Полевые транзисторы
Полевые транзисторы – это управляемые элементы, особенностью которых является практически нулевая мощность управления в статическом состоянии. Это означает, что в отличие от биполярных транзисторов ток управления полевых транзисторов мал, и можно считать, что они управляются напряжением (электрическим полем). Отсюда название «полевые». Технология полевых транзисторов обеспечивает значительно бóльшую плотность элементов в 1 мм3, что позволяет создавать микросхемы огромной функциональной сложности (однокристалльные ЭВМ).
На полевых транзисторах выполняются цифровые устройства, не потребляющие энергии в статическом состоянии, т. е. с малым потреблением.
На полевых транзисторах, в силу их особенностей, удобно строить ключи переменного тока, в т. ч. и прецизионные аналоговые коммутаторы.
Мощные полевые транзисторы обладают значительно меньшим сопротивлением в открытом состоянии при работе в ключевом режиме, что обеспечивает более высокие значения КПД преобразователей энергии.
Кроме того, в полевых транзисторах отсутствует эффект диффузионной емкости и связанные с ним ограничения быстродействия, обусловленные эффектом насыщения.
К сожалению, крутизна управления у полевых транзисторов существенно меньше, чем у биполярных (особенно у маломощных приборов), т. е для переключения полевого транзистора требуются большие перепады управляющего напряжения. Это обстоятельство делает быстродействие цифровых ключей на полевых транзисторах существенно меньшим по сравнению с ключами на биполярных транзисторах.
Все это приводит специалистов к необходимости творческих решений проблемы приоритетов между полевыми и биполярными транзисторами в каждом конкретном случае.
По физике работы различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.
Наибольшее практическое применение, в силу удобства управления и высокой технологичности, нашли полевые транзисторы с изолированным затвором.
4.11. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом
Упрощенная конструкция этого транзистора с проводящим каналом n-типа изображена на рис. 4.22. Источник регулируемой энергии Еси подключен к проводящему каналу между стоком (С) и истоком (И), образованным n-слоем p-n-перехода. Управляющее напряжение Ези прикладывается между затвором (З) и истоком запирающей для
p-n-перехода полярностью. Сопротивление проводящего канала сток-исток зависит от его длины, удельного сопротивления слоя n и площади поперечного сечения, определяемой шириной канала d.
При увеличении (относительно исходного нулевого) значения запирающего напряжения Ези ширина обедненной области p-n-перехода (заштриховано) увеличивается, а ширина проводящего n-канала уменьшается. В результате имеем функциональную зависимость
Рис. 4.22. Схематическое изображение полевого транзистора с управляющим p-n-переходом: а – каналом n-типа; б – условное графическое изображение |
Ic=F(d, Еси), d=f(Ези);
Ic=F(Ези, Еси), (4.13)
подтверждающую управляемость тока стока.
В силу того, что управляющий p-n-переход находится в запертом состоянии, ток затвора, равный обратному току p-n-перехода, очень мал по величине и не является током управления, поскольку практически не зависит от напряжения Ези.
Так как проводимость канала определяется носителями одного типа (основными), то полевые транзисторы иногда называют униполярными приборами, а по наличию сквозного проводящего канала – канальными.
Опуская математические зависимости (4.13), с которыми можно ознакомиться в специальной литературе, рассмотрим их графические изображения. На рис. 4.23 приведены ВАХ полевого транзистора: а) сквозные (проходные) и б) выходные.
а б
Рис. 4 23. ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом:
а – сквозные (проходные); б – выходные
Проходная ВАХ характеризуется значениями Iс0 (ток стока при нулевом напряжении управления), U0 (напряжение отсечки тока, при котором обедненная область p-n-перехода полностью перекрывает проводящий канал). На выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить две области: крутая область (слева от пунктира) и пологая область, или область насыщения.
Если рассмотреть напряжение, действующее на управляющем
p-n-переходе, то вблизи истока оно равно Uзи, а вблизи стока – (Uзи + Uси). При малых напряжениях Uси (меньше jТ) зависимость Iс = f (Uси) почти линейная, и линейность сохраняется, если полярность напряжения Uсисменить на обратную. В этой области зависимость Iс от напряжений, приложенных к полевому транзистору, описывается следующим соотношением (4.13):
, (4.14)
где В – удельная крутизна [ ].
При увеличении напряжения Uси зависимость Iс= f (Uси) становится нелинейной. При (Uзи + Uси) ³ Uзи отсканал вблизи стока перекрывается и ток стока практически перестает зависеть от напряжения сток-исток (Uси).
При работе в пологой области характеристик ток стока при заданном напряжении Uзиописывается соотношением
, (4.15)
где Iс нач – ток стока при Uзи= 0 и Uси = Uзи отс.
Полевой транзистор в линейной области ведет себя как линейное сопротивление, величиной которого можно управлять, изменяя напряжение Uзи. Это свойство используется при построении линейных регуляторов сигнала (рис. 4.24). Недостаток таких аттенюаторов – малая амплитуда выходного напряжения (< jТ). Для расширения диапазона выходных напряжений ½Uсипередается в цепь управления. Тогда
,
Рис. 4.24. Линейный аттенюатор на полевом транзисторе |
и согласно (4.14) , т. е. зависимость Iс= f(Uси) линейная. На рис. 4.25 приведена схема, в которой реализована эта возможность. Сопротивление R >> R1. Диапазон выходных напряжений расширяется на порядок и более.
В усилительных устройствах полевой транзистор работает на пологом участке характеристики.
Линеаризованное уравнение может быть получено для заданного режима покоя IcA, UзиА, UсиА из (4.13):
, (4.16)
где – крутизна; – внутреннее (выходное) сопротивление.
Рис. 4.25. Линейный аттенюатор с расширенным диапазоном Uвых |
Поскольку входная цепь (управления) – это обратно смещенный p-n-переход, то его характеристикой в линеаризованном виде является дифференциальное сопротивление
.
Линеаризованная электрическая модель на основании (4.16) изображена на рис. 4.26. Максимальные усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются внутренним коэффициентом усиления , который связан с крутизной и внутренним сопротивлением уравнением
m = S × ri.
Рис. 4.26. Линеаризованная электрическая модель
полевого транзистора
Инерционность ПТ определяется конечным временем переноса носителей в области канала и наличием межэлектродных паразитных емкостей: входной – Сзи, выходной – Сси, проходной – Сзс. Первая часть описывается операторным представлением крутизны
,
где ; Rк – сопротивление канала; CЗ – распределенная емкость затвора относительно канала. Частота fS, на которой крутизна уменьшается в раза, равна 1/2p и для маломощных транзисторов составляет сотни мегагерц. В диапазоне частот входных сигналов до нескольких десятков МГц основное влияние оказывают паразитные емкости, обозначенные пунктиром на рис. 4.26. Промышленностью выпускаются полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и каналом р-типа (рис. 4.27). Они обладают такими же свойствами, как и с каналом n-типа, только полярности подключаемых напряжений Uзи, Uси противоположные.
|
Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 2838;