Полевые транзисторы. Основные типы. Характеристики

Определение

Модель крутильного устройства
Крутизну очень часто обозначают как проводимость, г

м, с нижним индексом m для
взаимный
. Это определяется следующим образом:
г м = Δ я вне Δ V в { displaystyle g_ {m} = { frac { Delta I _ { text {out}}} { Delta V _ { text {in}}}}}
Для слабый сигнал переменный ток, определение проще:

г м = я вне v в { displaystyle g_ {m} = { frac {i _ { text {out}}} {v _ { text {in}}}}}

В блок, Сименс

, с символом,
S
; 1 сименс = 1 ампер на вольт заменил старую единицу проводимости, имеющую то же определение,
Мхо
(ом написано наоборот), символ,
℧
.

1.3. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор

– это полупроводниковый прибор с дву­мя взаимодействующими
р-n
-переходами и с тремя выводами (рис. 1.15). В зависимости от чередования легированных областей различают транзисторы
n-p-n
-типа (рис. 1.15,
а
) и
р-n-р
-типа (рис, 1.15,
б
).

На рис. 1.15, в,
г
даны условные обозначения транзисторов
п-р-п-
и
р-n-р-
типов, соответственно. Выводы транзисторов обозначаются:
Э
– эмиттер,
Б
– база,
К
– коллектор.

Эмиттерная и коллекторная области отличаются тем, что в эмиттерной об­ласти концентрация примесей много больше, чем в коллекторной об­ласти. Переход, возникающий между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом

, а переход, возникающий между коллектором и базой –
коллекторным
.

На рис. 1.16 приведена схема включения транзистора с подключен­ными источниками постоянного напряжения и коллекторным рези­стором. В этой схеме с корпусом соединен вывод базы транзистора. Поэтому эту схему называют схемой включения транзистора с общей базой (ОБ).

Различают четыре режима работы биполярного транзистора

:

1) активный режим

– открыт эмиттерный переход и закрыт коллекторный переход (рис. 1.16);

2) режим отсечки

– оба
р-n
-перехода закрыты, и существенного тока через транзистор нет.

Для получения этого режима необходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить полярность источника ЕЭ

на противоположную;

1) режим насыщения

– два
р-n
-перехода транзистора открыты и через них протекают прямые токи. Для получения этого ре­жима необходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить полярность источника
ЕК
на противопо­ложную;

2) инверсный режим

– открыт коллекторный переход и за­крыт эмиттерный переход. Для получения этого режима не­обходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить на противоположные полярности источников
ЕК
и
ЕЭ
.

Для усиления и преобразования сигналов в основном используется активный режим работы. Работа биполярного транзистора в активном режиме основана на явлении диффузии, а также на эффекте дрейфа носителей заряда в электрическом поле.

Работа транзи­стора в активном режиме

Рассмотрим работу транзи­стора в активном режиме на примере транзистора р-n-р-типа (рис. 1.16). В этом режиме эмиттерный переход транзистора открыт. Откры­вающее напряжение равно ЕЭ

= 0,4…0,7 В.

Через открытый эмиттерный переход течет ток iЭ

(
iЭ
= 0,1…10 мА для маломощного транзистора). Как правило, в эмиттерной области транзистора кон­центрация акцепторных примесей во много раз больше концентрации донорных примесей в базовой
n-
области транзистора. Поэтому кон­центрация дырок в области эмиттера много больше концентрации электронов в области базы, и практически весь ток эмиттера – это дырочный ток.

В одиночном p-n

-переходе при диффузии дырок в
п
-область происходит полная рекомбинация инжектированных дырок с электронами
п
-области. В эмиттерном переходе транзистора происходит такой же процесс. Благодаря этому процессу возникает ток базы
iБ
(см. рис. 1.16). Однако в транзисторе происходят более сложные процессы.

Главной особенностью конструкции транзистора является относи­тельно тонкая базовая область.

Ширина базы (
W
) в транзисторе много меньше длины свободного пробега дырок (
L
). У современных кремниевых транзисторов
W
» 1 мкм, а диффузионная длина
L
= 5…10 мкм. Следовательно, подавляющее большинство дырок достигают коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с элек­тронами базы. Попадая в обратно смещенный коллекторный переход, дырки дрейфуют (и ускоряются) в имеющемся поле перехода.

Пройдя коллекторный переход, дырки рекомбинируют с электронами, подтекающими к коллектору от источника питания (ЕК

). Отметим, что этот дырочный ток во много раз превышает собственный обратный ток закрытого коллекторного перехода и практически полностью определяет ток коллектора (
iК
) транзистора.

Из анализа активного режима (рис. 1.16) следует уравнение для токов транзистора:

. (1.2)

В этом уравнении ток базы много меньше тока эмиттера и тока коллектора, а ток коллектора практически равен току эмиттера транзистора.

Соотношения между токами в транзисторе характеризуются двумя параметрами:

коэффициентом передачи тока эмиттера

,

и коэффициентом передачи тока базы

.

Используя формулу (1.2), полу­чим формулу взаимосвязи коэффициентов передачи

:

.

Значения коэффициентов α

и
β
зависят от конструкции транзисто­ра. Для большинства маломощных транзисторов, используемых в уст­ройствах связи и в компьютерах, коэффициент
b
= 20…200, а коэф­фициент
a
= 0,95…0,995.

Усилительные свойства транзистора

Рассмотрим усилительные свойства транзистора. Пусть на входе транзистора имеется напряжение ЕЭ

= 0,5 В. И пусть это напряжение создает ток
iЭ
= 5 мА. Мощность, расходуемая на управление транзистором, равна:

РВХ

=
ЕЭiЭ
= 0,5 × 5 ×10-3 = 2,5 мВт.

Пусть сопротивление полезной нагрузки в коллекторной цепи транзистора (рис. 1.17) равно RК

= 1 кОм. По нагрузочному резистору протекает коллекторный ток, примерно равный эмиттерному току транзистора:
iK»iЭ
. Выходная мощность, выделяющаяся на нагрузке, равна:

РН =
iK2RK = 25
мВт
.
Следовательно, в схеме (см. рис. 1.17) обеспечивается десятикратное усиление по мощности. Заметим, что для обеспечения такого усиления требуется, чтобы на коллекторный переход было подано большое запирающее напряжение:

ЕК >
UK
,

где UK = iKRK

– падение напряжения на нагрузочном сопротивлении в цепи коллектора.

Увеличенная энергия выходного сигнала обеспечивается источником питания в коллекторной цепи.

Рассмотрим другие режимы работы транзистора:

· в режиме насыщения

возникает прямой ток коллекторного перехода. Его направление противоположно направлению диффузионного тока дырок. Результирующий ток коллектора резко уменьшается, и резко ухудшаются усилительные свойства транзистора;

· редко используется транзи­стор в инверсном

режиме, так как инжекционные свойства коллектора много хуже инжекционных свойств эмиттера;

· в режиме
отсечки
все токи через транзистор практически равны нулю – оба перехода тран­зистора закрыты, и усилительные свойства транзистора не проявляют­ся.

Кроме рассмотренной схемы включения транзистора с общей базой используются две другие схемы:

1) при соединении с корпусом эмиттера транзистора получим схему с общим эмиттером (ОЭ)

(рис. 1.17). Схема ОЭ наиболее часто встречается на практике;

2) при соединении с корпусом коллектора транзистора получим схему с общим коллектором (ОК)

. В этих схемах управляющее напряжение подается на базовый вывод транзистора.

Зависимости токов через выводы транзистора от приложенных к транзистору напряжений называют вольт-амперными характеристи­ками (ВАХ)

транзистора.

Для схемы с общим эмиттером (рис. 1.17) ВАХ транзистора имеют вид (рис. 1.18, 1.19). Аналогичные графики можно получить для схемы с общей базой. Кривые (см. рис. 1.18) называются входными характеристиками транзистора

, так как они показывают зависимость входного тока от управляющего входного напряжения, подаваемого между базой и эмиттером транзистора. Входные характеристики транзистора близки к характеристикам
р-n
-перехода.

Зависимость входных характеристик от напряжения на коллекторе объясняется увеличением ширины кол­лекторного перехода и, следовательно, уменьшением толщины базы при увеличении обратного напряжения на коллекторе транзистора (эффект Эрли).

Кривые (см. рис. 1.19) называются выходными характеристиками транзи­стора

. Их используют для определения коллекторного тока транзистора. Увеличению коллекторного тока соответствует увеличе­ние управляющего напряжения на базе транзистора:

uБЭ4

>
uБЭ3
>
uБЭ2
>
uБЭ1.
.

При uКЭ£
UНАС
(см. рис. 1.19) напряжение на коллекторе транзистора ста­новится меньше напряжения на базе. В этом случае открывается кол­лекторный переход транзистора, и возникает режим насыщен ия, при котором ток коллектора резко уменьшается.

При большом напряжении на коллекторе ток коллектора начинает возрастать, так как возникает процесс лавинного (или теплового) про­боя коллекторного перехода транзистора.

Из анализа ВАХ транзистора следует, что транзистор, как и диод, относится к нелинейным элементам. Однако в активном режиме при uКЭ>
UНАС
ток коллектора транзистора изменяется примерно прямо пропорционально приращениям входного управляющего напряжения на базе транзистора, т.е. выходная цепь транзистора близка по свойствам к идеальному управляемому источнику тока. Ток коллектора в активном режиме практически не зависит от нагрузки, подключаемой к коллектору транзистора.

На рис. 1.20 показана простейшая линейная эквивалентное схема транзистора

, полученная для активного режима работы при подаче на транзистор малых по амплитуде переменных сигналов (
Um
< 0,1 В). Основным элементом этой схемы является источник тока, управляемый входным напряжением:

IK =
SUБЭ
,

где S

– крутизна транзистора, равная для маломощных транзисторов 10…100 мА/В.

Сопротивление rКЭ

характеризует потери энергии в коллекторной цепи. Его значение для маломощных транзисторов равно десяткам и сотням килоом. Сопротивление эмиттерного перехода (
rБЭ
) равно сотням ом или единицам килоом. Это сопротивление характеризует потери энергии на управление транзистором. Значения параметров эквивалентной схемы можно найти, указывая рабочие точки на входных и выходных ВАХ тран­зистора и определяя соответствующие производные в этих рабочих точках (или задавая в рабочих точках приращения соответствующих токов и напряжений).

Более точные и полные эквивалентные схемы транзисторов вклю­чают емкости переходов, учитывают нелинейности переходов транзи­сторов, содержат объемные сопротивления полупроводников, индук­тивности выводов и паразитные емкости. Такие сложные эквивалентные схемы транзисторов используются, например, в совре­менных программах машинного моделирования.

Транссопротивление

Транссопротивление

(для
сопротивление передачи
), также редко называемый
взаимное сопротивление
, это двойной крутизны. Он относится к соотношению между изменением напряжения в двух точках выхода и соответствующим изменением тока в двух точках входа и обозначается как rм:
р м = Δ V вне Δ я в { displaystyle r_ {m} = { frac { Delta V _ { text {out}}} { Delta I _ { text {in}}}}}
Единица СИ для измерения сопротивления — это просто , как в сопротивлении.

Трансимпеданс

(или,
перевод сопротивление
) является AC-эквивалентом сопротивления и является двойной пропускания.

Почему транзистор – полевой?

Среди всего многообразия транзисторов есть и полевые, т.е. такие, которые управляются электрическим полем.

Электрическое поле создается напряжением. Таким образом, полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, управляемый напряжением.

В англоязычной литературе используется термин MOSFET (MOS Field Effect Transistor). Есть другие типы полупроводниковых транзисторов, в частности, биполярные, которые управляются током. При этом на управление затрачивается и некоторая мощность, так как к входным электродам необходимо прикладывать некоторое напряжение.

Канал полевого транзистора может быть открыт только напряжением, без протекания тока через входные электроды (за исключением очень небольшого тока утечки). Т.е. мощность на управление не затрачивается. На практике, однако, полевые транзисторы используются большей частью не в статическом режиме, а переключаются с некоторой частотой.

Конструкция полевого транзистора обуславливает наличие в нем внутренней переходной емкости, через которую при переключении протекает некоторый ток, зависящий от частоты (чем больше частота, тем больше ток). Так что, строго говоря, некоторая мощность на управление все-таки затрачивается.

Устройства

Вакуумные трубки

Для вакуумные трубкикрутизна определяется как изменение тока пластины (анода), деленное на соответствующее изменение напряжения сетки / катода, при постоянном напряжении между пластиной (анодом) и катодом. Типичные значения gм для малосигнальной вакуумной лампы от 1 до 10 миллисименс. Это одна из трех характерных констант вакуумной лампы, две другие — ее усиление μ (мю) и сопротивление пластины rп или га. В Ван дер Бейл уравнение определяет их связь следующим образом:

г м = μ р п { displaystyle g_ {m} = { frac { mu} {r_ {p}}}} [1]

Полевые транзисторы

Аналогичным образом в полевые транзисторы, и МОП-транзисторы в частности, крутизна — это изменение тока стока, деленное на небольшое изменение напряжения затвора / истока при постоянном напряжении стока / истока. Типичные значения гм

для слабосигнального полевого транзистора от 1 до 30 миллисименс.

С использованием Модель Шичмана – Ходжесакрутизну для полевого МОП-транзистора можно выразить как (см. МОП-транзистор статья):

г м = 2 я D V OV { displaystyle g_ {m} = { frac {2I_ {D}} {V _ { text {OV}}}}}

где яD

— постоянный ток стока на точка смещения, и
VOV
это напряжение перегрузки, которое представляет собой разность между напряжением точки смещения затвор – исток и напряжением пороговое напряжение (т.е.
VOV
≡
VGS
—
Vth
).[2]:п. 395, уравнение. (5,45) Напряжение перегрузки (иногда известное как эффективное напряжение) обычно выбирается примерно на уровне 70–200 мВ для 65 нм технологический узел (
яD
≈ 1,13 мА / мкм ширины) для
гм
11–32 мСм / мкм.[3]:п. 300, таблица 9.2[4]:п. 15, §0127

Кроме того, крутизна переходного полевого транзистора определяется выражением г м = 2 я D S S | V п | ( 1 − V г S V п ) { displaystyle g_ {m} = { frac {2I_ {DSS}} { left | {V_ {P}} right |}} left ({1 — { frac {V_ {GS}} {V_ { P}}}} right)} , где Vп — напряжение отсечки, а IDSS — максимальный ток стока.

Традиционно крутизна для полевых транзисторов и полевых МОП-транзисторов, указанная в приведенных выше уравнениях, выводится из уравнения передачи каждого устройства с использованием исчисление. Однако Картрайт[5] показал, что это можно сделать без исчисления.

Биполярные транзисторы

Гм из биполярный малосигнальные транзисторы широко варьируются, будучи пропорциональными току коллектора. Его типичный диапазон составляет от 1 до 400 миллисименс. Изменение входного напряжения применяется между базой / эмиттером, а выходное — это изменение тока коллектора, протекающего между коллектором / эмиттером с постоянным напряжением коллектора / эмиттера.

Крутизну биполярного транзистора можно выразить как

г м = я C V Т { displaystyle g_ {m} = { frac {I_ {C}} {V_ {T}}}}

где яC

= Постоянный ток коллектора на Q-точка, и
VТ
= тепловое напряжениеобычно около 26 мВ при комнатной температуре. Для типичного тока 10 мА,
гм
≈ 385 мСм. Входное сопротивление — это текущий коэффициент усиления. (β) делится на крутизну.

Выходная (коллекторная) проводимость определяется Раннее напряжение и пропорционален току коллектора. Для большинства транзисторов, работающих в линейном режиме, оно значительно ниже 100 мкСм.

Полевые транзисторы. For dummies

Введение

А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход. Что нам на это скажут официальные источники?

Полевыми транзисторами
называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля.
(electrono.ru)

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
.

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

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

Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.

. 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:

− 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

Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:

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

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.

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!

Список источников:

ru.wikipedia.org dssp.petrsu.ru zpostbox.narod.ru electrono.ru radio.cybernet.name

Полезные комментарии:

https://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4435883 https://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4436509 https://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4441531

Рекомендую почитать:

«Основы на пальцах», автор DI HALT (за наводку спасибо AlexeiKozlov)

Усилители

Усилители крутизны

А усилитель крутизны

(
г
м усилитель) выдает ток, пропорциональный его входному напряжению. В
сетевой анализ
, усилитель крутизны определяется как
источник тока, управляемый напряжением
(
VCCS
). Обычно эти усилители устанавливаются в каскод конфигурация, улучшающая частотную характеристику.

Усилители сопротивления

Основная статья: трансимпедансный усилитель

А усилитель сопротивления

выводит напряжение, пропорциональное входному току. Усилитель сопротивления часто упоминается как
трансимпедансный усилитель
, особенно производителями полупроводников.

Термин для усилителя сопротивления в сетевом анализе: источник напряжения с управляемым током

(
CCVS
).

Базовый усилитель инвертирующего сопротивления может быть построен из операционный усилитель и одиночный резистор. Просто подключите резистор между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя и подключите неинвертирующий вход к земле. Тогда выходное напряжение будет пропорционально входному току на инвертирующем входе, уменьшаясь с увеличением входного тока и наоборот.

Для усиления сигнального тока от фотодиодов на приемном конце сверхвысокоскоростных оптоволоконных линий широко используются специальные микросхемы трансрезисторных (трансимпедансных) усилителей.

Операционные усилители крутизны

An операционный усилитель крутизны (OTA) — это интегральная схема, которая может работать как усилитель крутизны. Обычно они имеют вход, позволяющий контролировать крутизну.[6]

Выходные (стоковые) характеристики транзистора

Выходной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uис)|uзи =const где f — некоторая функция.

Изобразим выходные характеристики для кремниевого транзистора типа КП10ЗЛ с p-n-переходом и каналом p-типа (рис. 1.90).

Обратимся к характеристике, соответствующей условию uзи = 0. В так называемой линейной области (uис< 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При uис = 3 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока ic, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт (характеризующаяся очень большим удельным сопротивлением), расширяется. При этом сопротивление на постоянном токе промежутка исток-сток увеличивается, а ток ic практически не изменяется.

Ток стока в области насыщения при uзи= 0 и при заданном напряжении uис называют начальным током стока и обозначают через iс нач. Для рассматриваемых характеристик iс нач = 5 мА при uис= 10 В. Для транзистора типа КП10ЗЛ минимальное значение тока iс начравно 1,8 мА, а максимальное — 6,6 мА. При uис > 22 В возникает пробой p-n-перехода и начинается быстрый рост тока.

Теперь кратко опишем работу транзистора при различных напряжениях uзи. Чем больше заданное напряжение uзи , тем тоньше канал до подачи напряжения uис и тем ниже располагается характеристика.

Как легко заметить, в области стока напряжение на p-n-переходе равно сумме uзи+uис. Поэтому чем больше напряжение uзи , тем меньше напряжение uис, соответствующее началу пробоя.

Когда uзи= 3 В, канал оказывается перекрыт областью p-n-перехода уже до подачи напряжения uис . При этом до пробоя выполняется условие ic = 0. Таким образом,uзи отс = 3 В.Для рассматриваемого типа транзистора минимальное напряжение отсечки +2 В, а максимальное +5 В. Эти величины соответствуют условию ic = 10 мкА. Это так называемый остаточный ток стока, который обозначают через ic отс. Полевой транзистор характеризуется следующими предельными параметрами (смысл которых понятен из обозначений):uис макс,uзсмакс, Pмакc.

Для транзистора КП10ЗЛ uисмакс = 10 В,uзсмакс = 15 В, Pмакc = 120 мВт (все при t = 85°С).

использованная литература

1. Бленкоу, Мерлин (2009). «Разработка ламповых усилителей для гитары и баса».
2. Sedra, A.S .; Смит, К. (1998), Микроэлектронные схемы
   (Четвертое изд.), Нью-Йорк: Oxford University Press, ISBN 0-19-511663-1
3. Бейкер, Р. Джейкоб (2010), Разработка, компоновка и моделирование схем CMOS, третье издание
   , Нью-Йорк: Wiley-IEEE, ISBN 978-0-470-88132-3
4. Сансен, W.M.C. (2006), Основы аналогового дизайна
   , Дордрехт: Спрингер, ISBN 0-387-25746-2
5. Картрайт, Кеннет V (осень 2009 г.), «Вывод точной крутизны полевого транзистора без исчисления» (PDF), Журнал «Технологический интерфейс»
   ,
   10
   (1): 7 страниц
6. «Трансимпедансные усилители SFP 3,2 Гбит / с с RSSI» (PDF). datasheets.maximintegrated.com
   . Максим. Получено 15 ноября 2022.

• Горовиц, Пол & Хилл, Уинфилд (1989), Искусство электроники
  , Издательство Кембриджского университета, ISBN 0-521-37095-7 CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)

Графический анализ схем с полевыми транзисторами.

Для лучшего уяснения принципа работы схем с полевыми транзисторами полезно провести графический анализ одной из них (рис. 1.91).

Пусть Ес = 4 В; определим, в каких пределах будет изменяться напряжение uиспри изменении напряжения uзи от 0 до 2 В.

При графическом анализе используется тот же подход, который был использован при анализе схем с диодами и биполярными транзисторами. Для рассматриваемой схемы, в которой напряжение между затвором и истоком равно напряжению источника напряжения uзи, нет необходимости строить линию нагрузки для входной цепи. Линия нагрузки для выходной цепи задается выражением Ес =iс·Rс+uис Построим линию нагрузки на выходных характеристиках транзистора, представленных на рис. 1.92.

Из рисунка следует, что при указанном выше изменении напряжения uзинапряжение uис будет изменяться в пределах от 1 до 2,6 В, что соответствует перемещению начальной рабочей точки от точки А до точки В. При этом ток стока будет изменяться от 1,5 до 0,7 мА.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Стокозатворные характеристики (характеристики передачи, передаточные, переходные, проходные характеристики). Стокозатворной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uзи) |uис =const где f — некоторая функция.

Такие характеристики не дают принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда более удобны для использования. Изобразим стокозатворные характеристики для транзистора КП10ЗЛ (рис. 1.93).

Для некоторых транзисторов задается максимальное (по модулю) допустимое отрицательное напряжение uзи, например, для транзистора 2П103Д это напряжение не должно быть по одулю больше чем 0,5 В.