Широкое распространение получили полевые транзисторы, иначе называемые канальными,или униполярными,в отличие от биполярных транзисторов. Идею устройства этих приборов предложил в 1952 г. один из изобретателей биполярного транзистора У. Шокли. Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление, которое может быть даже больше чем у электронных ламп. В настоящее время биполярные транзисторы все чаще вытесняются полевыми.
Принцип устройства и включения полевого транзистора с управляющим п – р-переходом, а также его условное графическое обозначение показаны на рис. 50. Пластинка из полупроводника, например, 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 Rн. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей. В нашем примере это электронный ток. Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода, представляющего собой область с другим типом электропроводности. В данном случае это р-область. Источник питания входной цепи Е1 создает на единственном п – р-переходе данного транзистора обратное напряжение. Напряжение другой полярности, т. е. прямое напряжение, на п – р-переход не подают, так как тогда входное сопротивление будет очень малым. Во входную цепь включен источник усиливаемых колебаний ИК.
Рис. 50. Схема включения и условное графическое обозначение полевого транзистора с п – р-переходом и каналом п-типа
Физические процессы в полевом транзисторе происходят следующим образом. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на п – р-переходе, и от этого изменяется толщина запирающего (обедненного) слоя, ограниченного на рис. 50 штриховыми линиями. Соответственно, меняется площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда, т. е. выходной ток. Эта область называется каналом.
Электрод, из которого в канал вытекают основные носители заряда, называют истоком (И). Из канала носители проходят к электроду, который называется стоком (С). Управляющий электрод, предназначенный для регулирования площади поперечного сечения канала, называется затвором (З), и в какой-то степени он аналогичен базе биполярного транзистора, хотя, конечно, по физическому принципу работы затвор и база различны.
Если увеличивать напряжение затвора uз-и, то запирающий слой п – р-перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается, Следовательно, его сопротивление постоянному току R0 возрастает, и ток стока iс становится меньше. При некотором запирающем напряжении uз-и.зап площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток iс будет весьма малым. Транзистор запирается. А при uз-и= 0 сечение канала наибольшее, сопротивление R0наименьшее, например, несколько сотен ом, и ток iс 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 толщина самого канала (при uз-и= 0) должна быть достаточно малой. Обычно она не превышает нескольких микрометров. Запирающее напряжение uз-и.зап при этих условиях составляет единицы вольт.
Поскольку вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку, то ближе к стоку обратное напряжение п – р-перехода увеличивается и толщина запирающего слоя получается больше.
Рис. 51. Принцип устройства и условное графическое обозначение планарно-эпитаксильного
полевого транзистора с каналом р-типа
Полевые транзисторы с п – р -переходом могут быть изготовлены сплавлением или диффузией. Лучшими являются диффузионные транзисторы. На рис. 51 изображен принцип устройства диффузионного полевого транзистора, изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии. Для примера показан канал р-типа (конечно, он может быть и п-типа). Области истока и стока обычно делаются с повышенной проводимостью (электропроводность р+-типа), чтобы уменьшить бесполезное падение напряжения и потерю мощности в этих областях. Повышенную проводимость имеет и область затвора (электропроводность п+-типа). Это обеспечивает увеличение толщины запирающего слоя главным образом в сторону канала, т. е. усиливает управляющее действие затвора. Кристалл транзистора (подложка) является областью п-типа, от которой часто делают вывод. Тогда кристалл может быть использован как дополнительный затвор. Подавая, например, на него некоторое постоянное напряжение, устанавливают начальную толщину канала.
Сплавные полевые транзисторы являются низкочастотными, а диффузионные могут работать на частотах до десятков и даже сотен мегагерц. Следует отметить, что само перемещение основных носителей по каналу происходит под действием ускоряющего поля очень быстро, и поэтому предельная частота определяется не этим процессом, а влиянием собственных емкостей транзистора.
Характеристики и параметры полевых транзисторов.Управляющее действие затвора наглядно иллюстрируют управляющие (стокозатворные) характеристики,выражающие зависимость iс= f (uз-и) при uс-и = =const (рис. 52). Однако эти характеристики неудобны для расчетов, и поэтому на практике пользуются выходными характеристиками.
характеристики полевого транзистора характеристики полевого
с каналом n-типа транзистора с каналом n-типа
На рис. 53 изображены выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора iс = f (uс-и) при uз-и = const. Они показывают, что с увеличением uс-и ток iс 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 uс-и ток должен увеличиваться, но так как одновременно повышается обратное напряжение на п – р-переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается, т. е. его сопротивление возрастает, и за счет этого ток iс должен уменьшиться. Таким образом, имеют место два взаимно противоположных воздействия на ток, который в результате остается почти постоянным.
При подаче большего по абсолютному значению отрицательного напряжения на затвор ток iс уменьшается и характеристика проходит ниже.
Повышение напряжения стока в результате приводит к электрическому пробою п – р-перехода, и ток стока начинает лавинообразно нарастать, что показано на рисунке штриховыми линиями. Напряжение пробоя является одним из предельных параметров полевого транзистора.
Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, т. е. в области, которую часто называют областью насыщения. Напряжение, при котором начинается эта область, иногда называют напряжением насыщения, а запирающее напряжение затвора иначе еще называется напряжением отсечки.
Следует отметить, что для транзисторов с каналом р-типа полярности питающих напряжений противоположны тем, какие показаны на рис. 50, 52 и 53 для транзисторов с каналом п-типа.
Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами. Основной параметр – крутизна S,аналогичная параметру y21биполярных транзисторов. Крутизна определяется по формуле:
S = y21 = / uз-и при uс-и = const (103)
и может быть до нескольких миллиампер на вольт.
Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Например, S = 3 мА/В означает, что изменение напряжения затвора на 1 В создает изменение тока стока на 3 мА.
Второй параметр – внутреннее (выходное) сопротивление Ri,аналогичное величине 1/y22 биполярного транзистора. Этот параметр представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока и выражается формулой
Ri = 1/y22 = uc-и / при uз-и= const. (104)
На пологих участках выходных характеристик значение Riдостигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току R0.
Иногда пользуются третьим параметром – коэффициентом усиления , который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока. Коэффициент усиления определяется формулой
= – uc-и / uз-и при iс = const, (105)
т. е. выражается отношением таких изменений uc-и и uз-и, которые компенсируют друг друга по действию на ток iс, в результате чего этот ток остается постоянным. Так как для подобной компенсации uc-и и uз-и должны иметь разные знаки (например, увеличение uc-и должно компенсироваться уменьшением uз-и), то в правой части формулы (7.3) стоит знак «минус». Иначе, можно вместо этого взять абсолютное значение правой части. Коэффициент усиления связан с параметрами S и Riпростой зависимостью
= S Ri.(106)
Для пологих участков выходных характеристик достигает сотен и даже тысяч. В начальной области этих характеристик (при малых uc-и) значения всех трех параметров уменьшаются.
Входное сопротивление полевого транзистора определяется, как обычно, по формуле
Rвх = uз-и / iз при uc-и= const. (107)
Поскольку ток iз – обратный ток п – р-перехода, а значит, очень мал, то Rвхдостигает единиц и десятков мегаом. Полевой транзистор имеет также входную емкость между затвором и истоком Сз-и, которая является барьерной емкостью п – р-перехода и составляет единицы пикофарад у диффузионных транзисторов и десятки пикофарад у сплавных. Меньшие значения имеет проходная емкость между затвором и стоком Сз-с, а самой малой является выходная емкость между истоком и стоком Сз-и.
Схемы включения полевых транзисторов. Подобно биполярным транзисторам, полевой транзистор можно включить по одной из трех основных схем. На рис. 50 показана наиболее часто применяемая схема включения с общим истоком (ОИ), аналогичная схеме с общим эмиттером. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности и переворачивает фазу напряжения при усилении. Поскольку обычно Rн << << Ri, то коэффициент усиления каскада по напряжению можно подсчитать по формуле
k » S Rн, (108)
которая аналогична формуле для каскада с общим эмиттером.
полевого транзистора транзистора от одного источника
На рис. 54 показана эквивалентная схема (схема замещения) полевого транзистора для включения его с общим истоком. Поскольку Rвх очень велико, то его можно не учитывать. Для низких частот во многих случаях можно исключить из схемы емкости. Генератор тока SUmвхотражает усиление, даваемое транзистором, а сопротивление Riпредставляет собой сопротивление канала переменному току, т. е. выходное сопротивление. К входным зажимам подключается источник колебаний, а к выходным – нагрузка.
В практических усилительных каскадах обычно применяется питание от одного источника Е2,как это показано на рис. 55 для транзистора с п-каналом. Для получения постоянного обратного напряжения на управляющем п – р-переходе в провод истока включается резистор, зашунтированный конденсатором Си. Постоянный ток стока Iс0 создает на резисторе Rинапряжение Uз-и0 = Iс0 Rи,которое через источник колебаний ИК подается на п – р-переход. Сопротивление Rирассчитывается по формуле Rи = Uз-и0 / Iс0. Величины Uз-и0 и Iс0 могут быть определены для выбранного режима работы из выходных характеристик. Через конденсатор Си проходит переменная составляющая тока стока. Емкость Си должна быть такой, чтобы емкостное сопротивление для низшей частоты fнбыло во много раз меньше Rн.Тогда на емкости Си будет небольшое переменное напряжение. Если конденсатора Синет или его емкость недостаточна, то на Rиполучается значительное переменное напряжение. Оно будет подаваться на вход транзистора в противофазе с входным напряжением uвх (отрицательная обратная связь). Результирующее переменное напряжение на входе транзистора станет меньше, и коэффициент усиления снизится.
Следует заметить, что иногда такая отрицательная обратная связь применяется для улучшения работы усилителя (уменьшения искажений, повышения устойчивости коэффициента усиления).
Схема на рис. 55, называемая часто схемой с автоматическим напряжением смещения Uз-и0 п – р-перехода, непригодна для запирания транзистора. Действительно, напряжение смещения Uз-и получается за счет тока стока Iс0,но у запертого транзистора этот ток равен нулю. Если нужно запереть транзистор при отсутствии входного напряжения ивх,то применяют схему, представленную на рис. 56. В ней напряжение источника Е2подано на делитель R1R2и постоянное напряжение па резисторе R1 является запирающим напряжением смещения Uз-и0. Сопротивление R1определяется по формуле R1 = Uз-и0 / Iд, где Iд – ток делителя, который выбирается сравнительно небольшим, чтобы на делителе не было значительной потери мощности источника Е2. Но вместе с тем ток Iд должен быть в несколько больше тока Iс0, получающегося при подаче входного напряжения Uвх. Конденсатор С выполняет ту же роль и в предыдущей схеме.
Иногда источник колебаний ИК,помимо переменного, дает постоянное напряжение, которое не должно попадать на вход транзистора. В этом случае переменное входное напряжение подают через разделительный конденсатор Ср (рис. 57), а напряжение смещения Uз-и0– через резистор Rз,который должен иметь большое сопротивление, чтобы не снижалось входное сопротивление каскада.
позволяющая запирать транзистор через разделительный конденсатор
На рис. 58 показано включение полевого транзистора с каналом п-типа по схеме с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС). Схема с общим затвором аналогична схеме с общей базой. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Входное сопротивление данной схемы мало, так как входным током является ток стока. Фаза напряжения при усилении не переворачивается. Каскад по схеме ОС подобен эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем.
Рис. 58. Схемы включения полевого транзистора с общим затвором (а) и с общим стоком (б)
Коэффициент усиления каскада по напряжению близок к единице. Выходное напряжение по значению и фазе повторяет входное. Для такого каскада характерно сравнительно небольшое выходное сопротивление и повышенное входное. Кроме того, значительно уменьшается входная емкость, что способствует увеличению входного сопротивления на высоких частотах.
Усилительные каскады с полевым транзистором, включенным по схеме ОЗ или ОС, могут питаться от одного источника. На рис. 59 показаны схемы питания для включения транзистора с общим затвором. В схеме на рис. 59а постоянный ток стока создает на резисторе R падение напряжения Uз-и0 = Iс0R,которое подается на затвор. Если нужно, чтобы при отсутствии сигнала транзистор был заперт, то применяют схему, приведенную на рис. 59б,с делителем напряжения R1R2. В ней запирающее напряжение создается на резисторе R1 от протекания по нему тока делителя Iд.Это напряжение равно Uз-и0= IдR1. При отпирании транзистора к току делителя добавляется ток стока и напряжение на затворе возрастает. В обеих схемах конденсатор С служит для сглаживания пульсаций.
Рис. 59. Питание схемы ОЗ от одного источника
Схема с общим истоком и питанием от одного источника представлена на рис. 60. На затвор подается постоянное отрицательное напряжение Uз-и0 = Iс0Rн с резистора нагрузки Rн. Если это напряжение слишком большое, то его уменьшают, подавая дополнительно на затвор некоторое положительное напряжение, например, с делителя напряжения, как это показано на рис. 61. В этом случае на затвор подается напряжение Uз-и0 = Iс0Rн – IдR1. Возможны и другие схемы питания полевого транзистора от одного источника.
Помимо высокого входного сопротивления, полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными. Так как в полевом транзисторе ток iс вызван перемещением основных носителей, концентрация которых определяется преимущественно количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры, то полевые транзисторы более температуростабильны, т. е. меньше изменяют свои характеристики и параметры при изменении температуры. Они могут эффективно работать в более широком интервале температур. При повышении температуры наблюдается только значительное увеличение тока затвора (тока неосновных носителей), но все же он остается достаточно малым, и поэтому входное сопротивление сохраняет высокие значения. Полевой транзистор создает меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. По радиационной стойкости эти транзисторы приближаются к электронным лампам. Недостаток многих полевых транзисторов – сравнительно невысокая крутизна.
Рис. 60. Питание схемы ОИ от одного Рис. 61. Питание схемы ОИ от одного источника источника с делителем напряжения
Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т. е. обратный ток п – р-перехода, получается во много раз меньше, чем у германия. При температуре 20 °С постоянный ток затвора может составлять лишь 1 нА.
/ 
uз-и при uс-и = const (103)
при uз-и= const. (104)
, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока. Коэффициент усиления определяется формулой
iз при uc-и = const. (107)
