Усилители переменного тока на полевых транзисторах

Прежде чем рассмотреть основные схемы усилителей переменного тока на полевых транзисторах рассмотрим структуру полевого транзистора.

Структура полевого транзистора и его условное обозначение показаны на рис. 3.1. Транзистор состоит из двух областей. Область полупроводника между истоком (И) и стоком (С) называется каналом. В данном случае канал имеет n-тип. Другая область полупроводника имеет повышенную концентрацию примеси и называется затвором (З). В данном случае затвор имеет p-тип. Затвор и канал отделены друг от друга p-n-переходом. Знаком указаны области с повышенной концентрацией электронов. Они создаются, чтобы на границе контакта полупроводника с металлом не возникал p-n-переход.

Рис. 3.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

В нормальном режиме работы транзистора p-n-переход всегда закрыт. Для этого на затвор подается отрицательное напряжение . Если приложить между стоком и истоком положительное напряжение , то под действием этого напряжения свободные электроны будут перемещаться от истока к стоку, создавая ток канала . Чем больше напряжение, приложенное между стоком и истоком, тем больше протекающий ток. Эта ситуация справедлива на начальном участке ВАХ транзистора, которая показана на рис. 3.2. При большом напряжении нужно учитывать, что оно увеличивает обратное напряжение, приложенное к p-n-переходу (т.к. высокий потенциал приложен к n-слою). Это приводит к расширению закрытого p-n-перехода, поэтому ширина канала уменьшается и ток стока перестает увеличиваться. Это явление приводит к насыщению ВАХ, показанной на рис. 3.2.

Рис. 3.2. ВАХ транзистора с управляющим p-n-переходом

Изменяя напряжение на затворе , можно регулировать ток, протекающий через канал транзистора. Если уменьшается, то к p-слою прикладывается более отрицательное напряжение, поэтому ширина p-n-перехода будет увеличиваться, следовательно ширина канала уменьшаться, а значит, ток через канал будет уменьшаться. Аналогично, увеличение приводит к увеличению тока .

На рис. 3.2. показаны два семейства ВАХ полевого транзистора, которые отражают описанный принцип действия. Первый график называется семейством стоковых характеристик, а второй – семейством исток-затворных характеристик. Оба семейства ВАХ эквивалентны друг другу.

Отметим, что аналогично работает и транзистор с p-каналом и n-подложкой, однако знаки прикладываемых напряжений противоположны рассмотренному случаю. Условное графическое обозначение такого транзистора отличается от показанного на рис. 3.1 направлением стрелки.

Полевой транзистор со встроенным каналом и его условное графическое обозначение показаны на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Полевой транзистор со встроенным каналом

В структуре транзистора можно выделить металлические выводы, показанные черным цветом, изолирующий слой, показанный серым цветом и слой полупроводника, показанный белым цветом. Поэтому часто такой транзистор называют МДП-транзистор (металл, диэлектрик, полупроводник). В полупроводник p-типа, именуемый подложкой (П), внедряется n-слой. При этом области с повышенной концентрацией электронов называются исток (И) и сток (С), а область с более низкой концентрацией электронов является каналом. Металлический затвор (З) полностью изолирован от канала диэлектриком. Это приводит к тому, что ток стока управляется электрическим полем. Чтобы p-n-переход был всегда закрыт на подложку p-типа подается отрицательное напряжение. Область с высокой концентрацией дырок нужна, чтобы не возникало p-n-перехода на границе между металлом и полупроводником, из которого выполнена подложка.

Если напряжение , то в канале протекает ток, обусловленный движением электронов от истока к стоку. Изменяя напряжение на затворе, можно изменять величину указанного тока. Если , то отрицательный потенциал вытесняет электроны из канала и ток стока уменьшается. Аналогично, если , то положительный потенциал втягивает дополнительные электроны в канал и ток увеличивается.

При увеличении напряжения вначале ток стока увеличивается. Однако увеличение приводит к тому, что разность потенциалов между затвором и стоком также увеличивается, поэтому электроны вытесняются этим отрицательным напряжением из канала и ток стока перестает расти. Этим объясняется насыщение стоковых характеристик транзистора. ВАХ показаны на рис. 3.4. Отметим, что они смещены относительно стоковых характеристик полевого транзистора с управляющим переходом в строну положительных .

Рис. 3.4. ВАХ транзистора со встроенным каналом

Полевой транзистор с индуцированным каналом и его условное графическое обозначение показаны на рис. 3.5. На рис 3.6. приведены ВАХ транзистора.

Рис. 3.5. Полевой транзистор с индуцированным каналом

Структура МДП-транзистора и индуцированным каналом отличается от транзистора со встроенным каналом тем, что в нем отсутствует канал, если напряжение на затворе меньше некоторой положительной величины. Это означает, что в области под затвором нет свободных носителей зарядов и не зависимо от напряжения ток в канале отсутствует. При достаточно большом положительном напряжении на затворе электроны втягиваются положительным электрическим полем в область под затвором – образуется канал. Тогда при положительном напряжении между стоком и истоком в канале протекает ток стока.

ВАХ транзистора с индуцированным каналом получаются смещением исток-затворных характеристик в положительную область.

Рис. 3.6. ВАХ транзистора с индуцированным каналом

Отметим, что МДП-транзисторы с p-каналом работают аналогично, однако знаки прикладываемых к транзистору напряжений противоположны. Условное графическое обозначение такого транзистора отличается направлением стрелки.

Транзистор можно представить в виде моделирующей схемы, состоящей из сопротивлений, емкостей и источников тока. Такая схема справедлива для конкретного режима работы транзистора. На рис. 3.7. показана моделирующая схема полевого транзистора.

Рис. 3.7 Эквивалентная схема полевого транзистора

Емкости , , моделируют емкости между соответствующими областями транзистора, сопротивление – сопротивление канала транзистора, а источник тока , моделирует ток через канал транзистора. Он зависит от приложенного напряжения на затворе. Сопротивления между затвором и каналом на схеме не приведены, так они очень большие и достигают от Ом для транзистора с управляющим переходом до Ом для МДП-транзисторов.

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна и внутреннее канала.

Крутизна показывает во сколько раз изменится ток стока при изменении и постоянном :

. (3.1)

Внутреннее сопротивление это отношение приращения напряжения к приращению тока :

. (3.2)

Крутизну и внутренне сопротивление можно вычислить по ВАХ транзистора.