Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (униполярные) в отличие от биполярных – обладают носителями заряда одной полярности – либо только электронами в канале n – типа (рисунок 34, а), либо только дырками в канале p – типа (рисунок 34, б).

Классификация и условные графические обозначения полевых транзисторов изображена на рисунке 35 в виде схемы:

Рисунок 34 Рисунок 35

Основные носители заряда, протекающие через проводящий канал управляются поперечным электрическим полем (а не током, как в биполярных транзисторах, о чем свидетельствует сам термин “полевые транзисторы”).

Различают два основных вида полевых транзисторов: с управляющим p – n переходом и с изолированным затвором.

Конструкция: на полупроводниковую пластину n – типа сделаны выводы металлических контактов. Слой между контактами называется проводящим каналом (n или p – типа). Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называют истоком (И), а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, называют стоком (С).

На грань пластины в ее центральной части (как правило с двух сторон) наплавляют акцепторное вещество, создающее область p – типа: в результате образуется p – n переход. От p – области сделан вывод третьего электрода для подачи на p – n переход обратного напряжения. В этом случае проводящий канал образуется в пластине между двух p – n переходов. При подаче обратного напряжения на данный электрод, слои обедненные носителями заряда имеют проводимость близкую к нулю. Электрод, на который подается напряжение, создающее электрическое поле для управления протекающим через канал током, называют затвором (З) (рисунок 36).

Рисунок 36

Напряжение между стоком и истоком подается в такой полярности, чтобы основные носители двигались по каналу от истока к стоку. Цепь между стоком и истоком является главной.

На затвор относительно истока подается напряжение обратное относительно p – n перехода. Оно создает поперечное по отношению к каналу электрическое поле, напряженность которого зависит от величины приложенного напряжения.

Цепь между затвором и истоком является управляющей. Принцип действия основан на изменении проводимости канала за счет изменения ширины области p – n – перехода под действием поперечного электрического поля, которое создается напряжением затвор–исток.

Если включить в цепь источник усиливаемого сигнала последовательно с источником постоянного напряжения и последовательно с – (рисунок 37), то слабый сигнал вызывает изменение поперечного электрического поля; оно пульсирует с частотой сигнала, что в свою очередь приводит к расширению и сужению канала. Это вызывает пульсацию тока и напряжения на нагрузке .

Отсюда следует, что в отличие от биполярного транзистора, полевой управляется не током, а напряжением .

Поскольку это напряжение обратное, тов цепи затвора ток не протекает, входное сопротивление остается очень большим, на управление потоком носителей заряда, а значит, и выходным током мощность не затрачивается. В этом преимущество полевого транзистора по сравнению с биполярным.

4.9 Статические ВАХ полевых транзисторов с p – n переходом

Основные характеристики полевых транзисторов – выходные (стоковые) и передаточные (стокозатворные).

Стоковая характеристика – отражает зависимость тока стока от напряжения сток–исток при постоянном напряжении затвор исток: (рисунок 38, а).

а) б) Рисунок 38

В начале участка кривая выходит из начала координат и соответствует малым значениям изменение которого почти не влияет на проводимость канала, канал полностью открыт. Поэтому ток на этом участке растет пропорционально напряжению . По мере дальнейшего увеличения напряжения начинает сказываться его влияние на проводимость канала. Причиной этого служит возрастание потенциала точек канала в направлении к стоку и соответственно рост обратного напряжения на p – n – переходе, которое при , у стокового конца равно величине . По мере увеличения происходит сужение канала, уменьшается его проводимость и замедляется рост тока .

Максимальное сужение канала называется перекрытием канала. Этот режим называют режимом насыщения. Напряжение, при котором начинается режим насыщения, называют напряжением насыщения – ток током насыщения . Участок характеристики, соответствующий режиму насыщения, используется в усилителях как рабочий.

При дальнейшем увеличении напряжения , происходит лавинный пробой p–n –перехода, вблизи стока. Пробой транзистора недопустим поэтому в рабочем режиме ограничивается максимально допустимым значением.

Стоко–затворная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения при неизменной величине напряжения сток–исток

.

Эта зависимость характеризует управляющее действие входного напряжения на величину выходного тока. При и точка лежит на оси 8 мА (рисунок 38, б). С увеличением напряжения , проводимость канала уменьшается, ток стока уменьшается до тех пор, пока канал не окажется перекрытым: ток через канал прекращается, транзистор закрывается. Напряжение, при котором ток через сток–исток прекращается, называют напряжением отсечки.

Между напряжением насыщения и напряжением отсечки существует зависимость. .

Изменение температуры мало влияет на работу полевого транзистора, т.к. при увеличении температуры уменьшается ширина p – n перехода, что должно способствовать увеличению , однако с увеличением температуры уменьшается подвижность основных носителей, что вызывает рост сопротивления канала и уменьшает . Повышение температуры снижает напряжение из–за увеличения обратного тока p – n –перехода.

4.10 Параметры полевых транзисторов с p – n переходом

Основные параметры следующие: крутизна стоко–затворной характеристики, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, входное сопротивление, ток и напряжение насыщения при нулевом напряжении на затворе, напряжение отсечки, а также параметры предельных режимов: максимально допустимый ток стока при , допустимое, допустимое, – максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Рисунок 37

Статическая крутизна характеристики S – показывает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора и определяется

.

Крутизна определяет наклон стоко–затворной характеристики; по величине крутизны оценивают управляющее действие затвора. Численное значение определяется малыми приращениями и соответственно . Примерная величина этого параметра .

Внутреннее (дифференциальное) сопротивление показывает влияние напряжения сток–исток на выходной ток транзистора . Оно определяется по наклону стоковой характеристики на участке насыщения как

.

Чем больше , тем более полого идет характеристика в области насыщения. Входное из–за большого сопротивления p – n – перехода.

Статическим коэффициентом усиления напряжения m – характеризуются усилительные свойства полевых транзисторов, который может быть найден как произведение .

Коэффициент усиления показывает во сколько раз изменение напряжения затвор–исток сильнее влияет на ток стока, чем такое же изменение напряжения сток–исток

.

Кроме этих параметров для высокочастотных полевых транзисторов учитывается такой параметр как межэлектродные емкости.

Максимально допустимое напряжение сток–исток выбирают с запасом примерно 1.5 раза меньше напряжения пробоя сток–затвор, при .