Пояснения к изучаемым вопросам

Наряду с биполярным транзистором полевой (униполярный) транзистор является широко применяемым электронным прибором. Принцип работы приборов с полевым управлением тока и их основные особенности лучше всего рассмотреть на примере транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом. Механизм действия этого транзистора достаточно прост и хорошо изложен во всех рекомендуемых пособиях. Однако иногда имеются разночтения в трактовке формирования пологой части статических характеристик и работы прибора в этом режиме. Предлагается следующее объяснение перехода на выходной стоковой характеристике от крутой части к пологой. При некотором напряжении на стоке  - граничное напряжение происходит перекрытие канала у стокового конца. Это обусловлено увеличением падения напряжения вдоль канала за счет протекания тока стока, что расширяет ширину p-n перехода у стока. Следует, однако, учитывать условность понятия «перекрытие», так как оно является следствием протекания тока. Таким образом, при увеличении напряжения на стоке автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала у стокового электрода. При дальнейшем увеличении напряжения на стоке увеличивается длина перекрытой части канала. Если бы длина перекрытой части увеличилась пропорционально напряжению на стоке, то ток стока не зависел бы от напряжения, и выходная характеристика не имела бы наклона. Обычно длина перекрытой части увеличивается пропорционально либо корню квадратному, либо корню кубическому из напряжения на стоке. Поэтому в пологой части выходных характеристик наблюдается некоторое возрастание тока стока при увеличении напряжения на нем. Следует отметить также существование ещё одного механизма ограничения тока стока. Поскольку основная часть напряжения стока падает на перекрытой части канала, напряженность поля  в ней может быть большой и увеличивающейся с ростом напряжения на стоке (учитывается непропорциональное увеличение длины перекрытой части). Как известно, подвижность носителей µ с ростом напряженности поля начинает уменьшаться, и вследствие этого их скорость, равная , при определенных условиях достигает насыщения (становится постоянной). Естественно перестает увеличиваться и ток стока.

В реальных условиях действуют оба механизма, поэтому большинство приводимых упрощенных аналитических выражений для статических характеристик прибора не соответствуют экспериментальным зависимостям. Вследствие этого часто для расчетов используют удобные аппроксимации реальных статических характеристик. Подробнее об этом сказано в методических указаниях по выполнению контрольной работы.

Для малого переменного сигнала полевой транзистор представляет собой линейный четырехполюсник и может описываться с помощью электрических параметров и представляется в виде линейной эквивалентной схемы. Для анализа работы прибора на высоких частотах удобно представить его в виде физической схемы замещения, модели [4д, с. 192-194]. Схема состоит из элементов, величина которых не зависит от частоты. Однако с её помощью определяются частотные зависимости всех дифференциальных параметров транзистора. Главная трудность при составлении физической эквивалентной схемы заключается в моделировании распределенной - структуры затвор-канал с помощью дискретных резисторов и конденсаторов. Использование последовательного соединения элементов  и  для моделирования этой структуры весьма приближенно, но основные частотные зависимости входного сопротивления, крутизны, выходного сопротивления прибора отражаются верно. Подробнее об этом дано в методических указаниях к выполнению контрольной работы.

Значительную долю проходной ёмкости затвор-сток (С_ЗИ) составляет углубленная часть затвора вблизи стока. Проходная ёмкость ограничивает на высокой частоте величину устойчивого усиления резонансного усилителя. Вследствие этого стремятся сделать её как можно меньше. Особенно эффективным явилось выполнение затвора на барьере Шоттки. В этом случае область затвора сосредоточена на поверхности полупроводника. Использование для затвора перехода металл-полупроводник с одновременным применением материала с высокой подвижностью носителей (например, в GаА s µ _n в 6,5 раз больше, чем в кремнии) позволило создать самые высокочастотные полевые транзисторы, работающие в диапазоне десятков гигагерц.

В МДП-полевых транзисторах с изолированным затвором применяется особый способ управления током. Если в приборе с управляющим электронно-дырочным переходом под действием напряжения на затворе изменяются геометрические размеры канала, то в транзисторе МДП изменяется за счет эффекта поля электропроводность канала, формирующегося вблизи поверхности полупроводника. При этом следует различать явления обогащения и обеднения канала основными носителями заряда, а также явление инверсии проводимости канала при пороговых напряжениях  МДП–структуры. Заметим также, что распределение концентрации носителей вдоль канала МДП-транзисторах повторяет геометрический профиль канала с управляющим p-n переходом. Это обстоятельство приводит к идентичному виду статических характеристик у приборов обоих типов. Хотя, конечно, остаются различия в величинах и знаках напряжения на электродах.

Среди многочисленных применений полевых транзисторов особенно выделяются те, где они имеют существенные преимущества по сравнению с биполярными транзисторами. Прежде всего, это усиление очень малых сигналов от источников с высоким внутренним сопротивлением, когда наилучшим образом используется малый уровень собственных шумов полевого транзистора. Кроме того, весьма распространено использование крутой начальной части выходных характеристик полевого транзистора для применения его в качестве аттенюатора переменного сигнала с электронной установкой. Подробнее об этом сказано в методических указаниях по выполнению контрольной работы.

Данный раздел наиболее подробно изложен в пособиях [1, с 146-186]. Для более глубокой проработки можно рекомендовать дополнительную литературу[3, 3д и 4д].

Контрольные вопросы

 

1. Дайте классификацию современных полевых транзисторов.

2. Объясните принцип полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

3. Какими физическими явлениями определяется величина выходного сопротивления полевого транзистора?

4. Для какой цели может использоваться начальный крутой участок

выходных характеристик полевого транзистора?

5. Объясните принцип работы МДП-транзистора с индуцированным и встроенным каналами.

6. Как отличить по виду статистических характеристик полевой транзистор с управляющим p-n переходом от транзистора с изолированным затвором?

7. Чем ограничиваются в полевых транзисторах максимальные рабочие токи и напряжения?

8. Как влияет температура на статические характеристики полевого транзистора?

9. Почему при повышении частоты входного сигнала уменьшается усиление полевого транзистора?

10. Какие существуют способы улучшения частотных свойств полевого транзистора?

11. Сравните частотные свойства полевых и биполярных транзисторов.