10. Полевые транзисторы. Изменение сечения канала проводимости от напряжения между затвором и истоком. Вах:
Полевой транзистор—полупроводниковыйприбор, в которомтокизменяется в результате действия «перпендикулярного» токуэлектрического поля, создаваемого напряжением на затворе.
Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).
По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.
В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа - электронной.
Изменение сечения канала проводимости от напряжения между затвором и истоком:
Управляющее напряжение прикладывается между затвором и ис-
током. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость кана-
ла, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно
рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Ес-
ли амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротив-
ление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае поле-
вой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом описывается тремя статическими характеристиками:
выходными (стоковые)характеристикамиIс=f(Uси) приUзи=const;
сток-затворнымихарактеристиками (характеристики передачи)Iс=f(Uзи) приUси=const;
входными (затворные)характеристикамиIз=f(Uзи) приUси=const;
При подаче на затвор обратного напряжения и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Это приводит к изменению наклона начальных участков стоковых характеристик, что соответствует большим начальным статическим сопротивлениям канала.
Геометрическое место точек, соответствующих условному перекрытию канала и наступлению режима насыщения.
В крутой области стоковых характеристик транзистор можно использовать как электрически управляемое сопротивление. Пологий участок характеристик является рабочим при применении транзистора в усилительных устройствах.
При увеличении обратного напряжения на p-n переходе уменьшается сечение канала, что приводит к уменьшению тока стока. При = через канал протекает обратный ток стока малой величины, и это может быть использовано для ориентировочного определения напряжения отсечки.
Характеристика передачи может быть получена экспериментально или с помощью перестройки стоковых характеристик.
Входная (затворная) характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n перехода. Изменение напряжения влияет на распределение поля в канале, что вызывает изменения тока затвора. Наибольшего своего значения, которое называется током утечки, ток затвора достигает при условии короткого замыкания выводов истока и стока, однако оно очень мало и им часто пренебрегают.
ВАХ:
Ток стока ПТ зависит как от значения, так и от полярности напряжений сток - исток и затвор - исток. При постоянном смещении на затворе увеличение напряжения на стоке от нуля вызывает резкое возрастание тока стока, которое продолжается до наступления насыщения тока стока. Затем ток устанавливается и остаётся относительно постоянным. Эта зависимость показана на рис. 3, а для типичного полевого прибора с p-n-переходом. Для сравнения на рис. 3, б приведены коллекторные характеристики биполярного транзистора.
Характеристики транзисторов обоих видов похожи друг на друга, за исключением того, что у биполярного транзистора перегиб характеристик происходит при значительно более низких напряжениях на коллекторе.
На выходной характеристике ПТ можно выделить две характерные области (рис. 4). При малых напряжениях сток - исток (область АВ) сопротивление канала имеет омический характер, и ток может протекать в обоих направлениях. В этом состоит отличие полевых транзисторов от электронных ламп, в которых поток электронов всегда имеет одно направление - от катода к аноду. Рабочая область АВ выходной характеристики ПТ используется в том случае, когда полевой транзистор применяется в схеме в качестве переменного сопротивления, управляемого напряжением (аттенюаторы, регуляторы АРУ).
Рис. 3. Выходные характеристики транзисторов, а - ПТ с p-n-переходом; б - биполярного транзистора.
В области насыщения тока (область ВС на рис. 4) часть канала обеднена носителями заряда из-за влияния электрического поля между затвором и каналом, благодаря чему сопротивление канала становится значительным. Дальнейшее увеличение напряжения между стоком и истоком в этой области вызывает относительно небольшое изменение тока стока, который практически будет зависеть только от напряжения на затворе [1].
Рис. 4. Выходная характеристика ПТ при Uз.и=0
Характерной особенностью полевых транзисторов является то, что напряжение, соответствующее точке B характеристики (точка перегиба характеристики на рис. 4, после которой идёт область насыщения), при напряжении на затворе, равном нулю, численно равно напряжению отсечки и называется напряжением насыщения.
Входные характеристики полевого транзистора существенно отличаются от характеристик биполярного транзистора. Входные характеристики последнего подобны характеристикам открытого полупроводникового диода, в то время как у полевого транзистора они подобны характеристикам запертого диода (смещённого в обратном направлении). Поэтому ток затвора очень мал. Он равен нескольким наноамперам (для ПТ с управляющим p-n-переходом) при температуре 25°С и экспоненциально зависит от температуры.
Рис. 5. Проходные характеристики ПТ при различной температуре.
Проходная характеристика, показывающая зависимость тока стока от напряжения на затворе, изображена на рис. 5. С достаточной для практических расчётов точностью проходная характеристика полевого транзистора определяется выражением (1), т. е. носит квадратичный характер. Эта особенность проходной характеристики используется в преобразователях частоты для уменьшения перекрёстной модуляции и помех от гармоник гетеродина.