Oslash; Полевые транзисторы

Идею полевых транзисторов, именуемых также канальными или униполярными (для отличия от обычных транзисторов, названных биполярными), предложил еще в 1952 г. один из изобретателей транзисторов Шокли. Главным достоинством полевых транзисторов является высокое входное сопротивление, соизмеримое с таковым у электродных ламп.

Принцип устройства и включения полевого транзистора с p–n-пе­ре­ходом, а так же его условное изображение показаны на рис. 21. Пластинка из полупроводника, например, n-типа, имеет на противоположных концах электроды, с помощью которых она включена в выходную (управ­ляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника E₂ и в нее включена нагрузка R_H . Вдоль транзистора проходит ток основных носителей. В нашем примере это электронный ток. Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода, представляющего собой область с другим типом электропроводности. В данном случае это p-область.

Источник питания входной цепи E₁ создает на единственном p–n-пе­реходе данного транзистора обратное напряжение. Во входную цепь включен источник усиливаемых колебаний Г.

Физические процессы в полевом транзисторе происходят следующим образом. При изменении входного напряжения, являющегося обратным напряжением, изменяется толщина запирающего (объединенного) слоя p–n-перехода, показанного на рис. 21 штриховкой. Соответственно меняется поперечное сечение области, через которую проходит ток основных носителей заряда, т. е. выходной ток. Эта область называется каналом.

Электрод, от которого в канал втекают основные носители заряда, называют истоком И. Из канала носители переходят к электроду, который называется стоком С. Исток и сток аналогичны соответственно катоду и аноду электронной лампы. Иногда их так и называют. Управляющий электрод, предназначенный для регулирования поперечного сечения канала, называемого, затвором З и в какой-то степени аналогичен базе биполярного транзистора, хотя по физическим принципам своей работы затвор и база различны.

Если увеличивать по абсолютной величине входное напряжение, т. е. напряжение затвора U₃, то запирающий слой p–n-перехода становится толще, и поперечное сечение канала уменьшается. Следовательно, его сопротивление постоянному току R₀ возрастает и ток стока I_c становится меньше. При некотором запирающем напряжении U_3.зап площадь поперечного сечения станет равной нулю и ток I_С будет весьма малым. Транзистор будет заперт. А при U₃ = 0 сечение канала наибольшее, R₀ имеет наименьшее значение (порядка сотен Ом), и ток I_С будет наибольшим. Для того чтобы входное напряжение наиболее эффективно управляло выходным током, основной полупроводник, в котором создан канал, применяется сравнительно высокоомный, т. е. концентрация примесей в нем относительно невелика. Тогда запирающий слой в нем получается большей толщины. Кроме того, начальная толщина самого канала (при U₃ = 0) должна быть достаточно малой. Обычно она не превышает нескольких микрон. Запирающее напряжение U_3.зап при этих условиях имеет величину порядка единиц или десятков вольт.

Поскольку вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку, то на участках, ближе к стоку, обратное напряжение p–n-перехода увеличивается, и толщина запирающего слоя получается больше.

Управляющее действие затвора наглядно показывают управляющие (стокозатворные) характеристики, выражающие зависимость I_c=f(U₃), при U_c=const (рис. 22). Однако эти характеристики неудобны для расчетов и на практике пользуются выходными характеристиками.

На рис. 23 изображены выходные (стоковые) характеристики канального транзистора I_c=f(U₃), при U₃=const.

Рис. 22. Управляющие (стокозатворные) характеристики полевого транзистора	Рис. 23. Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора

Они показывают, что с увеличением U_c ток I_c сначала растет довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т. е. наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышении U_c ток должен увеличиваться, но, так как одновременно происходит повышение обратного напряжения на p–n-пере­ходе, то запирающий слой расширяется, канал суживается, т. е. его сопротивление возрастает и за счет этого ток I_c должен уменьшиться.

Таким образом, происходят два взаимно противоположных влияния на ток, который в результате остается почти постоянным. При подаче более отрицательного напряжения на затвор ток I_c уменьшается и характеристика проходит ниже.

Повышение напряжения стока в конце концов приводит к электрическому пробою p–n-перехода и ток стока начинает лавинообразно возрастать. Напряжение пробоя является одним из предельных параметров полевого транзистора.

Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, т. е. в области, которую часто не совсем удачно называют областью насыщения. Напряжение, при котором начинается эта область, иногда называют напряжением насыщения, а запирающее напряжение затвора иначе еще называют напряжением отсечки.

Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами. Так как в полевом транзисторе ток I_C образован перемещением основных носителей, концентрация которых определяется количеством примесей и практически не зависит от температуры, то полевые транзисторы являются более температуростабильными, т. е. меньше изменяют свои характеристики и параметры при изменении температуры. Они могут хорошо работать в более широком интервале температур. При повышении температуры наблюдается только повышение тока затвора, который является током неосновных носителей, но все же он остается достаточно малым, и поэтому входное сопротивление сохраняет высокие значения. Полевой транзистор создает меньшие шумы и обладает большей стойкостью к действию ионизирующего излучения. По радиационной стойкости эти транзисторы приближаются к электродным лампам. Недостатком канальных транзисторов является недостаточно высокая крутизна характеристики. Схемы включения полевых транзисторов в каскад в принципе совпадают со схемами включения биполярных транзисторов.