Полевые транзисторы, их принцип действия и разновидности

Транзистор, как усилительный элемент, схема усилителя назначение элементов схемы.

Статистический и динамический режимы работы транзистора, характеристики транзистора при работе в статистическом и динамическом режимах.

Статический режим работы - на транзистор подаются постоянные токи или напряжения. В основном служит для расчёта рабочей точки транзистора (чтобы транзистор работал как усилитель, его надо сместить в рабочую точку, то есть в точку, в которой он не заперт и не в насыщении, и способен усиливать подаваемый на него небольшой сигнал переменного тока).
Ещё статический режим применяется для расчёта ключевых схем, когда транзистор либо заперт, либо в насыщении.

Динамический режим работы транзистора - во входном сигнале берётся лишь переменная составляющая, и рассматривается работа транзистора (уже смещённого в рабочую точку) лишь в отношении переменной составляющей сигнала.

Транзи́стор - полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.)

Усилителями называют устройства, позволяющие преобразовывать малые входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на выходе. Это преобразование происходит за счет энергии источника питания.

Усилители находят применение при измерениях неэлектрических величин, контроле и автоматизации производственных процессов, в системах управления, в радиотехнических устройствах и т. п.

В качестве усилительного элемента в современных усилительных устройствах используются преимущественно биполярные и полевые транзисторы.

При работе транзистора в качестве усилителя эмиттерный переход включают в прямом направлении, т. е. он открыт (p-n переход узкий), а коллекторный включают в обратном направлении, т.е. он закрыт(p-n переход широкий). Работа p-n-p транзистора в активном режиме и включённого в схеме с общей базой показана на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Распределение токов в p-n-p транзисторе.

Источник питания Е_бэ подключён к эмиттерному переходу в прямом напряжении (плюсом к эмиттеру) и через эмиттерный переход проходит прямой ток. При этом из эмиттера в базу инжектируются дырки, а из базы в эмиттер – электроны. То есть ток эмиттера состоит из двух составляющих: электронной и дырочной:

I_Э=I_{Э диф}=I_Эр+I_Эn=I_ЭБО[exp(E_ЭБ/φ_Т)-1]

Так как p_э»n_б (эмиттер легирован значительно сильнее базы), то дырочная составляющая тока эмиттера оказывается много больше электронной составляющей I_Эp»I_Эn, которая замыкается через цепь базы и не может участвовать в создании тока коллектора. Поэтому её и стремятся сделать по возможности малой. Отношение

γ=I_Эр /I_Э=I_Эр /(I_Эр+I_Эn)=1/(1+I_Эn /I_Эр)

называется коэффициентом инжекции (или эффективностью эмиттера).

Коэффициент инжекции близок к единице: γ =0,98-0,995. Инжектированные из эмиттера дырки в базе оказываются неосновными носителями, и они двигаются главным образом за счёт диффузии, стремясь равномерно распределиться по всему объёму базы. Так как толщина базы мала, большинство дырок не успевает рекомбинировать в ней и достигает коллекторного перехода. Но некоторое количество дырок всё же успевает рекомбинировать с электронами проводимости в базе, тем самым, вызывая дополнительный приток электронов в базу из внешней цепи. Это обусловливает разделение дырочной составляющей тока эмиттера:

I_Эp=I_ку+I_Эpeк, I_ку – управляемая часть тока эмиттера, замыкающаяся через коллекторную цепь (рис.3.5) и определяемая дырками, дошедшими до коллекторного перехода; I_эрек – рекомбинационная составляющая тока эмиттера,которая замыкается через цепь базы и характеризует потери инжектированных дырок. Отношение ξ=I_ку/I_эр=I_ку/(I_ку+I_эрек)

называется коэффициентом переноса. В основном рекомбинация происходит в пассивной области базы, но у правильно сконструированного кристалла I_эр» I_эрек и поэтому коэффициент переноса близок к единице: ξ=0,988-0,995.

Итак, у бездрейфового транзистора при обычном его режиме работы значения γ и ξ близки к единице. Поэтому и отношение

h_21б=I_ку/I_э=(I_ку/I_эр)(I_эр/I_э)=ξγ

называемое интегральным коэффициентом передачи тока эмиттера также оказывается близким к единице: h_21б=0,95-0,99. Этот коэффициент показывает, какая часть тока эмиттера замыкается через коллекторную цепь, а также характеризует управляющие свойства транзистора. Вблизи коллекторного перехода поток дырок попадает под действие электрического поля этого обратносмещённого перехода, что вызывает быстрый дрейф дырок через коллекторный переход в область коллектора (их экстракцию). В коллекторе дырки становятся основными носителями зарядов, они легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора. Нужно сказать, что при подключении обратного коллекторного напряжения происходит увеличение потенциального барьера и толщины коллекторного перехода, который увеличивается за счёт области базы. В коллекторной цепи (при отсутствии тока эмиттера, т.е. I_э=0) появляется слабый ток обратно включённого p-n перехода. Этот ток называют обратным током коллектора и обозначают I_кбо. Он в основном определяется концентрацией неосновных носителей (дырок) в базе, т.к. при р_к»р_б, концентрация неосновных носителей в коллекторе оказывается пренебрежимо малой.

Сопротивление обратносмещённого коллекторного перехода очень велико – несколько МегаОм и более. Поэтому в цепь коллектора можно включать весьма большие сопротивления нагрузки, не изменяя величину коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность. Сопротивление прямосмещённого эмиттерного перехода, напротив весьма мало (при токе 1mA оно составляет около 25Ом). Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается несравненно меньше, чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор способен усиливать мощность, т.е. является усилительным прибором.

Полевой транзистор – это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа – электронной.

1. Полевые транзисторы с управляющим р-n- переходом

1.1 Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с управляющим р-n- переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении.

Рисунок 1 – Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (каналом n- типа)

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.

Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором.

Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток р-n- перехода, получается во много раз меньше, чем у германия.

Условные обозначения полевых транзисторов с каналом n- и р- типов приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа (а), каналом р- типа (б)

Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рисунке 1. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратным для обоих р-n- переходов. Ширина р-n- переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения Uси, то силой тока стока Iс, протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р-n- переходом.

При напряжении Uзи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим.

Ток стока Iс нач при Uзи = 0 называют начальным током стока.

Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки Uзи отс.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором

2.1 Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП - транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП - транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

Рассмотрим особенности МДП - транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рисунке 3, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

Рисунок 3 – Конструкция МДП - транзистора со встроенным каналом n- типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда – электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.

При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси > 0), протекает ток стока Iс нач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n- типа показана на рисунке 4, а

Рисунок 4 – Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n-типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р- типа и на одном из р-n- переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Дата добавления: 2015-05-06