определяются крутизной его характеристики S=dI_с/dU_з.

R_i=dU_c/dI_c; μ=S·R_i

Инерционность унитрона обусловлена зарядом барьерных ёмкостей переходов. Максимальная рабочая частота (до сотен МГц) определяется постоянной времени входной цепи RC, где R-сопротивление канала, через которое осуществляется зарядка барьерной ёмкости (ёмкости затвора) C:

f₀=1/2πRC

Внутреннее сопротивление составляет 0,2÷1 Мом. Входное сопротивление около 1 Мом.

Разновидностью канального транзистора является технетрон (Франция), конструктивно отличающийся тем, что в области затвора стержень имеет форму цилиндра. Канал имеет круговое сечение. Для создания затвора в средней части стержня электролитически стравливается до диаметра 50-80 мкм. Затем в кольцевое углубление осаждается индий и образуется p-n-переход. Технетрон является менее мощным прибором, чем унитрон. Значительно большей мощности позволяет получить третья разновидность канального транзистора – алкатрон.