...

Польовий транзистор – це напівпровідниковий прилад, у якому струм, що тече через канал, управляється поздовжнім електричним полем і який призначений для посилення потужності електромагнітних коливань.

Принцип дії польових транзисторів заснований на використанні носіїв заряду тільки одного знака (електронів або дірок), звідки пішла інша назва транзисторів – уніполярні. Керування струмом здійснюється за рахунок зміни провідності каналу під впливом електричного поля.

Каналом польового транзистора називають область у напівпровіднику, у якій струм основних носіїв заряду регулюється зміною її поперечного перетину. По способу створення каналу розрізняють польові транзистори із затвором у вигляді керуючого р-n переходу та з ізольованим затвором (вбудованим або індукованим каналом). Умовні позначення польових транзисторів наведені на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Умовні графічні позначення польових транзисторів: а) з керуючим p-n переходом і каналом p- типу; б) с керуючим p-n переходом и каналом n-типу; в) з ізольованим затвором і вбудованим каналом p-типу; г) з ізольованим затвором і вбудованим каналом n- типу; д) з ізольованим затвором та індукованим каналом p-типу; е) з ізольованим затвором та індукованим n-типу.

Залежно від провідності каналу польові транзистори діляться на транзистори з каналом р- і n-типу. Канал р-типу має діркову провідність, а n-типу – електронну.

Вивід, через який у канал входять основні носії заряду, називають витоком (source). Вивід, через який з каналу виходять основні носії заряду, називають стоком (drain). Вивід, що служить для регулювання поперечного перерізу каналу за рахунок керуючої напруги, називають затвором (gate).

1. Польові транзистори з керуючим р-п переходом

Польовий транзистор з керуючим р-n переходом – це польовий транзистор, затвор якого відділений в електричному відношенні від каналу р-n переходом, зміщеним у зворотному напрямку. Міжнародна назва транзисторів з керуючим р-n переходом –  JFET (Junction-field-effect-transistor).

Полярність зовнішніх напруг, прикладених до транзистора з керуючим р-n переходом і каналом n-типу, показана на структурній схемі (рис. 5.2, б). Для каналу р-типу полярність напруг змінюється на протилежну.

Рис. 5.2. Будова польового транзистора з керуючим р-n переходом (каналом n-типу): а) структура; б) робочий режим.

Якщо між стоком і витоком включити джерело напруги U_св, то по каналу буде протікати струм стоку I_с.

Керуюча (вхідна) напруга U_зв подається між затвором і витоком і є зворотною для обох р-n переходів. Ширина р-n переходів, а отже, площа поперечного перетину каналу, його опір і струм у каналі залежать від цієї напруги.

З ростом напруги U_зв р-n переходи розширюються, зменшується площа перетину каналу, збільшується його електричний опір, через що зменшується струм I_с у каналі. При зменшенні напруги U_зв перетин каналу збільшується, опір зменшується, струм зростає. На цьому принципі й заснована робота польового транзистора з керуючим р-n переходом.

При напрузі U_зв = 0 перетин каналу найбільший, його опір найменший, струм I_с має найбільше значення – цей струм називають початковим струмом стоку I_с.поч.

Напруга U_зв, при якій канал повністю перекривається, а струм стоку I_с стає досить малим (десяті частки мікроампер), називають напругою відсічки U_{зв.відс}.

Розглянемо вольтамперні характеристики польових транзисторів з р-n переходом. Для цих транзисторів становлять інтерес два види ВАХ: стокові й стоко-затворні.

Стокові (вихідні) характеристики польового транзистора з р-n переходом і каналом n- типу показані на рис. 5.3, а. Вони відображають залежність струму стоку від напруги U_св при фіксованій напрузі U_зв, тобто Ic = f(U_св) при U_зв = const.

Рис. 5.3. Статичні характеристики польового транзистора з р-п переходом и каналом п-типу: а) стокові; б) стоко-затворна.

Стоко-затворна характеристика польового транзистора показує залежність струму I_с від напруги U_зв при фіксованій напрузі U_св, тобто I_с = f(U_зв) при U_св = const (рис. 5.3, б).

2. Польові транзистори з ізольованим затвором

Польовий транзистор з ізольованим затвором ( МДП-транзистор) – це польовий транзистор, затвор якого відділений в електричному відношенні від каналу шаром діелектрика. МДП-транзистори виготовляються з кремнію на основі структури метал-діелектрик-напівпровідник. У якості діелектрика використовують окисел кремнію SiO₂. Звідси інша назва цих транзисторів – МОП-транзистори (структура: метал-окисел-напівпровідник). Наявність діелектрика забезпечує їх високий вхідний опір (10¹² … 10¹⁴ Ом). Міжнародна назва МДП-транзисторів –  MOSFET  (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

Принцип дії МДП-транзисторів заснований на ефекті зміни провідності приповерхнього шару напівпровідника на границі з діелектриком під впливом поперечного електричного поля. Приповерхній шар напівпровідника є струмопровідним каналом цих транзисторів. МДП-транзистори застосовуються двох типів – з вбудованим і з індукованим каналом.

Розглянемо особливості МДП-транзисторів із вбудованим каналом. Конструкція такого транзистора з каналом n-типу показана на рис. 5.4, а. У пластині кремнію р-типу з високим питомим опором, яку називають підложкою, конструктивно створені (вбудовані) дві області електропровідності n-типу. На ці області нанесені металеві електроди – виток й стік. Поверхня кристалу напівпровідника між витоком і стоком покрита тонким шаром (порядку 0,1 мкм) діелектрика. На шар діелектрика нанесений металевий електрод – затвор. Наявність шару діелектрика дозволяє в транзисторі із вбудованим каналом подавати на затвор керуючу напругу обох полярностей.

Рис. 5.4. МДП-транзистор з вбудованим каналом n-типу: а) будова; б) стокові характеристики; в) стоко-затворна характеристика.

При подачі на затвор позитивної напруги створюється електричне поле, яке буде виштовхувати дірки з каналу до підложки, а електрони витягувати з підложки до каналу. Канал збагачується основними носіями заряду – електронами, його провідність збільшується, і струм I_с зростає. Такий режим роботи транзистора називають режимом збагачення.

При подачі на затвор відносно витоку негативної напруги у каналі створюється електричне поле, під впливом якого електрони виштовхуються з каналу до підложки, а дірки втягуються з підложки до каналу. Канал збіднюється, тому що число основних носіїв заряду зменшується, його провідність зменшується, що приводить до зменшення струму I_с. Такий режим роботи транзистора називають режимом збіднення.

Якщо напруга на затворі U_зв = 0, (при наявності напруги U_св > 0), по каналу тече струм стоку I_с.поч, який називають початковим.

Конструкція МДП-транзистора з індукованим каналом n-типу показана на рис. 5.5, а).

Рис. 5.5. МДП-транзистор з індукованим каналом n-типу: а) конструкція; б) стокові характеристики; в) стоко-затворна характеристика.

Канал у таких транзисторах конструктивно не створюється, а утворюється (індукуються) завдяки припливу електронів з підложки у випадку прикладення до затвору напруги U_зв позитивної полярності відносно витоку. При відсутності цієї напруги канал також відсутній, тому що між витоком і стоком n-типу розташований тільки кристал р-типу. У цьому стані опір між витоком і стоком дуже великий – транзистор зачинений.

Але якщо подати на затвор позитивну напругу, то під впливом електричного поля електрони будуть переміщатися з областей витоку, стоку і з р-області (підложки) у напрямку до затвора. Коли напруга на затворі перевищить граничне значення U_<зв.пор, то в приповерхньому шарі концентрація електронів перевищить концентрацію дірок, що рівноцінно інверсії типу електропровідності, тобто індукується струмопровідний канал n-типу, що з'єднує області витоку та стоку, транзистор починає проводити струм. Чим більше позитивна напруга на затворі, тим більше провідність каналу й струм стоку. Таким чином, транзистор з індукованим каналом може працювати тільки в режимі збагачення.

При U_зв = 0 через транзистор протікає струм, обумовлений вихідною провідністю каналу. У випадку коли до затвора прикладена напруга U_зв < 0 електричне поле затвора проявляє відштовхуючу дію на електрони-носії заряду в каналі, що приводить до зменшення їх концентрації в каналі й провідності каналу. Внаслідок цього стокові характеристики при U_зв < 0 розташовуються нижче кривої, що відповідає U_зв = 0.

При подачі на затвор напруги U_зв > 0 електричне поле затвора притягує електрони до каналу з напівпровідникової пластини (підложки) р-типу. Концентрація носіїв заряду в каналі збільшується, провідність каналу зростає, струм стоку I_c збільшується. Стокові характеристики при U_зв > 0 розташовуються вище вихідної кривої при U_зв = 0.

Стоко-затворна характеристика транзистора з вбудованим каналом n-типу I_c = f(U_зв) наведена на рис. 5.4, в).

Стокові (вихідні) характеристики I_c = f(U_св) і стоко-затворна характеристика I_c = f(U_зв) польового транзистора з індукованим каналом n-типу наведені на рис. 5.5, б), в) відповідно.

Відмінність стокових характеристик полягає в тому, що керування струмом транзистора здійснюється напругою однієї полярності, що збігається з полярністю напруги U_св. Струм I_c = 0 при U_св = 0, у той час як у транзисторі із вбудованим каналом для цього необхідно змінити полярність напруги на затворі щодо витоку.

3. Схеми увімкнення

Польовий транзистор можна включати по одній із трьох основних схем: із загальним джерелом (ЗВ), загальним стоком (ЗС) і загальним затвором (ЗЗ). Схеми включення польового транзистора з р-п переходом і каналом n-типу показані на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Схеми включення польового транзистора з р-п переходом і каналом п-типу: а) ЗВ; б) ЗЗ; в) ЗС.

Для транзистора з каналом р-типу полярності напруг протилежні. МДП-транзистори включаються аналогічно.

На практиці найчастіше застосовується схема з ЗВ, яка аналогічна схемі на біполярному транзисторі із ЗЕ. Каскад із загальним витоком дає велике посилення потужності. Схема з ЗЗ не дає посилення струму, і тому посилення потужності в ній у багато разів менше, чим у схемі ЗВ. Каскад ЗЗ має низький вхідний опір, у зв'язку із чим має обмежене практичне застосування.

4. Основні параметри

Максимальний струм стоку I_с.max ( при U_зв = 0).

Максимальна напруга стік-виток U_св.max.

Напруга відсічки U_{зв.відс}.

Внутрішній (вихідний) опір r_i − опір транзистора між стоком і витоком (опір каналу) для змінного струму.

Крутість стоко-затворної характеристики S = ΔI_с / ΔU_зв - відображає вплив напруги U_зв на струм I_с транзистора, є аналогом коефіцієнту підсилення біполярного транзистора.

Вхідний опір транзистора r_вх − визначається опором р-n переходів, зміщених у зворотному напрямку. Вхідний опір польових транзисторів з р-n переходом досить великий (сягає одиниць і десятків МОм), що вигідно відрізняє їх від біполярних транзисторів. При цьому струм затвора (зворотний струм р-n переходу) настільки малий, що їм зневажають.

Вхідний опір транзистора r_вх − визначається опором р-n переходів, зміщених у зворотному напрямку. Вхідний опір польових транзисторів з р-n переходом досить великий (сягає одиниць і десятків МОм), що вигідно відрізняє їх від біполярних транзисторів. При цьому струм затвора (зворотний струм р-n переходу) настільки малий, що їм зневажають. Параметри МДП-транзисторів аналогічні параметрам польових транзисторів з р-n переходом, однак їх вхідний опір має більш високі показники – він становить r_вх = 10¹² … 10¹⁴ Ом.

5. Найпростіший підсилювальний каскад

На рис. 5.7 наведена схема підсилювача, виконаного за схемою із ЗВ та одним джерелом живлення. Режим спокою польового транзистора забезпечується подачею напруги зсуву на затвор польового транзистора U_зв.сп, якому відповідає струм стоку I_с.сп і напруга стік-виток U_св.сп.

Рис. 5.7. Схема найпростішого підсилювального каскаду на польовому транзисторі за схемою із загальним витоком.

Резистор R_з, забезпечує гальванічний зв'язок затвора із загальною шиною.

Оскільки струм затвору польового транзистора надзвичайно малий, тому падіння напруги на резисторі R_з можна прийняти рівним нулю. Тобто можна вважати, що потенціал затвору дорівнює потенціалу нижнього виводу резистора R_в, а отже напруга зсуву U_зв.сп утворюється в результаті падіння напруги на резисторі R_в при протіканні струму I_с.сп.

Резистор R_втакож виконує функцію температурної стабілізації підсилювача за постійним струмом.

Конденсатори С_р1, С_р2 – розділові, використовуються для розв'язки підсилювача за постійним струмом від джерела вхідного сигналу й навантаження відповідно.

На резисторі R_с падає вихідна напруга кола за рахунок протікання струму I_с, керованого напругою між затвором і витоком U_зв.

Конденсатор С_в забезпечує незмінність коефіцієнта підсилення каскаду, оскільки змінна складова струму i_с не тече через резистор R_в, для чого ємнісний опір конденсатора повинний бути значно менше опору R_в в смузі посилюваних частот.

Змінна напруга u_вх при подачі її на вхід підсилювального каскаду приведе до зміни в часі напруги між затвором і витоком ΔU_зв(t) = u_вх. Струм стоку також буде змінюватися в часі, тобто з'явиться його змінна складова ΔI_c(t) = i_c.

Зміна цього струму приводить до зміни напруги між стоком і витоком U_св. Його змінна складова u_с є вихідною напругою підсилювального каскаду

                              ΔU_св(t) = u_с = u_вих = − R_с · i_с,

У підсилювачах на МДП-транзисторах з індукованим каналом необхідна напруга зсуву U_зв.сп у режимі спокою забезпечується включенням у ланцюг затвора дільника напруги R1R2 (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема найпростішого підсилювального каскаду на МДП-транзисторі з індукованим каналом за схемою із загальним витоком.

При цьому

                              U_зв.сп = R2 · I_д.

Від обраного значення струму дільника I_д = Е_с / (R1 + R2) залежать опору резисторів R1 і R2. Тому струм дільника вибирають виходячи із забезпечення необхідного вхідного опору підсилювача.

Залежно від режиму роботи підсилювача на МДП-транзисторі з вбудованим каналом застосовується схема включення рис. 5.8 – у випадку роботи в режимі збіднення; схема рис. 5.9 – у випадку роботи в режимі збагачення.

6. Область застосування

Польові транзистори застосовуються в підсилювальних каскадах з великим вхідним опором, ключових і логічних пристроях, при виготовленні інтегральних схем та ін. МДП-транзистори (MOSFET) повсюдно використовуються як силові транзистори імпульсних і лінійних пристроїв стабілізаторів, регулюючих і перемикаючих пристроїв.

Польові транзистори практично витиснули біполярні в ряді застосувань. Найбільш широко вони застосовуються в інтегральних схемах у якості ключів (електронних перемикачів). Переваги польових транзисторів:
− завдяки високому вхідному опору польові транзистори споживають малу енергію, тому що практично відсутнє споживання вхідного струму;
− висока завадостійкість і надійність роботи, оскільки вхідне коло з боку затвора ізольоване від вихідного кола з боку стоку й витоку;
− висока швидкість перемикання з відкритого стану в закритий і навпаки, що дозволяє їм працювати на більш високих частотах на відміну від біполярних транзисторів.

Недоліки польових транзисторів:
− структура польових транзисторів починає руйнуватися при меншій температурі (150 °С) ніж структура біполярних транзисторів (200 °С);
− потужні МДП-транзистори можуть виходити з ладу через різкі стрибки напруги живлення U_св;
− найважливішим недоліком польових транзисторів з ізольованим затвором є їх чутливість до статичної електрики через надзвичайно тонкий ізоляційний шар діелектрика між затвором і каналом – навіть невисокої напруги буває досить, щоб його зруйнувати.

7. Контрольні питання

1. Що називають польовим транзистором (ПТ)?
2. Яке призначення має польовий транзистор?
3. Дайте визначення ПТ з керуючим p-n переходом.
4. Приведіть умовне графічне позначення ПТ з керуючим p-n переходом.
5. Яку область ПТ називають каналом?
6. Який електрод ПТ називають витоком?
7. Який електрод ПТ називають стоком?
8. Який електрод ПТ називають затвором?
9. При якій напрузі через канал ПТ з керуючим p-n переходом тече максимальний струм?
10. При якій напрузі через канал ПТ з керуючим p-n переходом тече мінімальний струм?
11. Приведіть ВАХ ПТ з керуючим p-n переходом.
12. Як визначається крутизна стік-затворної характеристики ПТ?
13. Наведіть визначення ПТ з ізольованим затвором.
14. Приведіть ВАХ ПТ з ізольованим затвором вбудованим каналом.
15. Приведіть ВАХ ПТ з ізольованим затвором індукованим каналом.
16. Приведіть умовне графічне позначення МДН-транзистора з ізольованим затвором вбудованим каналом.
17. Приведіть умовне графічне позначення МДН-транзистора з ізольованим затвором індукованим каналом.
18. Приведіть схему увімкнення ПТ з спільним витоком.
19. Приведіть схему увімкнення ПТ з спільним затвором.
20. Приведіть схему увімкнення ПТ з спільним стоком.
21. Назвіть, яке призначення має підсилювальний каскад?
22. Який режим роботи польового транзистора називають режимом спокою?
23. Для чого призначений конденсатор С_В (рис. 1)?
24. Для чого призначений резистор R_З (рис. 1)?
25. Для чого призначений конденсатор С_Р (рис. 1)?
26. Для чого призначений резистор R_В (рис. 1)?
27. Для чого призначений резистор R_С (рис. 1)?

НАГОРУ