Физические принципы работы полевого транзистора

Полевые транзисторы называют также униполярными, т.к. они имеют только один вид носителей заряда в отличие от биполярных транзисторов. Работа полевого транзистора основана на эффекте управления током носителей заряда с помощью электрического поля. В англоязычной литературе полевые транзисторы называются FET (Fild Effect Transistors) – транзисторами.

Полевые транзисторы можно разделить на два больших класса JFET– транзисторы с управляющим р-n – переходом и МДП (МОП) MOSFET – транзисторы с изолированным затвором.

Рассмотрим принципы работы полевого транзистора с управляющим р-п – переходом. Такой транзистор схематически изображен на рис.2.6.

	исток

Рис.2.6. Схематическое изображение полевого транзистора

с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим р-n – переходом представляет собой пластину полупроводника n или р типа в которую вплавлен полупроводник противоположного типа. На рисунке изображен полевой транзистор с каналом n- типа.

Тот электрод, от которого движутся заряды, называется истоком, а электрод, к которому движутся заряды – стоком. Электрод, с помощью которого происходит управление движением зарядов, называется затвором. При подаче на сток относительно истока положительного потенциала в канале возникает ток стока.

Если на затвор относительно истока подать отрицательный потенциал, то в области, образованной р-n –переходом образуется слой, обедненный основными носителями заряда, толщина канала уменьшается и, соответственно, уменьшается ток стока. При некотором значении напряжения на затворе, называемом напряжением отсечки Uзо, канал полностью перекрывается и ток стока прекращается.

Канал полупроводника в разрезе вдоль оси изображен на рис.2.7.

Рис.2.7. Изображение канала полевого транзистора

При протекании через канал тока стока, канал не является эквипотенциальным вдоль оси Х. К р-n – переходу приложено напряжение состоящее из напряжения между истоком и затвором Uзи и падения напряжения на самом канале за счет протекания тока стока Uх.

Uрп=Uзи+Uх

Падение напряжения на канале Uх возрастает от истока к стоку (при Х=0 U_x ‌_x=0=0, а при Х=L U_x ‌_x=L=Uси). Максимальное напряжение приложено к р-n – переходу у стока, где образуется горловина канала, и, когда оно становится равным напряжению отсечки, канал полностью перекрывается Uзи + U^'сп= Uзо.

Напряжение между стоком и истоком U'си при котором перекрывается горловина канала называется напряжением насыщения. Перекрытие горловины канала не означает, что ток стока прекращается, т.к. падение напряжения на канале образуется за счет тока стока. Это означает, что при дальнейшем увеличении напряжения Uси > U'си ток стока практически не будет возрастать. Здесь следует учесть эффект модуляции длины канала, аналогичный эффекту модуляции толщины базы для биполярных транзисторов. При Uси> U'си горловина канала сместится влево, длина канала уменьшится, и ток стока увеличится. При этом статические характеристики будут иметь некоторый наклон относительно оси абсцисс рис.2.8.

Рис.2.8. Выходные статические характеристики полевого транзистора

Существуют различные формулы, аппроксимирующие зависимость тока стока I c от напряжений между затвором и истоком Uзи и стоком и истоком Uси. В системах Micro-Cap и PSpice применена следующая зависимость

I_c=ВЕТА(1+LAMBDA·U_си)(U_зо- U_зи)², (2.12)

где - коэффициент передачи тока;

S – крутизна полевого транзистора;

- коэффициент модуляции длины канала.

Уравнение (2.12) определяет нелинейную зависимость тока стока I c от напряжений Uси. и Uзи. Оно применяется для анализа по постоянному току и временного анализа. Для анализа частотных характеристик используется линейная малосигнальная модель полевого транзистора, приведенная на рис.2.9.

Рис.2.9. Малосигнальная модель полевого транзистора