Полевой транзистор

Полевой транзистор с p-n переходом в области затвора и его работа. Полевой транзистор – это полупроводниковый триод; он состоит из пластин полупроводника р– типа или n– типа, образующих канал, и имеет 3 электрода:

исток (и) – источник основных носителей заряда;

сток (с) – сток основных носителей заряда;

затвор (з) – управляющий электрод.

На рис. 42 даны обозначения полевого транзистора с каналом n– типа (рис. 42а) и каналом p– типа (рис. 42б).

а) б)

Рис. 42

На рис. 43 показан транзистор с каналом n– типа:

Рис. 43

Из рисунка видно, что исток заземлен, сток подключен к «+» источника E_c. ЭДС E_c создает в канале продольное электрическое поле, воздействующее на электроны канала. Электроны, перемещаясь в направлении от источника к стоку, образуют ток стока I_c. Вблизи затвора создана область полупроводника с другим типом проводимости (p– тип). Источник ЭДС E_з создает в канале поперечное электрическое поле, закрывающее p-n– переход (на p-n– переход действует обратное напряжение). В результате этого вблизи затвора образуется слой, обедненный основными носителями заряда – электронами. Ширина слоя увеличивается по мере приближения к стоку, так как в этом направлении увеличивается потенциал поля в канале. Этот слой уменьшает сечение канала, вызывая увеличение сопротивления току стока I_c. При подключении к затвору источника входного переменного напряжения U_вх изменяется величина обратного напряжения p-n – перехода и, следовательно, изменяется ширина канала, влияющая на величину тока I_c и на величину выходного напряжения U_вых = U_cu.

Статические характеристики полевого транзистора (схема с общим истоком). На рис. 44,а приводится входная характеристика, представляющая собой обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n–перехода. На рис. 44,б даны выходные (стоковые) характеристики I_с = f(U_сu) при U_зu = const. На них различают крутую область 1, пологую (область насыщения) 2 и область пробоя 3.

Рис. 44

На крутых участках ВАХ ток стока является функцией двух напряжений – на стоке и на затворе, а на пологих участках – функцией только напряжения на затворе. В усилительной технике полевые транзисторы обычно работают на пологих участках ВАХ, поскольку этим участкам соответствуют наименьшие нелинейные искажения и оптимальные значения дифференциальных параметров. При определенном напряжении на стоке, называемом напряжением насыщения (U_{си нас}), плотность заряда электронов у стока становится очень малой – происходит перекрытие канала. Напряжение затвор-исток, при котором толщина канала уменьшается до нуля, называют пороговым напряжением. В этот момент прекращается прирост тока стока, несмотря на дальнейшее увеличение напряжения на стоке. При этом:

. (36)

Это выражение является уравнением границы между крутой и пологой областями ВАХ (пунктирная линия на рис. 44,б).

Помимо стоковых широко используются стокозатворные (передаточные) характеристики I_с = f(U_зu) при U_сu = const ≥ U_{си нас} (рис. 44,в). Стокозатворная характеристика позволяет выбрать режим транзистора по постоянному току, оценить усилительные свойства транзистора, выяснить характер и оценить уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

Анализ стокозатворных ВАХ полевого канального транзистора показывает, что такие транзисторы работают строго при одной полярности напряжения на затворе: если произойдет смена полярности на затворе, то p-n-переход перейдет в прямосмещенное состояние, транзистор перестанет быть униполярным, так как начнется инжекция неосновных носителей в канал. Кроме того, сопротивление входной цепи резко уменьшится, во входной цепи может потечь недопустимо большой ток, что приведет к гибели транзистора. Таким образом, полевой канальный транзистор работает только в режиме обеднения канала.

Схемы включения полевого транзистора. Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода.  В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом на затвор (рис. 45); с общим затвором и входом на исток (рис. 46); с общим стоком и входом на затвор – истоковый повторитель (рис. 47).

Схема включения транзистора с общим затвором в реальной практике не получила распространения. Наиболее часто используется схема с общим истоком.

Рис. 45 Рис. 46 Рис. 47

Усилитель на полевом транзисторе по схеме с общим истоком. На рис. 48 дана основная схема усилителя мощности на полевом канальном транзисторе с ОИ.

Рис. 48

Эта схема  лучший усилитель мощности, так как она усиливает и по току и по напряжению.

; (37)

; (38)

. (39)

Кроме того, схему с ОИ можно использовать в качестве фазоинвертора: фазу входного сигнала схема с ОИ на выходе меняет на противоположную (рис. 49).

Рис. 49

Назначение элементов схемы усилителя:

- с помощью резистора в цепи стока R_c создается переменное напряжение на выходе;

- на резисторе в цепи истока R_u создается необходимое постоянное напряжение U_зu0, запирающее p-n– переход в области затвора;

- с помощью резистора R_з (10⁵…10⁶) Ом подается отрицательное напряжение U_зu0 на затвор;

- емкости С₁ и С₂ разделяют цепи постоянного и переменного тока на входе и выходе усилителя.

Усилитель на полевом транзисторе по схеме с общим стоком. На рис. 50 приведена схема на полевом транзисторе со стопроцентной обратной связью по току  истоковый повторитель.

Усиления по напряжению в схеме нет: напряжение на выходе меньше входного; коэффициент передачи напряжения в истоковом повторителе со входа на выход еще меньше, чем в эмиттерном повторителе (0,50,7):

. (40)

Не усиливая по напряжению, схема истокового повторителя хорошо усиливает по току, поэтому она может быть использована в качестве усилителя мощности.

Рис. 50

Главным достоинством схемы с ОС является ее высокое входное сопротивление, которое объясняется тем, что в схеме усилителя действует 100-процентная отрицательная обратная связь по переменной составляющей тока. Имея большое входное и малое выходное сопротивления, схема истокового повторителя широко применяется для согласования высокоомной нагрузки с низкоомной, например, во входных цепях измерительных вольтметров, осциллографов.

Сравнивая полевой (канальный) транзистор с биполярным, следует отметить, что:

- входное сопротивление полевого транзистора велико, так как входной ток прибора является обратным токомp-n– перехода и это является преимуществом полевого транзистора;

- выходное сопротивление полевого транзистора велико, что уменьшает величину коэффициента усиления по напряжению;

- низкий уровень шумов отличает полевой транзистор от биполярного, так как ток прибора обусловлен движением основных носителей заряда, мало зависящим от температуры.