6.7. Основные свойства, характеристики и типы полевых транзисторов.

В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, класс полупроводниковых приборов, способных усиливать электрические сигналы, управляемых электрическим полем (практически без затрат мощности управляющего сигнала), называют полевыми транзисторами. В иностранной литературе этот тип транзисторов называют FET (Field Effect Transistor).

Различают 6 различных типов полевых транзисторов, которые подразделяются на 2 вида: с управляющим p-n-переходом и со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы).

Рис. 6.48 иллюстрирует классификацию типов полевых транзисторов.

Рис.6.48. Классификация и схемные обозначения полевых транзисторов

Управляющим электродом транзистора является затвор G(З), который управляет величиной сопротивления между истоком S(И) и стоком D(С). Управляющим напряжением является напряжение U_GS. Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т.е. их свойства не изменяются, если электроды D и S поменять местами.

В транзисторах с управляющим переходом затвор отделен от канала DS n-p или p-n-переходом. При правильной полярности напряжения U_GS диод, образуемый переходом затвор-канал запирается и изолирует затвор от канала. При противоположной полярности он отпирается.

У полевых МОП-транзисторов затвор отделен от канала DS тонким слоем SiO₂. При такой реализации ток через затвор не протекает при любой полярности напряжения на затворе.

На рис.6.49 показана упрощенная структура полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа.

Рис. 6.49. Структура полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа

Если подать положительное напряжение между затвором и истоком (U_зи >0), то p-n-переход смещается в обратном направлении. При увеличении обратного напряжения p-n-переход расширяется, что уменьшает толщину канала исток-сток, и как следствие этого, увеличивается сопротивление канала. Если напряжение U_зи превышает напряжение отсечки U_{зи отс}, канал полностью перекрывается областью p-n-перехода.

Через полевые транзисторы с управляющим переходом при U_зи=0 протекает наибольший ток стока. Такие транзисторы называют нормально открытыми. Аналогичными свойствами обладают МОП-транзисторы обедненного типа. МОП-транзисторы обогащенного типа запираются при величинах U_зи близких нулю. Такие транзисторы называют нормально закрытыми.

В МОП-транзисторах часто делают четвертый вывод от подложки, на которой создается структура транзистора. Этот электрод, также как и затвор, может выполнять управляющие функции, однако эти функции используются редко. Чаще всего вывод подложки соединяется с выводом истока. Для полевого транзистора, как и для биполярного, применяют три схемы включения: с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). На рисунке 6.50 представлена типовая схема включения полевого транзистора с общим истоком.

Рис.6.50. Схема включения полевого транзистора с общим истоком

Качественно характеристики полевых транзисторов похожи на характеристики биполярных транзисторов, при этом сток соответствует коллектору, исток – эмиттеру, затвор – базе. На рис.6.51 и 6.52 представлено семейство характеристик типового полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

Рис. 6.51. Передаточная характеристика n-канального полевого транзистора с p-n переходом

Рис. 6.52. Семейство выходных характеристик n-канального полевого транзистора с управляющим p-n

Напряжение, при котором ток стока I_c принимает минимальное значение, называют пороговым напряжением U_п.

При величинах напряжений U_зи больше порогового, передаточная характеристика транзистора описывается выражением:

,

где I_ис – ток стока при U_зи=0.

В линейной области семейства выходных характеристик (U_ис<1 В) транзистор можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления. При U_ис1 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к незначительному увеличению тока I_с. Эта область (область насыщения) характеризуется тем, что на постоянном токе сопротивление исток-сток увеличивается, а ток I_с практически не изменяется.

По передаточной характеристике транзистора определяется его крутизна.

После дифференцирования для S можно получить выражение

.

Внутреннее дифференциальное сопротивление определяется соотношением:

Коэффициент усиления полевого транзистора определяется выражением

Частотные (динамические) свойства полевого транзистора определяются в основном процессами перезаряда барьерной емкости p-n-перехода, а также емкостью между выводами и паразитными индуктивностями выводов. Эти паразитные характеристики определяют допустимые частоты, на которых могут работать полевые транзисторы. Их учет можно осуществлять через введение операторной характеристики крутизны в виде выражения

S(p)=S/(1+pτ_з),

где p – оператор дифференцирования, S – статическая крутизна полевого транзистора, τ_з=1/_з, _з – предельная частота, определенная на уровне 0,7 статического значения крутизны частотной характеристики.

Анализ схем с полевыми транзисторами также как и с биполярными транзисторами осуществляется с использованием математических моделей, эквивалентных схем и графическими методами.

Рассмотрим пример графического анализа схемы, представленной на рис. 6.53.

Рис.6.53. Вариант схемы с полевым транзистором

Предположим, что E_c=6 В и R_c=2 кОм. Определим, как будет изменяться напряжение U_ис при изменении входного напряжения U_зи от 1 до 2 В. Построим линию нагрузки E_c=I_c^.R_c+U_uc на графике выходных характеристик полевого транзистора так, как это показано на рис.6.54.

Рис. 6.54. Линия нагрузки на семействе выходных характеристик полевого транзистора

При U_зи= 1 В рабочая точка А определяет U_ис=1,5 В, при U_зи=2 В рабочая точка В определяет U_ис=3,7 В, при этом ток стока меняется от 2 до 1 мА.