Запомнить!!! Полевые транзисторы управляются напряжением, биполярные током

В литературе полевые транзисторы определяются тремя терминами:

1. На основе принципа управления – полевые

2. Вследствие того, что перенос тока обеспечивается одним типом носителей заряда – униполярными.

3. Выходные параметры таких приборов в основном определяются свойствами канала, поэтому они называются еще канальными приборами.

Токопроводящие каналы могут быть:

1. приповерхностные (с изолированным затвором) в литературе они называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник).

2. объемные (с управляемым p-n переходом)

Металлический электрод, создающий эффект поля называется затвор (З), два других исток (И) – источник носителей заряда и сток (С) – приемник носителей заряда.

Условное обозначение

По аналогии с биполярными транзисторами в полевых могут быть схемы с общим истоком (ОИ, аналог ОЭ), общим стоком (ОС, аналог ОК) и общим затвором (ОЗ, аналог ОБ).

Принцип работы полевого транзистора с объемным каналом

Площадь поперечного сечения канала меняется за счет изменения площади обедненного слоя обратно смещенного p-n перехода.

На рисунке изображена схема с ОИ и с п -каналом

Концентрация дырок много больше концентрации электронов: N_p>>N_n

На затвор подается обратное напряжение U₃ (в данном случае отрицательное). Имеем обратно смещенный p-n переход, то есть имеющий большую ширину, большой объемный заряд и напряжение на краях п-р перехода, а т.к. N_p>>N_n, то почти вся область перехода находится в n -части транзистора.

При увеличении модуля напряжения на затворе │U₃│ величина объемного заряда, т.е. глубина обедненного слоя – d возрастает, а токопроводящее сечение канала b сужается. При этом увеличивается сопротивление канала, следовательно ток стока (I_c) уменьшается. Т.к. напряжение U₃ – обратное, то входной ток ничтожно мал (см. ВАХ диода), поэтому в первом приближении можно предположить, что входной ток равен нулю.

При определенном значении U₃=U_3отс (отсечки) токопроводящий канал полностью перекроется и I_c=0.

При U₃ >U_3отс между истоком и стоком появляется проток шириной b, уменьшается сопротивлении канала и происходит падение напряжения между истоком и стоком U_си. Это напряжение складывается с U₃, по мере приближения к стоку и приводит к увеличению напряжения на обратносмещенном p-n переходе, т.е. к сужению канала при приближении к истоку и росту тока стока I_c. Рост I_c приводит к увеличению падения напряжения на канале, следовательно к уменьшению его ширины и уменьшению I_c. Уменьшение I_c приводит к уменьшению падения напряжения и к увеличению канала, а следовательно к увеличению I_c. После некоторых колебаний устанавливается динамическое равновесие при котором напряжение сток-исток равно напряжению сток-исток насыщения: U_си =U_{си нас} и ток стока равен току стока насыщения I_с=I_{с нас}.

ВАХ ПТ с объемным каналом

Так как в этих транзисторах практически отсутствует I₃, то входная характеристика не имеет практического применения.

В полевых транзисторах строятся переходные или управляющие и выходные характеристики.

Управляющая характеристика Выходная характеристика

Управляющая характеристика снимается при фиксированном значении U_cи, определяет U_{зи отс} и I_{с. max} при заданном U_cи, а так же степень управляемости транзистора, т.е. какое приращение напряжения затвор-исток ∆ U_зи на сколько увеличивает ток стока I_c.

Выходная характеристика снимается при U_зс=const. По характеристикам видно, что полевой транзистор так же нелинейный управляемый элемент, но в отличии от биполярного транзистора не имеет участка одинакового сопротивления. С уменьшением напряжения затвор-исток U_зи крутизна ВАХ уменьшается, следовательно растет выходное сопротивление R_вых, а значит оно зависит от управляющего напряжения

Изменение I_c при увеличении U_cи происходит до некоторого значения напряжения насыщения U_{cи нас}, где U_{cи нас}=U_зи - U_{зи отс}. Дальше ток стока остается постоянным до достижения напряжения пробоя:

I_c = const до U_{cи нас}=U_{си проб}.

По этим характеристикам можно определить выходное сопротивление R_вых и коэффициент усиления по напряжению k_u. Входное сопротивление и коэффициент усиления по току не определяются так как если входной ток равен нулю, то, по закону Ома, входное сопротивление равно бесконечности и коэффициент усиления по току так же равен бесконечности

МДП-транзисторы

Здесь управляющая цепь затвор – исток отделена от канала слоем диэлектрика. Обычно в качестве диэлектрика используется оксид кремния SiO₂, поэтому их еще называют МОП транзисторы.

Проводящий канал расположен между стоком и истоком и имеет повышенную концентрацию носителей заряда по отношению к исходному полупроводнику подложке. Проводимость канала изменяется с помощью цепи управления двумя способами.

1. За счет изменения геометрических размеров канала (транзисторы с индуцированным каналом).

2. За счет изменения концентрации носителей заряда (транзисторы с встроенным каналом).

В МДП транзисторах, в отличие от транзисторов с объемным каналом, на затвор подается прямое напряжение. Толщина оксидного слоя мала, в современных транзисторах до 0.1 мкМ, поэтому дырки из р -области отходят от оксидного слоя, образуя индуцированный канал. При напряжении затвора равном нулю, ток стока тоже равен нулю: U₃=0, I_c=0

Уменьшение тока на выходе МДП транзистора со встроенным каналом обеспечивается подачей на управляющий электрод – затвор напряжения U₃ того же знака, что и носители заряда в канале. Для р – канала U₃>0, для n – канала U₃<0. Такой режим вызывает обеднением канала носителями заряда, сопротивление канала увеличивается, ток стока уменьшается. Если изменять полярность U₃, то произойдет обогащение канала и увеличение I_c.

Т.о. МДП со встроенным каналом работают в режимах обеднения и обогащения, МДП с индуцированным каналом в режиме обогащения, полевой транзистор с управляемым p-n переходом в режиме обеднения.

С точки зрения эксплуатации:

МДП с индуцированным каналом при отсутствии напряжения заперт – нормально закрытый прибор.

МДП со встроенным каналом и полевой транзистор с управляемым p-n переходом – нормально открытый прибор, т.е. для поддержания закрытого состояния (I_c=0) в управляющую цепь необходимо подать обратное напряжение.

Если цепь внезапно отключается, то

В нормально закрытом приборе – цепь запирается,

В нормально открытом приборе – резко возрастает ток.

ВАХ МДП транзисторов

с индуцированным каналом.

со встроенным каналом

I_{c нач} – значение выходного тока при U_зп =0

при I_c<I_{с нач} – режим обеднения, полярности входного и выходного напряжения разные

I_с>I_{с нач} – режим обогащения, полярность U_вх и U_вых одинаковые.

Параметры полевых транзисторов

1. коэффициент усиления по напряжению

при I_с=const

2. крутизна

= милисименс при U_си=const,

3. дифференциальное выходное (внутреннее) сопротивление

при U_зи = const – сотни кОм

4. дифференциальное сопротивление участка затвор – сток

Все параметры связаны

Отличительные особенности полевых (ПТ) и биполярных (БТ) транзисторов

характеристики	БТ	ПТ
Входной ток	Iвх	Iвх → 0
инертность	больше	меньше
быстродействие	больше	меньше
КI, KU	больше	меньше
частотные свойства	лучше	хуже
температурная стабильность	хуже	лучше
технологичность	хуже	лучше
шумы	больше	меньше
Входное сопротивление	Rвх	Rвх ∞

Качества, выделенные жирным шрифтом обеспечивают использование МДП транзисторов в интегральных схемах на 90%, биполярные в этих схемах применяются для увеличения быстродействия.

Дата добавления: 2014-01-06