польові транзистори

ТЕМА 5. Польові ТРАНЗИСТОРИ

Польовий транзистор - це електропреобразовательних прилад, в якому струм, що протікає через канал, управляється електричним полем, що виникають при застосуванні напруги між затвором і витоком, і який призначений для посилення потужності електромагнітних коливань.

До класу польових відносять транзистори, принцип дії яких заснований на використанні носіїв заряду тільки одного знаку (електронів або дірок). Управління струмом в польових транзисторах здійснюється зміною провідності каналу, через який протікає струм транзистора під впливом електричного поля. Внаслідок цього транзистори називають польовими.

За способом створення каналу розрізняють польові транзистори з затвором у вигляді керуючого р-n- переходу і з ізольованим затвором (МДП - або МОП - транзистори): вбудованим каналом і індукованим каналом.

Залежно від провідності каналу польові транзистори діляться на: польові транзистори з каналом р- типу і n- типу. Канал р- типу має доречнийпровідністю, а n- типу - електронної.

5.1 Польові транзистори з керуючим р-n- переходом

5.1.1 Пристрій і принцип дії

Польовий транзистор з керуючим р-n- переходом - це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу р-n-переходом, зміщеним у зворотному напрямку.

Малюнок 5.1 - Пристрій польового транзистора з керуючим р-n-переходом (каналом n- типу)

Малюнок 5.2 - Умовне позначення польового транзистора з р-n-переходом і каналом n- типу (а), каналом р- типу (б)

Каналом польового транзистора називають область в напівпровіднику, в якій струм основних носіїв заряду регулюється зміною її поперечного перерізу.

Електрод (висновок), через який в канал входять основні носії заряду, називають витоком. Електрод, через який з каналу йдуть основні носії заряду, називають стоком. Електрод, службовець для регулювання поперечного перерізу каналу за рахунок керуючого напруги, називають затвором.

Як правило, випускаються кремнієві польові транзистори. Кремній застосовується тому, що струм затвора, тобто зворотний струм р-n- переходу, виходить у багато разів менше, ніж у германію.

Умовні позначення польових транзисторів з каналом n- і р- типів наведені на рис. 5.2.

Полярність зовнішніх напруг, вхідних до транзистора, показана на рис. 5.1. Керуючий (вхідний) напруга подається між затвором і витоком. Напруга Uзи є зворотним для обох р-n- переходів. Ширина р-n- переходів, а, отже, ефективна площа поперечного перерізу каналу, його опір і струм в каналі залежать від цієї напруги. З його зростанням розширюються р-n- переходи, зменшується площа перетину токопроводящего каналу, збільшується його опір, а, отже, зменшується струм в каналі. Отже, якщо між витоком і стоком включити джерело напруги Uси, то силою струму стоку Iс, що протікає через канал, можна управляти шляхом зміни опору (перетину) каналу за допомогою напруги, що подається на затвор. На цьому принципі і заснована робота польового транзистора з керуючим р-n- переходом.

При напрузі Uзи = 0 перетин каналу найбільше, його опір найменше і ток Iс виходить найбільшим.

Струм стоку Iс поч при Uзи = 0 називають початковим струмом стоку.

Напруга Uзи, при якому канал повністю перекривається, а струм стоку Iс стає дуже малим (десяті частки мікроампер), називають напругою відсічення Uзіотс.

5.1.2 Статичні характеристики польового транзистора з керуючим р-n- переходом

Розглянемо вольт - амперні характеристики польових транзисторів з р-n- переходом. Для цих транзисторів становлять інтерес два види вольт - амперних характеристик: стокові і стоко - затворні.

Стічні (вихідні) характеристики польового транзистора з р-n- переходом і каналом n- типу показані на рис. 5.3, а. Вони відображають залежність струму стоку від напруги Uси при фіксованій напрузі Uзи: Ic = f (Uси) при Uзи = const.

а) б)

Малюнок 5.3 - Вольт-амперні характеристики польового транзистора з р-п-переходом і каналом п-типу: а - стокові (вихідні); б - стоко - затворна

Особливістю польового транзистора є те, що на провідність каналу впливає як керуюча напруга Uзи, так і напругу Uси. При Uси = 0 вихідний струм Iс = 0. При Uси> 0 (Uзи = 0) через канал протікає струм Ic, в результаті чого створюється падіння напруги, що зростає в напрямку стоку. Сумарне падіння напруги ділянки витік-стік одно Uси. Підвищення напруги Uси викликає збільшення падіння напруги в каналі і зменшення його перетину, а отже, зменшення провідності каналу. При певній напрузі Uси відбувається звуження каналу, при якому кордону обох р-n- переходів змикаються і опір каналу стає високим. Така напруга Uси називають напругою перекриття або напругою насичення Uсінас. При подачі на затвор зворотного напруги Uзи відбувається додаткове звуження каналу, і його перекриття настає при меншому значенні напруги Uсінас. У робочому режимі використовуються пологі (лінійні) ділянки вихідних характеристик.

Стоко - затворна характеристика польового транзистора показує залежність струму Iс від напруги Uзи при фіксованій напрузі Uси: Ic = f (Uси) при Uси = const (рис. 5.3, б).

5.1.3 Основні параметри

· Максимальний струм стоку Iсmax (при Uзи = 0);

· Максимальна напруга стік-витік Uсіmax;

· Напруга відсічення Uзіотс;

· Внутрішнє (вихідний) опір ri - являє собою опір транзистора між стоком і витоком (опір каналу) для змінного струму:

при Uзи = const;

· Крутизна стоко-затворної характеристики:

при Uси = const,

відображає вплив напруга затвора на вихідний струм транзистора;

· Вхідний опір при Uси = const транзистора визначається опором р-n- переходів, зміщених у зворотному напрямку. Вхідний опір польових транзисторів з р-n- переходом досить велике (досягає одиниць і десятків мегаом), що вигідно відрізняє їх від біполярних транзисторів.

5.2 Польові транзистори з ізольованим затвором

5.2.1 Пристрій і принцип дії

Польовий транзистор з ізольованим затвором (МДП - транзистор) - це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу шаром діелектрика.

МДП - транзистори (структура: метал-діелектрик-напівпровідник) виконують з кремнію. В якості діелектрика використовують оксид кремнію SiO2. звідси інша назва цих транзисторів - МОП - транзистори (структура: метал-окисел-напівпровідник). Наявність діелектрика забезпечує високий вхідний опір розглянутих транзисторів (1012 ... 1014Ом).

Принцип дії МДП - транзисторів заснований на ефекті зміни провідності приповерхневого шару напівпровідника на кордоні з діелектриком під впливом поперечного електричного поля. Приповерхневих шар напівпровідника є струмопровідних каналом цих транзисторів. МДП - транзистори виконують двох типів - з вбудованим і з індукованим каналом.

Розглянемо особливості МДП - транзисторів з вбудованим каналом. Конструкція такого транзистора з каналом n-типу показана на рис. 5.4, ​​а. У вихідній платівці кремнію р- типу з відносно високим питомим опором, яку називають підкладкою, за допомогою дифузійної технології створені дві сильнолегованих області з протилежним типом електропровідності - n. На ці області нанесені металеві електроди - витік і стік. Між витоком і стоком є ​​тонкий приповерхневих канал з електропровідністю n- типу. Поверхня кристала напівпровідника між витоком і стоком покрита тонким шаром (близько 0,1 мкм) діелектрика. На шар діелектрика нанесений металевий електрод - затвор. Наявність шару діелектрика дозволяє в такому польовому транзисторі подавати на затвор керуючу напругу обох полярностей.

Малюнок 5.4 - Конструкція МДП - транзистора з вбудованим каналом n- типу (а); сімейство його стокових характеристик (б); стоко-затворна характеристика (в)

При подачі на затвор позитивної напруги, електричним полем, яке при цьому створюється, дірки з каналу будуть виштовхувати в підкладку, а електрони витягуватися з підкладки в канал. Канал збагачується основними носіями заряду - електронами, його провідність збільшується і струм стоку зростає. Цей режим називають режимом збагачення.

При подачі на затвор напруги, негативного щодо витоку, в каналі створюється електричне поле, під впливом якого електрони виштовхуються з каналу в підкладку, а дірки втягуються з підкладки в канал. Канал збіднюється основними носіями заряду, його провідність зменшується і струм стоку зменшується. Такий режим транзистора називають режимом збідніння.

У таких транзисторах при Uзи = 0, якщо прикласти напругу між стоком і витоком (Uси> 0), протікає струм стоку Iснач, званий початковим і, що представляє собою потік електронів.

Конструкція МДП - транзистора з індукованим каналом n- типу показана на рис. 5.5, а

Малюнок 5.5 - Конструкція МДП - транзистора з індукованим каналом n-типу (а); сімейство його стокових характеристик (б); стоко-затворна характеристика (в)

Канал провідності струму тут спеціально не створюється, а утворюється (індукується) завдяки притоку електронів з напівпровідникової пластини (підкладки) в разі застосування до затвору напруги позитивної полярності щодо витоку. При відсутності цієї напруги каналу немає, між витоком і стоком n-типу розташований тільки кристал р- типу і на одному з р-n- переходів виходить зворотна напруга. У цьому стані опір між витоком і стоком дуже велике, тобто транзистор замкнений. Але якщо подати на затвор позитивне напруга, то під впливом поля затвора електрони будуть переміщатися з областей витоку і стоку і з р- області (підкладки) у напрямку до затвору. Коли напруга затвора перевищить деякий відмикати, або порогове, значення Uзи пір, то в поверхневому шарі концентрація електронів перевищить концентрацію дірок, і в цьому шарі відбудеться інверсія типу електропровідності, тобто індукується струмопровідний канал n-типу, що з'єднує області витоку і стоку, і транзистор починає проводити струм. Чим більше позитивне напруга затвора, тим більше провідність каналу і струм стоку. Таким чином, транзистор з індукованим каналом може працювати тільки в режимі збагачення.

Умовне позначення МДП - транзисторів наведені на рис.5.6.

Малюнок 5.6 - Умовне позначення МДП - транзисторів:

а - з вбудованим каналом n- типу;

б - з вбудованим каналом р- типу;

в - з висновком від підкладки;

г - з індукованим каналом n- типу;

д - з індукованим каналом р- типу;

е - з висновком від підкладки

5.2.2 Статичні характеристики МДП - транзисторів

Стічні (вихідний) характеристики польового транзистора з вбудованим каналом n- типу Ic = f (Uси) показані на рис. 5.4, ​​б.

При Uзи = 0 через прилад протікає струм, який визначається вихідної провідністю каналу. У разі застосування до затвору напруги Uзи <0 поле затвора надає відразливе дію на електрони - носії заряду в каналі, що призводить до зменшення їх концентрації в каналі і провідності каналу. Внаслідок цього стокові характеристики при Uзи <0 розташовуються нижче кривої, що відповідає Uзи = 0.

При подачі на затвор напруги Uзи> 0 поле затвора притягує електрони в канал з напівпровідникової пластини (підкладки) р- типу. Концентрація носіїв заряду в каналі збільшується, провідність каналу зростає, струм стоку Iс збільшується. Стічні характеристики при Uзи> 0 розташовуються вище початкової кривої при Uзи = 0.

Стоко-затворна характеристика транзистора з вбудованим каналом n-типу Ic = f (Uзи) приведена на рис. 5.4, ​​б.

Стічні (вихідні) характеристики Ic = f (Uси) і стоко-затворна характеристика Ic = f (Uзи) польового транзистора з індукованим каналом n-типу наведені на рис. 5.5, б; в.

Відмінність стокових характеристик полягає в тому, що управління струмом транзистора здійснюється напругою однієї полярності, що збігається з полярністю напруги Uси. Струм Ic = 0 при Uси = 0, в той час як в транзисторі з вбудованим каналом для цього необхідно змінити полярність напруги на затворі щодо витоку.

5.2.3 Основні параметри МДП - транзисторів

Параметри МДП - транзисторів аналогічні параметрам польових транзисторів з р-n- переходом.

Що стосується вхідного опору то МДП - транзистори мають кращі показники, ніж транзистори з р-n- переходом. Вхідний опір у них становить Rвх = 1012 ... 1014 Ом.

5.2.4 Область застосування

Польові транзистори застосовуються в підсилюючих каскадах з великим вхідним опором, ключових і логічних пристроях, при виготовленні інтегральних схем та ін.

5.3 Основні схеми включення польових транзисторів

Польовий транзистор можна включати по одній з трьох основних схем: із загальним витоком (ОІ), загальним стоком (ОС) і загальним затвором (ОЗ) (рис. 5.7).

Малюнок 5.7 - Схеми включення польового транзистора: а) ОІ; б) ОЗ; в) ОС

На практиці найчастіше застосовується схема з ОІ, аналогічна схемі на біполярному транзисторі з ОЕ. Каскад із загальним витоком дає дуже велике посилення струму і потужності. Схема з ОЗ аналогічна схемі з ПРО. Вона не дає посилення струму, і тому посилення потужності в ній у багато разів менше, ніж в схемі ОІ. Каскад ОЗ має низький вхідний опір, в зв'язку з чим він має обмежене практичне застосування.

5.4 Найпростіший підсилювальний каскад на польових транзисторах

В даний час широко застосовуються підсилювачі, виконані на польових транзисторах. На рис. 5.9 приведена схема підсилювача, виконаного за схемою з ОІ та одним джерелом живлення.

малюнок 5.9

Режим роботи польового транзистора в режимі спокою забезпечується постійним струмом стоку Iсп і відповідним йому напругою стік-витік Uсіп. Цей режим забезпечується напругою зміщення на затворі польового транзистора Uзіп. Ця напруга виникає на резисторі Rи при проходженні струму Iсп (URі = Iсп Rи) і прикладається до затвора завдяки гальванічного зв'язку через резистор R3. Резистор Rи, крім забезпечення напруги зсуву затвора, використовується також для температурної стабілізації режиму роботи підсилювача по постійному струму, стабілізуючи Iсп. Щоб на резисторі Rи не виділялася змінна складова напруги, його шунтируют конденсатором Сі і таким чином забезпечують незмінність коефіцієнта посилення каскаду. Опір конденсатора Сі на найменшій частоті сигналу повинен бути набагато більшим опору резистора R і, яке визначають за виразом:

(5.1)

де Uзіп, Iсп - напруга затвор-витік і струм стоку при відсутності вхідного сигналу.

Ємність конденсатора вибирається з умови:

(5.2)

де fmin - найнижча частота вхідного сигналу.

Конденсатор Ср називається розділовим. Він використовується для розв'язки підсилювача по постійному струму від джерела вхідного сигналу.

Ємність конденсатора:

(5.3)

Резистор Rс виконує функцію створення змінюється напруги в вихідний ланцюга за рахунок протікання в ній струму, керованого напругою між затвором і витоком.

При подачі на вхід підсилювального каскаду змінної напруги Uвх напруга між затвором і витоком буде змінюватися в часі DUзі (t) = U вх; струм стоку також буде змінюватися в часі, тобто з'явиться змінна складова DIc (t) = ic. Зміна це струму призводить до зміни напруги між стоком і витоком; його змінна складова uс рівна за величиною і протилежна за фазою падіння напруги на резисторі Rс, є вхідною напругою підсилювального каскаду DUсі (t) = uc = U вих = -Rcic.

У підсилювачах на МДП - транзисторах з індукованим каналом необхідну напругу Uзіп забезпечується включенням в ланцюг затвора подільника R1R2 (рис. 5.10).

малюнок 5.10

При цьому

(5.4)

Від цього значення струму дільника I д = Ес / (R1 + R2) залежать опору резисторів R1 і R2. Тому струм подільника вибирають виходячи із забезпечення необхідного вхідного опору підсилювача.

5.5 Розрахунок електричних ланцюгів з польовими транзисторами

В підсилювачі на польовому транзисторі, схема якого наведена на рис. 5.9, струм стоку Ic і напруга Uси пов'язані рівнянням:

(5.5)

Відповідно до цього рівнянням можна побудувати лінію навантаження (навантажувальну характеристику):

(5.6)

Для її побудови на сімействі статичних вихідних (стокових) характеристик польового транзистора досить визначити дві точки:

1-я точка: вважає Ic = 0, тоді Uси = Ес;

2-я точка: вважає Uси = 0, тоді Ic = Ес / (Rc + Rи).

Графічним рішенням рівняння для вихідного кола розглянутого каскаду є точки перетину лінії навантаження з стічними характеристиками.

Малюнок 5.11 - Графічний розрахунок режиму спокою каскаду на польовому транзисторі за допомогою вихідних і вхідних характеристик

Значення струму стоку Iс і напруги Uси залежать також від напруги затвора Uзи. Три параметра Iсп, Uсіп і Uзіп визначають вихідний режим, або режим спокою підсилювача. На вихідних характеристиках цей режим відображається точкою По, що лежить на перетині вихідний навантажувальної характеристики з вихідною статичною характеристикою, знятої при заданому значенні напруги затвора.

Резистор R3 призначений для подачі напруги Uзіп з резистора R і між затвором і витоком транзистора. Опір R3 приймають рівним 1 ... 2 МОм.

Опір резистора R і для забезпечення режиму спокою, харак-терізуемого значеннями Iс = Iсп і Uзи = Uзіп (точка По, рис. 5.11), розраховують за формулою: