Лекция 2 Усилители на транзисторах. 2. усилители и формирователи электрических сигналов на биполярных и полевых транзисторах. Усилители электрических сигналов

• Название: 2. усилители и формирователи электрических сигналов на биполярных и полевых транзисторах. Усилители электрических сигналов
• Дата: 22.04.2022
• Размер: 7.16 Mb.
• Имя файла: Лекция 2 Усилители на транзисторах.doc
• Тип: Лекция; #490602
• страница: 10 из 14

2.4.1 Общие сведения о полевых транзисторах

Полевые транзисторы, представляют собой полупроводниковые приборы, которые в отличие от биполярных транзисторов управляется электрическим полем. Отличительными особенностями полевых транзисторов являются: чрезвычайно малые токи во входной цепи, линейная зависимость крутизны от управляющего напряжения, возможность работы в качестве сопротивления, управляемого напряжением, наличие термостабильной точки у транзисторов с обратносмещенным переходом затвор - исток, повышенная радиационная стойкость, малый уровень шумов. В тоже время простота технологии, малая площадь, занимаемая на подложке особенно важны при производстве интегральных микросхем.

Различают две разновидности полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим р-n переходом и полевые транзисторы МДП-типа. В транзисторах с управляющим p-n переходом затвор отделен от канала сток-исток обратно смещенным р-n или n-p переходом. При правильной полярности напряжения переход затвор-исток всегда заперт.

Принцип действия полевого транзистора с обратно смещенным управляющим переходом затвор-исток основан на изменении площади поперечного сечения проводящей части полупроводникового материала. С уменьшением напряжения на затворе относительно истока уменьшается сопротивление канала и происходит увеличение тока полевого транзистора. Следовательно, током стока можно управлять с помощью напряжения, приложенного к затвору относительно истока,

Поскольку p-n переход полевого транзистора включен в обратном направлении, его входное сопротивление очень велико, что является большим достоинством этого полупроводникового прибора.

Увеличение напряжения на затворе вызывает в конечном итоге такое расширение управляющего перехода, при котором токопроводящий канал окажется перекрытым. Это напряжение называется напряжением отсечки.

Следует заметить, что к p-n переходу оказывается приложенным не только напряжение на затворе U_з, но и напряжение, выделяющееся на распределенном сопротивлении канала, создаваемое током, протекающим от истока к стоку. Поэтому толщина p-n перехода у стока оказывается большей, чем у истока.

В полевых транзисторах МДП-типа затвор отделен от канала сток-исток тонким слоем окисла SiО₂.

На рис. 2.28 показано семейство статических стоковых характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом: I_с = f(U_с) при U_з = const.



Рис. 2.28. Выходные сток-затворные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Рассмотрим выходную характеристику, соответствующую напряжению U_з = 0. При малых значениях U_с ток стока увеличивается почти пропорционально изменению данного напряжения (участок ОА, рис. 2.28). Этот крутой участок выходной характеристики соответствует полностью открытому каналу. Малый ток стока создает малое падение напряжения на открытом канале, что вызывает лишь незначительное сужение самого канала возле стока.

При большом значении тока стока из-за падения напряжения на канале его сечение возле стока значительно уменьшается, что вызывает существенное замедление роста тока стока при дальнейшем повышении напряжения U_с (участок АБ). В конечном итоге канал сужается настолько, что дальнейшее существенное увеличение тока стока оказывается невозможным (участок БВ). Следует заметить, что расширяющийся p-n переход не может в данном случае полностью перекрыть канал (запереть ток стока). Поэтому наступает не перекрытие, а только насыщение тока стока.

Если между затвором и истоком приложить некоторое напряжение, то сечение канала в исходном состоянии уменьшится, а его сопротивление увеличится. Поэтому угол наклона крутого участка выходной характеристики будет меньше. Кроме того, переход к режиму насыщения произойдет при меньших значениях напряжения и тока стока.

Подавая между затвором и истоком последовательно ряд напряжений, получим все семейство статических стоковых характеристик. Область насыщения (область II), являющаяся рабочей областью транзистора, на этом семействе расположена справа от штриховой линии.

В транзисторах с изолированным затвором управление проводимостью канала осуществляется с помощью металлического электрода, отделенного от канала тонким слоем диэлектрика, благодаря чему входное сопротивление транзистора оказывается достаточно большим.

Существует две разновидности полевых транзисторов с изолированным затвором. В одних полевых транзисторах с изолированным затвором отсутствует управляемая проводимость между областями стока и истока при разности потенциалов между затвором и истоком, равной нулю. Такие приборы называются транзисторами с индуцированным каналом. У полевых транзисторах с индуцированным каналом канал проводимости возникает лишь при определенном пороговом напряжении на затворе U_пор. В этом случае полевой транзистор работает в режиме обогащения канала носителями заряда, т.е. при увеличении входного напряжения ток стока увеличивается.

В других транзисторах между стоком и истоком имеется слабо легированный канал проводимости. Это так называемые приборы со встроенным каналом. Проводимость этого канала может в зависимости от полярности управляющего напряжения как возрастать, так и уменьшаться, т.е. транзистор может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала носителями заряда.

Ток стока полевого транзистора с управляющим p-n переходом связан с входным напряжением U_ЗИ следующей зависимостью

,

где I_{с нач} значение тока стока при U_з = 0,

U_отс — напряжение отсечки, при котором ток стока полевого транзистора равен нулю.

Так как управление полевого транзистора осуществляется напряжением, то для количественной оценки управляющего действия используется крутизна

.

При U_з = 0

.

Таким образом

,

т.е. крутизна усиления полевого транзистора уменьшается при увеличении напряжения на затворе.

Анализ выходных характеристик полевых транзисторов показывает, что существует две четко разграниченные области работы прибора: область I, где I_с зависит как от напряжений U_си и U_зи, и область II, где I_c зависит только от напряжения U_зи. Для прибора, работающего в режиме обеднения, разделяющая области линия определяется из условия появления в некоторой части канала эффекта отсечки. Для прибора. работающего только в режиме обогащения, разделяющая линия определяется таким значением U_cи, при котором в некоторой точке приповерхноcтного слоя исчезает индуцированный канал между стоком и истоком. Исходя из этого, должны быть два отдельных уравнения тока стока, соответствующих двум указанным областям.

Из анализа физических процессов в МДП-транзисторе, способного работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала носителями, известно, что для тока стока в первой области (см. рис. 2.28) справедливо следующее уравнение

I_c=К[(U_зи – U_отс)U_си – 0,5U²_си]

при U_си U_зи – U_отс; U_зи – U_отс 0.

Первое неравенство обеспечивает отсутствие отсечки за счет изменения напряжения U_cи, второе — исключает отсечку за счет напряжения U_зи. Постоянный коэффициент К отражает свойства полупроводникового материала и геометрии прибора и обычно определяется экспериментальным путем.

В области II ток стока остается постоянным и равным той величине, которой соответствует начало эффекта отсечки. Положив U_си=U_зи–U_отс и, исключив U_си из уравнения (3.1), получим



при U_си U_зи – U_отс; U_зи – U_отс 0.

Таким образом, первое выражение справедливо для ВАХ области I , a второе - для ВАХ области II. Штриховой линией показана граница U_си=U_зи–U_отс, которая разделяет обе области.

Для полевого транзистора, работающего только в режиме обогащения (индуцированный канал) можно использовать аналогичное уравнение, заменив в них U_отс на U_пор. В области I:

при U_си U_зи – U_пор; U_зи U_пор,

а в области II:

I_c = 0.5К(U_зи – U_пор)²при U_си U_зи – U_пор, U_зи U_пор.

В приведенных выражениях U_пор — пороговое напряжение, при котором в полевом транзисторе с индуцированным каналом возникает канал проводимости.

Основными параметрами полевого транзистора являются крутизна усиления и дифференциальное сопротивление канала. Эти параметры могут быть определены по ВАХ полевого транзистора. Крутизна усиления S = I_с/U_зи определяется по характеристике I_c=f(U_зи).

В зависимости от типа транзистора значение крутизны может быть от единиц до сотен и более миллиампер на вольт. Дифференциальное сопротивление канала в области насыщении r_си=U_c/I_c имеет типовое значение десятков сотен кОм.



Рис. 2.29. Вольтамперная характеристика I_C = f(U_ЗИ) при различных температурах окружающей среды

Отличительной особенностью полевых транзисторов с обратно смещенным p-n переходом является также то, что при определенном выборе режима его работы ток стока не зависит от изменения температуры окружающей среды. (см. рис. 2.29).

Объясняется это взаимной компенсацией двух разных процессов, протекающих одновременно при увеличении температуры: уменьшением удельной проводимости канала (по этой причине ток стока уменьшается), и уменьшением контактной разности потенциалов на p-n переходе затвор-канал, вызывающим расширение проводящей части канала и, следовательно, увеличению тока стока.

Существует еще одна причина, которая может вызвать температурный дрейф тока стока — это нестабильность тока затвора. Его величина составляет тысячные доли мкА, а температурный коэффициент положительный, как у биполярных транзисторов. Если в цепь затвора включен высокоомный резистор (десятки МОм), то ток затвора может создать на нем дополнительное смещение, которое возрастает с увеличением температуры. В результате изменится и ток стока. Поэтому в цепи затвора полевого транзистора не рекомендуется включать резисторы, сопротивление которых больше нескольких МОм.