Полевые транзисторы

Полевые транзисторы – это управляемые элементы, особенностью которых является практически нулевая мощность управления в статическом состоянии. Это означает, что в отличие от биполярных транзисторов ток управления полевых транзисторов мал, и можно считать, что они управляются напряжением (электрическим полем). Отсюда название «полевые». Технология полевых транзисторов обеспечивает значительно бóльшую плотность элементов в 1 мм³, что позволяет создавать микросхемы огромной функциональной сложности (однокристалльные ЭВМ).

На полевых транзисторах выполняются цифровые устройства, не потребляющие энергии в статическом состоянии, т. е. с малым потреблением.

На полевых транзисторах, в силу их особенностей, удобно строить ключи переменного тока, в т. ч. и прецизионные аналоговые коммутаторы.

Мощные полевые транзисторы обладают значительно меньшим сопротивлением в открытом состоянии при работе в ключевом режиме, что обеспечивает более высокие значения КПД преобразователей энергии.

Кроме того, в полевых транзисторах отсутствует эффект диффузионной емкости и связанные с ним ограничения быстродействия, обусловленные эффектом насыщения.

К сожалению, крутизна управления у полевых транзисторов существенно меньше, чем у биполярных (особенно у маломощных приборов), т. е для переключения полевого транзистора требуются большие перепады управляющего напряжения. Это обстоятельство делает быстродействие цифровых ключей на полевых транзисторах существенно меньшим по сравнению с ключами на биполярных транзисторах.

Все это приводит специалистов к необходимости творческих решений проблемы приоритетов между полевыми и биполярными транзисторами в каждом конкретном случае.

По физике работы различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Наибольшее практическое применение, в силу удобства управления и высокой технологичности, нашли полевые транзисторы с изолированным затвором.

4.11. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом

Упрощенная конструкция этого транзистора с проводящим каналом n-типа изображена на рис. 4.22. Источник регулируемой энергии Е_си подключен к проводящему каналу между стоком (С) и истоком (И), образованным n-слоем p-n-перехода. Управляющее напряжение Е_зи прикладывается между затвором (З) и истоком запирающей для
p-n-перехода полярностью. Сопротивление проводящего канала сток-исток зависит от его длины, удельного сопротивления слоя n и площади поперечного сечения, определяемой шириной канала d.

При увеличении (относительно исходного нулевого) значения запирающего напряжения Е_зи ширина обедненной области p-n-перехода (заштриховано) увеличивается, а ширина проводящего n-канала уменьшается. В результате имеем функциональную зависимость

Рис. 4.22. Схематическое изображение полевого транзистора с управляющим p-n-переходом: а – каналом n-типа; б – условное графическое изображение

I_c=F(d, Е_си), d=f(Е_зи);

I_c=F(Е_зи, Е_си), (4.13)

подтверждающую управляемость тока стока.

В силу того, что управляющий p-n-переход находится в запертом состоянии, ток затвора, равный обратному току p-n-перехода, очень мал по величине и не является током управления, поскольку практически не зависит от напряжения Е_зи.

Так как проводимость канала определяется носителями одного типа (основными), то полевые транзисторы иногда называют униполярными приборами, а по наличию сквозного проводящего канала – канальными.

Опуская математические зависимости (4.13), с которыми можно ознакомиться в специальной литературе, рассмотрим их графические изображения. На рис. 4.23 приведены ВАХ полевого транзистора: а) сквозные (проходные) и б) выходные.

а б

Рис. 4 23. ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом:
а – сквозные (проходные); б – выходные

Проходная ВАХ характеризуется значениями I_с⁰ (ток стока при нулевом напряжении управления), U₀ (напряжение отсечки тока, при котором обедненная область p-n-перехода полностью перекрывает проводящий канал). На выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить две области: крутая область (слева от пунктира) и пологая область, или область насыщения.

Если рассмотреть напряжение, действующее на управляющем
p-n-переходе, то вблизи истока оно равно U_зи, а вблизи стока – (U_зи + U_си). При малых напряжениях U_си (меньше j_Т) зависимость I_с = f (U_си) почти линейная, и линейность сохраняется, если полярность напряжения U_сисменить на обратную. В этой области зависимость I_с от напряжений, приложенных к полевому транзистору, описывается следующим соотношением (4.13):

, (4.14)

где В – удельная крутизна [ ].

При увеличении напряжения U_си зависимость I_с= f (U_си) становится нелинейной. При (U_зи + U_си) ³ U_{зи отс}канал вблизи стока перекрывается и ток стока практически перестает зависеть от напряжения сток-исток (U_си).

При работе в пологой области характеристик ток стока при заданном напряжении U_зиописывается соотношением

, (4.15)

где I_{с нач} – ток стока при U_зи= 0 и U_си = U_{зи отс}.

Полевой транзистор в линейной области ведет себя как линейное сопротивление, величиной которого можно управлять, изменяя напряжение U_зи. Это свойство используется при построении линейных регуляторов сигнала (рис. 4.24). Недостаток таких аттенюаторов – малая амплитуда выходного напряжения (< j_Т). Для расширения диапазона выходных напряжений ½U_сипередается в цепь управления. Тогда

,

Рис. 4.24. Линейный аттенюатор на полевом транзисторе

и согласно (4.14) , т. е. зависимость I_с= f(U_си) линейная. На рис. 4.25 приведена схема, в которой реализована эта возможность. Сопротивление R >> R₁. Диапазон выходных напряжений расширяется на порядок и более.

В усилительных устройствах полевой транзистор работает на пологом участке характеристики.

Линеаризованное уравнение может быть получено для заданного режима покоя I_c^A, U_зи^А, U_си^А из (4.13):

, (4.16)

где – крутизна; – внутреннее (выходное) сопротивление.

Рис. 4.25. Линейный аттенюатор с расширенным диапазоном Uвых

Поскольку входная цепь (управления) – это обратно смещенный p-n-переход, то его характеристикой в линеаризованном виде является дифференциальное сопротивление

.

Линеаризованная электрическая модель на основании (4.16) изображена на рис. 4.26. Максимальные усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются внутренним коэффициентом усиления , который связан с крутизной и внутренним сопротивлением уравнением

m = S × r_i.

Рис. 4.26. Линеаризованная электрическая модель
полевого транзистора

Инерционность ПТ определяется конечным временем переноса носителей в области канала и наличием межэлектродных паразитных емкостей: входной – С_зи, выходной – С_си, проходной – С_зс. Первая часть описывается операторным представлением крутизны

,

где ; R_к – сопротивление канала; C_З – распределенная емкость затвора относительно канала. Частота f_S, на которой крутизна уменьшается в раза, равна 1/2p и для маломощных транзисторов составляет сотни мегагерц. В диапазоне частот входных сигналов до нескольких десятков МГц основное влияние оказывают паразитные емкости, обозначенные пунктиром на рис. 4.26. Промышленностью выпускаются полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и каналом р-типа (рис. 4.27). Они обладают такими же свойствами, как и с каналом n-типа, только полярности подключаемых напряжений U_зи, U_си противоположные.