Полевой транзистор

Принцип действия полевого транзистора (ПТ) основан на использовании носителей заряда одного наименования (электронов или дырок), движение которых осуществляется через канал с изменяющейся посредством поперечного электрического поля проводимостью. Различают полевые транзисторы с управляемым p-n переходом и с изолированным затвором. Структура полевого транзистора с управляемым p-n переходом и каналом n-типа, а также условное графическое обозначение приведены на рис. 2.11.

В приведенной конструкции канал протекания тока представляет собой слой полупроводника n-типа, заключенный между двумя p-n переходами. Электрод, от которого двигаются носители зарядов (в данном случае электроны), называется истоком (Source), а электрод, к которому они движутся – стоком (Drain). Оба р-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором (Gate). Перенос носителей заряда между истоком и стоком осуществляется под действием продольного электрического поля при U_СИ > 0. При этом через канал протекает ток стока I_C. Управляющие свойства полевого транзистора объясняется тем, что при подаче на затвор напряжения U_ЗИ < 0 под действием возникающего поперечного электрического поля увеличивается ширина p-n переходов (в основном за счет более высокоомного n-слоя). Это приводит к уменьшению сечения канала проводимости и уменьшению выходного тока I_C. При U_СИ = 0 сечение канала приблизительно одинаково по всей его длине. С ростом напряжения U_СИ увеличивается падение напряжения в канале при протекании тока и уменьшение его сечений в направлении от истока к стоку (p-n переходы расширяются в направлении стока). Поскольку управление выходным током ПТ производится, как правило, напряжением входной цепи U _ЗИ, для них представляет интерес переходная или стоко-затворная характеристика при U_СИ = const (рис. 2.12, а).

Стоковые (выходные) характеристики ПТ с p-n переходом отражают зависимость тока стока от напряжения сток-исток при фиксированном напряжении затвор- исток при U_ЗИ = const. Входные характеристики – зависимость тока затвора от напряжения затвор-исток в полевых транзисторах не имеют практического применения. Это связано с тем, что при управлении током стока на затвор подается относительно истока отрицательное напряжение (см. рис. 2.11,а). При этом оба p-n

перехода находятся в закрытом состоянии, и через них и цепь затвор-исток протекает обратный ток p-n перехода, составляющий доли микроампер. Это определяет высокое входное сопротивление полевого транзистора , что выгодно отличает его от биполярного транзистора. Можно считать, что полевой транзистор практически не потребляет мощность по цепи управления.

В полевых транзисторах с изолированным затвором затвор отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика. Если в качестве диэлектрика используется окисел кремния SiO ₂ , то такой транзистор называют МОП – транзистором (структура металл – окисел – полупроводник). Если изоляция между металлическим затвором и полупроводником осуществляется с помощью тонкой диэлектрической пленки, то такой прибор называют МДП-транзистором (металл – диэлектрик – полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (10¹² – 10¹⁴ Ом). Различают МОП и МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналом проводимости (рис. 2.13, а и 2.13, б соответственно). ПТ данных типов имеют четвертый электрод, выводимый наружу, который носит название подложки (П).

ПТ со встроенным каналом работают в двух режимах: обеднения и обогащения. В режиме обеднения для ПТ со встроенным каналом n-типа на затвор необходимо подать напряжение U_ЗИ < 0. В этом случае поле затвора будет оказывать отталкивающее действие на электроны (носители заряда в канале), что приведет к уменьшению их концентрации в канале и снижению его проводимости, а, следовательно, и уменьшению тока стока. В режиме обогащения на затвор необходимо подать напряжение U_ЗИ > 0. В этом случае поле затвора притягивает электроны в канал из глубины р-слоя. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает и ток стока увеличивается.

В полевых транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2.13, б – канал n-типа) канал проводимости специально не создается. Он образуется (индуцируется) вследствие притока электронов из р-слоя при приложении к затвору напряжения положительной полярности. В приповерхностной области при этом происходит изменение электропроводности полупроводника, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, который соединяет области истока и стока. Проводимость канала тем больше, чем больше приложенное к затвору положительное напряжение.

Примерный вид стоко–затворной характеристики и стоковых (выходных) характеристик ПТ с индуцированным каналом n-типа в схеме с общим истоком приведены на рис. 2.14.

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

- внутреннее сопротивление при ; оно характеризует наклон выходной характеристики на участке насыщения;

- крутизна стоко–затворной характеристики при ; отражает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора. Крутизну S находят по стоко–затворной характеристике транзистора.

При включении в цепь стока резистора R _C транзистор переходит в динамический режим работы (рис. 2.15).

Для транзистора, с включенным в цепь стока сопротивлением нагрузки R_С, справедливо соотношение:

, (2.5)

где -напряжение источника питания. Таким образом, напряжение на выходе транзистора является функцией тока стока. Приведенному выше уравнению в системе координат выходных характеристик соответствует прямая линия NМ (рис. 2.15, б), называемая нагрузочной прямой на постоянном токе. Она может быть построена по двум точкам, если в уравнении (2.5) последовательно положить = 0 и = 0 и найти координаты точек N и M. Смысл нагрузочной прямой заключается в следующем. Каждому значению тока стока соответствует конкретное значение напряжения и конкретное падение напряжения на нагрузке . Точка на нагрузочной прямой, соответствующая данному току, называется рабочей точкой.

При линейном усилении (усилении без искажения формы сигнала) рабочая точка под действием управляющего напряжения затвора будет перемещаться по нагрузочной прямой в пределах зоны статических характеристик, обеспечивая тем самым изменение выходного напряжения .