Типы полевых транзисторов и принцип действия

В полевых (униполярных) транзисторах в отличие от биполярных используется метод управления процессами в полупроводниковых приборах с помощью электрического поля. Обладая усилительными свойствами, полевые транзисторы являются униполярными полупроводниковыми приборами, так как протекание тока в них обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака в продольном электрическом поле через управляемый канал р- или п-типа. Управление током через канал осуществляется поперечным электрическим полем (а не током, как в биполярных транзисторах), о чём свидетельствует сам термин "полевые транзисторы". Таким образом, принцип работы полевого транзистора в общих чертах основан на том, что изменение напряженности поперечного электрического поля изменяет проводимость канала, по которому проходит ток выходной цепи.

В устройствах промышленной электроники применяют два типа транзисторов, отличающихся друг от друга принципом действия: а) с затвором в виде р-п-перехода (с р-n-переходом); б) с изолированным затвором (МДП-транзисторы). МДП-транзисторы подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Повышенный интерес к этим приборам обусловлен их высокой технологичностью, хорошей воспроизводимостью требуемых параметров, а также меньшей стоимостью по сравнению с биполярными транзисторами. Из электрических параметров полевые транзисторы отличает их высокое входное сопротивление.

2.3.2 Принцип действия транзистора с р-n-переходом

Анализ работы полевого транзистора с р-п-переходом проведем на его модели, показанной на рисунке 2.19, а. Канал протекания тока транзистора представляет собой слой полупроводника n-типа, заключенный между двумя р-п-переходами. Канал имеет контакты с внешними электродами прибора.

Электрод, от которого начинают движение носители заряда (в данном случае, электроны), называют истоком, а электрод, к которому они движутся - стоком. Полупроводниковые слои р-типа, образующие с n-слоем два р-п-перехода, созданы с более высокой концентрацией примеси, чем п-слой. Оба р-слоя электрически свя заны между собой и имеют общий

Рисунок 2.19. Конструкция полевого транзистора с p-n-переходом и схемные обозначения

внешний электрод, называемый затвором. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом р-типа. Условные обозначения полевых транзисторов с каналами п- и р-типов приведены на рисунке 2.19, б, в.

Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рисунке 2.19, а. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение U_зи является обратным для обоих р-п-переходов. В выходную цепь, в которую входит канал транзистора, включается напряжение U_си положительным полюсом к стоку.

Управляющие свойства транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения U_зи изменяется ширина его р-п-переходов, представляющих собой участки полупроводника, обедненные носителями заряда. Поскольку р-слой имеет большую концентрацию примеси, чем n-слой, изменение ширины p-n-переходов происходит в основном за счет более высокоомного п-слоя (эффект модуляции ширины базы). Тем самым изменяются сечение токопроводящего канала и его проводимость, т. е. выходной ток I_с прибора.

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение U_зи, так и напряжение U_cи. Влияние подводимых напряжений на проводимость канала иллюстрирует рисунок 2.20, а - в, где для простоты не показаны участки n-слоя, расположенные вне р-п-переходов.

На рисунке 2.20, а внешнее напряжение приложено только к входной цепи транзистора. Изменение напряжения U_зи приводит к изменению проводимости канала за счет изменения его сечения по всей длине канала. Но выходной ток I_с = 0, поскольку U_си = 0.

а - U_зи ≤ 0, U_си = 0; б - U_зи = 0, U_си ≥ 0; в - U_зи ≤ 0, U_си ≥ 0

Рисунок 2.20 - Поведение полевого транзистора с р-п-переходом и каналом п-типа при подключении внешних напряжений

Рисунок 2.20, б иллюстрирует изменение сечения канала при воздействии только напряжения U_си (U_зи = 0). При U_си > 0 через канал протекает ток I_с, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока.

Суммарное падение напряжения участка исток - сток равно U_си. В силу этого потенциалы точек канала n-типа будут неодинаковыми по его длине, возрастая в направлении стока от нуля до U_си. Потенциал же точек р-области относительно истока определяется потенциалом затвора относительно истока и в данном случае равен нулю. В связи с указанным, обратное напряжение, приложенное к р-п-переходам, возрастает в направлении от истока к стоку и р-п-переходы расширяются в направлении стока. Данное явление приводит к уменьшению сечения канала от истока к стоку (рисунок 2.20, б). Повышение напряжения U_си вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечений, и, как следствие, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении U_си происходит сужение канала, при котором границы обоих р-п-переходов смыкаются (рисунок 2.20, б) и сопротивление канала становится высоким.

На рисунок 2.20, в отражено результирующее влияние на канал обоих напряжений U_зи и U_си. Канал показан для случая смыкания р-п-переходов.

Рассмотрим вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с затвором в виде p-n-перехода. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт-амперных характеристик: стоковые и стоко-затворные.

Стоковые (выходные, статические) характеристики полевого транзистора с р-п-переходом и каналом п-типа показаны на рисунке 2.21. Они отражают зависимость тока стока от напряжения сток - исток I_c = F (U_cи) при фиксированном напряжении затвор – исток (U_зи = const) и представляются в виде семейства кривых. На каждой из этих кривых можно выделить три характерные области: I - сильная зависимость тока I_c от напряжения U_cи (начальная область); II - слабая зависимость тока I_c от напряжения U_cи; III - пробой р-п-перехода.

Рассмотрим выходную характеристику полевого транзистора при
U_зи = 0 (см. рисунок 2.20, б). В области малых напряжений U_cu (участок 0 - а) влияние напряжения U_cu на проводимость канала незначительно, в связи с чем здесь имеется практически линейная зависимость I_c = F (U_cи).

По мере увеличения напряжения U_cu (участок а - б) сужение токопроводящего канала оказывает все более существенное влияние на его проводимость, что приводит к уменьшению крутизны нарастания тока. При подходе к границе с участком II (точка б) сечение токопроводящего канала уменьшается до минимума в результате смыкания обоих р-п-пepeходов. Дальнейшее повышение напряжения на стоке не должно приводить к увеличению тока через прибор, так как одновременно с ростом напряжения U_cu будет увеличиваться сопротивление канала. Некоторое увеличение тока I_c на экспериментальных кривых объясняется наличием различного рода утечек и влиянием сильного электрического поля в р-п-переходах, прилегающих к каналу.

Участок III резкого увеличения тока I_c характеризуется лавинным пробоем области р-п-переходов вблизи стока по цепи сток - затвор. Напряжение пробоя соответствует точке в. Приложение к затвору обратного напряжения вызывает сужение канала (см. рисунок 2.20, а) и уменьшение его исходной проводимости.

Рисунок 2.21 - Семейство стоковых (выходных) характеристик полевого транзистора с р-п-переходом и каналом п-типа

Поэтому начальные участки кривых, соответствующих большим напряжениям на затворе, имеют меньшую крутизну нарастания тока (рисунок 2.21). Ввиду наличия напряжения U_зи перекрытие канала объемным зарядом р-п-переходов (см. рисунок 2.20, в) происходит при меньшем напряжении и границе участков I и II будут соответствовать меньшие напряжения сток - исток. Напряжениям перекрытия канала соответствуют абсциссы точек пересечения стоковых характери-

стик с пунктирной кривой, показанной на рисунке 2.21. При меньших напряжениях наступает и режим пробоя транзистора по цепи сток - затвор.

Важным параметром полевого транзистора является напряжение на затворе, при котором ток стока близок к нулю. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или отсечки (U_зи0). Числовое значение U_зи0 равно напряжению U_cи в точке б вольт-амперной характеристики при U_зи = 0.

Поскольку управление выходным током полевых транзисторов производится напряжением входной цепи, для них представляет интерес так называемая переходная или стоко-затворная вольт-амперная характеристика. Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока стока от напряжения затвор - исток I_c= F(U_зи) при фиксированном напряжении сток - исток: (U_си = const). Примерный вид этой характеристики показан на рисунке 2.22. Стоко-затворная характеристика связана с выходными характеристиками полевого транзистора и может быть построена по ним.

Основными параметрами полевого транзистора являются: максимальный ток стока I_{c max}, максимальное напряжение стока U_{cи max}, напряжение отсечки U_зи0, внутреннее сопротивление r_i, крутизна S, входное сопротивление r_вх, а также межэлектродные емкости затвор - исток С_зи, затвор - сток С_зс и сток исток С_си.

Максимальное значение тока стока I_{c max} соответствует его значению в точке в (см. рисунок 2.21) на выходных характеристиках (при U_зи = 0). Максимальное значение напряжения сток - исток (U_{cи max} выбирают в 1,2…1,5 раза меньше напряжения пробоя участка сток - затвор при U_зи = 0. Напряжению отсечки U_зи0 соответствует напряжение на затворе при токе стока, близком нулю. Внутреннее сопротивление

Рисунок 2.22 - Стоко-затворная характеристика полевого транзистора с
p-n-переходом и каналом п- типа

транзистора характеризует наклон выходной характеристики на участке II (см. рисунок 2.21). Крутизна стоко-затворной характеристики

отражает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора. Крутизну S находят по стоко-затворной характеристике прибора (см. рисунок 2.22). Входное сопротивление r_вх = dU_зи / dI_з транзистора определяется сопротивлением р-п-переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-п-переходом довольно велико, что выгодно отличает их от биполярных транзисторов. Межэлектродные емкости С_зи и С_зс связаны главным образом с наличием в приборе р-п-переходов (см. рисунок 2.19), примыкающих соответственно к истоку и стоку.

Полевые транзисторы с р-n-переходом выпускаются на токи I_c до
50 мА и напряжения до 50 В. Типичные значения параметров этих транзисторов: U_зи0 = 0,8…10 В, r_i = 0,02…0,5 МОм, S = 0,3…7,0 мА/В,
r_вх= 10⁸…10⁹ Ом, С_зи = С_си = 6…20 пФ, С_зс = 2…8 пФ.

Влияние температуры на характеристики и параметры рассматриваемого класса транзисторов обусловливается температурными зависимостями контактной разности потенциалов φ₀ и подвижности носителей заряда (электронов или дырок).

Величина φ₀ фактически является одной из составляющих напряжения обратно смещенных р-п-переходов. Изменение φ₀ в зависимости от температуры приводит к изменению напряжения на переходах и их ширины, а следовательно, к изменению сечения токопроводящего канала и его проводимости. С ростом температуры контактная разность потенциалов φ₀ уменьшается, что сказывается на увеличении сечения канала и повышении его проводимости.

Влияние температуры на характеристики и параметры полевых транзисторов достаточно сложное и по-разному проявляется в конкретных типах приборов этого класса. Температурные зависимости характеристик и параметров приводятся в справочниках.

Рисунок 2.23 - Схема замещения полевого транзистора с р-п-переходом для высоких и низких частот

Схема замещения полевого транзистора с р-п-переходом показана на рисунке 2.23, а. Она характеризует работу транзистора на участке II выходных характеристик (см. рисунок 2.21) для переменных составляющих тока и напряжения. При ее построении были использованы следующие соображения.

Ток прибора на участке II

определяется напряжением на затворе (входе) и крутизной, в связи с чем в выходную цепь схемы замещения введен источник тока SU_вх. Параллельно источнику тока включено сопротивление r_i , учитывающее влияние напряжения стока на ток прибора. Величины С_зи, С_зс, С_си отражают влияние межэлектродных емкостей на работу транзистора в области высоких частот. Для области низких частот схема замещения полевого транзистора принимает вид, показанный на рисунке 2.23, б.