Польовий транзистор з p-n переходом.

 

У польових транзисторах, управління потоком основних носіїв заряду здійснюється у області напівпровідника, званої каналом, шляхом зміни його поперечного перетину за допомогою електричного поля. Польовий транзистор має наступні три електроди: витік, через який в n канал втікають основні носії; стік, через який вони витікають з каналу, і затвор, призначений для регулювання поперечного перетину каналу. В даний час існує безліч типів польових транзисторів, які у ряді пристроїв працюють ефективніше, ніж біполярні. Перевагою польових транзисторів є також і те, що асортимент

напівпровідникових матеріалів для їх виготовлення значно ширше (оскільки вони працюють тільки з основними носіями заряду) дякуючи чому можливо створення, наприклад, темпера -туростойких приладів. Велике значення також мають низький рівень шумів і високий вхідний опір цих транзисторів. На рисунку 4.1 приведена схема включення польового транзистора.

У вхідний ланцюг включене джерело зворотного зсуву UЗИ на p-n переході між затвором і каналом. Вихідний ланцюг складається з джерела постійної напруги UСИ плюсом сполученого до стоку. Витік є загальною точкою схеми. Контакти витоку і стоку не випрямляють. Канал може мати электропроводимость, як p-типа, так і n-типа; оскільки nm_>pm вигідніше застосовувати n-канал. Затвор виконують у вигляді напівпровідникової області p+^-типа.

Польовий транзистор працює таким чином. При отсут-

Рисунок 4.1 ПТ з p-n переходом, що управляє.

ствии напруги на вході основні носії заряду - електрони під дією прискорюючого електричного нуля в каналі (E = 105104 В/см) дрейфують в напрямі від витоку до стоку, тоді як p-n перехід для них замкнутий. Струм IС, що створюється цими електронами, визначається як напругою стоку UСИ, так і опором каналу. Останнє залежить від поперечного перетину каналу, який обмежується p-n переходом (заштрихована область). Оскільки потенціал електричного поля лінійно зростає від витоку до стоку уздовж каналу, товщина p-n переходу мінімальна поблизу витоку і максимальна поблизу стоку, і канал звужується уздовж p-n переходу від стоку до витоку. Таким чином, найбільшим опором канал володіє в найбільш вузькій своїй частині.

Якщо в результаті подачі до затвора змінної напруги сигналу результуюча зворотна напруга на затворі UЗИ підвищаться, то товщина p-n переходу по всій його довжині збільшиться, а площа перетину каналу і, отже, струм в ланцюзі стоку зменшуються. На рисунку 4.2,а зображена характеристика

 

а)	б)
Рисунок 4.2 Характеристики прямої передачі (а) і вихідні (б) ПТ з p-n переходом, що управляє.

 

прямої передачі IС =f(UЗИ). Вказаний ефект буде тим сильніше, чим більший питомий опір матеріалу напівпровідника, тому польові транзистори виконують з високоомного матеріалу. При великих зворотних напругах на затворі U_ЗИ0 перетин каналу в його вузькій частині стане рівним нулю і струм через канал припиниться. Такий режим називається режимом відсічення. Характеристика прямої передачі добре описується формулою

(3.40)

Па рисунку 4.2,б зображене сімейство статичних вихідних характеристик IС =f(UСИ) при різних значеннях напруги затвора UЗИ. Кожна характеристика має дві ділянки - омічний (для малих UСИ) і насичення (для великих UСИ). При UЗИ = 0 із збільшенням напруги UС струм IС спочатку наростає майже лінійно, проте далі характеристика перестає підкорятися закону Ома; струм IС починає рости поволі, бо його збільшення приводить до підвищення падіння напруги в каналі і потенціалу уздовж каналу. Внаслідок цього збільшуються товщина замикаючого шару і опір каналу, а також сповільнюється зростання самого струму IС. При напрузі насичення UСИ = U_ЗИ0 перетин каналу наближається до нуля і зростання IС припиняється.

Наступна характеристика, знята при деякій зворотній напрузі затвора UЗИ, коли замикаючий шар має велику товщину при тих же значеннях UСИ, буде пологішою на початковій ділянці і насичення наступить раніше (при менших значеннях U^СИ=U_ЗИ0 -UЗИ).

Температурна залежність струму витоку пов'язана із зміною рухливості основних носіїв, заряду в матеріалі каналу. Для кремнієвих транзисторів крутизна S зменшується із збільшенням температури. Крім того, з підвищенням температури збільшується власна провідність напівпровідника, зростає вхідний струм IЗ низок перехід і, отже, зменшується RВХ. У польових кремнієвих транзисторів з p-n переходом при кімнатній температурі струм затвора близько 1 нА. При збільшенні температури струм подвоюється на кожні 10°С.

Особливість польових транзисторів полягає в наявності у них термостабільної крапки, тобто крапки, в якій струм стоку практично постійний при різних температурах (рисунок 4.3). Це пояснюється таким чином.

 

При підвищенні температури із-за зменшення рухливості носії питома провідність каналу зменшується, а отже, зменшується і струм стоку. Одночасно скорочується ширина p-n переходу, розширюється провідна частина каналу і збільшується струм. Перше позначається при великих струмах стоку, друге при малих. Ці два протилежні процеси при певному виборі робочої крапки можуть взаємно компенсуватися. При правильному виборі її положення основної

Рисунок 4.3 Залежність характеристик прямої передачі від температури.

причиною дрейфу струму стоку може бути високоомний резистор в ланцюзі залежно від температури змінюватиметься падіння напруги по вхідному ланцюгу, яке змінить робочий струм стоку.

Основним параметрам, використовуваним при розрахунку підсилювального каскаду з польовим транзистором, є статична крутизна характеристики прямої передачі, тобто відношення зміни струму стоку до напруги між затвором і витоком:

Диференціальний вихідний опір тут визначається як

Ом .

Воно складає, приблизно десятки — сотні кілоомів. Статичний коефіцієнт посилення по напрузі m=DUСИ/DUЗИ =S'R_i.

Визначення параметрів по характеристиках дане в 4.

Междуелектродниє ємності затвор-витік СЗИ затвор-стік СЗС і стік-витік ССИ. Для малопотужних транзисторів СЗИ=3 пФ, СЗС=2 пФ і ССИ=0,2 пФ.

Струм затвора у вхідному ланцюзі тріода IЗ —обратный струм, що створюється неосновними носіями через p-n перехід, надзвичайна малий (близько 10-9 А і менш). Тому вхідний опір польового транзистора RВ_Х=UDЗ/IDЗ дуже високе (близько декількох мегомів), вхідна ж ємність мала, оскільки перехід знаходиться під зворотною напругою. Цими якостями польовий транзистор вигідно відрізняється від біполярних транзисторів з двома p-n переходами. При роботі польового транзистора на високих частотах основне значення має ємність СЗИ. Максимальна робоча частота визначається постійному часу вхідному ланцюгу f=1/2RpCЗИ, де R - опір каналу, через який заряджає ємність. Аналіз показує, що по частотних властивостях польовий транзистор не має особливих переваг перед біполярним. Практично були здійснені польові транзистори з максимальною частотою генерації до 30 ГГц. Але з погляду швидкодії польовий транзистор перевершує біполярний, оскільки працює на основних носіях заряду за відсутності їх накопичення.

У імпульсному режимі надзвичайно корисною гідністю польового транзистора є майже повна відсутність залишкової напруги і ланцюга каналу у включеному стані. Закритий польовий транзистор чинить опір постійному струму між стоком і витоком більше 108 Ом.

Польові транзистори з p-n переходом доцільно застосовувати у вхідних пристроях підсилювачів при роботі від високоомного джерела сигналу, в чутливій по струму вимірювальній апаратурі, імпульсних схемах, регуляторах рівня сигналу і т.п.