полевые транзисторы

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Цель: Ознакомить курсантов с принципом работы полевых транзисторов, конструктивными особенностями, схемами включения.

План

1. Полевой транзистор - прибор управляемый электрическим полем

2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором

3. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

4. Вольтамперные характеристики полевых транзисторов

5. Схемы включения полевых транзисторов

1. Полевой транзистор - прибор управляемый электрическим полем

Униполярными или полевыми транзисторами называются трех электродные полупроводниковые приборы, в которых ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Оба названия этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности:

Прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов – униполярный.

Управление током канала осуществляется осуществляется при помощи электрического поля.

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (Drain) и истоком (Source), а управляющий электрод называется затвор (Gate).

Напряжение управления, которое создает поле в канале прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от выполнения затвора полевые транзисторы делятся на две группы: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) приведено на рисунке 1, а, а полевого транзистора с управляющим переходом (ПТУП) – 1, б.

Рис. 1. Устройство униполярного транзистора

с изолированным затвором

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния SiO. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утечки затвора пренебрежительно мал даже при повышенных температурах. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими.

При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость поэтому канал называется индуцированным.

Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной.

Если канал имеет электронную проводимость, то он называется n-каналом.

Канал с дырочной проводимостью называются p-каналом.

В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов:

с каналом n или p-типа, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные схематические изображения этих транзисторов приведены на рисунке.

индуцированный встроенный индуцированный встроенный

n-типа p-типа

Рис 2

Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве.

Канал транзистора изображается вертикальной штриховой или сплошной линией.

Штриховая линия обозначает индуцированный канал.

Сплошная линия обозначает встроенный канал.

Исток и сток действуют как невыпрямляющие контакты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу.

Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала.

Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу.

Вывод затвора обращен к электроду истока.

3. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Приведено на рис. 3. В таком транзисторе затвор выполнен ввиде обратно смещенного p-n перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулировать ток в канале. На рисунке приведен полевой транзистор с каналом p-типа и затвором выполненным из областей n-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводимости канала, поэтому полевые транзисторы с управляющим p-n переходом работают только на обеднение канала носителями зарядов.

Рис. 3. Устройство униполярного транзистора

с управляющим p-n переходом

Условное схематическое изображение полевых транзисторов с управляющим p-n переходом приведено на рисунке. Поскольку ПТУП могут работать только с обеднением канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображении сплошной линией, которая имеет контакты с электродами стока и истока. Направление стрелки на выводе затвора указывает тип проводимости канала.

n-канал анал

Условные обозначения полевых транзисторов

с управляющим p-n-переходом

4. Вольтамперные характеристики полевых транзисторов

Таким образом полный набор полевых транзисторов, имеющихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Их типовые передаточные характеристики приведены на рисунке 4.

Рис. 4. Передаточные характеристики полевых транзисторов

Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик.

Все характеристики ПТ с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке.

Все характеристики ПТ с каналом р-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательный ток, что соответствует отрицательному напряжению на стоке.

Характеристики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным Iс.нач. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки Uотс становиться близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения Uпор. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока стока Iс.нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется, и ток стока снижается.

На рисунке приведены выходные вольтамперные характеристики ПТУП с каналом n-типа.

Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих вольт амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

В линейной области ВАХ вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе.

В области насыщения ВАХ идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке.

Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов.

В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.

5. Схемы включения полевых транзисторов

Полевые транзи­сторы применяются в трех схемах включения (рис. 13.8): с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (OС). Основным и наиболее распространенным является каскад с общим истоком. Принципиальная схема такого каскада приведена на рис. 13.9. Резистор R_C в цепи стока выполняет функцию сопро­тивления нагрузки усилителя, цепочка R_ИС_И в цепи истока служит для получения напряжения автоматического смещения и вы­бора рабочей точки на стоко-затворной характеристике полевого транзистора (рис. 7.24). Резистор R_З в цепи затвора позволяет подать постоянное напряжение смещения на участок затвор — исток. Что же касается разделительных конденсаторов С_Р1 и С_Р2, то их назначение ничем не отличается от аналогичных элементов в схеме на биполярном транзисторе (см. рис. 13.4).