Вопрос 14. Полевые транзисторы с управляющим переходом

Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, усилительное свойство которого обусловлено потоком основных носителей, проте­кающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем. Полевой транзистор состоит из полупро­водникового токопроводящего канала с двумя выводами и управляюще­го электрода (затвора), электрическое поле которого управляет величиной то­ка в канале. Исток – электрод, от которого начинают свое движение носители заряда в канале. Сток – электрод, к которому стекаются носители заряда в канале.

Существует два типа полевых транзисторов: ПТ с управляющим PN - переходом, в этом транзисторе изоляцией между каналом и управляющим электродом служит PN -переход и МДП или МОП-транзисторы, в которых в качестве изоляции используется диэлектрик.

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые элементы, которые в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем, т.е. практически без затрат мощности управляющего сигнала.

Существуют две большие группы полевых транзисторов:

- полевые транзисторы с управляющим p – n переходом (JFET – Junction Field Effect Transistor), в которых изоляция канала от источника управляющего напряжения обеспечивается обратно смещенным p – n переходом;

- полевые транзисторы с МОП (металл – оксид - полупроводник) или МДП (металл – диэлектрик - полупроводник) структурой. Зарубежное обозначение MOSFET (или сокращенно MOS). В этих транзисторах изоляция канала от управляющего электрода обеспечивается с помощью диэлектрика (двуокиси кремния).

МОП – транзисторы бывают двух видов: со встроенным (созданным технологически) каналом и с индуцированным (создается внешним электрическим полем) каналом. Все типы транзисторов могут быть как n – канальные, так и p – канальные. Классификация и условные графические изображения транзисторов приведены на рис.5.1.

В системе моделирования MicroCAP транзисторы с управляющим p – n переходом обозначаются как NJFET и PJFET, МОП – транзисторы как NMOS и PMOS. В MicroCAP не делается различие между МОП транзисторами со встроенным и индуцированным (наведенным) каналом. Отличить один тип транзистора от другого можно по величине напряжения отсечки или пороговому напряжению – параметр VTO полевого транзистора. DNMOS и DPMOS – это МОП транзисторы с индуцированным каналом, у которых подложка соединена с истоком.

Затвор З (G – gate) – управляющий электрод. Он управляет величиной сопротивления между стоком С (D - drain) и истоком И (S - source). Управляющим напряжением является напряжение U_зи. Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т.е. их свойства не изменяются, если электроды С и И поменять местами.

Рассмотрим сначала работу полевого транзистора с управляющим р – n переходом. Полевой транзистор с управляющим p – n переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от которого сделаны два вывода – сток – исток рис.5.2. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод – затвор. Для включения транзистора напряжение U_си прикладывают так, чтобы между стоком и истоком протекал ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает его в обратном направлении (рис.5.3).

Сопротивление области сток – исток (канала) зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему отрицательного обратного напряжения на затворе. Это приводит к увеличению сопротивления канала. Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p – n - переходом основана на изменении сопротивления канала сток – исток за счет изменения обратного напряжения U_зи. Напряжение U_зи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения тока стока, называется напряжением отсечки полевого транзистора – U_{зи отс}.

Ширина p – n перехода, следовательно, и сопротивление канала зависит от тока, протекающего через канал. Если U_си > 0, то ток стока, создает по длине канала падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор – канал, это приводит к уменьшению проводимости канала (к увеличению сопротивления). По мере роста U_си ток стока как функция напряжения сток – исток, все сильнее отклоняется от линейной. При определенном значении тока наступает режим насыщения, который характеризуется, тем, что с увеличением U_си ток стока (канала) увеличивается незначительно.

Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения.

Где используются полевые транзисторы?

ПТ широко используются в компьютерных блоках питания и низковольтных импульсных стабилизаторах на материнской плате компьютера.

Из всего многообразия типов ПТ для этих целей используются ПТ с индуцированным каналом.