Польові транзистори з р-n переходом

Польові транзистори

Конструкція цих транзисторів представлена на рис.3.1:

Рис.3.1 Конструкція польового транзистора

Як видно, тут теж три шари: n, р і n типа (може бути й навпаки: р, n і р тип). Між стоком (на рис. позначений як З) і джерелом (И) прикладається напруга, така, що заряди (у цьому випадку дірки) випливають із джерела й заходять в стік. Отже, до стоку прикладається від’ємна напруга, витік заземлюється. Через наявність р-n переходів область каналу звужується, причому насправді навіть більше, так як р-n перехід товстий, у нього є область об'ємного заряду (ООЗ), відзначена на рис.3.1 пунктирною лінією. До затворe (З) прикладається позитивна напруга, так що р-n переходи зміщені у зворотному напрямку, і ООЗ розширюється, а ширина каналу звужується. Це приводить до зменшення струму каналу (потоку зарядів від джерела до стоку) - це регулювання струму, що і дає режим посилення.

Рис.3.2

Це транзистор з каналом р- типу. При зворотніх типах шарів вийде транзистор з каналом n- типу. В ньому все теж саме, тільки в каналі протікають електрони, до стоку прикладається плюс, а до затвора - мінус.

Повернемося до транзистора з каналом р- типу. Так як на затвор подається зворотна напруга, то він погано пропускає струм (це зворотний струм р-n переходу), тобто вхідний опір польового транзистора дуже великий. Польовий транзистор управляється напругою, або полем. У цьому він у якійсь мірі схожий на радіолампу. Причому так само, як і у радіолампі, при збільшенні на затворі напруги (по модулю) струм який проходить від витоку до стоку падає. При деякій напрузі U_зв=U₀ ООЗ замикаються, і струм стоку дорівнює нулю. Ця напруга називається напругою відсічення.

Вихідна й перехідна характеристики представлені на рис.3.3:

Рис.3.3 Вхідна і перехідна характеристики польового транзистора

Як здається при простому розгляді, характеристики струму стоку – напруга стік-витік повинні бути прямими, і лише нахил їх буде тим менше, чим більша напруга затвор-витік. Це тому, що при збільшенні напруги на затворі опір каналу збільшується. Однак криві швидко починають насичуватися, виходять майже на горизонтальну ділянку. Пояснюється це тим, що напруга, що падає в каналі, змінюється від 0 до –U_св, а отже, на р-n переході спадання напруги різне: в області поблизу джерела воно дорівнює U_зв, а в області поблизу стоку: U_зв + U_св, тобто більше. Отже, на рис. ліворуч у правій частині ООЗ ширше, а канал вужче. Тому зрозуміло, що опір каналу з ростом напруги U_св росте, а характеристики падають. На правому Рис. представлена ситуація з дуже великими напругами U_св, коли ООЗ верхнього й нижнього р-n переходу стикаються. Здається, що в цьому випадку струм у каналі повинен зникнути, тому що канал переривається. Але насправді все відбувається інакше. Як видно з наступного рис., в ООЗ є електричні поля, показані стрілками, і їхній напрямок в основному від n- до р- типу. Але там, де ООЗ зливаються, це поле спрямоване зліва направо, тобто так, щоб витягувати дірки з каналу, де він ще є, направо, через ООЗ.

В якомусь сенсі це дуже схоже на випадок з біполярними транзисторами: там теж носії заряду дифундують до колектора, а потім дуже сильним електричним полем колекторного р-n переходу витягуються в колектор.

У даному випадку поле ООЗ набагато більше, ніж поле р- канала. Тому після того, як ООЗ зіл’ються, подальший ріст U_св забезпечується ростом поля в ООЗ. А ліва частина р-канала залишається незмінною. Але саме вона визначає струм через канал. Тому струм через польовий транзистор більше не змінюється. (Струм ненабагато збільшується, але в першому наближенні можна вважати, що він незмінний.)

Рис.3.4

Це і є робоча ділянка вихідної характеристики – струм визначається напругою на затворі, але не залежить від напруги на стоку, тобто може використовуватися для посилення напруги. Звичайно на цій ділянці працюють підсилювачі на польових транзисторах, тобто використовується випадок, коли ООЗ перекриваються.

Напруга, з якої починається полога ділянка, називається напругою насичення:

Крім того:

де I_cmax – максимальний струм стоку, що має місце при U_зв =0.

Для визначення коефіцієнта підсилення підсилювача на основі польового транзистора важливо знати його крутість (аналогічно коефіцієнту (у біполярних транзисторах):

де s_max – максимальна крутість, що має місце при U_зв =0. Вона визначається як:

Крутість виміряється в мА/В, і становить звичайно від 1 до 100. Вхідний опір – 10⁹...10¹² Ом. На схемах польові транзистори зображуються так, як на рисунку 3.5:

Рис.3.5 Умовне графічне позначення польових транзисторів

Незручність польових транзисторів полягає в тому, що живлення ланцюга затвора (вхідне) і стоку (вихідне) різнополярне, тобто потрібні дві різних батарейки. Але за допомогою конденсатора цього легко уникнути, як показано на схемі. Це транзистор з n-каналом, тому до стоку прикладена позитивна напруга, а до затвора – від’ємна. Воно утвориться за рахунок зміщення, що з'явилося на опорі джерела. По змінному сигналу його величина повністю компенсується за рахунок ввімкнення паралельно з опором ще й конденсатора.

Звичайно повна схема містить ще й опір у вхідному ланцюзі, який і визначає вхідний опір схеми. Вихідний опір

Рис.3.6 Схема включення польового транзистора з загальним витоком

визначається опором стоку R_c і диференціальним опором стоку транзистора, тобто нахилом вихідної характеристики транзистора.

Коефіцієнт підсилення цієї схеми:

і може досягати декількох сотень.

Рис.3.7 Схема включення польового транзистора з загальним стоком

Рис.3.6 – схема із загальним витоком (ЗВ). Аналогічно біполярним транзисторам, є схеми й із загальним стоком (ЗС), зображена на рисунку 3.7.

Здається, що це більш проста схема, але практично вона така ж, що й ЗВ, але немає конденсатора С_в. Тому вплив негативного зворотного зв'язку не виключено, і внаслідок цього коефіцієнт підсилення по напрузі практично дорівнює 1, але насправді трохи менше. Коефіцієнт підсилення по струму більше 1, і вихідний опір значно менший, ніж у схеми з ЗВ.

Можна б побудувати схему із загальним затвором, аналогічно схемі із загальною базою в біполярних транзисторів. Однак крім технічних складностей (важко зробити загальний затвор, коли немає струму затвора) немає й такої необхідності, тому що вхідні опори в польових транзисторів дуже великі, і не треба усувати ефект закорочування вихідного сигналу в багатокаскадних схемах.

Дата добавления: 2015-07-08