Устройство и принцип действия полевого транзистора

p-n переходом.Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором

ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электриче-

ского поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, ко-

торое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

 Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, назы-

 Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называ-

 Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение,

создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

 Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между pn

переходом, называется каналом полевого транзистора.

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Условное графическое изображение (УГО) полевого транзистора с каналом n-типа изображе-

но на рисунке 96, а с каналом p-типа на рисунке 97.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

1) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2 > 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение меж-

ду стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал

движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1)При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутрен-

ним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет

2)При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходовувеличива-

ется, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3)При достаточно больших напряжениях на затворе ширина p-n переходов может уве-

личиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор,

так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято гово-

рить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме

2) Характеристики и параметры полевых транзисторов.К основным характери-

 Стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока (Ic) от напряжения на за-

творе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

 Стоковая характеристика – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на

затворе (смотрите Рис. 100). Ic = f (Uси) при Uзи = Const

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Основные параметры:

1) Напряжение отсечки.

2) Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изме-

нится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1В.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

3) Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

4) Входное сопротивление.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Так как на затвор подаётся только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять

собой обратный ток закрытого p-n перехода и будет очень мал. Величина входного сопротив-

ления Rвх будет очень велика и может достигать 109 Ом.

3) Полевые транзисторы с изолированным затвором.Данные приборы имеют за-

твор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолирован-

ным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл,

окись, полупроводник. МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник.

МОП – транзисторы могут быть двух видов:

 Транзисторы со встроенным каналом

 Транзисторы с индуцированным каналом.

Дата добавления: 2015-12-16 ; просмотров: 902 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Полевые транзисторы: типы, устройство, принцип и режимы работы, схемы включения, основные параметры, использование

Полевым транзистором (ПТ) называется полупроводниковый радиокомпонент, используемый для усиления электрического сигнала. В цифровых устройствах схемы на основе ПТ исполняют функции ключей, управляющих переключениями логических элементов. В последнем случае использование полевых транзисторов оказывается крайне выгодным с точки зрения миниатюризации аппаратуры. Это обусловлено тем, что для цепей управления этими радиокомпонентами требуются небольшие мощности, вследствие чего на одном кристалле полупроводниковой микросхемы можно размещать десятки тысяч транзисторов.

Читать также:  Схема подключения двухфазного выключателя

Полупроводниковым сырьём для изготовления полевых транзисторов являются следующие материалы:

  1. карбид кремния;
  2. арсенид галлия;
  3. нитрид галлия;
  4. фосфид индия.

Устройство и принцип работы полевого транзистора.

ПТ состоит из трёх элементов – истока, стока и затвора. Функции первых двух очевидны и состоят соответственно в генерировании и приёме носителей электрического заряда, то есть электронов или дырок. Предназначение затвора заключается в управлении током, протекающим через полевой транзистор. Таким образом, мы получаем классический триод с катодом, анодом и управляющим электродом.

В момент подачи напряжения на затвор возникает электрическое поле, изменяющее ширину p-n-переходов и влияющее на величину тока, который протекает от истока к стоку. При отсутствии управляющего напряжения ничто не препятствует потоку носителей заряда. С повышением управляющего напряжения канал, по которому движутся электроны или дырки, сужается, а при достижении некоего предельного значения закрывается вовсе, и ПТ входит в так называемый режим отсечки. Как раз это свойство полевых транзисторов и позволяет использовать их в качестве ключей.

Усилительные свойства радиокомпонента обусловлены тем, что мощный электрический ток, протекающий от истока к стоку, повторяет динамику напряжения, прикладываемого к затвору. Другими словами, с выхода усилителя снимается такой же по форме сигнал, что и на управляющем электроде, только гораздо более мощный.

Распространённые типы полевых транзисторов.

В настоящее время в радиоаппаратуре применяются ПТ двух основных типов – с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Опишем подробнее каждую модификацию.

1. Управляющий p-n-переход.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Эти полевые транзисторы представляют собой удлинённый полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими выводами играют роль стока и истока. Функцию затвора исполняет небольшая область с обратной проводимостью, внедрённая в центральную часть кристалла. Так же, как сток и исток, затвор комплектуется металлическим выводом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

2. Изолированный затвор.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанных выше ПТ с управляющим p-n-переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на некотором удалении друг от друга внедрены две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.

Из-за того, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов – металл, диэлектрик и полупроводник, – данные радиокомпоненты часто именуют МДП-транзисторами. В элементах, которые формируются в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, в связи с чем буква «Д» в аббревиатуре заменяется на «О», и такие компоненты получают название МОП-транзисторов.

Существует два вида этих полевых транзисторов – с индуцированным и встроенным каналом. В первых физический канал отсутствует и возникает только в результате воздействия электрического поля от затвора на подложку. Во вторых канал между истоком и стоком физически внедрён в подложку, и напряжение на затворе требуется не для формирования канала, а лишь для управления его характеристиками.

Схемотехническое преимущество ПТ с изолированным затвором перед транзисторами с управляющим p-n-переходом заключается в более высоком входном сопротивлении. Это расширяет возможности применения данных элементов. К примеру, они используются в высокоточных устройствах и прочей аппаратуре, критичной к электрическим режимам.

В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодеталями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать паяльную станцию с заземлением, а, кроме того, заземляться должен и человек, выполняющий пайку. Даже маломощное статическое электричество способно повредить полевой транзистор.

Читать также:  Напыление серебром в домашних условиях

Схемы включения полевых транзисторов.

В зависимости от того, каким образом ПТ включается в усилительный каскад, существует три схемы – с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Способы различаются тем, на какие электроды подаются питающие напряжения, и к каким цепям присоединяются источник сигнала и нагрузка.

Схема с общим истоком используется чаще всего, так как именно в этом случае достигается максимальное усиление входного сигнала. Способ включения ПТ с общим стоком используется, главным образом, в устройствах согласования, поскольку усиление здесь небольшое, но входной и выходной сигналы совпадают по фазе. И, наконец, схема с общим затвором находит применение, в основном, в высокочастотных усилителях. Полоса пропускания при таком включении полевого транзистора гораздо шире, чем при других схемах.

Полевой транзистор с управляющим электронно-дырочным переходом имеет 2 невыпрямляющих контакта к области полупроводника, через которую проходит ток и один (либо два) управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в обратном направлении.

Изменением обратного напряжения на переходе управляют шириной перехода, тем самым изменяется толщина слоя полупроводника, по которому протекает ток.

Область полупроводника, по которой протекает ток основных носителей, называется каналом.

Электрод, из которого основные носители входят в канал, называется истоком.

Электрод, через который основные носители уходят из канала, называется стоком.

Электрод, служащий для управления толщиной канала, называется затвором.

Различают два типа полевых транзисторов:

Полевые транзисторы с управляющими Устройство и принцип действия полевого транзисторапереходами: В данном транзисторе затвор в электрическом отношении отделен от каналаУстройство и принцип действия полевого транзисторапереходом, смещенном в обратном направлении.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП транзисторы). В этом транзисторе затвор в электрическом отношении отделен от канала слоем диэлектрика. МДП транзисторы – четырех электродные приборы, четвертым электродом –подложкой– является кристалл полупроводника, на основе которого выполнен весь прибор.

Канал в полевых транзисторах может иметь проводимость Устройство и принцип действия полевого транзистора-типа иУстройство и принцип действия полевого транзистора-типа. Однако при использовании каналаУстройство и принцип действия полевого транзистора-типа будут худшие частотные свойства, хуже стабильность параметров и выше уровень шумов по сравнению с каналомУстройство и принцип действия полевого транзистора-типа.

Устройство и графическое изображение различных полевых транзисторов на основе кристалла полупроводника Устройство и принцип действия полевого транзистора-типа приведено на рисунках.

Транзистор с управляющим Устройство и принцип действия полевого транзисторапереходом

МДП транзистор с индуцированным каналом

МДП транзистор со встроенным каналом

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Ток в полевых транзисторах обусловлен движением в канале только основных носителей заряда (это дрейф основных носителей заряда под действием электрического поля). Управляющее поле создается обратным напряжением на управляющем Устройство и принцип действия полевого транзисторапереходе или на затворе в МДП транзисторах. Токи в цепи управления (в затворе) имеют малую величину , и, следовательно, входное дифференциальное сопротивление цепи управления велико.

С точки зрения проводимости и входных токов и сопротивления, полевые транзисторы близки к электронным лампам. Поэтому, как и в лампах, усилительные свойства полевых транзисторов принято характеризовать крутизной характеристики, определяющей зависимость выходного тока (тока стока) от напряжения, приложенного ко входной цепи ( цепи затвора).

Принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом.

Графическое изображение транзистора и его включение по схеме с общим истоком приведено на рисунке.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Из рисунка видно, что электрическое сопротивление канала между истоком и стоком зависит от толщины канала. Толщина канала может уменьшаться за счет изменения ширины Устройство и принцип действия полевого транзистораперехода. ШиринаУстройство и принцип действия полевого транзистораперехода зависит от приложенного к нему обратного напряжения, то есть изменяется при изменении отрицательного напряжения затвор-истокУстройство и принцип действия полевого транзистора.

Следовательно, изменяя напряжение затвор-исток, можно управлять электрическим сопротивлением канала.

При подаче положительного напряжения между стоком и истоком Устройство и принцип действия полевого транзисторапод действием электрического поля возникает дрейф основных носителей зарядов в каналеУстройство и принцип действия полевого транзистора-типа от стока к истоку.

В результате приложения положительного напряжения между стоком и истоком изменяется электрическое поле в теле полупроводника, что приводит к изменению конфигурации Устройство и принцип действия полевого транзистораперехода –будет наблюдаться вытягивание запирающего слоя по направлению к стоку.

Читать также:  Водонагреватель для крана на кухне

Объясняется данный процесс следующим образом. Если не учитывать сопротивление канала, можно считать, что потенциал у стока соответствует напряжению Устройство и принцип действия полевого транзистора. Тогда дляУстройство и принцип действия полевого транзистораперехода потенциал на переходе у стока будет определяться величинойУстройство и принцип действия полевого транзистораи тем самым увеличивается потенциальный барьер на переходе и его ширина. В тоже самое время потенциал у истока остается неизменным и определяется напряжениемУстройство и принцип действия полевого транзистора.

Приложение положительного напряжения Устройство и принцип действия полевого транзисторавызывает не только протекание тока стокаУстройство и принцип действия полевого транзисторапо каналу, но и изменение конфигурации самого канала. Значение тока стока определяется сопротивлением канала.

Ток затвора Устройство и принцип действия полевого транзистораобусловлен движением неосновных носителей зарядов через обратно смещенный электронно-дырочный переход. Ввиду незначительной концентрации неосновных носителей заряда ток затвораУстройство и принцип действия полевого транзисторамал.

Током стока Устройство и принцип действия полевого транзистораможно управлять напряжением затвор-истокУстройство и принцип действия полевого транзистора. При некотором значении напряженияУстройство и принцип действия полевого транзистораширина перехода может возрасти до такой величины, что весь канал будет перекрыт. При этом ток стока будет равен нулю и транзистор запирается.

Напряжение Устройство и принцип действия полевого транзистора, при котором транзистор запирается, называется напряжением отсечкиУстройство и принцип действия полевого транзистора.

Как отмечалось выше, увеличение ширины электронно-дырочного перехода также происходит и при возрастании напряжения сток-исток Устройство и принцип действия полевого транзистора. Можно предположить, что при этом также возможно полное запирание канала.

Практически полного запирания канала не наблюдается, то есть в цепи стока протекает некоторый ток. Это связано с тем, что возрастание напряжения сток-исток приводит к вытягиванию запирающего слоя в направлении стока и при этом всегда остается некоторая конечная толщина канала.

Выходные вольт-амперные характеристики полевого транзистора определяют зависимость тока стока Устройство и принцип действия полевого транзистораот напряжения на стокеУстройство и принцип действия полевого транзисторапри фиксированном напряжении затвора:Устройство и принцип действия полевого транзистора

Типичное семейство выходных статических характеристик полевого транзистора с управляющим Устройство и принцип действия полевого транзисторапереходом иУстройство и принцип действия полевого транзистора-каналом приведено на рис. . На рис. приведены статические характеристики передачи полевого транзистора с управляющимУстройство и принцип действия полевого транзисторапереходом иУстройство и принцип действия полевого транзистора-каналом.

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Устройство и принцип действия полевого транзистора

Выходные статические характеристики полевого транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом (рис. ) имеют два характерных участка:

начальный участок –крутая зависимость тока стока от напряжения сток-исток;

пологий участок –ток стока практически не зависит от напряжения сток- исток.

При фиксированном значении напряжения Устройство и принцип действия полевого транзистораПри некотором значении напряжения сток-исток, получившим название напряжения насыщения Устройство и принцип действия полевого транзистораОсновным рабочим режимом полевых транзисторов с управляющим Устройство и принцип действия полевого транзисторапереходом являетсярежим насыщения тока стока.

Статические характеристики передачи дают возможность определить один из основных параметров транзистора, характеризующий его усилительные свойства — крутизну характеристики Устройство и принцип действия полевого транзистора, представляющую отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе.

Для полевых транзисторов с управляющим Устройство и принцип действия полевого транзисторапереходом характерно то, что их максимальная проводимость наблюдается при нулевом смещении на затворе. С ростом смещения (по абсолютной величине) проводимость канала уменьшается. Смещение для полевых транзисторов управляющимУстройство и принцип действия полевого транзисторапереходом имееттолькоодну полярность, которая соответствует отсутствию инжекции основных носителей через переход.

Для полевых транзисторов с изолированным затвором характерно наличие диэлектрического слоя между металлическим электродом затвора и материалом полупроводника.

Наличие диэлектрика снимает ограничение на полярность управляющего напряжения — оно может быть как положительным, так и отрицательным.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *