2.3 Полевые транзисторы

Широкое распространение получили полевые транзисторы,

иначе

называемые

канальными или

униполярными. Идею устройства этих приборов предложил в

1952 г. один из изобретателей биполярного

транзистора У.

Шокли.

Главное достоинство

полевых

транзисторов

– высокое

входное

сопротивление.

В

настоящее

время

биполярные

транзисторы

все

чаще

вытесняются полевыми.

Принцип

устройства

и

включения

полевого

транзистора

с

управляющим

n-p-переходом, а также его

условное графическое обозначение показаны

на рис.1.

Пластинка

из полупроводника,

Рис. 1.

Структурная

схема

например, n-типа имеет на противоположных

условно-графическое

обозначение

концах электроды,

с помощью которых она

полевого транзистора с n-p-переходом и

включена в

выходную

(управляемую)

цепь

каналом n-типа

усилительного каскада.

Эта цепь питается от

источника E2, и в нее включена нагрузка Rн.

Вдоль транзистора проходит выходной ток

основных носителей. В нашем примере это электронный ток.

Входная

(управляющая)

цепь транзистора образована с помощью третьего электрода,

представляющего

собой

область с другим типом эл.

проводимости.

В данном случае это p-область. Источник

питания входной цепи

E1 создает на единственном n-p-переходе данного транзистора

обратное напряжение. Напряжение

Uпр

на

p-n-переход не подают, т.к.

тогда входное

сопротивление будет очень малым.

Во входную цепь включен источник усиливаемых

колебаний ИК.

Физические процессы в полевом транзисторе происходят следующим

образом.

При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-

переходе, и от этого изменяется толщина запирающего (обедненного) слоя, ограниченного

на рис.1

штриховыми линиями. Соответственно этому меняется площадь поперечного

сечения

области,

через которую проходит

поток основных носителей заряда, т.е.

выходной ток.

Эта область называется каналом.

Электрод,

у которого в канал вытекают основные носители заряда, называют

истоком (И).

Из канала носители заряда проходят к электроду, который называется

стоком (С).

Исток и сток аналогичны катоду и аноду электрической лампы

соответственно.

Управляющий электрод, предназначенный для регулирования площади

поперечного сечения канала,

называется

затвором (З), и в какой-то степени он аналогичен

сетке вакуумного триода или базе биполярного транзистора, хотя по физическому

принципу работы затвор и база весьма различны.

Если увеличивать напряжение затвора uзи, то запирающий слой p-n-перехода

становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается.

Следовательно,

его сопротивление постоянному току

R0

возрастает и ток стока ic

становится меньше. При

некотором запирающем напряжении

uзи зап

площадь поперечного сечения канала станет

равной нулю и ток

ic будет весьма малым.

Транзистор запирается. А при uзи=0 сечение

канала наибольшее, R0 наименьшее (несколько сот Ом), и ток ic

получается наибольшим.

Для того чтобы входное напряжение,

возможно, более эффективно управляло током,

материал основного полупроводника, в котором создан канал, должен быть высокоомным,

т.е. с невысокой концентрацией примесей.

Тогда запирающий слой в нем получается

большей толщины. Кроме того,

начальная

толщина самого канала

(при

uзи=0) должна

быть достаточно

малой

(обычно несколько микрометров). uзи

при

этих условиях

составляет единицы вольт.

Поскольку вдоль канала потенциал увеличивается по мере приближения к

стоку, то ближе к стоку обратное напряжение

p-n-перехода увеличивается и толщина

запирающего слоя получается больше.

Полевые транзисторы с p-n-переходом могут быть изготовлены сплавлением

или диффузией.

Лучшими являются диффузионные транзисторы.

На рис.2

изображен

принцип устройства диффузионного полевого транзистора,

изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии.

Для примера показан канал p-типа.

Области истока и стока

обычно

делаются

с

повышенной

проводимостью

(электропроводность

p+-типа),

чтобы

уменьшить

бесполезное падение напряжения и потерю мощности в этих

областях.

устройства

и

условно-

Повышенную проводимость имеет и область

графическое

обозначение

затвора

+

-типа). Это обеспечивает

(электропроводность n

планарно-эпитаксиального

увеличение толщины запирающего слоя главным образом в

полевого

транзистора

с

сторону

канала,

т.е.

усиливает

управляющее действие

каналом p-типа

затвора.

Кристалл

транзистора

(подложка)

является областью

n-типа,

от которой

часто делают вывод. Тогда кристалл может быть использован как дополнительный затвор.

Подавая,

например, на него некоторое постоянное напряжение,

устанавливают начальную

толщину канала.

Сплавные полевые транзисторы являются низкочастотными,

а

диффузионные могут работать на частотах до десятков и сотен МГц. Само перемещение

основных носителей по каналу происходит под действием ускоряющего поля очень

быстро,

и поэтому предельная частота определяется не этим процессом,

а

влиянием

собственных емкостей транзистора.

Выходные (стоковые) характеристики.

Выходной (стоковой) характеристикой

полевого

транзистора

называется

графически

выраженная

зависимость

Iс=f(Ucи)

при

Uзи=const

(рис.3).Они показывают, что с увеличением uси ток

ic сначала растет довольно быстро,

а затем это

нарастание

замедляется

и

почти

совсем

прекращается,

т.е.

наступает

явление,

напоминающее насыщение. Это объясняется тем,

Рис.

3.

Выходная

(стоковая)

что при повышении uси

ток должен увеличиваться,

характеристика

полевого

но

т.к.

одновременно

повышается

обратное

транзистора с каналом n-типа

напряжение на

p-n-переходе,

то запирающий слой

расширяется,

канал сужается,

т.е. его сопротивление растет, и за счет этого ток ic должен

уменьшиться.

Таким образом,

два взаимно противоположных воздействия имеют место на

ток,

который в результате остается почти постоянным.

При подаче большого по абсолютному значению отрицательного напряжения на

затвор ток ic

уменьшается,

и характеристика проходит ниже.

Повышение напряжения

стока в конце концов приводит к электрическому пробою p-n-перехода,

и ток стока

начинает

лавинообразно

нарастать,

что показано на рис.3

штриховыми линиями.

Напряжение пробоя является одним из предельных параметров полевого транзистора.

Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, т.е. в

области,

которую часто не совсем удачно называют

областью насыщения.

Напряжение,

при котором начинается эта область,

иногда называют

напряжением насыщения, а

запирающее напряжение затвора иначе еще называется напряжением отсечки.

Передаточная (стоко-затворная) характеристика.

Передаточной

характеристикой

полевого

транзистора

называется

графически

выраженная

зависимость

Ic=f(Uзи)

при Uси=const (рис.4).

При Uзи=0

ток

Ic

достигает

максимального

значения,

т.к.

в данном случае ширина

канала максимальна, а сопротивление

минимально.

С

ростом

Uобр

при

неизменном Uси уменьшается ток Ic.

При

U

=U

канал

Рис. 4.

Передаточные

характеристики

перекрывается,

зитокзи

I

отсстановится

c

полевого транзистора с управляющим

близким к нулю. Однако при этом в цепи

p-n-переходом

течет

незначительный

ток

неосновных

носителей заряда. При тех же значения напряжения Uзи, но разных напряжениях Uси ток Ic

меняется мало,

что объясняется тем, что напряжения Uси берутся при насыщении тока Ic.

Таким

образом,

передаточная

характеристика

определяет

эффективность

управления током

Ic с помощью изменения входного напряжения Uзи. В то время как в

режиме насыщения большие изменения напряжения

Uси

почти не влияют на изменение

тока

Ic, даже незначительные изменения напряжения U

вызывают большое изменение

этого

же

тока

Iс.

В отличие от

биполярных транзисторов

входные

характеристики

Iвх=f(Uвх)

при

Uвых=const

не представляют особого интереса, т.к. входной ток, который

является током неосновных носителей заряда, очень мал и при изменении

Uзи практически

не меняется.

Рассмотрим влияние температуры на сопротивление канала.

При увеличении температуры уменьшается потенциальный барьер и ширина p-n-

перехода,

в результате ширина канала увеличивается, сопротивление канала уменьшается.

В то же время при возрастании температуры уменьшается подвижность основных

носителей в канале, что приводит к увеличению сопротивления канала. Таким образом,

оба фактора оказывают противоположное влияние на изменение сопротивления канала и,

следовательно,

на изменение тока Ic при изменении температуры. На рис.5

показано

влияние температуры на передаточные характеристики. Здесь видно, что при

Uзи опт ток

стока Iс не меняется при изменении температуры.

При

|Uзи|>|Uзи опт| Ic

растет

с

увеличением

температуры,

что

говорит

о

том,

что

влияние

уменьшения

потенциального

барьера

и

расширения

канала при этом является преобладающим.

При

|Uзи|<|Uзи

опт|

преобладающим

фактором

становится

уменьшения

подвижности носителей зарядов при росте

температуры.

Таким образом, при больших

Рис. 5. Влияние температуры на работу

токах в

полевых транзисторах

получается

полевого транзистора с управляющим p-

уменьшение тока с ростом температуры.

n-переходом

Следует помнить, что в биполярных

транзисторах наблюдается другая картина.

При увеличении температуры Iк увеличивается

и при больших мощностях,

вызывающих неизбежное увеличение температуры, очень

трудно обеспечить его термоустойчивую работу. В этом отношении полевой транзистор

выгодно отличается от биполярного, что является еще одним его достоинством.

Параметры полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами.

1)

Основной параметр – крутизна S,

аналогичная параметру y21 биполярных

транзисторов. Крутизна определяется по формуле:

Рис. 10а. Схема включения полевого

Рис. 10б. Схема включения полевого

транзистора с ОЗ.

транзистора с ОС.

На рис.6 показана эквивалентная схема

(схема замещения) полевого транзистора

для включения его с ОИ. Поскольку Rвх

очень велико, то его можно не учитывать. Для НЧ

во многих случаях можно исключить из схемы емкости. Генератор тока SUmвх отражает

усиление, даваемое транзистором,

а сопротивление Ri представляет собой сопротивление

канала переменному току,

т.е.

выходное

сопротивление.

К

входным

зажимам

подключается источник колебаний, а к выходным – нагрузка.

В практических усилительных каскадах обычно применяется питание от одного

источника E2 (рис.7). Для получения постоянного обратного напряжения на управляемом

n-p-переходе в провод истока включается резистор Rн, зашунтированный конденсатором

Cн. Постоянный ток стока Iсo

создает на резисторе Rн напряжение

Uзиo=Ico·Rн,

которое

через ИК подается на n-p-переход.

Сопротивление R =Uзио/Iсo.

Величины Uзио и Iсо могут быть определены для выбранного режима работы из

выходных характеристик. Через конденсатор Си проходит переменная составляющая тока

стока. Xc=1/ZC<Rн (на низшей частоте).

Схема на рис.7, называемая

часто схемой с автоматическим напряжением

смещения Uзио n-p-перехода,

непригодна для запирания транзистора. Действительно,

напряжение смещения Uзи получается за счет тока стока Ico, но у запертого транзистора

этот ток равен нулю. Если нужно запереть транзистор при отсутствии входного

напряжения uвх, то применяют схему, представленную на рис.8.

В ней напряжение источника E2 подано на делитель R1R2

и постоянное напряжение

на резисторе R1 является запирающим напряжением смещения Uзио.