Короткі теоретичні відомості

Польові транзисториє напівпровідниковими приладами, в яких проходження струму зумовлено дрейфом основних носіїв заряду під дією поздовжнього електричного поля. Управління струмом у польових транзисторах здійснюється шляхом зміни електропровідності струмопровідної ділянки напівпровідника поперечним електричним полем. Це поле створюється напругою, прикладеною до керуючого електроду.

Польові прилади можуть працювати в підсилювальному або ключовому режимі. Головна особливість польових приладів полягає в тому, що їх коло керування ізольоване від вихідного кола діелектриком або зміщеним у зворотному напряму p-n -переходом. Фактично коло керування польового приладу являє собою конденсатор, заряд на обкладках якого змінюється під дією керуючого поля (напруги). Напівпровідникова обкладка цього конденсатора входить у вихідне коло приладу: зміна заряду обкладки призводить до зміни опору каналу і відповідно вихідної потужності.

Таким чином передача керуючого заряду в польових транзисторах здійснюється напругою (через ємність). Управління безпосередньо електричним полем визначає основні особливості експлуатації польових напівпровідникових приладів.

У класі польових транзисторів розрізняють транзистори з ізольованим затвором зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник (МДН-транзистори) і транзистори з керувальним p-n -переходом. У МДН-транзисторах керувальне коло відокремлене від каналу діелектриком. Зазвичай в якості діелектрика використовують оксид (діоксид кремнію SiO2) і говорять про МОН-транзисторах (зі структурою метал - оксид - напівпровідник).

У польових транзисторах з керувальним p-n -переходом (рис. 6.1, а) керуюче коло відокремлене від каналу зворотно зміщеним p-n -переходом, при цьому канал розташований в об’ємі напівпровідника й існує при нульовій напрузі на затворі, тобто є вбудованим каналом. На керувальний p-n -перехід можна подавати лише зворотну напругу, і тому польові транзистори з керувальним p-n -переходом працюють в режимі збіднення каналу носіями заряду.

МДН-транзистори застосовують двох типів: з вбудованим і індукованим каналами. У МДН-транзисторі з індукованим каналом (рис. 6.1, б) при напрузі на затворі, що дорівнює нулю, канал відсутній. Тільки при прикладенні до затвору так званої порогової напруги утвориться (індуктується) канал. При цьому полярність напруги на затворі повинна збігатися зі знаком основних носіїв в обсязі напівпровідника-підкладки: на поверхні напівпровідника індукується заряд протилежного знаку, тобто тип провідності приповерхневого шару напівпровідника інвертується і утворює провідний канал.

Зменшення струму на виході МДН-транзистора з вбудованим каналом (рис. 6.1, в) забезпечується подачею на керуючий електрод – затвор напруги U ₃з полярністю, відповідною знаку носіїв заряду в каналі: для p -каналу U ₃> 0, для n -каналу U ₃ <0. Напруга затвору U ₃ зазначеної полярності викликає збіднення каналу носіями заряду, опір каналу збільшується, і вихідний струм зменшується. Якщо змінити полярність напруги на затворі, то відбудеться збагачення каналу дірками і відповідно збільшення вихідного струму.

Таким чином, МДН-транзистори з вбудованим каналом можуть працювати як в режимі збіднення каналу носіями заряду, так і в режимі збагачення. МДН-транзитстор з індукованим каналом працюють тільки в режимі збагачення.

З точки зору експлуатації напівпровідникових приладів необхідно підкреслити, що МДН-транзистор з індукованим каналом за відсутності напруги управління – це нормально закритий прилад. Польовий транзистор з вбудованим каналом (польовий транзистор з керувальним p-n -переходом або МДН-транзистор з вбудованим каналом) - прилад нормально відкритий, тобто для підтримки закритого стану таких транзисторів необхідно подавати зміщення в колі управління. Якщо коло управління з якої-небудь причини відключається, то нормально закритий прилад закривається, а в нормально відкритому приладі струм на виході різко зростає і прилад може вийти з ладу.

Польовий транзистор має три основних електрода: керувальний електрод – затвор З, вхідний – виток В і вихідний – стік С. Стоком називається електрод, до якого надходять носії заряду з каналу. Якщо канал, наприклад, n -типу, то носії заряду, що надходять з каналу – електрони, а полярність напруги стоку позитивна. Можливий також четвертий електрод (див. рис. 6.1, б, в), який з'єднується з пластиною вихідного напівпровідника – підкладкою.


а)	б)	в)
Рис. 6.1 – Умовне графічне зображення польових транзисторів: а - з керувальним p-n-переходом; б - МДН-транзистора з індукованим каналом; в - МДН-транзистора з вбудованим каналом;

На рис. 6.1 наведені основні позначення польових транзисторів. МДП-транзистори з індукованим каналом (нормально закриті) мають пунктирну лінію в позначенні каналу (див. рис. 5.1, б), польові транзистори з вбудованим каналом (нормально відкриті) - суцільну (див. рис. 6.1, в). Стрілка в позначенні польових транзисторів визначає тип каналу: спрямована до каналу – для каналу n -типу та від каналу – для p -типу. В умовному позначенні МДН-транзистора відображений факт ізоляції керуючого електрода – затвора від вихідних електродів стоку і витоку.

Польові транзистори широко застосовуються в пристроях промислової електроніки: в джерелах живлення і стабілізаторах, в перетворювачах для привода постійного і змінного струму, в потужних підсилювачах, у вихідних каскадах обчислювальних пристроїв, в системах управління перетворювачів та ін.

Вольт-амперні характеристики польового транзистора і їх якісний опис. Основними характеристиками польового транзистора є характеристики передачі – залежність струму стоку від напруги на затворі = і вихідні характеристики – залежність струму стоку від напруги стоку = .

Типові стічні вольт-амперні характеристики транзистора = показані на рис. 6.2.

Рис. 6.2 – Сімейство вихідних ВАХ польового транзистора

На цих характеристиках варто виділити три області: лінійну (при малих напругах ); область насичення, де струм стоку не залежить від ; область пробою, де струм стоку різко зростає з ростом .

Розглянемо хід вольт-амперної характеристики для випадку, коли . Якщо напруга мала (область І), то зміна ширини p-n -переходу мала в порівнянні з товщиною каналу і опір останнього практично не відрізняється від початкового. Тому зв'язок між струмом і напругою буде майже лінійним. При збільшенні «горловина» каналу звужується, що помітно позначається на зростанні опору каналу, і зростанні струму від поступово сповільнюється. Змиканню «горловини» каналу відповідає точка перегину, і вольт-амперна характеристика виходить на ділянку насичення. Напруга , відповідне цій точці, називають напругою насичення .

На ділянці II, коли струм з ростом не змінюється. Це пояснюється зростанням диференціального опору каналу за рахунок поширення «горловини» каналу від стоку до витоку. Потенціал «горловини» зберігає значення , а різниця потенціалів падає на ділянці між стоком і «горловиною». Поширення «горловини» у бік витоку буде відбуватися до тих пір, доки області об'ємного заряду p-n переходів не заповнять весь обсяг провідного каналу або не відбудеться пробій переходів (область Ш).

Розглянемо тепер хід характеристик, коли на затвор подано від’ємне зміщення. У цьому випадку напруга на переході буде визначатися напругою на затворі і падінням напруги вздовж каналу (вздовж осі х) при протіканні струму стоку:

Насичення відбудеться тоді, коли напруга стане рівною напрузі відсічки . При цьому напруга буде відповідати напрузі насичення . Зі сказаного випливає, що

= .

Так як для конкретного транзистора величина постійна, то з останнього виразу випливає, що буде зменшуватися при збільшенні напруги . У тому випадку, коли відбувається повна відсічення струму .

Характеристики польового транзистора не еквідистантні. Це пояснюється нелінійною залежністю ширини p-n -переходу від напруги. Тому при рівному збільшенні відстань між характеристиками не однакова (див. рис. 6.2).

Зі зростанням напруги на затворі пробій p-n переходу відбувається при менших напругах .

Характеристики передачі (або стоко-затворні характеристики) показані на рис. 6.3. Вони являють собою залежність струму стоку від напруги. Характер цієї залежності визначається принципом роботи польового транзистора.

Максимальний струм стоку при заданій напрузі відповідає . При збільшенні за абсолютним значенням зменшується і, коли , струм стоку стає рівним нулю.