Рассмотрим некоторые особенности электронно-дырочного перехода, которые нами ранее не были исследованы. В процессе диффузии происходит переход дырок из p-области в n-область через p-n-переход, а

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Рассмотрим некоторые особенности электронно-дырочного перехода, которые нами ранее не были исследованы. В процессе диффузии происходит переход дырок из p-области в n-область через p-n-переход, а также переход электронов из n-области в p-область. На границе этих областей образуется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему протеканию процесса диффузии. Эта область имеет ширину d (рис.1), называемой шириной p-n-перехода.

Рис.1 Зависимость ширины p-n-перехода, в зависимости от приложенного напряжения

При подаче прямого напряжения на p-n-переход дырки в p-области и электроны в n-области под действием приложенного напряжения приближаются к границе слоев и частично компенсируют заряд продиффундирующих носителей противоположного знака. В результате ширина d p-n-перехода уменьшается.

При подаче обратного напряжения на p-n-переход под действием электрического поля основные носители будут оттягиваться от приконтактного участка вглубь полупроводника. Освободившееся пространство займут продиффундирующие носители. В результате ширина d p-n-перехода увеличится. В основе принципа действия полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом лежит изменение ширины d p-n-перехода.

Принцип устройства и включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, а также его условное графическое обозначение показаны на рис.2

Рис.2 Схема включения и условное графическое обозначение полевого транзистора с p-n-переходом и каналом n-типа

Пластина из полупроводника n-типа имеет на противоположных концах электроды, с помощью которых она включена в выходную (управляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника Е2, и в нее включена нагрузка R_Н. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей – электронов. Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода, представляющего собой область p-типа. Источник питания входной цепи Е1 создает на единственном p-n-переходе данного транзистора обратное напряжение. Напряжение другой полярности, т. е. прямое напряжение на p-n-переход не подают, т. к. входное сопротивление будет очень малым. Во входную цепь включен источник усиливаемых колебаний ИК.

Физические процессы в полевом транзисторе происходят следующим образом. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, и от этого изменяется ширина p-n-перехода d. Соответственно этому меняется площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда – электронов, а как следствие – выходной ток. Эта область называется каналом.

Электрод, из которого в канал выходят основные носители заряда, называется истоком (И). Из канала носители проходят к электроду, который называется стоком (С). Исток и сток аналогичны эмиттеру и коллектору биполярного транзистора. Управляющий электрод, предназначенный для регулирования площади поперечного сечения канала, называется затвором (З). В какой-то степени он аналогичен базе биполярного транзистора, но по физическому принципу затвор и база весьма различны.

Если увеличить напряжение затвора , то увеличивается ширина p-n-перехода d, и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Следовательно, его сопротивление постоянному току возрастает и ток стока становится меньше. При некотором запирающем напряжении площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток будет весьма малым. Транзистор запирается. А при сечение канала наибольшее, наименьшее (несколько сотен ом), и ток получается наибольшим. Для того чтобы входное напряжение возможно более эффективно управляло выходным током, материал основного полупроводника, в котором создан канал, должен быть высокоомным, т. е. с невысокой концентрацией примесей. Тогда запирающий слой в нем получается большей толщины. Кроме того, начальная ширина самого канала (при ) должна быть достаточно малой. Обычно она не превышает нескольких микрон. Запирающее напряжение при этих условиях составляет единицы вольт.

Поскольку вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку, то ближе к стоку обратное напряжение p-n-перехода увеличивается и ширина запирающего слоя получается больше (рис.3).

Рис.3 Увеличение ширины запирающего слоя за счет добавления падения напряжения, вызванного током канала .

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Управляющее действие затвора наглядно иллюстрируют управляющие (стокозатворные) характеристики, выражающие зависимость при (рис.4). Как следует из характеристики, ток стока очень слабо зависит от напряжения между стоком и истоком . Это объясняется тем, что с повышением напряжения увеличивается разность потенциалов , вызванная падением напряжения от тока канала, ширина запирающего слоя увеличивается, поперечное сечение канала уменьшается, а сопротивление канала возрастает.

Рис.4 Управляющие (стокозатворные) характеристики полевого транзистора с каналом n-типа

Однако управляющие (стокозатворные) характеристики неудобны для расчета каскадов на полевых транзисторах. На рис.5 изображены выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора при .

Рис.5 Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора с каналом n-типа

Выходные характеристики показывают, что с увеличением напряжения между стоком и истоком ток стока сначала растет довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т. е. наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышении ток должен увеличиваться, но так как одновременно растет падение напряжения в канале , обратное напряжение на управляющем p-n-переходе повышается, запирающий слой расширяется, канал сужается, т. е. сопротивление канала возрастает, и за счет этого ток должен уменьшаться. Таким образом имеют место два взаимно противоположных воздействия на ток, который в результате остается почти постоянным. Этим объясняется пологость выходных характеристик полевого транзистора.

Работа транзистора обычно происходит на пологих участках выходных характеристик. Пологостью выходных характеристик определяется внутреннее (выходное) сопротивление полевого транзистора для переменного тока (дифференциальное сопротивление), равное (рис.6).

Рис.6 Определение выходного сопротивления полевого транзистора

На пологих участках выходных характеристик значение достигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току .

Дальнейшее повышение напряжения стока приводит к электрическому пробою p-n-перехода, м ток стока начинает лавинообразно нарастать, что показано на рисунках штриховыми линиями. Напряжение пробоя является одним из предельных параметров полевого транзистора.

Входное сопротивление полевого транзистора определяется обратным током управляющего p-n-перехода, который очень мал. Благодаря этому входное сопротивление достигает значения единиц и десятков мегаом. Это основное отличие полевого транзистора от биполярного, в котором управление происходит прямым током p-n-перехода база-эмиттер, что и определяет низкое входное сопротивление биполярного транзистора.

В практических усилительных каскадах обычно применяется питание от одного источника Е2, как это показано на рис.7. Для получения постоянного обратного напряжения на управляющем p-n-переходе в провод истока включается резистор , зашунтированный конденсатором . Постоянный ток стока создает на резисторе падение напряжения , которое через резистор подается на p-n-переход. Через конденсатор проходит переменная составляющая тока стока. Величина емкости должна быть такой, чтобы емкостное сопротивление для низшей частоты было во много раз меньше .

Рис.7 Питание полевого транзистора от одного источника.

Схема, изображенная на рис.7, называемая схемой с автосмещением, непригодна для запирания транзистора. Действительно, напряжение смещения получается за счет тока стока , но у запертого транзистора этот ток равен нулю. Если нужно запереть полевой транзистор, то необходимо использовать для смещения дополнительный источник.

Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами. Так в полевом транзисторе ток стока вызван перемещением основных носителей, концентрация которых определяется количеством примеси, а поэтому мало зависит от температуры. При повышении температуры наблюдается только повышение тока затвора (тока неосновных носителей), но в случае применения кремния (а полевые транзисторы изготовляются только из кремния) входное сопротивление сохраняет высокое значение.

На рис.8 изображена схема комбинированного резонансного усилителя, в котором первый каскад выполнен на биполярном транзисторе Т1, а второй – на полевом транзисторе Т2. Как следует из схемы, использование полевого транзистора с высоким входным сопротивлением позволит применить непосредственную связь между каскадами, обмотка связи в катушке L1 не требуется. Благодаря этому сигнал с коллектора Т1 полностью попадает на затвор Т2, а поэтому в указанной схеме резко повышается коэффициент усиления. Тип связи с последующими каскадами будет зависеть от применяемых в них усилительных элементов.

Недостатками полевых транзисторов является пониженная по сравнению с биполярными транзисторами устойчивость к статическому электричеству, а также они дороже биполярных транзисторов. Как правило из-за цены они значительно реже используются в бытовой аппаратуре, чем биполярные транзисторы.

Рис.8 Схема применения полевого транзистора в резонансном усилителе.

Дата добавления: 2015-08-28