КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 4. Электроника

303

Электрод, от которого начинается движение носителей заряда, на- зывают истоком, а электрод, на который подаётся управляющий электри- ческий сигнал, называется затвором. Электрод, к которому движутся но- сители заряда, называется стоком.

Проводящий канал - это область в полупроводнике, в которой регу- лируется поток носителей заряда. В связи с тем, что управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением (аналогично элек- тровакуумным приборам) и входные токи ПТ чрезвычайно малы, парамет- ры и характеристики полевых транзисторов существенно отличаются от характеристик биполярных транзисторов.

В идеальном случае эффект управления током достигается без поте- ри энергии (входной ток почти равен нулю).

Рисунок 2 –Устройство ПТ с управляющим р-п переходом

Полевые транзисторы обладают следующими преимуществами по сравнению с биполярными:

-высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;

-высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рас- сасывания неосновных носителей);

-почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая проходная ёмкость, что обеспечивает хорошие высокочастотные свойства ПТ;

-высокая температурная стабильность;

-малый уровень шумов.

В зависимости от того, как затвор изолируется от канала, различают два типа полевых транзисторов:

-ПТ с управляющим p-n переходом и барьером Шоттки;

-ПТ с изолированным затвором и структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП - транзистор). Иногда его называют МОП - транзи- стором (металл - окисел - полупроводник).

304

В свою очередь ПТ с изолированным затвором подразделяются на:

-с индуцированным каналом (обогащённого типа);

-co встроенным каналом (обеднённого типа).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это ПТ, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от кана- ла p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и p-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на элек- троды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего источника пита- ния в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора.

а б

Рисунок 3 - Устройство и работа ПТ с управляющим p-n переходом и каналом n-типа: а - Uзи = 0 и Uси > 0; б - Uзи < 0 и Uси > 0

При изменении напряжения Uзи изменяется ширина его р-п перехода. Тем самым изменяется сечение токопроводящего канала и его проводи- мость, то есть ток стока прибора, рисунок 3,б и 3,в. Например, для ПТ с ка- налом n-типа подача отрицательного напряжения на затвор приводит к сни- жению тока через прибор.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналоги- чен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду ваку- умного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзи- стор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В- третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисто- ров в схемах.

305

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во- первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление вы- ходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем.

Работа ПТ описывается двумя основными зависимостями:

- стоко-затворными (передаточными) характеристиками. Это зависи- мость тока стока от напряжения между затвором и истоком Ic = f (Uзи) при

Uси = const ;

- стоковыми (выходными) характеристиками. Это зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком Ic = f (Ucи) при Uзи = const ;

п-канал

С

З

И

р-канал

С

З

И

Рисунок 4 – Условные обозначения и характеристики ПТ с управляющим р-п переходом

МДП-транзисторы

МДП-транзистор – это униполярный транзистор, имеющий один или несколько металлических затворов, изолированных от полупроводниково- го канала слоем диэлектрика.

В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. Отсюда другое название этих транзисторов — МОП-транзисторы (структура ме- талл — окисел — полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает вы- сокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012—1014 Ом).

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте измене- ния проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Припо-

306

верхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов.

МДП-транзисторы выполняют двух типов — со встроенным и с ин- дуцированным каналом.

МДП-транзисторы представляют собой в общем случае четырех- электродный прибор. Четвертым электродом (подложкой), выполняющим вспомогательную функцию, является вывод от подложки исходной полу- проводниковой пластины. МДП-транзисторы могут быть с каналом n- или p-типа. Условные обозначения МДП-транзисторов показаны на рисунке 5.

а б в г д е Рисунок 5 - Условные обозначения МДП-транзисторов: а - со встроенным каналом n-типа; б - p-типа; в - p-типа c выводом от подложки;

г -с индуцированным каналом n-типа; д - p-типа; е - p-типа с выводом от

подложки

МДП-транзистор со встроенным каналом

Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным кана- лом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рисун- ке 6.

Рисунок 6 – МДП-транзистор со встроенным каналом n-типа

В исходной пластине кремния p-типа с помощью диффузионной тех- нологии созданы области истока, стока и канала n-типа. Слой окисла SiO2 толщиной менее 0,1 мкм выполняет функции защиты поверхности, близ- лежащей к истоку и стоку, а также изоляции затвора от канала. Вывод под- ложки (если он имеется) иногда присоединяют к истоку.

307

В случае приложения к затвору напряжения Uзи < 0 поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны — носители заряда в ка- нале. Это приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводи- мости канала. Ток через транзистор уменьшается. Такой режим работы транзистора, при котором происходит уменьшение концентрации зарядов в канале, называют режимом обеднения.

При подаче на затвор напряжения Uзи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из p-слоя полупроводниковой пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обо- гащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток Ic уве- личивается.

+Uзи

0

Рисунок 7 – Характеристики МДП со встроенным каналом

МДП-транзистор с индуцированным каналом

В МДП -транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом при отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и сто- ком практически отсутствует.

Транзисторы с индуцированным каналом работают в режиме обога- щения. При подаче на затвор транзистора с индуцированным каналом не- которого порогового напряжения Uзи.пор и более, совпадающего по знаку с напряжением Uси, на поверхности полупроводника индуцируется заряд противоположного знака, то есть тип проводимости приповерхностного слоя полупроводника инвертируется и происходит формирование прово- дящего канала, сопровождающегося ростом тока стока.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с инду- цированным каналом n-типа близки по виду аналогичным характеристи-

310

при обращении с ними, при пайке следует заземлять паяльник, транзистор и самого монтажника.

Как и в случае с биполярными транзисторами возможны три схемы включения ПТ: с общим истоком; с общим стоком и с общим затвором. По- следняя схема на практике не применяется, так как в ней не используется основное достоинство ПТ – высокоомность входной цепи транзистора.

4.4.2.1 Схема с общим истоком (ОИ)

Принципиальная схема однокаскадного усилителя на ПТ с общим истоком изображена на рисунке 11. В ней использован п-канальный ПТ с управляющим переходом. Для задания рабочей точки здесь использована отрицательная обратная связь по току через резистор Rи.

Rс

Uп

Рисунок 11 – Схема с общим истоком

Для расчета параметров каскада следует выбрать тип ПТ и задать ве- личину тока стока в рабочем режиме Ica. При этом должно соблюдаться условие: Ica < Icн.

Требуемое для задания рабочей точки напряжение на затвор ПТ удобно определять по выражению:

Из данного соотношения следует, что сопротивление в цепи истока будет равно

Значение потенциала стока Uca при отсутствии сигнала выбирается таким, чтобы напряжение Uзи не заходила в область нелинейной началь- ной части передаточной характеристики ПТ. Для этого потенциал стока должен удовлетворять соотношению

311

Выбор значения Rз в значительной мере может быть произвольным, при этом надо помнить, что оно определяет входное сопротивление схемы и на практике лежит в пределах 1… 10 Мом.

4.4.2.2 Схема с общим стоком (ОС)

Схема с общим стоком, которая часто называется истоковым повто- рителем, обладает значительно большим входным сопротивлением, чем предыдущая. В большинстве случаев это не имеет особого значения, по- скольку оно достаточно велико и для схем с общим истоком. Преимущест- вом схемы с ОС является то, что она существенно уменьшает входную ем- кость каскада. В отличие от эмиттерного повторителя выходное сопротив- ление данной схемы не зависит от выходного сопротивления источника сигнала. Вид ее показан на рисунке 12.

Рисунок 12 – Схема с общим стоком

Рабочая точка устанавливается в ней аналогично предыдущей схеме, путем выбора значения тока стока покоя Ica и расчета значения Rи.

Коэффициент усиления (точнее - коэффициент передачи) ее равен:

Обычно Кu не более 0.7.. .0.9.

312

Входное сопротивление такой схемы полностью определяется вели- чиной резистора Rз и лишь на высоких частотах входного сигнала следует учитывать наличие входной емкости ПТ, которая составляет несколько пи- кофарад.

Выходное сопротивление истокового повторителя равно:

S

Величина S должна быть определена для тока стока в режиме покоя каскада.

Поскольку крутизна ПТ значительно меньше крутизны биполярных транзисторов, в каскадах с ОС не удается достигнуть таких низких значе- ний выходного сопротивления как в эмиттерных повторителях. Поэтому, часто полевые транзисторы включают вместе с биполярным по схеме Дар- лингтона, см. рисунок 13. В ней результирующая крутизна Sрез составля- ет:

4.4.3 Свойства и области применения усилительных каскадов на полевых транзисторах

Кроме обычного усиления различных сигналов на ПТ строят ряд спе- цифических схем, где используются свойства присущие только данным элементам. Рассмотрим несколько примеров таких схем.

Повторитель на паре согласованных ПТ

В более качественных схемах истоковых повторителях применяют со- гласованные пары полевых транзисторов с нулевым смещением, рисунок

14,a.

На нем, VТ1 и VТ2 - это согласованная пара ПТ на отдельном крем- ниевом кристалле. Транзистор VТ2 отбирает ток, в точности равный току VТ1 при Uзи=0, поэтому на VТ1 получается повторитель с нулевым смеще- нием. Так как оба транзистора находятся в одинаковых температурных ус- ловиях, смещение остается почти нулевым при любой температуре. Не- большой величины резисторы R1 и R2 , улучшают характеристики схемы, линейность и позволяют установить ток стока отличный от начального. Та-