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.

Как управляемый элемент полевой транзистор с управляющим p-n-переходом не очень удобен: входное сопротивление сохраняется высоким только при подаче на затвор запирающего напряжения; полярность запирающего напряжения противоположна полярности источника питания, т. е. для работы этого элемента требуется два разнополярных напряжения, что приводит к усложнению схемы. От этих недостатков свободны полевые транзисторы с изолированным затвором.



Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 2838;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.014 сек.