Полевые транзисторы. Полевым транзисторомназывают полупроводниковый электропреобразовательный прибор, ток которого управляется электрическим полем и который предназначен для

Полевым транзисторомназывают полупроводниковый электропреобразовательный прибор, ток которого управляется электрическим полем и который предназначен для усиления электрической мощности.

В полевых, или униполярных транзисторах в отличие от биполярных ток определяется движением только основных носителей заряда одного типа – электронов или дырок.

Носители заряда перемещаются по каналу от электрода, называемого истоком (И) к электроду, называемому стоком (С). С помощью третьего электрода – затвора (З) создается поперечное направлению движения носителей заряда управляющее электрическое поле, позволяющее регулировать электрическую проводимость канала, а следовательно, и ток в канале.

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

По типу управления током канала полевые транзисторы подразделяются на два вида: с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. На рис. 1.15 приведены графические обозначения этих полевых транзисторов.

Рис. 1.15. Обозначения полевых транзисторов n и p типов проводимости: а, б – с управляющим p-n-переходом; в, г – с изолированным затвором, где С – сток, З – затвор, И – исток, П – подложка.

Структура и схема включения полевого транзистора с n-каналом и управляющим p-n-переходом показаны на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Структура-а и схема включения-б полевого транзистора с затвором в виде p-n-перехода и каналом n-типа: 1,2 – области канала Δ и p-n-переходов.

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала 1 шириной Δ от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_С. Между затвором и истоком приложено обратное напряжение, запирающее p-n-переход 2, образованный n-областью канала и p-областью затвора. Таким затвором, в полевом транзисторе с n-каналом полярности приложенных напряжений следующие: U_СИ>0, U_ЗИ≤0. В транзисторе с p-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: U_СИ<0, U_ЗИ≥0.

При изменении электрического потенциала на затворе меняется ширина p-n переходов 2, что приводит к изменению ширины Δ канала 1. Последнее меняет количество электронов (дырок), движущихся через сечение канала, и соответственно – ток стока I_С.

ВАХ полевого транзистора приведены на рис. 1.17. Здесь зависимости тока стока I_С от напряжения U_СИ при постоянном напряжении на затворе U_ЗИ определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (см. рис. 1.17,а). На начальном участке характеристик, U_СИ+|U_ЗИ|<U_ЗАП ток I_С возрастает с увеличением U_СИ. При повышении напряжения сток-исток до U_СИ=U_ЗАП-|U_ЗИ| происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока I_С прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение U_ЗИ между затвором и истоком приводит к меньшим значениям напряжения U_СИ и тока I_С, при которых происходит перекрытие канала. Область насыщения справа от пунктирной линии является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора.

Дальнейшее увеличение напряжения U_СИ приводит к пробою

p-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика I_С=f(U_ЗИ) (рис.1.17,б). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения U_СИ. Входная характеристика полевого транзистора – зависимость тока утечки затвора I_З от напряжения затвор – исток – обычно не используется, так как при U_ЗИ≤0 p-n-переход между затвором и каналом закрыт и ток затвора очень мал (I_З=10^-8÷10^-9 А), поэтому во многих случаях им можно пренебречь.

Рис. 1.17. Выходные - а и передаточная - б вольт-амперные характеристики полевого транзистора

В настоящее время широкое распространение получили полевые транзисторы, в которых металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика. Такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник) или МОП-транзисторами (металл – оксид – полупроводник). В последнем случае под оксидом понимают оксид кремния, который является высококачественным диэлектриком. Их входное сопротивление достигает 10¹⁵ Ом, т.е. ток затвора на несколько порядков ниже тока полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

ВАХ полевых транзисторов с изолированным затвором в основном аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна характеристики передачи

и дифференциальное (внутренние) сопротивление стока (канала) на участке насыщения

В качестве предельно допустимых параметров нормируются: максимально допустимые напряжения U_СИмакс и U_ЗИмакс; максимально допустимая мощность стока P_Смакс; максимально допустимый ток стока I_Смакс. Значения параметров полевых транзисторов приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Значения параметров полевых транзисторов

Межэлектродные емкости полевых транзисторов между затвором и стоком C_ЗС, а также затвором и истоки C_ЗИ, обычно не превышают 1÷20пФ.

Основными преимуществами полевых транзисторов являются:

1) высокое входное сопротивление;

2) малый уровень собственных шумов в измерительных схемах;

3) высокая плотность распространения элементов при изготовлении интегральных схем

К недостаткам полевых транзисторов следует отнести сравнительно большие межэлектродные емкости.