Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

Стр 1 из 6Следующая ⇒

Л.7 Полевые транзисторы: характеристики, параметры, модели. Классификация полевых транзисторов (ПТ). Устройство и принцип действия ПТ с управляющим p-n-переходом. Физические параметры (сопротивление канала, напряжение отсечки, крутизна) и их зависимости от температуры. ВАХ в схеме с общим истоком. Особенности ПТ с барьером Шоттки.

Полевые транзисторы, в которых сила проходящего через них тока регулируется внешним электрическим полем, т.е. напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током.

Идея регулировки тока электрическим полем пришла из электронных ламп. Первый патент на эту тему получен Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако технологические трудности в реализации этой идеи на практике позволили создать первый работающий прибор только в 1960 году. В 1977 году Джеймс Маккаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем. Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Приборы работают в микромощном режиме, выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют для подзатворного диэлектрика материал на основе соединений гафния

Полевые транзисторы (FET: Field-Effect-Transistors) разделяются на два типа – полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET: Junction-FET) и полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET: Metal-Oxid-Semiconductor-FET).

Каждый из типов может быть как с N–каналом, так и с P-каналом. У транзисторов с N-каналом в роли носителей электрического заряда выступают электроны. У транзисторов с P-каналом – дырки.

Часть 1. Полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET) и N-каналом (Принцип работы транзистора P-типа аналогичен, только меняется полярность источников напряжения).

Область полупроводника N-типа формирует канал между зонами P-типа. Электроды, подключаемые к концам N-канала, называются сток и исток. Полупроводники P-типа электрически соединяются между собой (закорачиваются), и представляют собой один электрод – затвор. Вблизи стока и истока находятся области повышенного легирования N+, зоны с повышенной концентрацией электронов. Это улучшает проводимость канала и ослабляет эффект появления паразитных PN-переходов в случае присоединения проводников из трехвалентного алюминия. Название электродов сток и исток носит условный характер и зависит от расположения в электрической цепи.

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

1. Напряжение на затворе Uзи = 0

Подключим источник положительного напряжения к стоку, землю к истоку, затвор подсоединим к земле (Uзи = 0). Начнем постепенно повышать напряжение на стоке Uси. Пока Uси низкое, ширина канала максимальна, полевой транзистор ведет себя как обычный проводник: чем больше напряжение между стоком и истоком Uси, тем больше ток через канал Iси. Это состояние еще называют омическая область.

При повышении Uси, в полупроводнике N-типа в зонах PN-перехода постепенно снижается количество свободных электронов – появляется обедненный слой. Этот слой растет несимметрично – больше со стороны стока, поскольку туда подключен источник напряжения. В результате канал сужается настолько, что при дальнейшем повышении Uси, Iси будет расти очень незначительно. Это состояние называют режим насыщения.

2. Напряжение на затворе Uзи < 0

Когда транзистор находится в режиме насыщения, канал относительно узкий. Достаточно подать небольшое отрицательное напряжение на затвор Uзи, для того чтобы еще сильнее сузить канал и значительно уменьшить ток Iси, пока ток Iси не прекратится (для транзистора с P-каналом на затвор подается положительное напряжение ). Значение Uзи, при котором ток Iси останавливается, называется напряжением отсечки (Uотс).

Для усиления сигнала полевой транзистор JFET используют в режиме насыщения, так как в этом состоянии вследствие небольших изменений Uзи сильно меняется Iси.

Параметр усилительной способности JFET – это крутизна сток-затворной характеристики. Обозначается g_m или S, и измеряется в mA/V (миллиАмпер/Вольт). Крутизна сток-затворной характеристики показывает усилительные способности транзисторного каскада – чем она больше, тем больше коэффициент усиления.

Статические ВАХ полевых транзисторов с p – n переходом

Основные характеристики полевых транзисторов – выходные (стоковые, рис. а)) и передаточные (сток-затворные, рис. б). Стоковая характеристика – отражает зависимость тока стока от напряжения сток–исток при постоянном напряжении затвор исток: . В начале участка кривая выходит из начала координат и соответствует малым значениям , изменение которого почти не влияет на проводимость канала, канал полностью открыт. Поэтому ток на этом участке растет пропорционально напряжению .

а) б) Рис.

По мере дальнейшего увеличения напряжения начинает сказываться его влияние на проводимость канала. Причиной этого служит возрастание потенциала точек канала в направлении к стоку и соответственно рост обратного напряжения на p – n – переходе, которое при , у стокового конца равно величине . По мере увеличения происходит сужение канала, уменьшается его проводимость и замедляется рост тока .

Максимальное сужение канала называется перекрытием канала (режимом насыщения)и происходит при напряжении насыщения.Участок характеристики, соответствующий режиму насыщения, используется в усилителях как рабочий. При дальнейшем увеличении напряжения происходит лавинный пробой p–n –перехода вблизи стока.

Сток–затворная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения при неизменной величине напряжения сток–исток . С увеличением напряжения , проводимость канала уменьшается, ток стока уменьшается до тех пор, пока канал не окажется перекрытым: ток через канал прекращается, транзистор закрывается. Напряжение, при котором ток через сток–исток прекращается, называют напряжением отсечки.

Между напряжением насыщения и напряжением отсечки существует зависимость. .

Изменение температуры мало влияет на работу полевого транзистора, т.к. при увеличении температуры уменьшается ширина p – n перехода, что должно способствовать увеличению , однако с увеличением температуры уменьшается подвижность основных носителей, что вызывает рост сопротивления канала и уменьшает . Повышение температуры снижает напряжение из–за увеличения обратного тока p – n –перехода.

Параметры полевых транзисторов с p – n переходом: крутизна сток–затворной характеристики, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, входное сопротивление, ток и напряжение насыщения при нулевом напряжении на затворе, напряжение отсечки, а также параметры предельных режимов: максимально допустимый ток стока при , допустимое, допустимое, – максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Рис.

Помимо режима работы для эксплуатации полевых транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Так же как и для биполярных транзисторов, здесь различают три основных способа: схема с общим истоком (ОИ), схема с общим стоком (ОС) и схема с общим затвором (ОЗ).

Математические модели полевого транзистора.

А) Универсальная модель.

Модель с несущественными упрощениями, используется в программе MicroCap.

Эквивалентная схема транзистора (рис. 1.94), где обозначено:

• r_и и r_с — соответственно объемные сопротивления истока и стока (это малые величины);

• i_у — источник тока, управляемый напряжениями.

Выражения, описывающие управляемый источник и полученные на основе анализа физических процессов:

● для области отсечки i_y = 0 при u_зи > u_{зи отс};

● для линейной области при 0 < u_ис < u_зи _отс – u_зи

i_y = β · [ (u_{зи отс} – u_зи) · u_ис – ½ · u_ис²] , где β — удельная крутизна;

● для области насыщения при u_{зи отс} – u_зи < u_ис i_y = ½ · β · (u_{зи отс} – u_зи) ²

Продифференцируем последнее выражение по u_зи:

di_и/ du_зи = S = β · (u_{зи отс} – u_зи)

Отсюда следует, что при u_{зи отс} – u_зи = 1 В · β = S, что и объясняет название — удельная крутизна (следует учитывать, что размерность β — А/В² или мА/В²).

В соответствии с приведенными выражениями точки выходных характеристик, соответствующие началу режима насыщения, должны лежать на параболе, которая описывается следующим образом. На границе режима насыщения выполняется условие: u_{зи отс} – u_зи = u_ис. Из выражений для тока i_y как в линейной области, так и в области насыщения получим:

i_с = i_y = ½ · β · u_ис² . Графическая иллюстрация (рис. 1.95).

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 2628; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!