Полевые транзисторы с управляющим переходом

Принцип включения и устройства полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (ПТУП), показаны на рис. 5.1. Пластинка из полупроводника п-типа, имеет на противопо­ложных концах электроды, с помощью которых она включена в выходную (управ­ляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника ЕС, и в нее включена нагрузка RС. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей (электронов). Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода, представляющего собой область с другим типом электропроводности. В данном случае это р-область. Источник питания входной цепи UИЗ создает на единственном р-п-переходе полевого транзистора обратное напряжение. Прямое напряжение, на р-п-переход не подают, так как тогда входное со­противление будет очень малым. Во входную цепь включается источник усили­ваемых колебаний.

Рис.5.1. Схема включения полевого транзистора управляющим с р-п-переходом и каналом п-типа

 

При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на р-п-переходе и от этого изменяется толщина запирающего (обедненного) слоя, огра­ниченного на рис. 5.1,б штриховой линией. Соответственно меняется пло­щадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда, т. е. выходной ток. Эта область называется каналом.

Электрод, из которого в канал вытекают основные носители заряда, называют истоком (И). Из канала носители проходят к электроду, который называется стоком (С). Управляющий электрод, предназначенный для регулирования пло­щади поперечного сечения канала, называется затвором (3).

Если увеличивать обратное напряжение затвора UИЗ то запирающий слой р-п-перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Следо­вательно, его сопротивление постоянному току RК возрастает и ток стока IC становится меньше. При некотором запирающем напряжении отсечки UОТС площадь поперечного сечения канала станет равна нулю и ток IC будет весьма малым. Транзистор запирается. А при UИЗ = 0 сечение канала наибольшее, сопротив­ление RК наименьшее, например несколько десятков ом, и ток IC получается на­ибольшим. Для того, чтобы входное напряжение возможно более эффективно управляло выходным током, материал полупроводника, в котором создан канал, должен быть высокоомным, т. е. с невысокой концентрацией примесей. Тогда запирающий слой в нем получается большей толщины. Кроме того, начальная толщина самого канала (при UИЗ = 0) должна быть достаточно малой. Обычно она не превышает нескольких микрометров. Напряжение отсечки UОТС при этих условиях составляет единицы вольт.

Поскольку вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку, то ближе к стоку обратное напряжение р-п-перехода затвора увеличивается и толщина запирающего слоя получается больше.

Управляющее действие затвора наглядно иллюстрирует проходные или управляющие (стокозатворные) характеристики, выражающие зависимость при (рис. 5.2)

Рис. 5.2. Проходные (стокозатворные) характеристики полевого транзистора

с каналом n-типа

 

На рис. 5.3 изображены выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора при . Они показывают, что с увеличением ток сначала ростет довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т. е. наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышении ток должен увиличиваться, но так как одновременно повышается обратное напряжение на p – n- переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается, т. е. его сопротивление возрастает, и за счет этого ток должен уменьшиться. Таким образом, имеют место два взаимно противоположных воздействия на ток, который в результате остается почти постоянным.

Рис. 5.3. Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора с каналом n-типа

При подаче большего по абсолютному значению отрицательного напряжения на затвор ток уменьшается и характеристика проходит ниже.

Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, т. е. в области, которую иногда называют областью насыщения. Напряжение при котором начинается эта область, называют напряжением насыщения, а запирающее напряжение затвора называется напряжением отсечки. Для транзисторов с каналом р-типа полярности питающих напряжений противоположны.

Полевой транзистор характеризуют следующими параметрами. Основным усилительным параметром является крутизна:

при const (5.1)

и может быть до нескольких миллиампер на вольт.

Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Например, S=3 мА/В означает, что изменение напряжения затвора на 1 В создает изменение тока стока на 3 мА.

Вторым параметром является выходная проводимость транзистора между стоком и истоком для переменного тока и выражается формулой:

при const. (5.2)

На пологих участках выходных характеристик g22 достигает десятков мкСм и оказывается .

Иногда пользуются еще третьим параметром – коэффициентом усиления μ, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока. Коэффициент усиления определяется по формуле:

μ = -∆UСИ /∆UИЗ = S/g22 при IC = const, (5.3)

т. е. выражается отношением таких изменений ∆UСИ и ∆UИЗ, которые компенси­руют друг друга по действию на ток IC в результате чего этот ток остается постоянным. Так как для подобной компенсации ∆UСИ и ∆UИЗ должны иметь разные знаки, то в правой части формулы (5.3) стоит знак «минус». Для пологих участков выходных характеристик μ достигает десятков.

Входное сопротивление полевого транзистора определяется, как обычно, по формуле:

Rвх = ∆UИЗ /∆ IЗ при UСИ =const. (5.4)

Поскольку ток I3 является обратным током p-п-перехода, а, значит, он очень мал, то Rвх достигает единиц и десятков мегаом.

Полевой транзистор имеет также входную емкость между затвором и истоком СЗИ, которая является барьерной емкостью р-п-перехода и составляет единицы пикофарад. Меньшие значения имеет проходная емкость между затвором и стоком СЗС, а самой малой является выходная емкость между истоком и стоком ССИ.

Полевой транзистор можно включить по одной из трех основных схем. На рис. 5.1 была показана наиболее часто применяемая схема включения с общим истоком (ОИ). Каскад с ОИ дает большое усиление и мощности и переворачивает фазу напряжения. Поскольку обычно RС « g22, то коэффициент усиления каскада с ОИ по напряжению можно приближенно подсчитать по формуле:

= SRC. (5.5)

На рис. 5.4 показана эквивалентная схема замещения полевого тран­зистора для включения его с ОИ. Для низких частот можно исклю­чить из схемы емкости. Генератор тока SUИЗ отражает усиление, даваемое тран­зистором, а g22представляет собой проводимость канала пере­менному току. К входным зажимам подключается источник колебаний, а к выходным — нагрузка.

Рис.5.4. Линейная эквивалентная схема полевого транзистора

 

В практических усилительных каскадах обычно применяется автоматическое смещение от од­ного источника ЕС , как это показано на рис. 5.5 для транзистора с п-каналом. Для получения постоянного обратного напряжения на р-п-переходе в провод истока включается резистор RИ зашунтированный конденсатором СИ. Постоянный ток истока IИ ≈ IC создает на резисторе RИ напряжение смещенияUИЗ = IИRИ, которое через резистор RЗ ≈ 1МОм подается на р-п-переход. Резистор RЗ должен иметь большое сопротивление, чтобы не снижалось входное сопротивление каскада. Сопротивление RИ рассчитывается по формуле RИ = UИЗ / IИ . Величины UИЗ и IИ могут быть определены для выбранного режима работы из выходных характеристик.

Рис.5.5. Питание полевого транзистора от одного источника

 

Через конденсатор СИ проходит переменная составляющая тока стока. Емкость СИ должна быть такой, чтобы емкостное сопротивление для самой низшей частотыбыло во много раз меньше RИ. Тогда на СИ будет получаться небольшое переменное напряжение. Если конденсатора СИ нет, то на RИ получается значительное переменное напряжение. Оно будет пода­ваться на вход транзистора в противофазе с входным напряжением Uвх (отри­цательная обратная связь). Результирующее переменное напряжение на входе транзистора станет меньше, и усиление снизится. Иногда такая отрицательная обратная связь приме­няется для уменьшения искажений и повышения устойчивости коэффициента усиления.

Иногда входной источник колебаний имеет постоянное на­пряжение, которое не должно попадать на вход транзистора. В этом случае переменное входное напряже­ние подают через разделительный конденсатор Ср.

На рис. 5.6 показано включение полевого транзистора с каналом п-типа по схеме с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС). Схема с ОЗ не дает усиления тока, и поэ­тому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Входное сопротивление данной схемы мало, так как входным током является ток истока. Фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Рис.5.6.Схема включения поле­вого транзистора с общим затво­ром (а) и с общим стоком (б)

 

Каскад по схеме ОС (рис. 5.6,б)называется истоковым повторителем. Коэффициент усиления каскада по напря­жению близок к единице. Выходное напряжение по значению и фазе повторяет входное. Для такого каскада характерны сравнительно небольшое выходное сопро­тивление и повышенное входное. Кроме того, значительно уменьшена входная емкость, что способствует увеличению входного сопротивления на высоких ча­стотах.

Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами. Так как в полевом транзисторе ток IС вызван перемещением основных носителей, концентрация ко­торых определяется количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры, то полевые транзисторы являются более термостабильными. При повышении температуры наблюдается только значительное увеличение тока затвора (тока неосновных носителей), но все же он остается достаточно малым, и поэтому входное сопротивление сохраняет высокие значения. Полевой транзистор создает меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к действию ионизирующего излучения. Недостатком многих полевых тран­зисторов является сравнительно невысокая крутизна.

Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний при­меняется потому, что ток затвора, т. е. обратный ток р-п-перехода, получается во много раз меньше, чем у германия. При температуре 20 °С постоянный ток затвора может составлять всего лишь 1 нА.