В простейшем случае данный тип транзисторов имеет двухслойную структуру: один слой является затвором, а второй – каналом. Каждый слой снабжен контактами для подключения к внешним цепям.
С каналом n типа
С каналом p типа
Особенностью полевого транзистора является выполнение геометрической толщины области канала сравнимой с толщиной p–n-перехода, причем толщина канала в области стока делается большей, чем в области истока для получения требуемых характеристик транзистора.
Рассмотрим процессы в транзисторе с каналом типа n на примере его идеализированной модели.
Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком в направлении, соответствующем обратному смещению p–n-перехода затвор-канал.
Носителями тока в n-канальном транзисторе являются свободные электроны. Электроны движутся по направлению от истока к стоку. Поскольку направление протекающего тока противоположно направлению движения электронов, ток будет протекать от стока к истоку, и вывод стока должен иметь положительный потенциал по отношению к истоку. В выходную цепь, в которую входит канал транзистора, для этого включается напряжение UСИ, положительным полюсом к стоку для обеспечения заданного направления тока стока.
При изменении напряжения UЗИ изменяется ширина p–n-перехода затвор-канал, представляющего собой участок полупроводника, обедненный носителями заряда. Переход затвор-канал выполняется несимметричным с преобладающей концентрацией примеси в области затвора.
Поскольку p-слой имеет большую концентрацию примеси, чем n–слой, изменение ширины p–n-перехода происходит, в основном, за счет более высокоомного n слоя (см. свойства несимметричного перехода). Тем самым изменяется сечение токопроводящего канала и его проводимость, т.е. изменение управляющего напряжения оказывает влияние на выходной ток прибора IС.
Механизм действия транзистора основан на изменении сечения канала по направлению от истока к стоку.
Увеличение обратного напряжения на затворе до некоторой величины UЗИ = UЗ0 приведет к тому, что запирающий слой перехода полностью перекроет канал. Поскольку концентрация подвижных носителей в запирающем слое ничтожно мала, ток в канале (в цепи стока) упадет до очень малой величины (IС ≈ 0). Напряжение UЗ0 называется напряжением отсечки.
Управляемые свойства полевого транзистора характеризуются крутизной, которая оценивается степенью влияния напряжения на затворе на ток в цепи стока и измеряется в Сименсах [См]:
S=\Delta I_C/\Delta U_{зи}, при U_{СИ}=const..
Ток в цепи затвора является обратным током перехода. В кремниевых транзисторах его величина составляет менее 10-11 А. Поэтому при анализе реальных схем током в цепи затвора чаще всего можно пренебречь.
Входное сопротивление транзистора определяется сопротивлением p–n-перехода, смещенного в обратном направлении:
r_{ВХ}=\Delta I_C/\Delta U_{ЗИ}, при U_{СИ}=const..
Входное сопротивление полевых транзисторов достаточно велико, что является их преимуществом.
Полевой транзистор является прибором, управляемым напряжением, а не током.
Если исток и сток заземлены (UИ=UC=0), то сечение канала на всем протяжении будет одинаковым, поскольку напряжение обратного смещении p–n-перехода постоянно по всей длине канала.
В рабочем режиме между стоком и истоком существует разность потенциалов \phi_C-\phi_И=U_{СИ}\ge 0 , обусловленная падением напряжения на омическом сопротивлении канала при протекании тока IC. Это падение напряжения изменяется по мере перемещения по каналу от 0 до UCИ в области стока, поэтому сечение канала по длине будет переменным. Обратное смещение перехода, образованное напряжением на затворе и падением напряжения в толще канала, будет изменяться вдоль оси исток-сток – толщина перехода от истока к стоку будет увеличиваться, а сечение канала, наоборот, уменьшаться. Самое узкое место вблизи стока называется горловиной канала.
Таким образом, обратное напряжение на переходе меняется в пределах:
U_п^{min}\approx U_{ЗИ}, U_п^{max}\approx U_{ЗИ}+U_{CИ}.
Это явление обуславливает нелинейный характер зависимости тока стока IС от напряжения на стоке UC. Для линеаризации характеристик исходное сечение канала в области истока и стока имеет различную толщину, поэтому электроды сток и исток транзистора не взаимозаменяемы.
Статические характеристики транзистора
С точки зрения теории цепей транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, имеющий два входных и два выходных зажима, у которого один из электродов является общим для цепей входного и выходного сигналов.
Свойства четырехполюсника могут быть описаны четырьмя семействами характеристик, которые представляют собой набор параметрических кривых.
- Семейство входных характеристик.
IВХ = f(UВХ) при UВЫХ = const или IВЫХ= const.
- Семейство выходных характеристик.
IВЫХ = f(UВЫХ) при UВХ = const или IВХ= const.
- Семейство переходных характеристик.
IВЫХ = f(UВХ) или IВЫХ = f(IВХ) при UВЫХ = const.
- Семейство характеристик обратной связи.
IВХ = f(UВЫХ) или IВХ = f(IВЫХ) при UВХ = const.
Из указанных семейств характеристик два являются основными, поскольку два других могут быть получены на их основе.
Электрод, который является общим, определяет схему включения транзистора.
Для описания свойств полевых транзисторов часто используется схема включения с общим истоком.
Для полевых транзисторов, управляемых напряжением, в качестве независимых переменных удобно выбрать входное и выходное напряжение.
При учете, что входной ток полевого транзистора стремится к 0, основными для описания свойств полевого транзистора с управляющим p–n-переходом становятся семейства выходных и переходных характеристик, имеющих аналитическое выражение:
- Семейство выходных характеристик IC = f ( UСИ ) при UЗИ = сonst.
- Семейство переходных характеристик IC = f ( UЗИ ) при UСИ = сonst.
Графически указанные семейства характеристик обычно изображаются на совмещенных осях.
Семейство выходных характеристик
На каждой из кривых семейства IC = f ( UСИ ) можно выделить три характерные области:
I до точки B – сильная зависимость IC от UСИ (участок крутых характеристик или резистивный участок);
II участок B-C – слабая зависимость IC от UСИ (участок пологих характеристик);
III после точки C – пробой p–n-перехода.
При нулевом управляющем напряжении UЗИ и малых значениях напряжения UСИ влияние последнего на проводимость канала незначительно, поэтому на начальном участке (до точки A) имеем практически линейную зависимость IC = f (UСИ). По мере увеличения напряжения UСИ (участок A—B) сужение токопроводящего канала оказывает все большее влияние на его проводимость, что приводит к уменьшению скорости нарастания тока.
В точке B сечение токопроводящего канала минимально. При этом наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение напряжения UСИ вызывает дальнейшее сужение канала и, соответственно, рост тока IC существенно замедляется. В итоге ток остается почти постоянным (участок B-C). Некоторое увеличение тока IC на данном участке объясняется наличием разного рода утечек и влиянием сильного электрического поля в p–n-переходе. Свойства полевого транзистора на этом участке оцениваются его выходным сопротивлением, характеризующим наклон выходных характеристик на пологом участке:
ri = ∆UCИ / ∆IC при UЗИ =const.
Максимальный ток, способный протекать в канале транзистора при нулевом управляющем напряжении и напряжении UСИ, соответствующем точке С, получил название начального тока стока IC0. Напряжение в точке C, при дальнейшем увеличении которого наступает режим пробоя p–n-перехода, называется напряжением пробоя. Участок III резкого увеличения тока IС характеризуется лавинным пробоем области p–n-переходов вблизи стока по цепи сток-затвор.
Приложение к затвору обратного напряжения UЗИ вызывает сужение канала и уменьшение его исходной проводимости. Поэтому начальные участки кривых, соответствующих большим напряжениям на затворе, имеют меньшую скорость нарастания тока. При наличии напряжения UЗИ < 0 перекрытие канала происходит при меньшем напряжении, и границе участков I и II будут соответствовать меньшие напряжения UСИ. Это приводит к смещению линии раздела крутой (нерабочей) части характеристики и пологой (рабочей) части.
Важным параметром полевого транзистора с управляющим p–n-переходом является напряжение отсечки UЗO, при котором ток стока близок к нулю. Численно значение напряжения отсечки равно напряжению UСИ в точке B характеристики при UЗИ=0:
UЗ0 = UСИ (в точке B) при UЗИ = 0.
Крутизна полевого транзистора может быть ориентировочно определена отношением начального тока стока к напряжению отсечки.
В крутой области характеристик (участок I) полевой транзистор с управляющим p–n-переходом может использоваться как управляемое омическое сопротивление. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом участке (участок II) характеристики, где наиболее ярко выражено влияние UЗИ на IC.
Семейство переходных характеристик
Стоко-затворная характеристика полевого транзистора с управляющим p–n-переходом IC=f(UЗИ) может быть получена графическим построением по семейству выходных характеристик путем фиксации выходного напряжения UСИ.
Наклон переходной характеристики отражается крутизной, определяемой отношением изменения тока стока к изменению управляющего напряжения UЗИ.
S = dIC /dUЗИ ≈ ∆IC /∆UЗИ , [См] = [A/B].
При выходных напряжениях, соответствующих пологому участку характеристик, переходные характеристики практически сливаются в одну линию, что предопределяет постоянство крутизны. Изменение положения переходной характеристики происходит при выходных напряжениях, соответствующих крутому участку характеристик. Уменьшение выходного тока на этом участке способствует снижению положения переходной характеристики и, соответственно, уменьшению крутизны.
Произведение крутизны полевого транзистора на его выходное сопротивление называют статическим коэффициентом усиления транзистора: µ = S ∙ ri .
Основными параметрами полевого транзистора с управляющим p–n-перехода являются:
- начальный ток стока IC0;
- максимальное напряжение сток-исток UСИ max;
- напряжение отсечки UЗИO;
- выходное сопротивление транзистора ri;
- крутизна стоко-затворной характеристики S;
- статический коэффициент усиления µ;
- входное сопротивление транзистора rВХ;
- межэлектродные емкости CЗИ, СЗС – связаны с наличием в приборе p–n-переходов, примыкающих соответственно к истоку и стоку.
Схемы включения полевого транзистора с управляющим p–n-переходом
Обычной схемой включения транзистора, имеющего 3 вывода (трехполюсника), является схема, в которой один из выводов общий для входной и выходной цепей. Следовательно, транзистор можно включить тремя способами:
- по схеме с общим затвором (ОЗ);
- по схеме с общим истоком (ОИ);
- по схеме с общим стоком (ОС).
Схема с общим затвором (ОЗ)
Схема с общим истоком (ОИ)
Схема с общим стоком (ОС)
Наиболее распространенной схемой является схема включения с общим истоком. Принцип действия транзисторов с двумя другими схемами включения аналогичен.
Схема включения с общим затвором не позволяет использовать такое важное преимущество полевого транзистора, как высокое входное сопротивление, поэтому на практике используется редко, в так называемых каскодных схемах.
Схема включения с общим стоком чаще всего применяется в схемах, получивших общее название повторителей.