ТЕМА 5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевойтранзистор – это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающийчерез канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложениинапряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усилениямощности электромагнитных колебаний.
К классу полевыхотносят транзисторы, принцип действия которых основан на использованииносителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током вполевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, черезкоторый протекает ток транзистора под воздействием электрического поля.Вследствие этого транзисторы называют полевыми.
По способусоздания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП — или МОП — транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.
В зависимости отпроводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы сканалом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочнойпроводимостью, а n- типа – электронной.
5.1 Полевые транзисторы с управляющим р-n- переходом
5.1.1 Устройство и принцип действия
Полевойтранзистор с управляющим р-n- переходом – это полевойтранзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении.
/>
Рисунок 5.1 – Устройствополевого транзистора с управляющим р-n-переходом (каналомn- типа)
/>
Рисунок 5.2 –Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходоми каналом n- типа (а), каналом р- типа (б)
Каналом полевоготранзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителейзаряда регулируется изменением ее поперечного сечения.
Электрод(вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называютистоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда,называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сеченияканала за счет управляющего напряжения, называют затвором.
Как правило,выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что токзатвора, т.е. обратный ток р-n- перехода, получается вомного раз меньше, чем у германия.
Условныеобозначения полевых транзисторов с каналом n- и р-типов приведены на рис. 5.2.
Полярностьвнешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 5.1. Управляющее(входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратнымдля обоих р-n- переходов. Ширина р-n-переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала,его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростомрасширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечениятокопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно,уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включитьисточник напряжения Uси,то силой тока стока Iс,протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления(сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципеи основана работа полевого транзистора с управляющим р-n- переходом.
При напряжении Uзи = 0 сечение каналанаибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим.
Ток стока Iс нач при Uзи = 0 называютначальным током стока.
Напряжение Uзи, при котором каналполностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые долимикроампер), называют напряжением отсечки Uзи отс.
5.1.2 Статические характеристики полевого транзистора суправляющим р-n- переходом
Рассмотрим вольт- амперные характеристики полевых транзисторов с р-n-переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт — амперныххарактеристик: стоковые и стоко — затворные.
Стоковые(выходные) характеристики полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа показаны на рис. 5.3, а. Ониотражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic = f(Uси) при Uзи = const.
/> а) б)
Рисунок 5.3 –Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходоми каналом п- типа: а – стоковые (выходные); б – стоко — затворная
Особенностью полевоготранзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние какуправляющее напряжение Uзи,так и напряжение Uси.При Uси = 0выходной ток Iс =0. При Uси > 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результатечего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарноепадение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения вканале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимостиканала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при которомграницы обоих р-n- переходов смыкаются и сопротивлениеканала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия илинапряжением насыщения Uсинас. При подаче на затвор обратногонапряжения Uзи происходитдополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значениинапряжения Uси нас. В рабочем режиме используются пологие(линейные) участки выходных характеристик.
Стоко — затворнаяхарактеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированномнапряжении Uси: Ic = f(Uси) при Uси = const (рис. 5.3, б).
5.1.3 Основные параметры
· максимальный ток стока Iс max(при Uзи = 0);
· максимальное напряжение сток-исток Uси max;
· напряжение отсечки Uзи отс;
· внутреннее (выходное) сопротивление ri − представляет собой сопротивлениетранзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока:
/> при Uзи = const;
· крутизна стоко-затворной характеристики:
/> при Uси = const,
отображает влияниенапряжение затвора на выходной ток транзистора;
· входное сопротивление /> при Uси = constтранзистора определяется сопротивлением р-n- переходов,смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов ср-n- переходом довольно велико (достигает единиц и десятковмегаом), что выгодно отличает их от биполярных транзисторов.
5.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором
5.2.1 Устройство и принцип действия
Полевойтранзистор с изолированным затвором (МДП — транзистор) – это полевойтранзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоемдиэлектрика.
МДП — транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния.В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2.отсюда другое название этих транзисторов – МОП — транзисторы (структура:металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входноесопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).
Принцип действияМДП — транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностногослоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечногоэлектрического поля. Приповерхностный слой полупроводника являетсятокопроводящим каналом этих транзисторов. МДП — транзисторы выполняют двухтипов – со встроенным и с индуцированным каналом.
Рассмотримособенности МДП — транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такоготранзистора с каналом n-типа показана на рис. 5.4, а. Висходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением,которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы двесильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток исток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал сэлектропроводностью n- типа. Поверхность кристаллаполупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм)диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор.Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать назатвор управляющее напряжение обеих полярностей.
/>
/>
Рисунок 5.4 – КонструкцияМДП — транзистора со встроенным каналом n- типа (а); семействоего стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)
При подаче назатвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этомсоздается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электронывытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда– электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этотрежим называют режимом обогащения.
При подаче назатвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создаетсяэлектрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала вподложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основныминосителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такойрежим транзистора называют режимом обеднения.
В такихтранзисторах при Uзи =0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси > 0), протекает ток стока Iс нач,называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.
Конструкция МДП — транзистора с индуцированным каналом n- типа показанана рис. 5.5, а
/>
/>/>
Рисунок 5.5 – КонструкцияМДП — транзистора с индуцированным каналом n-типа (а); семействоего стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)
Каналпроводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется)благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложенияк затвору напряжения положительной полярности относительно истока. Приотсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р- типа и на одном из р-n- переходов получается обратное напряжение. В этом состояниисопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Ноесли подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвораэлектроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области(подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некотороеотпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрацияэлектронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типаэлектропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа,соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чембольше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и токстока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать тольков режиме обогащения.
Условноеобозначения МДП — транзисторов приведены на рис. 5.6.
/>
Рисунок 5.6 –Условное обозначение МДП — транзисторов:
а − совстроенным каналом n- типа;
б − совстроенным каналом р- типа;
в − свыводом от подложки;
г − с индуцированнымканалом n- типа;
д − с индуцированнымканалом р- типа;
е − свыводом от подложки
5.2.2 Статические характеристики МДП — транзисторов
Стоковые (выходное)характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n-типа Ic = f(Uси) показаны на рис.5.4, б.
При Uзи = 0 через приборпротекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложенияк затвору напряжения Uзи
При подаче назатвор напряжения Uзи > 0 поле затворапритягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины (подложки) р- типа.Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает,ток стока Iс увеличивается.Стоковые характеристики при Uзи > 0располагаются выше исходной кривой при Uзи = 0.
Стоко-затворнаяхарактеристика транзистора со встроенным каналом n-типаIc = f(Uзи) приведена на рис.5.4, б.
Стоковые(выходные) характеристики Ic=f(Uси) и стоко-затворная характеристика Ic = f(Uзи) полевоготранзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 5.5, б; в.
Отличие стоковыххарактеристик заключается в том, что управление током транзистораосуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностьюнапряжения Uси.Ток Ic = 0 при Uси = 0, в то время как в транзисторе со встроеннымканалом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затвореотносительно истока.
5.2.3 Основные параметры МДП — транзисторов
Параметры МДП — транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р-n-переходом.
Что касаетсявходного сопротивления то МДП — транзисторы имеют лучшие показатели, чемтранзисторы с р-n- переходом. Входное сопротивление у нихсоставляет rвх = 1012… 1014 Ом.
5.2.4 Область применения
Полевыетранзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением,ключевых и логических устройствах, при изготовлении интегральных схем и др.
5.3 Основные схемы включения полевых транзисторов
Полевой транзисторможно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общимстоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 5.7).
/>
/>
Рисунок 5.7 – Схемывключения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС
На практике чащевсего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ.Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗаналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности вней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входнымсопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.
5.4 Простейший усилительный каскад на полевых транзисторах
В настоящеевремя широко применяются усилители, выполненные на полевых транзисторах. Нарис. 5.9 приведена схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ и однимисточником питания.
/>
Рисунок 5.9
Режим работыполевого транзистора в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока Iсп и соответствующимему напряжением сток-исток Uсип. Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затвореполевого транзистора Uзип.Это напряжение возникает на резисторе Rи при прохождении тока Iсп (URи = Iсп Rи) и прикладывается к затвору благодарягальванической связи через резистор R3. Резистор Rи, кроме обеспечения напряжения смещениязатвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителяпо постоянному току, стабилизируя Iсп. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющаянапряжения, его шунтируют конденсатором Сии таким образом обеспечивают неизменность коэффициента усиления каскада. Сопротивлениеконденсатора Си на наименьшей частотесигнала должно быть намного большим сопротивления резистора Rи, которое определяют по выражению:
/> (5.1)
где Uзип, Iсп – напряжение затвор-исток и ток стока приотсутствии входного сигнала.
Емкостьконденсатора выбирается из условия:
/> (5.2)
где fmin –наинизшая частота входного сигнала.
Конденсатор Ср называется разделительным. Он используетсядля развязки усилителя по постоянному току от источника входного сигнала.
Емкостьконденсатора:
/> (5.3)
Резистор Rс выполняет функциюсоздания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в нейтока, управляемого напряжением между затвором и истоком.
При подаче навход усилительного каскада переменного напряжения uвх напряжение между затвором и истоком будетизменяться во времени DUзи(t)= uвх; ток стокатакже будет изменяться во времени, т.е. появится переменная составляющая DIc(t) = ic. Изменениеэто тока приводит к изменению напряжения между стоком и истоком; его переменнаясоставляющая uс равнаяпо величине и противоположная по фазе падению напряжения на резисторе Rс, является входнымнапряжением усилительного каскада DUси(t) = uc =uвых = −Rcic.
В усилителях наМДП — транзисторах с индуцированным каналом необходимое напряжение Uзип обеспечиваетсявключением в цепь затвора делителя R1R2(рис. 5.10).
/>
Рисунок 5.10
При этом
/> (5.4)
От выбранногозначения тока делителя Iд= Ес/(R1+R2) зависят сопротивления резисторов R1и R2. Поэтому ток делителя выбирают исходя из обеспечениятребуемого входного сопротивления усилителя.
5.5 Расчет электрических цепей с полевыми транзисторами
В усилителе наполевом транзисторе, схема которого приведена на рис. 5.9, ток стока Ic инапряжение Uси связаныуравнением:
/> (5.5)
В соответствии сэтим уравнением можно построить линию нагрузки (нагрузочную характеристику):
/> (5.6)
Для еепостроения на семействе статических выходных (стоковых) характеристик полевоготранзистора достаточно определить две точки:
1-я точка: полагаетIc = 0, тогда Uси = Ес;
2-я точка: полагаетUси = 0, тогда Ic = Ес/(Rc+Rи).
Графическимрешением уравнения для выходной цепи рассматриваемого каскада являются точкипересечения линии нагрузки со стоковыми характеристиками.
/>
Рисунок 5.11 –Графический расчет режима покоя каскада на полевом транзисторе при помощивыходных и входной характеристик
Значение токастока Iс инапряжения Uсизависят также от напряжения затвора Uзи. Три параметра Iсп, Uсип и Uзип определяют исходный режим, или режим покояусилителя. На выходных характеристиках этот режим отображается точкой По, лежащей на пересечении выходной нагрузочнойхарактеристики с выходной статической характеристикой, снятой при заданномзначении напряжения затвора.
Резистор R3 предназначен для подачи напряжения Uзип с резистора Rи между затвором и истоком транзистора.Сопротивление R3 принимают равным 1…2 МОм.
Сопротивлениерезистора Rи дляобеспечения режима покоя, харак-теризуемого значениями Iс = Iсп и Uзи = Uзип (точка По,рис. 5.11), рассчитывают по формуле:
/>