3.3. Полевые транзисторы

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый элемент электрической цепи, проводимость которого меняется с помощью электрического поля, отсюда и произошло его название. При этом ток управления практически отсутствует (требуется только напряжение, которое создает электрическое поле), а, следовательно, значительно снижается мощность входного сигнала и увеличивается входное сопротивление транзистора. В этом его главное достоинство. Иногда полевой транзистор называют униполярным транзистором, подчеркивая этим, что в отличие от биполярных транзисторов его работа основана на использовании одного типа носителей электронов или дырок. В зависимости от конструктивных особенностей, полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с управляемым p-n-переходом и транзисторы со структурой металл-диэлект-рик-полупроводник (МДП-типа).

3.3.1. Полевой транзистор с управляемым p-n-переходом

На рис. 3.5 представлена одна из возможных конструкций такого транзистора. В этой конструкции полупроводниковым элементом, изменяющим свою проводимость, является канал, имеющий сечение значительно меньшее, чем область стока и истока.

Канал размещается между двумя слоями противоположной проводимости, которые электрически соединены между собой. Выходной электрод этих двух слоев носит название «затвор». Пунктиром показан обедненный слой p-n-перехода, который практически весь расположен в области канала. При такой конструкции ток стока (I_c) будет зависеть от напряжения U_с-и и сечения канала как участка цепи с меньшим сечением, и, следовательно, с большим сопротивлением. Сечение канала можно изменять, изменяя обратное напряжение (электрическое поле) p-n-перехода затвор-исток, так как при этом увеличивается ширина обедненного слоя. Следовательно, в такой конструкции можно менять выходной ток I_с, изменяя входное напряжение U_з-и. Для усиления входного сигнала по напряжению в цепь стока необходимо включить добавочное сопротивление такой величины, чтобы падение напряжения на нем было больше, чем U_вх (I_cR_доб > U_вх).

3.3.1.1. Статические вольтамперные характеристики транзистора

Практическое применение имеют два вида статических ВАХ. Это выходные характеристики (рис. 3.6) и проходные или сток-затворные (рис. 3.7).

Выходные характеристики полевого транзистора внешне похожи на выходные характеристики биполярных транзисторов в схеме с ОЭ. Начальный участок этой характеристики близок к линейной зависимости, однако, с увеличением U_с-и наступает насыщение, которое связано с тем, что сечение канала меняется не только от напряжения на затворе, но и от напряжения U_с-и. Пояснить это можно следующим образом. Рассмотрим характеристику U_з-и = 0, в этом случае затвор и исток соединены вместе (закорочены) и все напряжение сток-исток приложено к переходу затвор-канал. Протекающий ток I_с создает падение напряжения на канале, которое линейно изменяется по длине канала, имея максимальный потенциал в области канала, примыкающего к стоку (рис. 3.8). Поэтому канал при увеличении U_с-и будет сужаться неравномерно по длине, сильнее вблизи стоковой области, как это показано на рис. 3.8. Рост тока I_с приводит к увеличению падения напряжения на канале, и, следовательно, к сужению «горловины» вблизи стоковой области и при напряжении U_с-и близким к напряжению насыщения U_{с-и нас} это сужение канала будет ощутимо снижать ток I_с, и, следовательно, уменьшать падение напряжения, что в свою очередь вызывает увеличение тока. В результате устанавливается динамическое равновесие, выраженное в том, что ток стока практически перестает изменяться. Если напряжение на затворе не равно нулю, то падение напряжения на канале суммируется с напряжением на затворе и процесс насыщения наступает при меньших значениях U_с-и. Кривая изменения U_{с-и нас} при разных значениях U_с-и показана на рис. 3.6 пунктирной линией. Напряжение насыщения может быть найдено следующим образом:

U_{с-и нас} = U_з-и – U_{з-и отс},

где U_з-и – напряжение на затворе; U_{з-и отс} – напряжение на затворе в режиме отсечки.

Режим отсечки соответствует такому напряжению на затворах, при котором канал полностью перекрывается обедненной областью, и ток стока определяется только неосновными носителями. Этот ток очень мал (10^–8–10^–9 А) и часто принимается равным нулю (рис. 3.7). Семейство проходных характеристик обычно задается при U_с-и > U_{с-и нас} и так как при таких напряжениях ток стока практически не изменяется, то проходные характеристики мало отличаются друг от друга и задаются одной характеристикой (рис. 3.7).

При расчетах электронных схем часто удобно пользоваться малосигнальными параметрами полевого транзистора. Одним из основных параметров является крутизна характеристики : чем больше этот параметр, тем больше коэффициент усиления усилителя на полевом транзисторе по напряжению. Величина этого параметра зависит от размеров канала, а именно от отношения ширины к длине. Измеряется крутизна в [мА/В]. Вторым параметром является дифференциальное сопротивление стока , которое измеряется в [Ом] и в справочных данных дается для участка насыщения. Третьим параметром является статический коэффициент усиления по напряжению – это величина безразмерная, значительно больше единицы. Все эти параметры связаны внутренним уравнением транзистора , поэтому, зная два параметра, можно определить третий или если мы их находим графическим путем по ВАХ, то можно проверить правильность их нахождения. При анализе и расчете электронных схем на полевых транзисторах приходится пользоваться малосигнальной эквивалентной схемой замещения транзистора, представленной на рис. 3.9. В этой схеме генератор тока отражает усилительные свойства транзистора, а сопротивления , , – дифференциальные сопротивления цепей затвор-сток, затвор-исток, сток-исток. , , – паразитные емкости соответствующий областей.

Так же, как и для биполярных транзисторов, полевой транзистор может иметь три схемы включения: общий исток, общий сток и общий затвор. В усилительной технике третий вариант включения не нашел применения, поэтому используются только схемы с общим стоком (чаще всего) и схемы с общим истоком или истоковый повторитель, которые подробно будут рассмотрены в разделе «Усилители».