Глава 5. Полевые транзисторы.
Биполярные транзисторы нашли широкое применение в различных отраслях электронной техники. Однако в ряде случаев их использование затруднено, тик как эти приборы управляются током, поэтому потребляют заметную мощность от входной цепи. Это препятствует их использованию в цепях с маломощными источникам входного сигнала. Для решения этой проблемы были разработаны полевые транзисторы.
По физическим эффектам, лежащим в основе управления носителями заряда, полевые транзисторы условно делят на две группы: с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором ( МДП- или МОП-транзисторы). Внешний вид полевых транзисторов представлен на рис. 5.1.1.
5.1. Полевые транзисторы с p-n-переходом.
Полевые транзисторы с р-n- переходом имеют структуру, разрез которой приведен на рис. 5. 1.2. Слой с проводимостью р-типа называется каналом, он имеет два вывода во внешнюю цепь: С — сток и И — исток. Слои с проводимостью типа n - типа, окружающие канал, соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором З. Подключение источников напряжения к прибору показано на рис. 5.1.2, на рис. 5.1.3 показано схемное обозначение полевого транзистора с р-n переходом и каналом р-типа и n-типа. Принцип действия транзистора с каналом n-типа аналогичен, но направления токов и полярность приложенных напряжений противоположны. Рассмотрим принцип действия полевого транзистора
c каналом р-типа. На рис. 5.1.4,а приведены семейство стоковых (выходных) характеристик этого прибора IC=f(UCИ), UЗИ=const при управляющем напряжении UЗИ=0 .
Рисунок 5.1.1. Полевые транзисторы.
Рисунок 5.1.2. Структура полевого транзистора с p-n-переходом.
Рисунок 5.1.3. Условное обозначение полевого транзистора:
а) с каналом n-типа, б) с каналом p-типа.
а) б)
Рисунок 5.1.4. Характеристики полевого транзистора: а) – выходная; б) – передаточная.
При подключении источника напряжения между стоком и истоком UCИ по каналу течет ток, который зависит от сопротивления канала. Напряжение UCИ равномерно приложено по длине канала, это напряжение вызывает обратное смещение р-n-перехода между каналом р-типа и n-слоем, причем наибольшее обратное напряжение на р-n-переходе существует в области, прилегающей к стоку, а вблизи истока р-n-переход находится в равновесном состоянии. При увеличении напряжения UCИ область двойного электрического слоя р-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда, будет расширяться, как показано на рис. 5.1.5, а. Особенно сильно расширение перехода проявляется вблизи стока, где больше обратное напряжение на переходе. Расширение р-n-перехода приводит к сужению проводящего ток канала транзистора, и сопротивлениё канала возрастает. Из-за увеличения сопротивления канала при росте IC стоковая характеристика полевого транзистора имеет нелинейный характер (рис. 5.1.4, а). При некотором напряжении UЗИ границы р-n-перехода смыкаются (пунктир на рис. 5.1.5, а), и рост тока IC при увеличении UCИ прекращается.
При приложении положительного напряжения к затвору UЗИ>0 р-n- переход еще сильнее смещается в область обратного напряжения, ширина перехода увеличивается, как показано на рис. 5.1.5, б. В результате канал, проводящий ток, сужается и ток IC уменьшается. Таким образом, увеличивая напряжение UЗИ можно уменьшить IC что видно в рассмотрения рис. 5.1.4. При определенном UЗИ называемом напряжением отсечки, ток стока практически
Рисунок 5.1.4 а) -сужение канала полевого транзистора, б) – перекрытие канала полевого транзистора.
не протекает. Отношение изменения тока стока ΔIC к вызнавшему его изменению напряжения между затвором и истоком ΔUЗИ при UCИ=const называется крутизной: S= ΔIC/ΔUЗИ при UCИ=const. отличие от биполярных транзисторов полевые транзисторы управляются напряжением, и через цепь затвора протекает только малый тепловой ток IЗ р-n-перехода, находящегося под действием обратного напряжения Стоковые характеристики, так же как и коллекторные характеристики биполярного транзистора, имеют два участка: крутой и пологий; последний используется при работе транзистора в усилительных устройствах, в то время как начальный крутой участок характеристик — при их работе в переключательных устройствах.
Ток стока полевого транзистора сильно зависит от температуры. Во-первых, с ростом температур электропроводность примесных полупроводников в рабочем диапазоне температур уменьшается. Во-вторых, при нагреве ширина р-n-перехода уменьшается, а канал расширяется. В результате воздействия этих двух факторов при, нагреве ток стока при UЗИ=const может изменяться различным образом — как увеличиваться, так и уменьшаться. Предельные частоты, на которых могут работать полевые транзисторы, весьма высоки. Основным ограничительным фактором здесь является емкость р-n-перехода, площадь которого сравнительно велика. Выпускаемые промышленностью полевые транзисторы с р-n-переходом способны работать в мегагерцовом диапазоне частот.