1.5. . Полевые транзисторы

Биполярные транзисторы управляются током, вследствие чего они имеют малое входное сопротивление, что в ряде случаев является недостатком. Поэтому были разработаны специальные транзисторы с большим входным сопротивлением – полевые транзисторы. Термин «полевой» подчеркивает, что управление выходным током в этом полупроводниковом приборе осуществляется электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах.

Для того, чтобы управлять током в полупроводнике с помощью электрического поля, нужно менять либо площадь проводящего полупроводникового слоя, либо его удельную проводимость. В полевых транзисторах используют оба способа, а соответственно различают две разновидности полевых транзисторов: транзистор с управляющим p-n переходоми МДП (структура металл – диэлектрик - полупроводник) -транзистор с изолированным затвором.

В отличие от биполярного транзистора действие полевого транзистора обусловлено носителями одной полярности – либо электронами в канале n– типа, либо только дырками в каналеp-типа. Поэтому их еще называют униполярными (носители заряда одного знака).

Рис. 175

Основным элементом полевого транзистора с управляющим p-n переходом является пластина полупроводника n – типа, на которую с двух сторон нанесены слои полупроводника p-типа. На торцы полупроводниковой пластинки n –типа и на две области p-типа нанесены металлические пленки, к которым припаяны омические контакты, а два слоя p-типа соединены между собой. Между полупроводниками с разными типами электропроводности образуются два электронных перехода. Тонкий слой полупроводника n –типа, расположенный между двумя p-n переходами (т.е центральная область транзистора, в которой регулируется поток носителей заряда), называют проводящим каналом. Электрод, образованный двумя слоями p-типа, на который подается напряжение, создающее электрическое поле для управления протекающим через канал током, называют затвором (З). Один из электродов, подключенный к полупроводнику n-типа, через который в проводящий канал втекают носители заряда (электроны), называют истоком (И), а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, - стоком (С).

1.6.1. Полевой транзистор с управляющим переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом это полевой транзистор, у которого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n переходом. В зависимости от электропроводности исходного материала эти транзисторы подразделяют на транзисторы с p-каналом и n-каналом.

Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n-каналом и управляющим p-n переходом показаны соответственно на рис.176, а и рис.176, б.

а б

Рис.176

На рис.176, а обозначено: 1, 2 – области канала и затвора соответственно, 3,4,5 выводы истока, стока и затвора соответственно.

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_с. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p-n переход, образованный n-областью канала и p-областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с n – каналом полярности приложенных напряжений следующие: U_зи ≤ 0 и U_си>0. В транзисторе с p-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: U_зи ≥0 и U_си<0.

В основе работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом лежит изменение площади поперечного сечения проводящего канала. Когда напряжения на p-n переходах равны нулю, площадь поперечного сечения проводящего канала максимальна, а электрическое сопротивление между истоком и стоком минимально. Если подвести к затвору внешнее напряжение U_зи такой полярности, чтобы оба p-n перехода были смещены в обратном направлении, то в проводящем канале появится обедненный слой (слой изолятора), который уменьшает площадь поперечного сечения проводящего канала (рис.177, а).

а б в

Рис.177

Это приводит к возрастанию электрического сопротивления канала, а значит, и к возрастанию сопротивления между истоком и стоком транзистора. Изменяя напряжения U_зи , можно регулировать электрическое сопротивление проводящего канала.

Напряжение, приложенное между стоком и истоком рис.177,б, приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Если между истоком и стоком подвести внешнее напряжение U_си («минусом» к стоку), то под влиянием разности потенциалов в полупроводниковой пластинке n – типа начнется дрейф электронов от истока к стоку, который создаст ток стока I_с .Этим током можно управлять, изменяя напряжения как U_зи, так и U_си. При этом включение напряжения U_си меняет конфигурацию проводящего канала. Это связано с тем, что при наличии напряжения U_си потенциалы перехода у стокового и истокового концов оказываются разными. Напряжение на p-n переходе у истокового конца равно |U_зи|, а у стокового конца |U_зи|+U_си, поэтому обедненная область у стокового конца будет шире, чем у истокового, т.е наименьшее сечение канала расположено вблизи стока (рис.177, в).

При некотором отрицательном напряжении U_зи обедненные слои обоих p-n переходов могут сомкнуться, площадь поперечного сечения проводящего канала станет равной нулю, сопротивление канала окажется равным бесконечности, а ток I_с равным нулю – закрывается. Напряжение между затвором и истоком, при котором транзистор закрывается, называют напряжением отсечки U_{зи отс}.

Если в цепь затвор – исток последовательно с источником постоянного напряжения Е_З включить источник усиливаемого сигнала, а в главную цепь между стоком и истоком последовательно с источником питания Е_с – нагрузку R_Н (рис. 178 ), то будет происходить процесс усиления сигнала. Слабый сигнал

Рис. 178

вызывает изменения поперечного электрического поля; оно пульсирует с частотой сигнала, что в свою очередь приводит к периодическим расширениям и сужениям канала. Это вызывает пульсации тока I_с и напряжения на нагрузке R_Н. Переменная составляющая этого напряжения представляет собой усиленный сигнал на выходе, значительно больший по мощности, чем сигнал в цепи управления на входе.

Таким образом, принцип действия полевого транзистора с p-n переходом основан на изменении проводимости канала за счет изменения ширины области p-n перехода под действием поперечного электрического поля, которое создается напряжением затвор - исток. Отсюда следует, что, в отличие от биполярного транзистора, полевой транзистор управляется не током, а напряжением U_зи.

Основные характеристики полевых транзисторов – выходные (стоковые) и передаточные (стоко-затворные).

Стоковая характеристика отражает зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор – исток (рис. 179, а)

I_с = f (U_си) U_зи = const.

Рис. 179

Характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины U_зи, составляют семейство статических стоковых характеристик. На рис.179, а приведено семейство характеристик для полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа.

Начальный участок (при U_зи = 0) выходит из начала координат (при U_си = 0 ток I_с тоже равен нулю) и соответствует малым значениям напряжения U_си, изменение которого почти не влияет на проводимость канала; канал полностью открыт. Поэтому ток U_си. на этом участке растет прямо пропорционально напряжению U_си; характеристика идет круто вверх. По мере дальнейшего увеличения U_си начинает сказываться его влияние на проводимость канала. Причиной этог служит возрастание потенциала точек канала в направлении к стоку канала и, соответственно, рост обратного напряжения на p-n переходе, которое при U_зи = 0, у стокового конца равно величине U_си. По мере увеличения U_си происходит сужение канала, уменьшается его проводимость и замедляется рост тока U_си. Это соответствует криволинейной переходной области характеристики.

Дальнейшее увеличение U_си практически не вызывает роста тока, так как непосредственное влияние U_си на величину тока компенсируется повышением сопротивления канала из-за его сужения. Максимальное сужение канала называют перекрытием канала. Этот режим называют режимом насыщения.

Характеристики, снимаемые при значениях U_зи ≠ 0 располагаются ниже рассматриваемой характеристики при U_зи = 0, причем тем ниже, чем больше по абсолютной величине напряжение затвор-исток.