Польовий транзистор з керуючим p-n переходом. Принцип дії.

ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ.

Принцип дії такого транзистора легко зрозуміти з його схематичної моделі, зображеної на рис.6.І. Основною її частиною є прямокутний зразок слабколегованого напівпровідника (у даному випадку -типу), до торців якого прикладена напруга . В результаті руху електронів від електрода В, якій має назву витоку, до електрода С, який називається стоком, виникає наскрізний струм , величина котрого визначається омічним опором напівпровідникового зразка. На верхню грань зразка накладено шар напівпровідника з дірковою провідністю. Цей шар називається затвором і разом з -областю він створює перехід. На цьому переході утворюється збіднений шар, він дещо звужує переріз -області, по якій тече струм і збільшує її омічний опір. Якщо до затвору прикласти напругу < 0 запірної полярності, то можна збільшити товщину збідненого шару, зменшуючи тим самим переріз струмопровідної області і збільшуючи її опір. При досить великому значенні затворної напруги границя збідненого шару може досягти нижньої грані зразку і повністю перекрити шлях струму . Та напруга, затвора, при якій струм припиняється, зветься запираючою напругою і позначається як . Таким чином, з’являється можливість керування наскрізним струмом через зразок шляхом зміни затворної напруги. Це керування здійснюється електричним полем, яке існує у збідненому шарі. Тому такі транзистори мають назву польових. Принцип дії польових транзисторів заснований на русі носіїв одного знаку у напівпровіднику з одним типом провідності. Тому інша назва таких транзисторів - уніполярні. Третя їх назва - канальні відображає той факт, що рух носіїв тут відбувається по провідній області, яка має назву каналу, переріз і провідність котрого регулюються затворною напругою.

Основна принципова відмінність біполярного транзистора, від польового полягає в тому, що перший, з них керується вхідним струмом, а другий - вхідною напругою. Можна, звичайно, заперечити, що і в біполярному транзисторі вхідний струм створюється вхідною напругою. Однак, врешті-решт, струм колектора визначається саме струмом бази або емітера, і, отже, існування вхідного струму у біполярного транзистора є принципово необхідним. З цього висновується по-перше, що вхідний опір біполярного транзистора не може бути дуже великим (а він і дійсно невеликий), та по-друге, що для керування колекторним струмом потрібна хоч і невелика, а все ж таки, скінчена потужність вхідного сигналу.

На відміну від цього, вхід польового транзистора є не відкритим, а закритим переходом, зворотний струм якого, неістотний для роботи транзистора, може бути зробленим як завгодно малим.

Так, наприклад, для кремнійових польових транзисторів вхідний струм може становити А, так що на керування вхідним струмом потужність практично не витрачається. Підключений до джерела вхідного сигналу польовий транзистор практично не навантажує це джерело і не впливає на його роботу. В цьому і полягає основна перевага польових транзисторів над біполярними.

6.2. Характеристики та параметри.

Описаний вище принцип дії польового транзистора відповідає дійсності лише при невеликих напругах , які за величиною не перевищують затворні напруги. За таких режимів вихідні характеристики, які відрізняються величиною , утворюють "віяло" прямих ліній, що йдуть з початку координат (рис. б. 2). Кожна така лінія відповідає своєму значенню омічного опору каналу транзистора.

Однак, при | |>| | вже треба враховувати, що різні точки на вісі каналу будуть не еквіпотенціальними. В міру наближення до стоку потенціали точок каналу стають все вищими, внаслідок чого різниця потенціалів між віссю каналу і затвором буде зростати. Відповідно має збільшуватись і товщина збідненого шару, причому з боку стоку вона буде більшою аніж поблизу витоку (рис.б.3). В результаті переріз каналу зменшуватиметься в міру наближення до стоку. Зазначений ефект стає тим виразнішим, чим більших значень набуває . Як же це відіб’ється на ході вольтамперної характеристики?

Здавалося б, що із збільшенням напруги повинен зростати і наскрізний струм . Разом з тим, як ми тільки що з’ясували, із збільшенням струмопровідний канал звужується, його опір зростає і наслідком має стати зменшення струму. У підсумку струм не зростає і не зменшується, а залишається майже незмінним. На вихідній характеристиці утворюється майже горизонтальна ділянка насичення, що має невеликий підйом у бік більших напруг. Диференціальний опір в області насичення досить великий і може становити Ом.

Прохідні характеристики при = const можуть бути побудовані однозначно, якщо задана сім’я вихідних характеристик. Така сім’я прохідних характеристик зображене на рис.6.4. Всі вони починаються від - запірної напруги, яка не залежить від напруги на стоку. Дальший їх хід також мало залежить від напруги (якщо тільки більше напруги насичення). Вхідні характеристики будуються лише для від’ємних значень затворної напруги, оскільки при > 0 перехід відкривається, збіднений шар щезає і керуюча дія затворної напруги втрачається.

Аналогічно працює і польовий транзистор з -каналом, затвор якого є -напівпровідниковим. Полярність напруг та повинна бути при цьому змінена на зворотну. Умовне зображення польових транзисторів з керуючим переходом подане на рис.6.5. Польові транзистори характеризуються такими параметрами:

- вихідним опором значення якого для польових транзисторів малої потужності лежать в межах 10-100 кОм;

крутістю , яка звичайно становить 1 - 10 мА/В;

- вхідним опором, який досягає Ом;

- вхідною та вихідною ємністю порядку кількох пікофарад. Частотні властивості польових транзисторів визначаються часом перезарядки бар’єрної ємності затворного переходу. Дійсно, при зміні керуючої напруги , струм, який заряджає цю ємність, повинен пройти від витоку до границі збідненого шару через матеріал каналу, омічний опір якого є порядку кількох кілоом. Для бар’єрної ємності порядку Ф маємо сталу часу порядку с, що відповідає граничній частоті роботи транзистора близько одного ГГц. Це дещо гірше за величину граничної частоти, притаманної кращим зразкам біполярних транзисторів.

Максимальна потужність розсіювання для польових транзисторів малої потужності становить кілька десятків мВт; а для потужних -до 10 Вт і більше..