Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом
Классификация полевых транзисторов
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Контрольные вопросы
1) Какие типы транзисторов существуют? Показать структуру транзистора.
2) Показать три схемы включения транзистора.
3) Дайте определение коэффициенту усиления по току транзистора.
4) Изобразите входную и передаточную характеристику транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.
5) Изобразите семейство выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.
6) Что такое рабочая точка транзистора?
7) Перечислите динамические параметры транзистора.
8) Дайте определение динамическим параметрам транзистора.
9) Приведите формулы для расчета динамических параметров транзистора.
10) Покажите зависимость коэффициента усиления транзистора от тока коллектора.
11) Приведите формулу Эберса-Молла.
12) Что такое эквивалентная схема транзистора?
13) Какие достоинства и недостатки эквивалентных схем основанных на представлении транзистора четырехполюсником?
14) Нарисуйте эквивалентную схему транзистора в виде четырехполюсника.
15) Какие величины выбираются зависимыми, а какие независимыми при выводе уравнений транзистора в y и h параметрах?
16) Перечислите особенности уравнений транзистора в y параметрах.
17) Напишите уравнения транзистора в y и h параметрах.
18) Дайте определение y и h параметры.
19) Какой физический смысл y и h параметров?
20) Нарисуйте схему замещения транзистора в y параметрах.
21) Как экспериментально получить зависимость IК(UКЭ)?
22) Как экспериментально получить характеристику IБ(UБЭ)?
23) В каких пределах может находиться UКЭ транзистора, работающего в линейном режиме (в режиме малого сигнала)?
24) Чему равно UБЭ?
25) С какой целью используется сопротивление RП?
26) Дать определение S, rКЭ, rбЭ.
27) Как экспериментально определить S, rКЭ, rбЭ.
Полевыми транзисторами называются полупроводниковые элементы, которые в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем, т.е. практически без затрат мощности управляющего сигнала.
Существуют две большие группы полевых транзисторов:
- полевые транзисторы с управляющим p – n переходом (JFET – Junction Field Effect Transistor), в которых изоляция канала от источника управляющего напряжения обеспечивается обратно смещенным p – n переходом;
- полевые транзисторы с МОП (металл – оксид - полупроводник) или МДП (металл – диэлектрик - полупроводник) структурой. Зарубежное обозначение MOSFET (или сокращенно MOS). В этих транзисторах изоляция канала от управляющего электрода обеспечивается с помощью диэлектрика (двуокиси кремния).
МОП – транзисторы бывают двух видов: со встроенным (созданным технологически) каналом и с индуцированным (создается внешним электрическим полем) каналом. Все типы транзисторов могут быть как n – канальные, так и p – канальные. Классификация и условные графические изображения транзисторов приведены на рис.5.1.
В системе моделирования MicroCAP транзисторы с управляющим p – n переходом обозначаются как NJFET и PJFET, МОП – транзисторы как NMOS и PMOS. В MicroCAP не делается различие между МОП транзисторами со встроенным и индуцированным (наведенным) каналом. Отличить один тип транзистора от другого можно по величине напряжения отсечки или пороговому напряжению – параметр VTO полевого транзистора. DNMOS и DPMOS – это МОП транзисторы с индуцированным каналом, у которых подложка соединена с истоком.
ЗатворЗ (G – gate) – управляющий электрод. Он управляет величиной сопротивления между стоком С (D - drain) и истокомИ (S - source). Управляющим напряжением является напряжение Uзи. Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т.е. их свойства не изменяются, если электроды С и И поменять местами.
Рассмотрим сначала работу полевого транзистора с управляющим р – n переходом. Полевой транзистор с управляющим p – n переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от которого сделаны два вывода – сток – исток рис.5.2. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод – затвор. Для включения транзистора напряжение Uси прикладывают так, чтобы между стоком и истоком протекал ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает его в обратном направлении (рис.5.3).
Сопротивление области сток – исток (канала) зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему отрицательного обратного напряжения на затворе. Это приводит к увеличению сопротивления канала. Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p – n - переходом основана на изменении сопротивления канала сток – исток за счет изменения обратного напряжения Uзи. Напряжение Uзи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения тока стока, называется напряжением отсечки полевого транзистора – Uзи отс.
Ширина p – n перехода, следовательно, и сопротивление канала зависит от тока, протекающего через канал. Если Uси > 0, то ток стока, создает по длине канала падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор – канал, это приводит к уменьшению проводимости канала (к увеличению сопротивления). По мере роста Uси ток стока как функция напряжения сток – исток, все сильнее отклоняется от линейной. При определенном значении тока наступает режим насыщения, который характеризуется, тем, что с увеличением Uси ток стока (канала) увеличивается незначительно.
Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения.
Характеристики полевого транзистора с управляющим p – n – переходом показаны на рис.5.4.
Качественно характеристики полевого транзистора подобны характеристикам биполярного транзистора. При этом сток полевого транзистора соответствует коллектору, затвор - базе и исток – эмиттеру биполярного транзистора. Так как входной ток полевого транзистора практически равен 0, то входная характеристика не строится.
Из передаточной характеристики видно, что ток стока транзистора протекает при напряжении Uзи = 0. Такие транзисторы называются нормально-открытыми. Значение тока стока при Uзи = 0 называется начальным током стока IC нач. Его величина для маломощных полевых транзисторов может быть равна IC нач = 1, …, 50 мА. Напряжение Uзи не должно превосходить величины 0 В, т.к. в противном случае p – n переход между затвором и каналом смещается в прямом направлении, и транзистор будет потреблять большой входной ток, при этом теряется основное преимущество полевого транзистора – возможность управления напряжением, а не током.
Напряжение Uзи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называется напряжением отсечкиполевого транзистора. Для n – канальных транзисторов напряжение отсечки отрицательное, а для p – канальных положительное. Величина напряжения отсечки составляет |Uотс| = 0,5 … 5 В.
В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить три области.
Область I – крутая область – может использоваться как омическое управляемое сопротивление. При этом напряжение между стоком и истоком относительно мало.
Область II называется пологой или областью насыщения. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом (в области насыщения) участке характеристик. В III области происходит пробой транзистора.
Как уже отмечалось, напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Как видно из выходных характеристик, напряжение насыщения меняется при изменении напряжения Uзи. Так как влияние Uзи и Uси на ширину канала у стокового вывода практически одинаково, то Uси нас при Uзи = 0 равно |Uотс| и
Uси нас = |Uзи отс| - |Uзи|.
Другими словами, напряжения насыщения транзистора можно получить путем наложения передаточной характеристики на выходные характеристики и смещая Uотс в начало координат.
При работе в пологой области передаточная характеристика полевого транзистора, представленная на рис.5.4 и может быть описана уравнением
 ,
| (5.1) |
где Ic нач – начальный ток стока.
Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики
при Uси = const.
Продифференцировав выражение (5.1) получим формулу для вычисления крутизны транзистора
 ,
| (5.2) |
Максимальное значение крутизны транзистора достигается при Uзи = 0
 ,
| (5.3) |
Максимальная крутизна полевого транзистора составляет Smax = 2, …, 20 мА/В.
Можно отметить, что при равных токах стока полевого и коллектора биполярного транзисторов крутизна полевого транзистора существенно ниже, чем биполярного.