Полевые транзисторы
Следующая группа компонентов на рис. 8.1 –полевые транзисторы. Свойства полевых транзисторов сильно отличаются от свойств биполярных транзисторов тем, что управляющей величиной является не ток, а напряжение. Поэтому полевые (FET) транзисторы имеют весьма большое входное сопротивление.
Полевые транзисторы (ПТ) имеют обычно три вывода: исток, сток и затвор (управляющий электрод). В составе интегральных схем ПТ могут иметь другие выводы. Проводимость канала между истоком и стоком управляется напряжением между затвором и истоком.
В полевом транзисторе нет p-n перехода, который включен в прямом направлении (так в биполярном транзисторе включен переход база- эмиттер). Поэтому ток затвора практически равен нулю.
Бывают p- канальные (проводимостьза счет дырок)и n- канальные (проводимостьза счет электронов)ПТ.
Управляющие затворы бывают двух типов:
— с p-n – переходом (включен в обратном направлении!),
— с изолированным затвором (МОП или МДП — транзисторы),
Каналы могут различаться типами легирования (обогащенный и обедненный) и способом изготовления – встроенный (МДП) или индуцированный (МОП) каналы.
Существует большое разнообразие типов транзисторов, которое объясняется многими возможными комбинациями типов затворов и каналов. Ряд типов транзисторов, которые встроены в интегральные схемы имеют четвертый вывод – «подложку».
На рис.8.2 приведены примеры условных графических обозначений различных ПТ.
Рис.8.2. Примеры УГО полевых транзисторов:
1 и 2 –ПТ с p-n – переходом, соответственно, JFET типа с n – каналом и p – каналом;
3 и 4, 5 и 6 -ПТ трехэлектродные и четырехэлектродные, с обедненным каналом, соответственно;
7 и 8, 9 и 10 — 3-и 4- электродные NMOSFET и PMOSFET, с обогащенными каналами;
11, 12 –арсенид-галиевые, соответственно, с n –и p – каналами GASFET ПТ.
Примеры схемы включения и вольтамперные характеристики полевых транзисторов с p-n переходом приведены на рис. 8.3 и 8.4.
Рис. 8.3. Схема включения полевого транзистора с каналом n-типа “с общим истоком” (З-затвор, И-исток, С- Сток).
Рис. 8.4 . Выходные (а) и передаточные (б) характеристики полевого МДП-транзистора с каналом n-типа.
Выходные характеристики ПТ – зависимости тока стока от напряжения между истоком и стоком при заданном управляющем напряжении между истоком и затвором. Пример реальных характеристик приведен на рис.8.5. Здесь функция – ток стока, аргумент – напряжение источника V1=UИС=0…12В и параметр напряжение источника V2=UЗИ=-2…0В.
Верхняя кривая соответствует UЗИ=0В. При уменьшении управляющего напряжения UЗИ кривые семейства располагаются ниже. При UЗИ=-2В ток стока равен нулю.
Рис. 8.5. Семейство выходных характеристик ПТ.
Переходная характеристика снимается при фиксированном напряжении UИС и изменении управляющего напряжения UЗИ. Пример реальных переходных ВАХ ПТ в демонстрации demo8_2 приведен на рис. 8.6.
Рис.8.6. Семейство переходных характеристик полевого транзистора.
Здесь функция – ток стока. Аргументом является управляющее напряжение UЗИ , которое меняется в источнике V2 пределах -2В…+0.6В, и параметром – напряжение между истоком и стоком UИС в интервале 0…12В с шагом 0.5В (источник V1). Из графиков следует, что влиянием напряжения UИС можно пренебречь, если UИС>3В. Такой же вывод следует из семейства выходных характеристик на рис. 8.5. На переходной характеристике есть линейный участок, на котором связь приращений тока и напряжения может быть выражена крутизной S=dIc/dUзи (мА/В).
При положительном напряжении UИЗ наступает насыщение переходной характеристики, что видно на рис. 8.7. Ток стока не изменяется и ПТ теряет управляющие свойства.
Рис.8.7. (Demo8_2_.) Переходная характеристика ПТ при UИС=12В.
Полевые транзисторы имеют очень малый ток затвора (10 -8 ..10 -9 А), поэтому они используются в программируемых постоянных запоминающих устройствах ППЗУ, например во флэш-памяти.
Эти элементы надо особенно защищать от статического электричества. Электрический заряд может накапливаться во входных цепях из-за высокого входного сопротивления. Этот заряд создает электрическое поле в ПТ, которое может вызвать электрический пробой и повреждение ПТ.
Из-за нулевого тока затвора для ПТ входная характеристика не используется.
Полевые транзисторы широко используются для усиления сигналов.
Демонстрационный пример усилителя напряжения (demo8_3) на полевом транзисторе приведен на рис. 8.8.
В этой схеме включены конденсаторы C1 и С2 для передачи сигналов и исключения зависимостей состояния полевого транзистора от цепей источника и приемника Rn сигналов по постоянным составляющим токов и напряжений. Резисторы R1, R2 и Rs устанавливают состояние транзистора по постоянному току. На резисторе Rc формируется выходное напряжение, которое передается на приемник Rn. Конденсатор С3 повышает коэффициент усиления, так как он уменьшает сопротивление участка цепи с резистором R1 по переменной составляющей. На рис.8.8 приведены осциллограммы входного (синяя кривая, правая ось ординат) и выходного (красная кривая, левая ось ординат).
Рис. 8.8 . Схема усилительного каскада с полевым транзистором с общим истоком и осциллограммы входного (синяя, правая ось V) и выходного (красная, левая ось V) напряжений.
Коэффициент усиления по напряжению на частоте 1кГц составляет KU = 1.3В/100мВ = 13. Усилитель изменяет фазу сигнала на 180°.
Постоянная составляющая напряжения между затвором и истоком (UЗИ, П = -832,4мВ) создается делителем напряжения R1-R2 и резистором RИ цепи истока и обеспечивает линейный режим усиления во всем диапазоне изменения входного напряжения..
Состояние полевого транзистора по постоянному току при заданных параметрах элементов усилителя определяется следующим образом.
Так как Iз =0 , то на резисторе R2 постоянное напряжение
Напряжение между затвором и истоком UЗИ = UR2 –RИIc (UЗИ). Это выражение представим с переменной Ic в виде UЗИ (Ic )= UR2 – RИIc. Слева — функция переходной характеристики, представленная кривой 1 на рис.8.9. Справа линейная ВАХ – прямая линия 2, отсекающая на осях отрезки UR2 и UR2 /RИ. Точка пересечения A определяет постоянные ток «покоя» стока Icп и напряжение «покоя» UЗИ, П.
Рис. 8.9. К определению рабочей точки покоя в цепи затвора.
Постоянное напряжение UCИ,П определяется по выходной характеристике следующим образом. Известное постоянное напряжение UЗИ,Ппозволяет выбрать одну выходную характеристику IC(UCИ,П,UЗИ,П).
Рис.8.11. К определению рабочей точки покоя в цепи стока.
При выборе рабочей точки следуют методике, которая была рассмотрена для усилителя напряжения на биполярном транзисторе.
На рис.8.12 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилительного каскада.
Рис. 8.12. demo8_3. Частотные характеристики усилителя напряжения на полевом транзисторе.
В общем виде частотная характеристика усилителя напряжения на ПТ может быть получена с помощью линейной схемы замещения усилителя по постоянной составляющей, которая приведена на рис.8.13.
Рис.8.13. Схема замещения усилителя напряжения на ПТ в линейном режиме .
В схеме замещения на рис. 8.13 кроме элементов из схемы усилителя на рис.8.8 включены элементы схемы замещения полевого транзистора:
-источник тока iС=SuЗИ, отражающий усилительные свойства ПТ (S – крутизна переходной характеристики ПТ),
— внутреннее сопротивление ПТ Ri, которое определяется наклоном выходных характеристик ПТ Ri= dUСИ/dIC при неизменном напряжении UЗИ,
— емкостный элемент С, отражающий инерционные свойства транзистора и емкость ПТ между истоком и стоком .
В границах полосы пропускания усилителя реактивными сопротивлениями конденсаторов можно пренебречь. Тогда коэффициент усиления равен (если сопротивление нагрузки усилителя больше эквивалентного выходного сопротивления RЭК
Из схемы замещения следует, что при низких частотах сигнала сопротивления емкостных элементов С1 и С2 велико и амплитуда напряжения на выходе усилителя UВЫХ,m небольшая. На средних частотах сопротивлением всех емкостных элементов можно пренебречь и UВЫХ,m наибольшее, на высоких частотах сказывается уменьшение сопротивления элемента С и UВЫХ,m уменьшается.
Приведенное описание свойств усилителя напряжения на полевом транзисторе показывает общее его сходство с усилителем на биполярном транзисторе. Главное различие – в большой разнице значения входного сопротивления, которое в схеме с ПТ значительно больше.
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Полевой транзистор, как и биполярный, является активным четырехполюсником и также имеет три электрода. Следовательно, возможны три схемы включения полевого транзистора: 1) с общим истоком – ОИ; 2) с общим затвором – ОЗ; 3) с общим стоком – ОС. Рассмотрим характеристики чаще применяемой схемы с общим истоком.
 Рис. 3. Выходная (стоковая) характеристика полевого транзистора с каналом n-типа |
Выходные (стоковые) характеристики.
Выходной (стоковой) характеристикой полевого транзистора называется графически выраженная зависимость Iс=f(Ucи) при Uзи=const (рис.3).
Они показывают, что с увеличением uси ток ic 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 uси ток должен увеличиваться, но т.к. одновременно повышается обратное напряжение на p-n-переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается, т.е. его сопротивление растет, и за счет этого ток ic должен уменьшиться. Таким образом, два взаимно противоположных воздействия имеют место на ток, который в результате остается почти постоянным.
При подаче большого по абсолютному значению отрицательного напряжения на затвор ток ic уменьшается, и характеристика проходит ниже. Повышение напряжения стока в конце концов приводит к электрическому пробою p-n-перехода, и ток стока начинает лавинообразно нарастать, что показано на рис.3 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 не совсем удачно называют областью насыщения. Напряжение, при котором начинается эта область, иногда называют напряжением насыщения, а запирающее напряжение затвора иначе еще называется напряжением отсечки.
Передаточная (стоко-затворная) характеристика.
 Рис. 4. Передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом |
Передаточной характеристикой полевого транзистора называется графически выраженная зависимость Ic=f(Uзи) при Uси=const (рис.4). При Uзи=0 ток Ic достигает максимального значения, т.к. в данном случае ширина канала максимальна, а сопротивление минимально. С ростом Uобр при неизменном Uси уменьшается ток Ic.
При Uзи=Uзи отс канал перекрывается, ток Ic становится близким к нулю. Однако при этом в цепи течет незначительный ток неосновных носителей заряда. При тех же значения напряжения Uзи, но разных напряжениях Uси ток Ic меняется мало, что объясняется тем, что напряжения Uси берутся при насыщении тока Ic.
Таким образом, передаточная характеристика определяет эффективность управления током Ic с помощью изменения входного напряжения Uзи. В то время как в режиме насыщения большие изменения напряжения Uси почти не влияют на изменение тока Ic, даже незначительные изменения напряжения Uзи вызывают большое изменение этого же тока Iс. В отличие от биполярных транзисторов входные характеристики Iвх=f(Uвх) при Uвых=const не представляют особого интереса, т.к. входной ток, который является током неосновных носителей заряда, очень мал и при изменении Uзи практически не меняется.
Влияние температуры на работу полевого транзистора.
Рассмотрим влияние температуры на сопротивление канала.
При увеличении температуры уменьшается потенциальный барьер и ширина p-n-перехода, в результате ширина канала увеличивается, сопротивление канала уменьшается. В то же время при возрастании температуры уменьшается подвижность основных носителей в канале, что приводит к увеличению сопротивления канала. Таким образом, оба фактора оказывают противоположное влияние на изменение сопротивления канала и, следовательно, на изменение тока Ic при изменении температуры. На рис.5 показано влияние температуры на передаточные характеристики. Здесь видно, что при Uзи опт ток стока Iс не меняется при изменении температуры.
 Рис. 5. Влияние температуры на работу полевого транзистора с управляющим p-n-переходом |
При |Uзи|>|Uзи опт| Ic растет с увеличением температуры, что говорит о том, что влияние уменьшения потенциального барьера и расширения канала при этом является преобладающим.