5. Полевые транзисторы

Полевым транзистором называется электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Каналом называется центральная область транзистора. Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называется истоком, а электрод, через который основные носители уходят из канала – стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называется затвором.

Так как в полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака, ранее их называли униполярными, что подчеркивало движение носителей заряда одного знака.

Полевые транзисторы изготавливают из кремния и, в зависимости от электропроводности исходного материала, подразделяют на транзисторы с p- каналом и транзисторы с n-каналом.

Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление.

Идея устройства полевого транзистора с управляющим p-n-переходом принадлежит У. Шокли (1952 г.), а транзистора с изолированным затвором – М. Атолле и Д. Кангу (1960 г.).

Классификация и условные графические обозначения полевых транзисторов приведены на рис. 6.27.

Рис. 6.27. Классификация и условные графические обозначения

полевых транзисторов

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом – это транзистор, у которого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n-переходом.

В транзисторе с n-каналом (рис. 6.28) основными носителями заряда в канале 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 р-областью затвора. В полевом транзисторе с n-каналом полярности приложенных напряжений должны быть следующие: U_си110, U_зи  0.

В транзисторе с p-каналом основными носителями зарядов являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: U_си  0, U_зи  0.

Работа полевого транзистора с n-каналом, а соответственно и изменение поперечного сечения канала происходит при подаче определенных напряжений на электроды транзистора.

а

б

Рис. 6.28. Структурная схема (а) и схема включения (б) полевого

транзистора с управляющим p-n-переходом (с n-каналом)

Рассмотрим работу транзистора на примере трех рисунков.

При подаче запирающего (обратного) напряжения U_зи на p-n-переход, между затвором и каналом на границах канала возникает равномерный слой (рис. 6.29), обедненный носителями зарядов и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала.

Рис. 6.29. Формирование равномерного обедненного слоя в транзисторе с управляющим p-n-переходом при подаче запирающего напряжения U_зи

Напряжение, приложенное между стоком и истоком, приводит к появлению неравномерного обедненного слоя (рис. 6.30), так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Рис. 6.30. Формирование неравномерного обедненного слоя

в транзисторе с управляющим p-n-переходом при подаче напряжения U_СИ

Если одновременно подать напряжения U_си > 0 и U_зи  0 (рис. 6.31), то толщина обедненного слоя, а следовательно и минимальное сечение канала будут определяться действием этих двух напряжений. Когда суммарное напряжение достигнет значения напряжения запирания: U_зап = U_си + |U_зи |, обедненные области смыкаются и сопротивление канала резко возрастает.

Рис. 6.31. Формирование неравномерного обедненного слоя

в транзисторе с управляющим p-n-переходом

при подаче напряжений U_си > 0 и U_зи  0

Включение полевых транзисторов (как и биполярных) может быть произведено по трем схемам: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Чаще применяется схема с общим истоком (рис. 6.32).

В схеме с ОИ цепь сток-исток (с n-типом электропроводности) является выходной цепью усилительного каскада. Эта цепь питается от источника U_си и в нее и включается сопротивление нагрузки. Входная (управляющая) цепь образована с помощью третьего электрода (затвора) с другим типом электропроводности (p-типа). Источник напряжения затвор-исток U_зи создает на p-n-переходе обратное напряжение, которое изменяет ширину запирающего слоя (эффект модуляции ширины базы). Во входную цепь включается источник сигналов (ИС).

Рис. 6.32. Схема включения полевого транзистора с общим истоком

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора

с управляющим p-n-переходом

Схема включения транзистора с управляющим p-n-переходом имеет следующие характеристики (рис. 6.33):

– выходную (стоковую) I_c = f(U_си) при U_зи = const;

– передаточную (стоко-затворную) I_c = f(U_зи).

На выходной (стоковой) характеристике можно выделить три области:

– область I – область сильной зависимости тока стока I_c от напряжения U_си;

– область II – область слабой зависимости тока стока I_c от напряжения U_си;

– область III– область пробоя p-n-перехода.

При напряжении U_зи = 0 в области малых значений влияния напряжения U_си на проводимость канала не велико. На участке (0-а) практически линейная зависимость (рис. 6.33, а). С увеличением напряжения U_си (участок (а-б)) сужение токопроводящего канала оказывает существенное влияние на ток стока I_с. Точка (б) – точка смыкания p-n-переходов. Дальнейшее повышение напряжения U_си (в области II) не должно приводить к изменению тока стока I_с. Некоторое увеличение тока стока связано с наличием утечек и влиянием сильного поля в p-n-переходе. Область III – область лавинного пробоя p-n-перехода по цепи «сток-затвор». Напряжение пробоя соответствует напряжению U_си в точке (в).

а б

Рис. 6.33. Вольт-амперные характеристики транзисторов с управляющим

p-n-переходом: а – выходная (стоковая); б – передаточная (стоко-затворная)

Приложение к затвору обратного напряжения вызывает сужение канала, поэтому точки б₁, б₂, … б₄ расположены ниже.

Важным параметром является значение напряжения U_{зи 0} (напряжение запирания или отсечки), при котором ток стока стремится к нулю.

Передаточная (стоко-затворная) характеристика I_c = f(U_зи) приведена на рис 6.33, б. При U_зи = 0 ток стока имеет максимальное значение.

Основные параметры полевого транзистора

с управляющим p-n-переходом

Основными параметрами полевого транзистора с управляющим p-n-переходом являются:

1. максимальное значение тока стока I_{с макс} (точка в на выходной характеристике при U_зи = 0);

2) максимальное значение напряжения сток-исток U_{си макс} (в 1,2-1,5 раз меньше напряжения участка сток-затвор (точка в’ ) при U_зи=0);

3) напряжение отсечки (запирания) U_{зи 0} = U_зап, при котором ток стока I_{с макс} стремится к нулю;

4) внутреннее сопротивление (характеризует наклон выходных характеристик на участке II):

(6.23)

5) крутизна стоко-затворной характеристики (отражает влияние напряжения U_зи на выходной ток стока I_с ):

(6.24)

6) входное сопротивление (определяется сопротивлением p-n-переходов, смещенных в обратном направлении; даже при больших приращениях U_зи приращение тока затвора приблизительно равно нулю, а значит входное сопротивление очень большое):

(6.25)

7) выходное сопротивление

(6.26)

В режиме насыщения значительное приращение напряжения dU_си вызывает незначительное приращение тока dI_с, поэтому выходное сопротивление R_вых большое и составляет десятки кОм;

8) коэффициент усиления

(6.27)

Показывает во сколько раз изменение напряжения dU_зи сильнее влияет на изменение тока dI_с, чем напряжение U_си. Обычно  = 10-100.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

В транзисторах с изолированным затвором затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник). МДП-транзисторы выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют оксид (окисел) кремния SiO₂, отсюда и другое название – МОП-транзисторы (металл-оксид-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление (10¹²-10¹⁴ Ом).

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токоведущим каналом.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Структура и схема включения МДП-транзистора со встроенным каналом приведены на рис. 6.34.

В исходной пластине чистого или слаболегированного кремния (p-типа), называемого подложкой, созданы области стока, канала и истока n-типа. Четвертый электрод – подложку в большинстве схем соединяют с истоком (рис. 6.34). Подачей управляющего напряжения U_зи на затвор транзистора, за счет создаваемого электрического поля в его структуре, осуществляется управление величины тока стока I_с.

Рассмотрим характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом. ВАХ полевых транзисторов с изолированным затвором в основном аналогичны характеристикам транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Стоковые (выходные) характеристики транзистора I_c = f(U_си) при U_зи = const приведены на рис. 6.35.

Изолированный затвор позволяет работать в области положительных значение напряжений затвор-исток U_зи. На рис. 6.35 показаны три семейства выходных характеристик в зависимости от значений напряжения U_зи.

Рис. 6.34. Схема включения МДП-транзистора со встроенным каналом

Первое семейство (U_зи = 0). Ток стока I_с определяется исходной проводимостью канала. При малых значениях влияние напряжения U_си на проводимость канала мало, так как по мере приближения к стоку, потенциал возрастает и увеличивается запорный слой (модуляция). При увеличении значений напряжения U_си канал сужается, ток уменьшается. В точке б канал сужается до минимума.

Второе семейство (U_зи < 0). При U_зи < 0 электрическое поле выталкивает электроны, что приводит к уменьшению концентрации их в канале, снижая его проводимость. Этот режим называется режимом «обеднения» канала.

Рис. 6.35. Стоковые (выходные) характеристики МДП-транзистора

со встроенным каналом

Третье семейство (U_зи > 0). При U_зи > 0 электрическое поле притягивает электроны из p-области, увеличивается концентрация их и повышается проводимость канала. Этот режим называется режимом «обогащения» канала носителями.

Стоко-затворная (передаточная) характеристика I_c = f(U_зи) при U_си = const приведена на рис. 6.36.

Рис. 6.36. Стоко-затворная (передаточная) характеристика МДП-транзистора

со встроенным каналом

Меняя полярность и значение напряжения затвор-исток U_зи, можно изменить проводимость канала и, следовательно, ток стока I_с при неизменном значении напряжения сток-исток U_си. В отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом, при этом изменяется не площадь сечения канала, а концентрация основных носителей заряда.

МДП-транзистор с индуцированным каналом

Схема включения МДП-транзистора с индуцированным каналом приведена на рис. 6.37.

Рис. 6.37. Структурная схема МДП-транзистора с индуцированным каналом

Канал проводимости тока в этом типе транзистора не создается, а индуцируется благодаря притоку электронов из p-области при приложении к затвору напряжения положительной полярности. Транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

ВАХ транзистора с индуцированным каналом приведены на рис. 6.38.

а б

Рис 6.38. Вольт-амперные характеристики транзистора с индуцированным

каналом: а – стоковая I_c = f(U_си) при U_зи = const (выходная);

б – стоко-затворная I_c = f(U_зи) при U_си = const (передаточная)

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Достоинствами полевых транзисторов являются:

1) высокое входное сопротивление, что соответствует повышенному коэффициенту усиления по мощности управления;

2) обусловленность рабочего тока только основными носителями заряда и, как следствие, высокое быстродействие. Время переключения современных МОП-транзисторов составляет единицы наносекунд (10^-9с). Такая скорость переключения обусловлена тем, что в них практически исключены токи накопленных зарядов неосновных носителей;

3) почти полное разделение выходного сигнала от входного;

4) малый уровень шумов;

5) возможность работы на высокой частоте (до 100 кГц).

К недостаткам полевых транзисторов можно отнести:

1) низкие значения коммутируемого тока (десятки ампер) и напряжения (до 500-600 В);

2) высокие значения прямых потерь вследствие большого сопротивления во включенном состоянии (0,2-0,5 Ом).

Полевые транзисторы имеют такую же маркировку как и биполярные, но с заменой второй буквы на букву П. Например, КП-302 А, КП-904 Б.