3.4 Униполярные транзисторы и их характеристики

Полевой транзистор относится к классу униполярных: принцип действия основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление выходным током в этих транзисторах осуществляется путем изменения проводимости канала, через который протекает ток, под воздействием приложенного электрического поля (название «полевые»).

По способу создания канала есть полевые транзисторы (ПТ) различных типов: с p-n–переходом; с встроенным каналом; с индуцированным каналом. Два последних типа относят к разновидностям МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-окисел-полупроводник) транзисторов. По сравнению с БПТ, ПТ отличаются очень большим входным сопротивлением.

3.4.1 Пт с p-n–переходом

Схематично устройство таких транзисторов отражено на рисунке 3.26. Условные графические обозначения для таких транзисторов приведены на рисунке 3.27. Напряжение U_зи является обратным (запирающим), а U_си – положительным потенциалом на сток (часто полярность U_си безразлична – для ПТ старых выпусков). Управление величиной тока между электродами сток-исток происходит изменением напряжения –U_зи – при этом изменяется ширина p-n–переходов – то есть изменяется ширина канала, его сопротивление. Также влияет на ширину канала и напряжение U_си.

Рисунок 3.26 – Устройство ПТ с p-n–переходом

Выходные (стоковые) ВАХ ПТ с p-n–переходом и каналом n-типа. Это зависимость I_C = f(U_си)|_{U(зи) = const} . Так же, как и для БПТ, выделяются характерные области: 1 – сильная зависимость I_С от U_си; 2 – слабая зависимость I_C от U_си; 3 – пробой p-n–перехода (рисунок 3.28).

EMBED PBrush Рисунок 3.27 – УГО ПТ на основе p-n–перехода

В первой зоне сопротивление канала практически линейно зависит от напряжения U_СИ, и здесь ПТ часто используется как электронно-управляемое по величине сопротивление. Во второй зоне увеличение U_си также ведет к увеличению сопротивления канала, и при его перекрытии I_C почти не меняется. В третьей зоне наступает лавинный пробой p-n–перехода по цепи сток-затвор.

Рисунок 3.28 – Выходные ВАХ ПТ по схеме общий исток

Основные параметры ПТ следующие. Напряжение отсечки U_отс – напряжение U_ЗИ, при котором I_C  0. Максимальное значение тока стока I_Cmax – ток стока при U_зи = 0. Максимальное напряжение сток-исток U_Сиmax – напряжение пробоя участка сток-затвор при U_зи= 0. Внутреннее сопротивление r_C характеризует сопротивление канала. Определяется по выходным характеристикам во второй зоне:

. (3.11)

Крутизна стоко-затворной характеристики:

. (3.12)

Крутизна отражает влияние напряжения на затворе на выходной ток. Ее находят по стоко-затворной характеристике. Входное сопротивление определяется сопротивлением p-n–перехода, смещенного в обратном направлении. Оно имеет очень большое значение.

3.4.2 Полевые транзисторы мдп (моп)

У этих ПТ затвор изолирован от токопроводящего канала слоем диэлектрика. Из-за наличия диэлектрика у этих ПТ очень высокое входное сопротивление R_ВХ » 1000 ГОм. Принцип действия основан на изменении проводимости приповерхностного слоя полупроводника (канала) на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. В общем случае эти ПТ – четырёхэлектродный прибор: электроды исток, сток, затвор и подложка.

Подложка – полупроводниковая основа ПТ и её вывод иногда выполняет вспомогательную управляющую функцию.

ПТ вида МДП делятся на два типа. Со встроенным каналом, рисунок 3.29.

Рисунок 3.29 – ПТ со встроенным каналом

Запитывают такой ПТ по схеме, приведённой на рисунке 3.30.

Рисунок 3.30 – Запитка ПТ со встроенным каналом

Рассмотрим входные и выходные ВАХ таких полевых транзисторов. При U_ЗИ = 0 имеется конкретное значение I_C, рисунок 3.31.

Рисунок 3.31 – Стоко-затворная и выходные характеристики ПТ

со встроенным каналом

При U_ЗИ < 0 отрицательный потенциал на затворе создает поле, отталкивающее электроны в канале n-типа, концентрация их уменьшается, сопротивление канала увеличивается и I_C уменьшается. Это режим обеднения. При U_ЗИ > 0, электроны полем потенциала затвора втягиваются в канал из p-подложки. Концентрация электронов в канале увеличивается, его сопротивление уменьшается и I_C увеличивается. Это режим обогащения.

С индуцированным каналом, рисунок 3.32.

Канал проводимости в этом ПТ заранее не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из p-подложки при приложении к затвору положительного потенциала.

Рисунок 3.32 – ПТ с индуцированным каналом

Транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения. Его входные и выходные ВАХ отражены на рисунке 3.33.

Рисунок 3.33 – ВАХ ПТ с индуцированным каналом

Для таких МДП ПТ входное сопротивление R_ВХ > 1000 ГОм и C_ЗИ, С_ЗС и С_СИ примерно на порядок меньше, чем у ПТ с p-n-переходом.