Полевые транзисторы ( униполярные или канальные)

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в ко­тором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Каналом называют центральную область транзистора. В зависимости от типа проводимости полевой транзистор может быть с p-каналом и n-каналом, сопротивление канала зависит от толщины запирающего слоя (p-n перехода) между каналом и затвором или каналом и подложкой, которая изменяется с помощью напряжения на затворе относительно истока

Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через ко­торый основные носители ухо­дят из канала,— стоком. Элект­род, служащий для регулиро­вания поперечного сечения ка­нала, называют затвором.

Поскольку в полевых тран­зисторах ток определяется дви­жением носителей только одно­го знака, ранее их называли униполярными транзисторами, что подчеркивало движение но­сителей заряда одного знака.

Существует 2 типа полевых транзисторов:

1) Полевой транзистор с управляющим переходом

a. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

b. Полевой транзистор с управляющим переходом Шотки

2) Полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник /МДП-транзистор/. Чаще всего в качестве диэлектрика используются оксиды Частный случай – металл-оксид-полупроводник /МОП-транзистор/.

Транзисторы с управляющим р – n переходом, с каналом p или n-типа

Обозначаются:

	Рис. 1 – транзисторы с управляющим р – n переходом

Сущность процессов, связанных с образованием канала в полевом транзисторе с управляемым электронно-дырочным p-n-переходом, при изменении напряжения на переходе можно схематично представить так, как это изображено на рис. 2

Рис. 2.Схематичное изображение образования канала

С целью увеличения глубины модуляции канала сплавной переход выполнен в виде кольца, охватывающего канал, в результате чего переход образует диафрагму, диаметр отверстия которого изменяется в такт с изменением напряжения на переходе. Диафрагма - это и есть канал у полевого транзистора (отсюда и появилось название у этого типа транзисторов - канальные).

Полевой транзистор с управляющим р – n переходом – это полевой транзистор управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего р – n перехода, включенного в обратном направлении.

Принцип действия:

	Рис. 3. Принцип действия полевого транзистора с управляющим р – n переходом

Принцип действия: при отсутствии напряжения на затворе, через канал свободно течёт ток стока под действием напряжения сток – исток, то есть полевой транзистор с управляющим р – n переходом является нормально открытым прибором.

При изменении обратного напряжения на р – n переходе изменяется его толщина, а следовательно толщина области по которой проходит управляемый ток.

Т.к управление током стока происходит при изменении обратного напряжения на р – n переходе затвора, входные токи полевых транзисторов очень малы и равны обратному току р – n перехода, поэтому потребляемая мощность от источника сигнала практически равна нулю. Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным сопротивлением. Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низкочастотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамическрго звукоснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сигнала. В этом главное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными

Напряжение затвор-исток , при котором ток стока становится равным нулю, называют напряжением отсечки /один из основных параметров полевого транзистора/. На практике определяют при малом значении тока сток-исток.

У различных транзисторов напряжение отсечки может составлять от 0,5 до 10 В.

Основные характеристики полевого транзистора:

1. Стокозатворные (передаточные характеристики – зависимость тока стока от напряжения на затворе показаны на рис..

а) б)

Рис. 4. Стокозатворные (передаточные) ВАХ транзисторов с разным типом каналов: а - для n-канала; б - для p-канала

Практическую ценность стокозатворной характеристики переоценить трудно: она позволяет выбрать режим транзистора по постоянному току, оценить усилительные свойства транзистора, выяснить характер и оценить уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

Анализ стокозатворных ВАХ полевого канального транзистора показывает, что такие транзисторы работают строго при одной полярности напряжения на затворе: если произойдет смена полярности напряжения на затворе, то p-n-переход приходит в прямосмещенное состояние, транзистор перестает быть униполярным, так как начнется инжекция неосновных носителей в канал. Кроме того, сопротивление входной цепи резко уменьшается, во входной цепи может потечь недопустимо большой ток, что приведет к гибели транзистора. Таким образом, полевой канальный транзистор работает только в режиме обеднения канала.

Напряжение на затворе, при котором перекрывается токопроводящий канал, называется напряжением отсечки U_отс. Если напряжение U_зи меньше U_отс и подано напряжение на участок сток-исток U_си, то через транзистор будет протекать ток.

2. Статические стоковые характеристики или семейство выходных характеристик, показывающих зависимость тока стока I_c от напряжения на стоке относительно истока U_си при различных напряжениях на затворе U_зи.

Рис. 5.Семейство стоковых ВАХ: Iс = f(Uси) при Uзи = const

Если на затвор подать более отрицательное напряжение (случай с n-каналом), то сечение канала уменьшается, сопротивление увеличится и начальный участок новой ВАХ будет иметь наклон, соответствующий большему значению сопротивления. Выход транзистора на криволинейный участок и в область насыщения произойдет раньше, то есть при меньших значениях напряжения на стоке (точки E; D; В при U_зи < 0).

На крутых участках ВАХ ток стока является функцией двух напря-
жений - на стоке и на затворе, а на пологих участках - функцией только напряжения на затворе. В усилительной технике полевые транзисторы (и канальные, и МОП) обычно работают на пологих участках ВАХ, поскольку этим участкам соответствуют наименьшие нелинейные искажения и оптимальные значения дифференциальных параметров - крутизны, внутреннего сопротивления и собственного коэффициента усиления. На стоковых ВАХ (рис.5) пунктирной линией, соединяющей точки E, D, B, обозначена граница между пологими и крутыми участками ВАХ. Такое резкое разделение крутых и пологих участков ВАХ, разумеется, носит условный характер, но в инженерной практике позволяет пользоваться наиболее удобной аппроксимацией ВАХ, так как очень точные выражения ВАХ оказываются достаточно сложными (особенно для МОП-транзисторов).

Основные параметры полевого транзистора:

1) Крутизна

Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1 — 0,2 до 10 — 15 мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор.

2) Дифференциальное сопротивление сток-исток

Дифференциальное сопротивление канала - это фактически выходное сопротивление транзистора (определяется в режиме насыщения);

Значение этого параметра особенно важно для случаев применения полевых транзисторов в схемах аналоговых коммутаторов и модуляторов или в качестве регулируемого сопротивления; во всех этих случаях транзистор работает в крутой области ВАХ;

3) Коэффициент усиления или статический коэффициент усиления по напряжению

или

4) Входное сопротивление между затвором и истоком (определяется при максимально допустимом напряжении между этими электродами):

Входное сопротивление канального транзистора определяется обратным током p-n-перехода и составляет порядка 10¹¹ Ом.

Меж электродные емкости полевых транзисторов между затвором и стоком Cзс, а также затвором и истоком Сзи обычно не превы­шают 1—20 пФ.

Полевые транзисторы с коротким каналом (длиной 1—3 мкм) являются высокочастотными приборами и могут работать на часто­тах до 100 МГц.