Файл: Вариант 9 Пояснить структуру и принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 17
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Вариант 9
1. Пояснить структуру и принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом.
Полевой транзистор с управляющим переходом - это полевой транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего электрического перехода, смещенного в обратном направлении.
В качестве выпрямляющего электрического перехода, с помощью которого производят управление потоком основных носителей заряда в полевом транзисторе, может быть р-п переход, гетеропереход или выпрямляющий переход Шотки. Полевые транзисторы с управляющим гетеропереходом делают в основном методом эпитаксии соединений типа АШВ на кристаллы арее- нида галлия. Выпрямляющие переходы Шотки осуществляют нанесением металла на кристаллы кремния, арсенида галлия «ли на различные гетероструктуры. Однако наиболее распространены пока полевые транзисторы с управляющим р-я-пере- «эдом в кристаллах кремния Поэтому в дальнейшем в качестве примера рассмотрим полевые транзисторы с управляющим Р-п-переходом, так как принцип действия полевых транзисторов с различными управляющими переходами идентичен.
Полевой транзистор с управляющим р-п переходом имеетдва омических перехода к области полупроводника, по которой проходит управляемый или регулируемый поток основных носителей заряда, и один или два управляющих р-п-перехода, смещенных в обратном направлении (рис. 6.1). При изменении обратного напряжения на управляющем р-п-переходе изменяется его толщина, а следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый поток основных носителей заряда.
Область в полупроводнике, в которой регулируется поток основных носителей заряда, называют проводящим каналом. Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал входят носители заряда, называют истоком. Электрод полевого транзистора, через который из канала выходят носители заряда, называют стоком. Электрод полевого транзистора, на который подают сигнал, называют затвором.
Проводящий канал может иметь электропроводность как л-, так и р-типа. Соответственно различают полевые транзисторы с м-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды полевых транзисторов с п- и р-каналом, противоположны.
Полевые транзисторы, имеющие проводящие каналы с разными типами электропроводности, называют комплементарными, т. е. дополняющими друг друга по типу электропроводности проводящих каналов. Комплементарные транзисторы оказываются удобными элементами для построения ряда схем.
Управление током стока, т. е. током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на р-п-переходе затвора (или на двух р я-переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электрических сигналов как по мощности, так и по току и напряжению.
Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом тразисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с л каналом, так и с р каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.
От биполярного транзистора и в том числе от однопереход- ного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением р-п-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора отделен от поверхности полупроводникового кристалла (рис. 6.1,6, в). Процессы рекомбинации носителей в р-я переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинацион- кые процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.
2. Определить статические характеристики полевого транзистора с управляющим переходом.
Полевые транзисторы имеют большие входные и выходные сопротивления. Поэтому в отличие от биполярных транзисторов статические характеристики полевых транзисторов удобнее и правильнее исследовать с помощью источников напряжения в качестве источников питания. Следовательно, статические характеристики полевых транзисторов должны соответствовать системе уравнений:
(6.1)Важнейшими семействами статических характеристик для полевого транзистора являются семейство выходных статических характеристик и семейство статических характеристик передачи.
Выходные статические характеристики полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на стоке относительно истока при различных постоянных напряжениях на затворе (рис. 6.2, а). Напряжение на затворе относительно истока будет равно нулю только в том случае,
если затвор закорочен с истоком. Характеристика выходит из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала и сопротивлениям /?и и /?с прилегающих к каналу областей полупроводникового кристалла с тем же типом электропроводности. Статическое сопротивление канала определяется его длиной и поперечным сечением, зависящим от толщины р-я-перехода (или р-л-переходов).Первая часть характеристики, которую называют крутой частью, сублинейна, т. е. ток стока растет замедленно с ростом напряжения на стоке. Объясняется эта нелинейность характеристики увеличением толщины р-п перехода затвора около стока, так как с увеличением напряжения на стоке растет по абсолютному значению обратное напряжение на р-п-переходе затвора. Ток стока, проходя по каналу, создает его неэквипотенциаль- ность. Таким образом, наибольшая толщина р-я-перехода и соответственно наименьшее поперечное сечение канала получаются со стороны стока (см. рис 6.1, в и 6.3).
Другой физической причиной, приводящей к сублинейности выходной характеристики
, является уменьшение подвижности носителей заряда в канале при увеличении в нем напряженности электрического поля (см § I 10)
При некотором напряжении на сгокеUси як— напряжении насыщения происходит перекрытие канала из-за увеличения толщины р-л-перехода затвора Ток стока при дальнейшем увеличении напряжения на стоке почти не растет.
При напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и при напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения, ток стока называют начальным током стока lew Часть характеристики, соответствующую насыщению тока стока, называют пологой частью. Следует учитывать условность понятия «перекрытие» канала при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе относительно истока, так как перекрытие канала при указанных условиях является следствием увеличения тока стока. Таким образом, можно считать, что в результате увеличения тока стока или напряжения на стоке автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала со стороны стокового электрода.
При дальнейшем увеличении напряжения на стоке увеличивается длина перекрытой части канала и растет статическое сопротивление канала. Если бы длина перекрытой части канала увеличивалась пропорционально напряжению на стоке, то ток стока не изменялся бы при напряжениях на стоке, превышающих напряжение насыщения Однако длина перекрытой части канала увеличивается из-за увеличения толщины р-л перехода с. ростом напряжения на стоке (рис. 6.3), а толщина р-л-перехода пропорциональна либо корню квадратному, либо корню кубическому из напряжения. Поэтому в пологой части характеристики наблюдается некоторое увеличение тока стока при увеличении напряжения на стоке.
Теперь рассмотрим смещение и изменение статических характеристик с изменением напряжения на затворе При подаче на затвор напряжения такой полярности относительно истока, которая соответствует обратному смещению р-л перехода затвора, и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Поэтому начальные участки выходных статических характеристик при напряжениях на затворе, отличных от нуля, имеют другой наклон, соответствующий большим начальным статическим сопротивлениям канала
При меньших начальных поперечных сечениях перекрытие канала из-за увеличения напряжения на стоке происходит при меньших напряжениях насыщения (см рис 6.2, а) При больших напряжениях на стоке может возникнуть пробой р-я-перехода затвора. Обратное напряжение на р-я-переходе затвора изменяется вдоль длины канала, достигая максимального значения у стокового конца канала. Напряжение, приложенное к р-я-переходу затвора в этом месте, является суммой напряжений на стоке и на затворе. Таким образом, пробой полевого транзистора может происходить при разных напряжениях на стоке в зависимости от напряжения на затворе Чем больше напряжение на затворе, тем меньше напряжение на стоке, при котором произойдет пробой р-я-перехода затвора (см. рис. 6.2, а). Полевые транзисторы делают обычно на основе кремния. Поэтому пробой таких транзисторов имеет лавинный характер.
Статические характеристики передачи полевого транзистора в соответствии с (6.1) представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, что соответствует пологим частям выходных статических характеристик, то наибольший интерес представляет зависимость тока насыщения от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке. Характер этой зависимости ясен из принципа действия полевого транзистора с управляющим р-п-переходом При изменении напряжения на стоке смещением характеристик передачи практически можно пренебречь в связи с малым изменением тока в пологой части выходных статических характеристик (см. рис. 6.2,6).
Напряжение между затвором и истоком полевого транзистора с управляющим переходом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки полевого транзистора.
При рассмотрении статических характеристик полевого транзистора были отмечены его основные статические параметры. По статической характеристике передачи можно определить еще одни основной параметр полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства, — крутизну характеристики полевого транзистора S, которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Крутизна характеристики полевого транзистора составляет обычно несколько миллиампер на вольт.