Лабораторная работа 7-Е. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

В данной работе рассматривается теория полевых транзисторов, их типы и конструкция. С помощью прогрммы Electronics Workbench исследуются характеристики и вычисляются основные параметры полевого транзистора с управляющим n-p - переходом.

7.1. Физические процессы в полевом транзисторе и его устройство

Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создается основными носителями заряда, движущимися под действием продольного электрического поля, а управление силой тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым управляющим электродом.

Идею устройства этих приборов предложил в 1952 году один из изобретателей биполярного транзистора У. Шокли. Главным достоинством полевых транзисторов является высокое входное сопротивление, которое может быть таким же, как у электронных ламп.

Наиболее простой полевой транзистор с управляющим n-p- переход­ом представляет собой тонкую пластинку полупроводникового материала (обычно кремния) с одним n-p- переходом в центральной части и с омическими контактами по краям (рис.7.1а).

Рис. 7.1. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n -переходом и каналом n- типа: а) - односторонним затвором, б) - двухсторонним затвором, в) - деформация формы канала.

Действие этого прибора основано на зависимости толщины p-n-перехода от при­ло­жен­ного к нему напряжения. Поскольку двойной заряженный слой почти полностью лишен подвижных носителей, его проводимость практически равна нулю. При изменении напряжения на переходе, толщина обедненного слоя изменяется и, соответственно, изменяется сечение ос­тавшейся проводящей части кристалла - канала. В зависимости от типа носителей заряда полупроводникового кристалла канал может быть p- или n-типа.

Если подключить к каналу напряжение, то через пластинку полупро­водника между омическими контактами¹ потечет электрический ток.

Омический контакт, от которого начинают движение основные носители заряда, называется истоком, а омический контакт, к которому они движутся через канал, - стоком. Электрод, используемый для управления эффективной толщиной канала, называется затвором.

Межэлектродные напряжения сток-исток (U_cu) и затвор-исток (U_зи) отсчитываются относительно истока. При подаче обратного, для p-n- перехода, напряжения на затвор, запирающий слой расширяется, что приводит к сужению токопроводящего канала и увеличению его сопротивления. Нетрудно заметить, что всегда можно подобрать такое напряжение на затворе, при котором токопроводящий канал будет полностью перекрыт, при условии, что толщина канала незначительна.

В силу того, что управление сечением канала (и, соответственно, током I_си) производится обратно включенным n-p-переходом, сопротивление участка затвор-исток оказывается очень большим. Оно соответствует сопротивлению полупроводникового диода, включенного в обратном направлении. Высокое входное сопротивление выгодно отличает данный полупроводниковый прибор от биполярного транзистора.

Малый обратный ток управляющего n-p-пе­ре­­­хо­­да (ток неосновных но­сителей) непосредственно­го отношения к процессу уп­рав­ле­ния не имеет. Уп­рав­ление тол­щиной ка­нала осуществляется напряже­нием на затворе от­но­сительно исто­ка или в конечном итоге поперечным (относительно направления тока I_си) электрическим полем, возникающим в запирающем слое, что нашло отражение в названии - полевой транзистор.

В прямом направлении управляющий электрод, как правило, не включают из-за возникновения значительного прямого тока уже при малом напряжении 0,5 – 0,7В и выхода транзистора из строя.

В рабочем состоянии форма канала асимметрична, поскольку потенциал вдоль канала повышается по мере приближения к стоку. Это значит, что толщина n-p-пе­ре­­­хо­да увеличивается, а сечение канала в этом случае уменьшается (рис 7.1в).