Разновидности и режимы работы полевых транзисторов

Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые приборы, которые в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем, т.е. практически без затраты мощности управляющего сигнала. В англоязычной литературе эти транзисторы называют транзисторами типа FET (Field Effect Transistor).

Различают шесть различных типов ПТ. Их условные обозначения в электрических схемах представлены на рис.8.1.

Управляющим электродом ПТ является затвор З. Он позволяет управлять величиной сопротивления между стоком С и истоком И (область полупроводника между С и И называют каналом). Управляющим напряжением является напряжение U_ЗИ. Большинство ПТ являются симметричными, т.е. их свойства почти не изменяются, если их электроды С и И поменять местами. В транзисторах с управляющим переходом затвор отделен от канала СИ p-n переходом. При правильной полярности напряжения U_ЗИ p-n переход запирается, и изолирует затвор от канала; при противоположной полярности он открывается. Для ПТ с управляющим переходом такой режим является запрещенным.

Рис.8.1. Разновидности полевых транзисторов.

У ПТ с изолированным затвором, или МОП транзисторов (МОП – металл-оксид-полупроводник) затвор отделен от канала СИ тонким слоем диэлектрика. При таком исполнении транзистора ток через затвор не будет протекать при любой полярности напряжения на затворе. Входные сопротивления ПТ с управляющим переходом составляют от 10¹⁰ до 10¹³ Ом, а для МОП транзисторов – от 10¹³ до 10¹⁵ Ом. В МОП транзисторах присутствует четвертый вывод от так называемой подложки. Этот электрод, как и затвор, может выполнять управляющие функции, но он отделен от канала только p-n переходом. Управляющие свойства подложки обычно не используются, а ее вывод соединяют с выводом истока.

Аналогично делению биполярных транзисторов на p-n-p и n-p-n-транзисторы, полевые транзисторы делятся на p-канальные и n-канальные. У n-канальных ПТ ток канала становится тем меньше, чем меньше потенциал затвора. У p-канальных ПТ наблюдается обратное явление.

Типовые передаточные характеристики ПТ приведены на рис. 8.2. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон управляющего напряжения.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики ПТ с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом p-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики ПТ с управляющим переходом при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется I_{С НАЧ}. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки U_ОТС становится близким к нулю.

Характеристики МОП транзисторов с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения U_ПОР. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики МОП транзистора со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока I_{С НАЧ}. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Рис.8.2. Типовые передаточные характеристики ПТ

Карта входных и выходных напряжений при заземленном истоке (рис.8.3) помогает разобраться в ситуации.

Различные транзисторы, включая биполярные, нарисованы в квадрантах, характеризующих их входное и выходное напряжение в активной области при заземленном истоке (или эмиттере). При этом вовсе не обязательно запоминать свойства каждого из шести представленных здесь типов ПТ, поскольку они в основном все одинаковы.

Во-первых, при заземленном истоке ПТ включается (переходит в проводящее состояние) путем смещения напряжения затвора в сторону напряжения питания стока. Это верно как для всех видов ПТ, так и для биполярных транзисторов. Например, для n-канального ПТ с управляющим p-n переходом используется положительное напряжение питания стока, как и для всех n-канальных приборов. Таким образом, этот ПТ включается положительным смещением затвора. Во-вторых, в связи с примерной симметрией истока и стока любой из этих выводов может работать как исток. При анализе работа ПТ за исток принимается вывод, наиболее «удаленный» по напряжению от активного питания стока.

Рис.8.3. Карта входных и выходных полярностей транзисторов.

На рис.8.4 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТ с управляющим переходом с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

Рис.8.4. Выходные характеристики ПТ с управляющим переходом и каналом n-типа

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. Особенности этих характеристик обусловливают применение ПТ. В линейной области ПТ используют как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.

Схемы включения ПТ

Включение ПТ с управляющим p-n переходом и каналом n типа в схемы усилительных каскадов с общим истоком и общим стоком показано на рис.8.5, а, б.

Рис.8.5. Включение ПТ в схемы: а) с общим истоком, б) с общим стоком

Постоянное напряжение Е₁ обеспечивает получение определенного значения тока стока I_С=E/(r_СИ +R_Н) в зависимости от сопротивления канала r_СИ. При подаче входного усиливаемого напряжения U_ВХ потенциал затвора меняется, а соответственно меняются и токи стока и истока, а также падение напряжения на резисторе R_Н. Приращение падения напряжения на резисторе R_Н при большом его значении гораздо больше приращений входного напряжения. За счет этого осуществляется усиление сигнала. Ввиду малой распространенности включение с общим затвором не показано. При изменении типа проводимости канала меняются только полярности приложенных напряжений и направления токов.

Включение МОП транзисторов в схемах показано на рис.8.6.

Для МОП транзистора со встроенным каналом смещение не является обязательным, так как при нулевом напряжении на затворе транзистор приоткрыт и через канал протекает ток стока I_{С НАЧ}. При подаче положительного напряжения на затвор транзистор работает в режиме обогащения, сопротивления канала уменьшается, а ток стока I_С увеличивается. При подаче отрицательного напряжения на затвор происходит обратный процесс. В МОП транзисторах с индуцированным каналом, включенных в схемы с общим истоком и общим стоком (рис.8.6, в, г), постоянное напряжение Е₁ должно превышать пороговое. В противном случае канал не появится и транзистор будет заперт.

Рис.8.6. Включение МОП транзисторов с каналом n-типа: а) со встроенным каналом в схеме с ОИ, б) с ОС, в) с индуцированным каналом с ОИ, г) с ОС