Меню

У полевого транзистора с управляющим р n переходом максимальный ток стока равен 1ма

Полевые транзисторы с

Основным элементом любого полевого транзистора является полупроводниковый канал, по которому протекает электрический ток. Как и в любом другом проводнике, его сопротивление зависит от длины, удельного сопротивления материала и площади сечения канала. Удельное сопротивление канала в полевых транзисторах обычно делается достаточно большим.

Принцип работы полевого транзистора с

Площадь сечения канала в полевом транзисторе может изменяться напряжением, подаваемым на его затвор. Для этого канал должен быть очень тонким. Именно так управляется ток, который проходит через полевой транзистор. Упрощенная конструкция полевого транзистора с и подключение источников питания в рабочем режиме приведены на рисунке 1.

Упрощенная конструкция полевого транзистора
Рисунок 1. Упрощенная конструкция полевого транзистора с и подключение источников питания

На исток и сток канала полевого транзистора в этой схеме подается напряжение Uси. На затвор подается запирающее напряжение. Для транзистора в рабочем режиме к стоку подключается положительный потенциал источника питания Uси, а на затвор — отрицательное напряжение.

Из-за того, что сопротивление полупроводника в канале достаточно большое, запирающий слой в основном образуется именно в канале транзистора. Более того! Из-за падения напряжения на канале напряжение вдоль затвора изменяется. Чем ближе к стоку, тем больше будет напряжение, чем ближе к истоку, тем меньше. И, соответственно, чем ближе к стоку, тем шире будет запирающий слой и тем меньше будет сечение канала.

Эта ситуация иллюстрируется на рисунке 1 заштрихованной областью, которая показывает запирающий слой . При увеличении запирающего напряжения на затворе запирающий слой увеличивается, и сечение канала уменьшается, что приводит к уменьшению тока через транзистор. При достаточно большом запирающем напряжении на затворе, канал полностью перекрывается, и транзистор переходит в режим отсечки.

Статические характеристики полевых транзисторов с

Типовая зависимость тока стока полевого транзистора от запирающего напряжения на затворе приведена на рисунке 2.

Характеристика прямой передачи полевого транзистора
Рисунок 2. Сток-затворная характеристика полевого транзистора с

Сток-истоковая характеристика, которую ещё называют характеристикой прямой передачи транзистора, для большинства полевых транзисторов достаточно хорошо описывается следующим квадратичным выражением:

Основным параметром полевого транзистора, используемым при расчете усилительного каскада или другого узла телекоммуникационной аппаратуры, является статическая крутизна характеристики прямой передачи. Она определяется по сток-затворной характеристике транзистора как отношение изменения тока стока к изменению напряжения затвор-исток:

В качестве примера реальной характеристики прямой передачи полевого транзистора на рисунке 3 приведем сток-затворную характеристику транзистора КП302.

Сток-затворная характеристика транзистора КП302
Рисунок 3. Характеристика прямой передачи транзистора 2П302

Очень важной характеристикой усилительных электронных приборов является независимость их характеристик от напряжения источника питания. Обычно это достигается высоким выходным сопротивлением электронного прибора (электровакуумной лампы, биполярного или полевого транзистора). В полевых транзисторах высокое выходное сопротивление достигается за счёт присущей им внутренней отрицательной обратной связи в канале.

Мы уже упоминали, что за счёт высокого сопротивления полупроводника в канале полевого транзистора на нём возникает падение напряжения. При увеличении напряжения на стоке полевого транзистора, увеличивается падение напряжения, возрастает толщина запирающего слоя. Это приводит к уменьшению площади сечения канала и в конечном итоге уменьшению тока стока. В результате действия этого механизма ток стока при увеличении напряжения на стоке почти не растёт. Это признак большого выходного сопротивления, как в генераторе тока.

Выходное сопротивление обычно определяется по выходным характеристикам транзистора. Типовые выходные характеристики полевого транзистора приведены на рисунке 4.

Стоковые характеристики полевого транзистора
Рисунок 4. Выходные характеристики полевого транзистора с

На каждой характеристике прослеживается два участка — омический для малых Uс и насыщения для больших Uс. Насыщение для выходной характеристики при начинается после напряжения . Для остальных характеристик насыщение наступит при меньших значениях . Выходное сопротивление полевого транзистора можно определить по его выходной характеристике, определив изменение тока ΔIс при изменении напряжения стока ΔUс. Выходное сопротивление транзистора будет равно:

На рисунке 5 приведены выходные характеристики реального полевого транзистора с 2П302.

Стоковые характеристики транзистора КП302
Рисунок 5. Выходные характеристики полевого транзистора с

На них отчетливо видно, что наклон выходных характеристик зависит от напряжения на затворе. Соответственно меняется и выходное сопротивление транзистора.

Температурные свойства полевых транзисторов с

Характеристики полевых транзисторов, точно так же, как и биполярных транзисторов зависят от температуры. На рисунке 6 приведено изменение характеристики прямой передачи полевого транзистора с в зависимости от температуры.

Рисунок 6. Зависимость характеристики прямой передачи полевого транзистора от температуры

Температурная зависимость тока истока определяется двумя факторами: это увеличение собственной проводимости полупроводника, и изменение подвижности основных носителей заряда в канале транзистора. Увеличение собственной проводимости полупроводника приводит к увеличению входного тока транзистора, и, как следствие, уменьшение его входного сопротивления Rвх. Одновременно увеличение температуры приводит к уменьшению основного параметра полевого транзистора — крутизны S.

У кремниевых полевых транзисторов с при комнатной температуре 20°C ток затвора обычно составляет 1 мкА. При увеличении температуры на каждые 10°С входной ток удваивается.

Точно такой же характер изменения графиков сток-затворных характеристик от температуры наблюдается и в полевых транзисторах. Характеристики прямой передачи отечественного полевого транзистора КП102 при различных температурах приведены на рисунке 7.

Зависимость характеристики прямой передачи транзистора КП102 от температуры
Рисунок 7. Зависимость характеристики прямой передачи полевого транзистора от температуры

Если внимательно рассмотреть характеристики прямой передачи полевого транзистора, приведённые на рисунках 6 и 7, то можно обнаружить термостабильную точку. В этой точке ток стока полевого транзистора практически постоянен при различных температурах.

Это объясняется воздействием двух факторов. При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителей заряда удельная проводимость канала транзистора уменьшается, и, соответственно уменьшается его ток стока Iс. Одновременно из-за увеличения количества основных зарядов уменьшается ширина запирающего слоя , что приводит к расширению проводящей части канала и увеличению тока стока Iс.

Первый фактор влияет на большие токи стока, а второй — на малые. Эти два противоположных процесса при определенном напряжении на затворе взаимно компенсируются, что позволяет строить схемы устройств на полевых транзисторах с независимыми от температуры параметрами.

Основные параметры полевых транзисторов с

Как уже упоминалось ранее, основным параметром полевого транзистора, используемым при расчете узлов телекоммуникационной аппаратуры, является статическая крутизна характеристики прямой передачи S. Она указывается непосредственно в справочных параметрах на транзистор [10]. Статические характеристики в современных справочниках обычно не приводятся.

В качестве основного параметра обычно приводится сопротивление полностью открытого транзистора. Дифференциальное выходное сопротивление в справочных параметрах обычно не приводится, так как оно значительно превышает сопротивление нагрузки и в расчётах им можно пренебречь.

В настоящее время полевые транзисторы применяются в составе интегральных микросхем. Поэтому в основном используется планарная конструкция полевых транзисторов с , подобная той, что приведена на рисунке 8.

Планарная реализация полевого транзистора с p-n переходом
Рисунок 8. Планарная конструкция полевого транзистора с

Принцип работы полевых транзисторов с очень хорошо показан в следующем видео:


Видео 1. Полевые транзисторы с

Малые размеры экрана сделаны, чтобы видео было доступно на смартфонах. Размер видео всегда можно увеличить управляющими кнопками.

  • Полевой транзистор обладает очень большим входным и выходным сопротивлением на низких частотах.
  • Ток стока транзистора описывается квадратичной зависимостью от напряжения на затворе.

Дата последнего обновления файла 21.07.2020

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. — М.: Радио и связь, 1998. — 560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
  3. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  4. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.
  5. Колосницын Б. С. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебно-методическое пособие: в 2 ч. Ч. 1: Расчёт и проектирование биполярных транзисторов. — Минск: БГУИР, 2011. — 68 с.
  6. Колосницын Б. С. Гапоненко Н. В. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебное пособие: в 2 ч. Ч. 1: Физика активных элементов интегральных микросхем — Минск: БГУИР, 2016. — 196 с.
  7. Колосницын Б. С. Гранько С. В. Электронные приборы на основе полупроводниковых соединений. Учебно-методическое пособие: — Минск: БГУИР, 2017. — 94 с.
  8. Лекция 23. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ url:http://ikit.edu.sfu-kras.ru/files/3/L_23.pdf
  9. Технология MBCFET, делающая возможным переход к 3 нм техпроцессу в 2021 году url:https://cnx-software.ru/2019/05/19/технология-mbcfet-делающая-возможным-пере/

Вместе со статьей «Полевые транзисторы с » читают:

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2020

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

Источник

Полевые транзисторы. For dummies

Введение

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Читайте также:  Сила тока в электрическом кипятильнике 5 а при напряжении в сети 110 в определите сопротивление

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

  1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
  2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
  3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
  4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
  5. Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
  6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения. И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

  • высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
  • высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
  • поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
  • высокая температурная стабильность;
  • малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
  • малое потребление мощности.
Читайте также:  Высоковольтные делители напряжения переменного тока

Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

Источник

Задачи по теме транзисторы с решением

В нашем блоге уже есть примеры решения задач на ток в металлах и полупроводниках. Сегодня разберем решение нескольких простых задач по теме «транзисторы».

Присоединяйтесь к нам в телеграме: так вы всегда будете получать свежие новости и приятные скидки.

Задачи на транзисторы с решением

Задачи на транзисторы никак не получиться решать без знания теории. Сначала рекомендуем ознакомиться с ней, а уже потом приступать к практике.

Задача №1 на полевой транзистор

Условие

У полевого транзистора с управляющим р-n переходом максимальный ток стока равен 1мА, а напряжение отсечки – 4В. Какой ток будет протекать при обратном напряжении смещения затвор-исток, равном 2В? Чему равна крутизна и максимальная крутизна в этом случае?

Решение

Ток стока можно найти из выражения:

Выражение для крутизны характеристики полевого транзистора:

Ответ: 0,25А; 0,25 мА/В; 0,5 мА/В.

Задача №2 на усилитель на транзисторах

Условие

В усилительном каскаде с общим истоком сопротивление нагрузки равно 20 кОм. Эффективное входное сопротивление полевого транзистора составляет 20 кОм, а рабочая крутизна – 2 мА/В. Определите коэффициент усиления каскада.

Решение

Вычислим сначала результирующее сопротивление нагрузки:

Коэффициент усиления каскада:

Ответ: 20.

Задача №3 на усилитель на транзисторе

Условие

В усилителе, показанном на схеме, при напряжении затвор-исток, равном 2В, ток стока равен 1 мА. Определите сопротивление резистора Rи, если падением напряжение IзRз можно пренебречь. Найдите напряжение Ec, если Rи=10 кОм, Uси=4 В.

Решение

Сопротивление Rи можно найти по закону Ома:

Напряжение источника питания равно:

Ответ: 2 кОм; 16 В.

Задача №4 на полевой транзистор

Условие

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом имеет следующие характеристики при температуре 25оС: начальный ток стока IСн = 10 мА, напряжение отсечки U0 = -2 В. Оценить, на сколько процентов изменится (увеличится или уменьшится) ток стока в пологой области выходной ВАХ, если между затвором и истоком поддерживать напряжение Uзи = -0,5 В, а температуру поднять до 85 градусов Цельсия.

Решение

Изменение начального тока стока ПТ с управляющим р-n переходом может быть оценено по приближенной формуле:

Smax следует подставлять в мА/В, а Iсн – в мА, чтобы результат получился в мА. В относительных величинах:

С ростом температуры напряжение отсечки всегда возрастает по модулю, а начальный ток стока убывает при Uо > 0,6 В и возрастает при Uо Наиболее широкое применение в электронике находят биполярные транзисторы.

Вопрос 4. Как устроены биполярный и полевой транзисторы?

Ответ. Биполярный транзистор включает в себя два p-n перехода и состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора. Эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, а проводимость базы противоположная.

В полевом транзисторе используется один тип проводимости. Такой транзистор представляет собой классический триод и состоит из трех элементов: истока (катода), стока (анода) и затвора (управляющего электрода).

Вопрос 5. Какие есть способы включения биполярного транзистора в схему?

Ответ. Транзистор может быть включен по схемам с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Нужна помощь с заданиями по учебе? Обращайтесь в профессиональный сервис для учащихся в любое время.

  • Контрольная работа от 1 дня / от 100 р. Узнать стоимость
  • Дипломная работа от 7 дней / от 7950 р. Узнать стоимость
  • Курсовая работа 5 дней / от 1800 р. Узнать стоимость
  • Реферат от 1 дня / от 700 р. Узнать стоимость

Иван

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

date image2015-02-24
views image10726

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

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.

Источник



У полевого транзистора с управляющим р n переходом максимальный ток стока равен 1ма

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Режимы работы полевых транзисторов. Схемы включения полевых транзисторов. Параметры полевых транзисторов. Преимущества и недостатки полевых транзисторов. Области применения полевых транзисторов. Маркировка полевых транзисторов

Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые приборы, которые управляются электрическим полем, т.е. практически без затраты мощности управляющего сигнала. В англоязычной литературе эти транзисторы называют транзисторами типа FET (Field Effect Transistor).

  1. Разновидности полевых транзисторов

Различают шесть различных типов полевых транзисторов. Их условные обозначения в электрических схемах представлены на рис. 1.

Рис. 1. Разновидности полевых транзисторов

Управляющим электродом полевого транзистора является затвор З. Он позволяет управлять величиной сопротивления между стоком С и истоком И (область полупроводника между С и И называют каналом). Управляющим напряжением является напряжение UЗИ. Большинство ПТ являются симметричными, т.е. их свойства почти не изменяются, если их электроды С и И поменять местами. В транзисторах с управляющим переходом затвор отделен от канала СИ p-n переходом. При правильной полярности напряжения UЗИ p-n переход запирается, и изолирует затвор от канала; при противоположной полярности он открывается. Для полевых транзисторов с управляющим переходом такой режим является запрещенным.

У ПТ с изолированным затвором, или МОП транзисторов (МОП – металл-оксид-полупроводник) затвор отделен от канала СИ тонким слоем диэлектрика. При таком исполнении транзистора ток через затвор не будет протекать при любой полярности напряжения на затворе. Входные сопротивления полевых транзисторов с управляющим переходом составляют от 10 10 до 10 13 Ом, а для МОП транзисторов – от 10 13 до 10 15 Ом. В МОП транзисторах присутствует четвертый вывод от так называемой подложки. Этот электрод, как и затвор, может выполнять управляющие функции, но он отделен от канала только p-n переходом. Управляющие свойства подложки обычно не используются, а ее вывод соединяют с выводом истока.

  1. Режимы работы полевых транзисторов
Читайте также:  Прямолинейный проводник длиной 20см по которому течет электрический ток силой 3 а находится

Аналогично делению биполярных транзисторов на p-n-p и n-p-n-транзисторы, полевые транзисторы делятся на p-канальные и n-канальные. У n-канальных полевых транзисторов ток канала становится тем меньше, чем меньше потенциал затвора. У p-канальных полевых транзисторов наблюдается обратное явление.

Типовые передаточные характеристики полевых транзисторов приведены на рис. 2. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон управляющего напряжения.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом p-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики полевых транзисторов с управляющим переходом при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется IС НАЧ. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки UОТС становится близким к нулю.

Рис. 2. Типовые передаточные характеристики полевых транзисторов

Характеристики МОП транзисторов с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения UПОР. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики МОП транзистора со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока IС НАЧ. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Карта входных и выходных напряжений при заземленном истоке приведена на рис. 3.

Рис. 3. Карта входных и выходных полярностей транзисторов

Различные транзисторы, включая биполярные, нарисованы в квадрантах, характеризующих их входное и выходное напряжение в активной области при заземленном истоке (или эмиттере).

При заземленном истоке полевого транзистора включается (переходит в проводящее состояние) путем смещения напряжения затвора в сторону напряжения питания стока. Например, для n-канального полевых транзисторов с управляющим p-n переходом используется положительное напряжение питания стока, как и для всех n-канальных приборов. Таким образом, этот полевой транзистор включается положительным смещением затвора.

На рис. 4 приведены выходные вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим переходом с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

Рис. 4. Выходные характеристики полевых транзисторов с управляющим переходом и каналом n-типа

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. Особенности этих характеристик обусловливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевые транзисторы используют как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.

  1. Схемы включения полевых транзисторов

Включение полевых транзисторов с управляющим p-n переходом и каналом n типа в схемы усилительных каскадов с общим истоком и общим стоком показано на рис. 5, а, б.

Рис. 5. Включение полевых транзисторов в схемы: а) с общим истоком, б) с общим стоком

Постоянное напряжение Е1 обеспечивает получение определенного значения тока стока IС=E/(rСИ +RН) в зависимости от сопротивления канала rСИ. При подаче входного усиливаемого напряжения UВХ потенциал затвора меняется, а соответственно меняются и токи стока и истока, а также падение напряжения на резисторе RН. Приращение падения напряжения на резисторе RН при большом его значении гораздо больше приращений входного напряжения. За счет этого осуществляется усиление сигнала. При изменении типа проводимости канала меняются только полярности приложенных напряжений и направления токов.

  1. Параметры полевых транзисторов

Основными параметрами полевых транзисторов, являются:

  • крутизна характеристики S=?IС/?UЗИ при UСИ=const, S=0,1…500мА/В;
  • внутреннее дифференциальное сопротивление RИС ДИФ (внутреннее сопротивление) RИС ДИФ = ?UСИ/IС при UЗИ=const, RИС ДИФ =10 … 50 кОм;
  • начальный ток стока IС НАЧ – ток стока при нулевом напряжении UЗИ; у полевых транзисторов с p-n переходом IС НАЧ =0,2÷600мА, МОП со встроенным каналом IС НАЧ = 0,1…100мА, МОП с индуцированным каналом IС НАЧ =0,01 ÷ 0,5мкА;
  • напряжение отсечки UЗИ ОТС = 0,2 ÷ 10В;
  • сопротивление сток – исток в открытом состоянии RСИ ОТК=2 … 300 Ом;
  • максимальная частота усиления fмакс – частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице (fмакс – десятки ÷ сотни МГц).
  1. Преимущества и недостатки полевых транзисторов

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим переходом перед биполярными транзисторами являются высокое входное сопротивление, малые шумы (обусловлены тем, что носители заряда не пересекают p-n переходов, как в биполярных транзисторах, а двигаются вдоль них), простота изготовления, малое значение остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора. Так как в полевом транзисторе ток через канал вызван перемещением основных носителей, концентрация которых определяется преимущественно количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры, то полевые транзисторы более температуростабильны. Полевые транзисторы обладают более высокой стойкостью к ионизирующим излучениям.

При изготовлении интегральных схем и микропроцессоров часто на одном чипе изготавливаются и используются полевые транзисторы как с p-, так и с n-каналами. В этом случае транзисторы и схемы называются комплементарными, дополняющими друг друга. Такая технология получила широчайшее распространение при изготовлении микросхем с высокой степенью интеграции.

Мощность сигнала, необходимая для управления полевым транзистором во много раз меньше, чем мощность для управления биполярным транзистором. По этой причине полевые транзисторы широко используются при изготовлении интегральных схем и микропроцессоров. Такие схемы с полевыми транзисторами имеют малую потребляемую мощность, в их состав можно включать увеличенное число транзисторов.

Появление мощных полевых транзисторов (30 А и более) позволяет заменить биполярные транзисторы во многих применениях, зачастую получая более простые схемы с улучшенными параметрами.

Недостаток многих полевых транзисторов – невысокая крутизна переходной характеристики, а, следовательно, и малый коэффициент усиления схем на полевых транзисторах. Кроме этого, по быстродействию и, соответственно, по частотным свойствам полевые транзисторы, как правило, не имеют преимуществ перед биполярными транзисторами.

  1. Области применения полевых транзисторов

Схемы с высоким входным сопротивлением (слаботочные). Сюда относятся буферные или обычные усилители для тех применений, где ток базы или конечное полное входное сопротивление биполярных транзисторов ограничивает их характеристики. Можно построить такие схемы на отдельно взятых полевых транзисторах, однако сегодняшняя практика отдает предпочтение использованию интегральных схем, построенных на полевых транзисторах. В некоторых из них полевые транзисторы используются только в качестве высокоомного входного каскада, а вся другая схема построена на биполярных транзисторах, в других вся схема построена на полевых транзисторах.

Аналоговые ключи. МОП-транзисторы являются отличными аналоговыми ключами, управляемыми напряжением. По своим качествам такие ключи гораздо лучше ключей на биполярных транзисторах.

Цифровые микросхемы. МОП-транзисторы доминируют при построении микропроцессоров, схем памяти и большинства высококачественных цифровых логических схем. Микромощные логические схемы изготавливаются исключительно на МОП-транзисторах.

Мощные переключатели. Мощные МОП-транзисторы часто бывают предпочтительнее биполярных транзисторов для переключения нагрузок, в первую очередь из-за того, что в полевых транзисторах практически отсутствует входной ток и мощность управляющих сигналов чрезвычайно мала. Отличные результаты дает использование мощных ключей, построенных на комбинации биполярных и полевых транзисторов.

Переменные резисторы и источники тока. В линейной области стоковых характеристик полевые транзисторы ведут себя подобно резисторам, управляемым напряжением, в области насыщения они являются управляемыми напряжением источниками тока.

  1. Маркировка полевых транзисторов

Рассмотрим способы маркировки полевых транзисторов на примере транзистора КП 312А:

  • первая буква «К» – обозначение материала (К – кремний, А – арсенид галлия GaAs).
  • вторая буква «П» – указывает, что транзистор полевой.
  • первая цифра «3» – указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную частоту.
  • вторая и третья цифры «12» – номер разработки.
  • последняя буква «А» – параметр.

Также КП 312А маркируется двумя желтыми точками.

Источник