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.