Польові транзистори

Польовий транзистор– це напівпровідниковий прилад, принцип дії якого полягає в керуванні вихідним струмом за рахунок зміни питомої провідності і площі напівпровідникового шару (каналу) під дією електричного поля.

Польовий транзистор призначений для підсилення потужності і перетворення електричних коливань. Робота такого транзистора заснована на переміщенні тільки основних носіїв заряду – дірок або електронів (носії заряду мають один знак), тому прилади такого типу називають уніполярними.

Область, товщина і поперечний переріз якої управляється зовнішньою напругою і по який проходить струм основних носіїв, називають каналом.

Електроди польового транзистора називаються затвор, сток і виток.

Виток– електрод, з якого в канал потрапляють основні носії,сток– електрод, до якого рухаються основні носії з каналу,затвор– керувальний електрод (напруга, прикладена до затвору керує струмом через канал шляхом перекриття каналу за рахунок зміни питомої провідності і площі поперечного перетину), який являє собою області р, об'єднані між собою.

Польові транзистори розділяють на транзистори з керувальним р-п-переходомітранзистори з ізольованим затвором(МДН- (метал-діелектрик- напівпровідник) або МОН-транзисторы (метал-окис- напівпровідник)).

Із всіх видів польових транзисторів тільки транзистор з індукованим каналом при нульовій напрузі на затворі не проводить струму. Транзистор із вбудованим каналом може проводити струм як при позитивному, так і при негативному зміщенні. Для його запирання необхідно позитивне зміщення при дірковій електропровідності каналу і негативне зміщення при електронній електропровідності (полярність замикаючої напруги збігається із знаком заряду основних носіїв у каналі).

Робота транзисторів з керувальним р-п-переходом і з індукованим каналом здійснюється шляхом подачі на затвор потенціалу тільки однієї полярності. Транзистор з керувальним р-п-переходом працює з негативним зміщенням у випадку каналу п-типу і позитивним зміщенням, якщо створено канал р-типа.

У транзисторах з індукованим каналом для створення каналу n-типу варто подавати на затвор позитивне зміщення, а для наведення каналу р-типу – негативне.

Для нормальної роботи польових транзисторів до стоку підключається джерело напруги позитивним полюсом для транзисторів з каналом п-типу і негативним – для транзисторів з каналом р-типу (незалежно від структури транзистора).

Польові транзистори мають істотні переваги в порівнянні з біполярними:

1. Мають високий вхідний опір (10⁶-10⁷Ом – у транзисторів з керувальним р-п-переходом і 10¹⁰—10¹⁵Ом у МДН-транзисторів);

2. Більше стійкі до впливу іонізуючих випромінювань;

3. Добре працюють при дуже низькій температурі (до -197°С);

4. Характеризуються низьким рівнем шумів.

Польові транзистори з керувальним р-п-переходом

У польовому транзисторі з керувальним р-п-переходом затвор утворює p-n-перехід з областю каналу. При прикладанні до переходу затвор-канал зворотної напруги відбувається модуляція питомої провідності каналу, а отже, зміна струму каналу.

Параметри і характеристики.Основними характеристиками польового транзистора є вихідні (стокові) характеристики і характеристики прямої передачі (стокозатворні характеристики).

Стоковою характеристикоюназивають залежність

.

Зі збільшеннямструмспочатку зростає досить швидко (ділянка І), а потім це зростання уповільнюється і майже зовсім припиняється, тобто наступає явище, що нагадує насичення (ділянка ІІ). При прикладенні більшої за абсолютним значенням негативної напруги на затвор струмзменшується і характеристика проходить нижче.

Підвищення напруги стоку в решті решт призводить до електричного пробою п-р-перехода, і струм стоку починає лавиноподібно зростати, що показано на малюнку штриховими лініями.

Робота транзистора зазвичай відбувається на пологих ділянках характеристик. Напруги, при яких починається ця область, іноді називають напругами насичення, а замикаюча напруга затвора інакше ще називаєтьсянапругою відсікання.

Характеристики польового транзистора не є еквідистантними, що пояснюється тим, що ширина р-п-переходу нелінійно залежить від напруги. Тому за однакового приросту відстань між характеристиками не буде однаковою. Із зростанням напругпробій р-п-переходу відбувається за менших напруг.

Характеристикою прямої передачі (стокозатворною характеристикою)називають залежність

.

Максимальний струм стоку за заданої напругивідповідає. У разі збільшенняза абсолютною величиноюзменшується.

Польовий транзистор характеризується наступними параметрами:

1. Крутизна

.

Даний параметр характеризує підсилювальні властивості польового транзистора і визначає вплив зміни напруги на затворі на зміну струму стоку. Наприклад, мА/В означає, що зміна напруги затвора на 1 В викликає зміну струму стоку на 3 мА. З підвищеннямструмі крутизна зменшуються.

Може приймати значення до декількох мА/В.

2. Внутрішній (вихідний) опір

.

Даний параметр являє собою опір транзистора між стоком і витоком (опір канала) для змінного струму.

На пологих ділянках вихідних характеристик може приймати значення до сотень кОм.

3. Коефіцієнт підсилення транзистора

,

.

Даний параметр визначається відношенням збільшень напруги стоку і затвора в режимі холостого ходу на стоці.

На пологих ділянках вихідних характеристик може приймати значення сотень або навіть тисяч.

4. Вхідний опір

.

Може приймати значення одиниць-десятків МОм.

Вплив температури на характеристики польових транзисторів. В наслідок того, що в польових транзисторах використовуються тільки основні носії, вони можуть працювати у більш широкому температурному діапазоні порівняно з біполярними транзисторами. Однак, так само, як і в інших напівпровідникових приладах, на параметри і характеристики польових транзисторів впливає температура: від неї залежать струм затвора, струм стоку і крутизна характеристики.

Струм затвора є струмом зворотно зміщеного переходу, тому характер його температурної залежності такий самий, як і зворотного струму діода. Зростанняз підвищенням температури призводить до зменшення вхідного опору польового транзистора, а в деяких випадках – до зменшення напруги пробою.

Функції іобумовлені залежністю рухливості носіїв заряду від температури. З підвищенням температури рухливість в області робочих температур зменшується і, як наслідок, зменшується швидкість насичення. З підвищенням температуриібудуть зменшуватися.

Схеми включення. Подібно біполярним транзисторам, польові транзистори використовують у трьох основних схемах включення: зі спільним витоком (СВ), спільним стоком (СС) і спільним затвором (СЗ).

Підсилювальний каскад за схемою зі СВ аналогічний схемі зі СЕ. Він дає велике підсилення струму і потужності і інвертує фазу вхідної напруги. Коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі приблизно дорівнює

.

Схема зі СС подібна емітерному повторювачу і називається витоковим повторювачем. Коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі близький до одиниці.

Підсилювач за схемою зі СС має порівняно невеликий вихідний опір і великий вхідний опір. Крім того, тут значно зменшена вхідна ємність, що сприяє збільшенню вхідного опору на високих частотах.

Схема зі СЗ аналогічна схемі зі СБ. Схема не підсилює струми, тому коефіцієнт підсилення по потужності в багато разів менше, ніж у схемі зі СВ. Ця схема має малий вхідний опір, тому що вхідним струмом є струм стоку. Фаза напруги при посиленні не інвертується.