Описание, устройство и принцип работы полевого транзистора

Полевым (униполярным) транзистором называется прибор, имеющий три вывода и управляемый приложенным к управляющему электроду (затвору) напряжением. Регулируемый ток протекает по цепи исток-сток.

Идея такого триода возникла около 100 лет назад, но подойти к практической реализации стало возможным только в середине прошлого столетия. В 50-х годах прошлого века была разработана концепция полевого транзистора, и в 1960 году был изготовлен первый действующий образец. Чтобы понять преимущества и недостатки триодов такого типа, надо разобраться в их устройстве.

Устройство полевых транзисторов

Униполярные транзисторы по устройству и технологии изготовления делятся на два больших класса. При сходстве принципов управления, они имеют конструктивные особенности, определяющие их характеристики.

Униполярные триоды с p-n переходом

Устройство такого полевика сходно с устройством обычного полупроводникового диода и, в отличие от биполярного родственника, содержит всего один переход. Транзистор с p-n переходом состоит из пластины из проводника одного типа (например, n), и внедренной области из полупроводника другого типа (в данном случае p).

N-слой образует канал, по которому между выводами истока и стока течет ток. Вывод затвора подключен к p-области. Если затвору приложить напряжение, смещающее переход в обратном направлении, то зона перехода расширяется, сечение канала, наоборот, сужается, его сопротивление увеличивается. Управляя напряжением на затворе, можно регулировать ток в канале. Транзистор можно выполнить и с каналом p-типа, тогда затвор образуется n-полупроводником.

Одной из особенностей такой конструкции является очень большое входное сопротивление транзистора. Ток затвора определяется сопротивлением обратносмещённого перехода, и составляет на постоянном токе единицы или десятки наноампер. На переменном токе входное сопротивление задаётся ёмкостью перехода.

Каскады усиления, собранные на таких транзисторах, за счёт высокого входного сопротивления упрощают согласование с входными устройствами. Кроме того, при работе униполярных триодов не происходит рекомбинации носителей заряда, а это ведет к уменьшению низкочастотных шумов.

УГО транзисторов с каналом p- и n-типов.
УГО транзисторов с каналом p- и n-типов

При отсутствии смещающего напряжения ширина канала наибольшая, ток через канал максимален. При повышении напряжения можно достичь такого состояния канала, когда он полностью заперт. Это напряжение называется напряжением отсечки (Uотс).

ВАХ полевого транзистора. Ток стока полевого транзистора зависит как от напряжения между затвором и истоком, так и от напряжения сток-исток. Если зафиксировать напряжение на затворе, при увеличении Uси сначала ток растет почти линейно (участок аб). При входе в насыщение дальнейшее увеличение напряжения практически не вызывает увеличение тока стока (участок бв). При увеличении уровня запирающего напряжения на затворе насыщение происходит при меньших значениях Iстока.

На рисунке показано семейство зависимостей тока стока от напряжения между истоком и стоком для нескольких значений напряжения на затворе. Очевидно, что при Uси выше напряжения насыщения, ток стока зависит практически только от напряжения на затворе.

Передаточная характеристика униполярного транзистора. Это иллюстрирует передаточная характеристика униполярного транзистора. При увеличении отрицательного значения напряжения на затворе, ток стока практически линейно спадает вплоть до нуля при достижении на затворе уровня напряжения отсечки.

Униполярные триоды с изолированным затвором

Другой вариант исполнения полевого транзистора – с изолированным затвором. Такие триоды называют транзисторами МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), зарубежное обозначение — MOSFET. Раньше было принято название МОП (металл-оксид-полупроводник).

Полевой транзистор с изолированным затвором. Подложка выполняется из проводника определенного типа проводимости (в данном случае – n), канал образован полупроводником другого типа проводимости (в данном случае – p). Затвор отделен от подложки тонким слоем диэлектрика (оксида), и влиять на канал может только посредством создаваемого электрического поля. При отрицательном напряжении на затворе создаваемое поле вытесняет электроны из области канала, слой обедняется, его сопротивление увеличивается. Для транзисторов с каналом p-типа, наоборот, приложение положительного напряжения ведет к увеличению сопротивления и снижению тока.

Положительный участок на передаточной характеристике (отрицательный для триода с p-каналом). Ещё одной особенностью транзистора с изолированным затвором является положительный участок на передаточной характеристике (отрицательный для триода с p-каналом). Это означает, что на затвор можно подавать напряжение и положительной полярности определённой величины, что увеличит ток стока. Семейство выходных характеристик принципиальных отличий от характеристик триода с p-n переходом не имеет.

Слой диэлектрика между затвором и подложкой очень тонкий, поэтому МДП-транзисторы ранних годов выпуска (например, отечественные КП350) были чрезвычайно чувствительны к статическому электричеству. Высокое напряжение пробивало тонкую пленку, выводя транзистор из строя. В современных триодах приняты конструктивные меры для защиты от перенапряжения, поэтому меры предосторожности от статики практически не нужны.

Полевой транзистор с индуцированным каналом. Другой вариант исполнения униполярного триода с изолированным затвором – транзистор с индуцированным каналом. Встроенный канал у него отсутствует, при отсутствии напряжения на затворе ток от истока к стоку течь не будет. Если к затвору приложить положительное напряжение, то создаваемое им поле «вытягивает» электроны из n-зоны подложки, и создает в приповерхностной области канал для протекания тока. Отсюда понятно, что такой транзистор, в зависимости от типа канала, управляется напряжением только одной полярности. Это видно и из его проходной характеристики.

Проходная характеристика полевого транзистора с индуцированным каналом.

Также существуют двухзатворные транзисторы. Они отличаются от обычных тем, что имеют два равноправных затвора, каждый из которых может управляться отдельным сигналом, но их воздействие на канал суммируется. Такой триод можно представить в виде двух последовательно включенных обычных транзисторов.

Двухзатворный полевой транзистор.

Схемы включения полевых транзисторов

 Сфера применения полевых транзисторов та же, что и у биполярных. В основном они применяются в качестве усилительных элементов. Биполярные триоды при применении в усилительных каскадах имеют три основные схемы включения:

  • с общим коллектором (эмиттерный повторитель);
  • с общей базой;
  • с общим эмиттером.

Полевые транзисторы включаются подобными способами.

Схема с общим стоком

Схема с общим стоком (истоковый повторитель), так же, как и эмиттерный повторитель на биполярном триоде, усиления по напряжению не дает, но предполагает усиление по току.

Схема включения полевого транзистора с общим стоком.

Достоинством схемы является высокое входное сопротивление, оно же в некоторых случаях является недостатком – каскад становится чувствительным к электромагнитным помехам. При необходимости Rвх можно уменьшить включением резистора R3.

Схема с общим затвором

Эта схема подобна схеме включения биполярного транзистора с общей базой. Эта схема дает хорошее усиление по напряжению, но усиление по току отсутствует. Как и включение с общей базой, такой вариант применяется нечасто.
Схема включения полевого транзистора с общим затвором.

Схема с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с общим истоком. Наиболее распространена схема включения полевых триодов с общим истоком. Её коэффициент усиления зависит от соотношения сопротивления Rс к сопротивлению в цепи стока (для регулировки усиления в цепи стока может быть установлен дополнительный резистор), а также зависит от крутизны характеристики транзистора.

Также полевые транзисторы используются в качестве управляемого сопротивления. Для этого рабочая точка выбирается в пределах линейного участка. По этому принципу можно реализовать управляемый делитель напряжения.
Использование полевого транзистора в качестве управляемого сопротивления.
А на двухзатворном триоде в таком режиме можно реализовать, например, смеситель для приёмной аппаратуры – на один затвор подается принимаемый сигнал, а на другой – сигнал с гетеродина.

Если принять теорию о том, что история развивается по спирали, можно увидеть закономерность в развитии электроники. Уйдя от ламп, управляемых напряжением, технологии пришли к биполярным транзисторам, которым для управления нужен ток. Спираль сделала полный виток – сейчас наблюдается доминирование униполярных триодов, не требующих, как и лампы, расхода мощности в цепях управления. Куда дальше выведет циклическая кривая – будет видно. Пока альтернативы полевым транзисторам не наблюдается.

Похожие статьи:
Ссылка на основную публикацию
OdinElectric.ru - Сайт об электрике и для электриков Adblock
detector