Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака – электронами или дырками (в отличие от биполярных).

Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком (Source).

Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком (Drain).

Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (Gate).

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа. На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов (электроны), создавая ток стока.

Полярность напряжений на рис. 5.8 соответствует n-канальному полевому транзистору. Для транзистора с p-каналом полярность напряжений обратная.

Рис. 5.8.

Схематическое устройство полевого транзистора с каналом n-типа и его обозначение на схемах. Длинная стрелочка на левом рисунке показывает направление потока электронов.

При отсутствии напряжения на затворе p-n переход закрыт собственным внутренним полем, ширина его минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным. Область затвора (в данном случае р-типа) делают низкоомной, с высоким уровнем легирования. Поэтому, при приложении к p-n переходу затвор-канал запирающего напряжения почти вся область обеднения приходится на канал. Электроны канала, которые являются основными носителями заряда, "выдавливаются" за границу области, условно показанной пунктиром на рис. 5.8. При увеличении отрицательного напряжения на затворе происходит увеличение области обеднения, а значит уменьшение сечения проводящей части канала, и увеличение сопротивления канала.

Электрод истока обычно заземлён, и напряжения на электродах стока и затвора прикладываются относительно истока. Если приложить положительное напряжение к стоку, то возникает ток через канал от стока к истоку. Величина этого тока при определённом напряжении U_СИ будет определяться сопротивлением канала и сопротивлением R_Н. При подаче отрицательного напряжения на затвор, сечение канала уменьшается, сопротивление возрастает, ток стока уменьшается. Изменение напряжения затвор – исток приводит к изменению размеров областей обеднения, т.е. к изменению сопротивления канала. Канал может быть почти полностью перекрыт, и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень велико (десятки МОм), а ток стока будет практически равен нулю. Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (I_С → 0), называется напряжением отсечки U_ОТС.

Если напряжение U_СИ = 0, то канал транзистора эквипотенциален, и толщина канала одинакова на всем протяжении. При небольших значениях напряжения U_СИ ток в цепи стока возрастает практически линейно (крутая область зависимости). При дальнейшем увеличении этого напряжения надо учитывать падение напряжения вдоль канала. Это значит, что напряжение между затвором и каналом в направлении стока увеличивается, т.е. управляющий р-n переход в направлении стока все больше смещается в обратном направлении. Соответственно сечение канала вблизи области стока сужается (см. рис. 5.8). При дальнейшем увеличении напряжения U_СИ сужение канала вблизи области стока приводит к состоянию, близкому к его перекрытию. При этом резко возрастает сопротивление канала, приводящее к прекращению роста тока I_С . Наступает режим насыщения тока стока. Полное перекрытие канала получить нельзя, так как само сужение является следствием увеличения тока стока.

После образования горловины канала ток в цепи практически перестаёт зависеть от напряжения на стоке – наступает насыщение тока (откуда и название напряжения U_{НАСЫЩЕНИЯ}). Напряжение насыщения – это напряжение между стоком и истоком, при котором ток в цепи стока практически перестаёт изменяться (насыщается) при увеличении U_СИ. Если отрицательное напряжение на затворе, смещающее управляющий р-n переход в обратном направлении, увеличить, то наступает расширение р-n перехода, канал сузится, его сопротивление увеличится, и ток стока I_СИ уменьшится.

При значительном увеличении напряжения сток-исток начинается резкий рост тока, связанный с пробоем управляющего р-n перехода в цепи сток-затвор.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор. Изменяя напряжение на затворе, можно изменять ток стока.

Очень малая величина входного тока (практически его отсутствие) в полевом транзисторе исключает построение входных характеристик.

Управляющие (стоко-затворные) характеристики показывают управляющее действие затвора и представляют собой зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянстве напряжения стока. На рис. 5.9 представлены управляющие характеристики полевого транзистора с каналом n-типа.

Рис. 5.9.

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора КП302АМ с каналом n-типа для напряжения сток-исток 4 В.

Сплошная линия – график полинома третьей степени:

.

Он нам пригодится при изучении генерации.

См. также рис. 5.10.

Рис. 5.10.

Выходные характеристики полевого транзистора КП302АМ с каналом
n-типа.

Происхождение нагрузочной прямой
пояснит рис. 5.7 и текст вокруг него.

Выходные характеристики полевых транзисторов напоминают те же характеристики биполярных транзисторов. Выходные статические характеристики показаны на рис. 5.10 и представляют собой семейство зависимостей тока стока от напряжения сток – исток при фиксированных напряжениях на затворе и при U_ЗИ = const. На них можно выделить три участка. Первая область характеризуется резким изменением тока при изменении напряжения. Она называется крутой областью характеристики. Вторая область – область насыщения или пологая область. И третья область – область пробоя. На нашем рисунке этой области нет.

Управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе. Поэтому для количественной оценки управляющего действия затвора используют дифференциальную крутизну характеристики:

при U_СИ = const. (5.1)

Управляющие (стоко-затворные) характеристики показывают управляющее действие затвора и представляют собой зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянстве напряжения стока. На рис. 5.9 представлен пример управляющей характеристики полевого транзистора с каналом n-типа. Крутизна этой характеристики около 10 мА/В. Крутизна достигает максимального значения при U_ЗИ = 0.

Современные полевые транзисторы, выполненные на основе кремния, работоспособны до температур 120-150^оС. Обычно они работают в схемах усилительных каскадов с общим истоком и общим стоком. Входной усиливаемый сигнал подаётся на затвор, меняется потенциал затвора, а соответственно изменяются токи стока и истока, а также падение напряжения на нагрузочном резисторе. Приращение падения напряжения на резисторе R_Н обычно больше изменения входного сигнала. За счёт этого осуществляется усиление сигнала.

Основным преимуществом полевых транзисторов с управляющим p-n переходом перед биполярными являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления.

Рассмотрим работу полевого транзистора с точки зрения потребителя (см. рис. 5.9). Основным параметром, характеризующим усилительные свойства транзистора, является зависимость тока стока I_СИ от напряжения на затворе U_ЗИ и крутизна этой кривой S .

Характерная величина крутизны S ~ 1 – 1000 мА/В, (10^-3 – 1 А/В), но бывает и больше.

(5.2)

Другими важными параметрами транзистора являются сопротивление между затвором и истоком R_ЗИ и между стоком и истоком R_СИ , которые тоже определяются дифференциальным образом.

Из-за громадного, по сравнению с биполярными транзисторами, входного сопротивления усиление по току тоже громадное.

(5.3)

Область рабочих частот полевых транзисторов довольно широка: от постоянного тока до десятков ГГц у некоторых типов.

Надо подчеркнуть, что все перечисленные параметры S , R_ЗИ и R_СИ зависят от среднего напряжения на затворе U_ЗИ и от напряжения сток-исток U_СИ. Меняя величины этих напряжений, можно варьировать дифференциальные параметры транзистора. При фиксированных значениях U_ЗИ и U_СИ , то есть при заданной рабочей точке, параметры S_ДИФФ , R_ЗИ и R_СИ можно считать постоянными для малых изменений токов и напряжений. Обычно стараются выбирать такие режимы, при которых условие малости сигнала выполняется. Тогда транзистор может быть рассмотрен как линейный четырёхполюсник.