Глава 14. Полевые (униполярные) транзисторы
"Спец": Полевыми транзисторами называются кристаллические полупроводниковые структуры, которые, в отличие от биполярных транзисторов, управляются электрическим полем. То есть, практически, без затраты мощности управляющего сигнала.
Вообще к настоящему времени известно около двух десятков различных видов полевых приборов. Основная масса их выполняется на основе кремния или арсенида галлия. Германиевые полевые приборы не применяются в силу ряда причин. Но для наших практических целей достаточно иметь представление о СЕМИ разновидностях полевых транзисторов (рис. 14.1).
"Аматор": А не многовато будет?
"С": Да нет, в самый раз! Прежде всего, приведем схемные обозначения этих семи основных видов (см. рис. 14.1).
"Н": А как работают эти транзисторы и почему необходимо столько различных типов?
"С": Управляющий электрод всех типов полевых транзисторов (FET) называется ЗАТВОРОМ, обозначаемым как 3 или имеющим международное обозначение G. Он позволяет управлять величиной сопротивления между СТОКОМ С (или D) и ИСТОКОМ И (или S). Управляющим напряжением является, таким образом, Ugs (или Uзи). Большинство полевых транзисторов являются симметричными, то есть их свойства не изменяются, если D и S поменять местами. В транзисторах с управляющими р-n-переходами затвор отделен от канала обратно смещенным р-n-переходом.
"А": То есть первое различие от биполярных трап л к торов в том, что у БТ управляющий р-n-переход ВСЕГДА включен в прямом направлении, а у ПТ (JFET) - всегда в обратном?
"С": Это действительно так. Но вот у полевых транзисторов с изолированным затвором, или МОП-транзисторов (MOSFET) затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика SiО2. У этих транзисторов ток через затвор невозможен при любой полярности управляющего напряжения.
"Н": Но ведь любой реальный прибор всё равно характеризуется какими-то реальными токами?
"С": Как водится! Так же это относится и к JFET, и к MOSFET. Например, реальные токи затворов JFET находятся в пределах от единиц наноампер до единиц пикоампер. У МОП-транзисторов (MOSFET) они меньше ещё натри порядка! Таким образом, полевые транзисторы характеризуются колоссальными величинами входных сопротивлений. Оно у них выше, чем у ПУЛов (приемно-усилительных ламп).
"А": А какова физика работы, например JFET (полевого транзистора с управляющим р-n-переходом)?
"С": JFET имеет управляющий канал проводимости в объеме полупроводника. Рассмотрим действие прибора, упрощенная конструкция которого показана на приведенном рис. 14.2. Данный прибор изготовлен из кремния, имеющего собственную проводимость n-типа (то есть донорную, с избытком электронов). На верхней и нижней плоскостях сформированы р-n-переходы, путем формировании в кремнии n-типа, областей p-типа (то есть акцепторных, с повышенной концентрацией дырок).
Если к затвору относительно истока прикладывается отрицательное напряжение (см. рис. 14.2), то вблизи р+ областей образуются зоны, обедненные электронами (зона Б). Толщина зоны зависит от величины абсолютного значения напряжения Uзи. При приближении этого напряжения к нулю толщина обедненного слоя уменьшается. Та часть структуры, которую не достигли обедненные слои (зоны) называется КАНАЛОМ, из-за чего полевые транзисторы называются также - КАНАЛЬНЫМИ.
"А": Кстати, проводимость канала определяется ОСНОВНЫМИ НОСИТЕЛЯМИ, то есть в данном случае мы можем говорить, что имеем дело с n-канальным прибором, проводимость которого определяется электронами.
"С": Совершенно верно! Но имеются в виду и р-канальные приборы, проводимость которых имеет сугубо дырочный характер!
"Н": А что в этом случае изменяется?
"А": Прежде всего полярность подключения питания изменяется на противоположную! Естественно, меняется и производственная технология!
"С": Всё так! Но обратимся снова к нашему рисунку! Как вы думаете, что произойдет, если напряжение Uзи будет возрастать?
"А": Я полагаю, что наступит момент, когда обедненные слои Б1 и Б2 соприкоснутся!
"С": Правильно, это и будет означать, что канал полевого транзистора кажется перекрытым, проводимость прибора станет очень малой или, что то же самое, сопротивление промежутка ИСТОК - СТОК значительно возрастет!
"Н": Это напряжение, при котором происходит смыкание обедненных слоев, оно имеет какое-то свое название?
"С": Безусловно! Это один из важнейших параметров полевого транзистора! И носит имя собственное - НАПРЯЖЕНИЕ ОТСЕЧКИ, обозначаемое как Uотс (или Upinch off). Но, поскольку даже в этом случае всегда найдутся достаточно энергичные электроны, которые способны преодолеть даже перекрытый канал, то, естественно, довести величину тока до абсолютного нуля не удается!
Впрочем, это никому и не нужно! Поэтому обычно считают, что Uотс достигается в том случае, когда ток через канал (или его еще называют ТОК СТОКА - Iст) уменьшается до 10 микроампер.
"Н": А что произойдет, если Uзи = 0?
"С": В этом случае обедненный слой исчезает, проводимость канала становится максимальной и, следовательно, ток стока достигает максимальной величины. Этот ток называется ТОКОМ НАСЫЩЕНИЯ или током полностью открытого канала - Iсo.
"А": Вот мы и получили два из трех основных параметров: Uотс и Iсо! Но вот как нам лучше и изящнее подойти к третьему параметру, а именно - КРУТИЗНЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ или S?
"С": Я понимаю глубинный смысл твоего вопроса, дорогой Аматор! Тебя скорее всего, интересует не столько сам физический смысл этого параметра (ты великолепно знаешь, что это есть отношение ΔI/ΔU) сколько то, как проще всего определять этот важнейший параметр на практике! Нет?
"А": Именно так, уважаемый Спец! Я просто подумал, что современная технология производства полевых транзисторов дает значительный разброс параметров. Следовательно, для выбора оптимальных режимов каскадов, необходимо определять вышепоименованную тройку параметров для каждого конкретного образца транзистора, а это - хлопот не оберешься!
"С": Все проще гораздо, в чем мы сейчас и убедимся! Рассмотрим ПЕРЕДАТОЧНУЮ (она же УПРАВЛЯЮЩАЯ) характеристику jFET (рис. 14.3, а).
Любезный Аматор, прокомментируйте нам вид изображенной кривой!