Полевые (униполярные) транзисторы

Полевые (униполярные) транзисторы бывают двух разновидностей: с управляемым p–n – переходом и в виде структуры «металл-диэлектрик (оксид)-полупроводник» или МДП (МОП) – транзисторы. Подробное описание этих транзисторов имеется в рекомендуемой литературе. Здесь рассмотрим подробнее полевые транзисторы первой разновидности.

Полевые транзисторы с управляемым p–n – переходом представляют собой затвор, образуемый запертыми p–n – переходами, имеющий канал проводимости в объеме полупроводника. Рассмотрим принцип действия этого транзистора, упрощенная конструкция и условное графическое обозначение которого показаны на рис. 6. Полевые транзисторы могут иметь канал проводимости n– типа, когда носителями заряда являются электроны или p – типа, когда носителями заряда являются дырки. Принцип их работы одинаков, поэтому достаточно рассмотреть один из транзисторов, например, с каналом n– типа (рис. 6а). Данный транзистор изготовлен из кремния n– типа. По левой и правой плоскостям кристалла тип проводимости изменен на p ⁺. Эти области высокого легирования образуют с основным объемом кремния p–n – переходы, замыкаются между собой и образуют управляющий электрод, называемый затвором (З). Нижняя и верхняя плоскости кристалла металлизированы и образуют еще два электрода транзистора,

а) б)

Рис. 6. Упрощенная конструкция и условное графическое обозначение

полевого транзистора с управляемым p–n – переходом

(а – канал n– типа, б – канал p – типа)

которые называются, соответственно, исток (И) и сток (С). Исток (аналог эмиттера у биполярного транзистора) эмиттирует основные носители заряда, сток (аналог коллектора у биполярного транзистора) собирает их.

Если к затвору относительно истока приложить отрицательное напряжение (– U_ЗИ), то вблизи p ⁺–областей образуется зона, обедненная подвижными носителями заряда (электронами), т. е. высокоомная зона, в которой ток проводимости отсутствует. Толщина этого обедненного слоя зависит от величины напряжения U_ЗИ: при его увеличении (по модулю), толщина обедненного слоя увеличивается, канал проводимости сужается. Если приложить к стоку положительное напряжение относительно истока (U_СИ >0), то через этот канал свободные электроны будут двигаться к стоку, образуя ток стока (I_С). Чем больше по модулю напряжение U_ЗИ, тем толще обедненный слой, тем меньше сечение канала проводимости (его сопротивление при этом увеличивается), тем меньше ток через канал. Таким образом, увеличивая напряжение U_ЗИ в область его отрицательных значений, можно добиться смыкания обедненной зоны. При этом ток в канале будет равен нулю (произойдет отсечка тока при напряжении отсечки U_ЗИотс).

Наоборот, если напряжение U_ЗИ изменять в сторону нуля, то толщина обедненной области будет уменьшаться, сечение канала будет увеличиваться, ток через него (I_С) также будет увеличиваться. Этот эффект модуляции канала проводимости у данного транзистора (канал n –типа) позволяет использовать его в качестве усилителя. В данном случае, для n –канального транзистора эффект модуляции канала сохраняется для отрицательных значений напряжения U_ЗИ в пределах от U_ЗИотс до нуля. Если на затвор транзистора подать положительный потенциал относительно истока, изолирующие p–n – переходы откроются, транзистор становится неуправляемым и может выйти из строя (этот режим не рабочий).

На рис. 7а приведена зависимость тока стока I_С от напряжения затвор–исток U_ЗИ для области модуляции канала транзистора. Она обусловлена описанными выше процессами и называется сток – затворная характеристика (входная характеристика у полевых транзисторов отсутствует, т.к. входное сопротивление у них очень большое и входной ток пренебрежимо мал). Цифрами на графике указаны типовые значения напряжения U_ЗИ и тока I_С. В данном случае напряжение U_ЗИотс = –6 В, а предельное значение тока I_С. = 15 мА соответствует предельному значению напряжения U_ЗИ = 0. Сток – затворные характеристики снимаются при постоянном значении напряжения сток – исток U_СИ (в данном случае U_СИ = 10 В).

а) б)

Рис. 7. Сток – затворная (а) и выходные (б) характеристики n –канального

полевого транзистора с управляемым p–n – переходом

На рис. 7б приведено семейство типовых выходных характеристик полевого транзистора с управляемым p–n – переходом. Они отражают зависимость выходного тока (тока стока I_С) от выходного напряжения (напряжения сток - исток U_СИ). Каждая из этих характеристик снимается при постоянном напряжении U_ЗИ (см. рис. 7б). Штриховой линией на рис. 7б разделены рабочая (правее) и нерабочая (левее) области характеристик для активного режима работы транзистора. При попадании рабочей точки в нерабочую область транзистор входит в насыщение и является неуправляемым.

Наиболее широко полевые транзисторы используются в качестве усилителей. Также, как и в случае биполярных транзисторов, существует три схемы включения полевого транзистора: с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС). Наилучшие характеристики имеет схема с ОИ, поэтому ее рассмотрим более подробно.

Типовая схема усилительного каскада на полевом транзисторе по схеме с ОИ приведена на рис. 8. Расчет этого усилителя производится следующим образом. Для статического режима (при отсутствии сигнала на входе усилителя) на сток – затворной характеристике (рис. 7а) выбирается рабочая точка (например, точка А), в данном случае в области малых токов. Она может быть выбрана и в области больших токов, при этом усилитель будет менее экономичным, но имеет наибольший коэффициент усиления и наилучшие частотные свойства.

Рис. 8. Усилитель на полевом транзисторе с управляемым p–n – переходом

по схеме с общим истоком

Зная координаты рабочей точки А (U ^ه _ЗИ, I ^ه _С), определим сопротивление R_И по формуле:

R_И = U ^ه _ЗИ / I ^ه _С. (7)

Напряжение U_ЗИ должно быть отрицательным и формируется автосмещением, как разность между напряжениями на затворе U_З и истоке U_И

U_ЗИ = U_З – U_И. (8)

Если на затворе транзистора сформировать нулевой потенциал (напряжение), соединив его с общим проводом через сопротивление R_З (см. рис. 8), то на сопротивлении R_И автоматически сформируется положительное напряжение U_И за счет протекания через него тока через открытый канал транзистора. Таким образом, согласно (8), будем иметь U_ЗИ = – U_И.

Сопротивление R_З определяет входное сопротивление усилителя, поэтому выбирается как можно большим, но в соответствии с неравенством R_З << r_вх, где r_вх – входное сопротивление транзистора (сопротивление запертого p–n – перехода). Оно достигает значений сотен мегаом, поэтому значения R_З обычно выбирают до единиц мегаом.

Если рабочую точку А спроецировать на семейство выходных характеристик (рис. 7б) до пересечения с соответствующей характеристикой, снятой при U_ЗИ = U ^ه _ЗИ, то можно определить напряжение U ^ه _СИ (для статического режима). Оно является второй координатой для рабочей точки А на выходных характеристиках и позволяет определить значение сопротивления R_С по формуле:

R_С = (U_П – U ^ه _СИ – U_И) / I ^ه _С, (9)

где U_П – напряжение питания усилителя. В приведенной схеме усилителя конденсатор С₃ служит для нейтрализации отрицательной обратной связи по переменной составляющей сигнала. Конденсаторы С₁ и С₂ служат для развязки предыдущего и последующего каскадов по постоянному току, соответственно.

На выходных характеристиках можно построить нагрузочную прямую. В соответствии с графическим (графо - аналитическим) методом анализа нелинейных цепей, она должна проходить через точки с координатами (U_СИ = U_П, I_С=0) и (U_СИ = 0, I_С= U_П / R_С). Ее наклон определяется значением сопротивления R_С. Рабочая точка А также находится на нагрузочной прямой. В динамическом режиме рабочая точка перемещается вдоль нагрузочной прямой, что позволяет, в частности, определить диапазон изменения усиленного выходного сигнала, спроецировав крайние положения рабочей точки на ось U_СИ.

Одной из основных характеристик полевого транзистора является крутизна сток - затворной характеристики S, которая определяется в окрестности данной точки (например, рабочей точки А), по формуле:

S = ΔI_С / Δ U_ЗИ, при U_СИ = const. (10)

Поскольку сток - затворная характеристика нелинейная, ее крутизна в разных точках разная. Среднее значение крутизны для данного транзистора приводится в его паспортных данных.

Зная значение крутизны в окрестности рабочей точки усилителя, можно легко определить его коэффициент усиления по напряжению, согласно формуле:

K_U = S · R_С. (11)

Полевые транзисторы находят широкое применение в составе малошумящих усилителей с высоким входным сопротивлением, в качестве аналоговых ключей, дифференциальных предусилителей в составе операционных усилителей и т.д.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: