Полевой транзистор с изолированным затвором: принцип работы и обозначение

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) — это полевой транзистор, затвор которого электрически отделен от канала диэлектрическим слоем. МДП-транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) изготовлены из кремния. Оксид кремния SiO2 используется в качестве диэлектрика, отсюда и другое название этих транзисторов — МОП-транзистор (структура: металл-оксид-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012… 1014 Ом).

Полевые транзисторы являются униполярными устройствами, как и обычные полевые транзисторы. То есть контролируемый ток не должен проходить через PN переход. Транзистор имеет PN-переход, но его единственная цель — обеспечить непроводящую область истощения, которая используется для ограничения тока через канал.

Принцип работы МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости слоя у поверхности полупроводника на границе раздела с диэлектриком под действием поперечного электрического поля. Поверхностный слой полупроводника является проводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы бывают двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Полевые транзисторы разных размеров

Рассмотрим характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого n-канального транзистора представлена ​​на рис. 4, а. В исходной кремниевой пластине p-типа с относительно высоким удельным сопротивлением, называемой подложкой, с использованием диффузионной технологии создаются две сильно легированные области с противоположным типом электропроводности n. Эти области закрыты металлическими электродами — истоком и стоком. Рядом с поверхностью n-типа между истоком и стоком имеется тонкий канал. Поверхность полупроводникового кристалла между истоком и стоком покрыта тонким слоем (около 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод — затвор. Наличие диэлектрического слоя позволяет этому полевому транзистору подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

Основные характеристики полевых транзисторов.

Основные параметры полевых транзисторов:

1. Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
2. Максимально допустимая рабочая частота;
3. Напряжение сток-исток;
4. Напряжение затвор-сток;
5. Напряжение затвор-исток;
6. Максимально допустимый ток разряда;
7. Ток утечки затвора;
8. Крутизна особенности;
9. Начальный ток разряда;
10. Возможность затвор-источник;
11. Входная мощность;
12. Выходная мощность;
13. Сквозная емкость;
14. Выходная мощность;
15. Коэффициент шума;
16. Увеличение мощности.

Полевые транзисторы разных размеров

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом

В полевых транзисторах с управляющим pn переходом управление током транзистора достигается изменением поперечного сечения канала путем изменения площади, занимаемой этим переходом. Управляющий pn-переход образован между каналом и затвором, который состоит из полупроводников с противоположными типами проводимости. Следовательно, если канал образован полупроводником типа p, то затвор образован полупроводником p-типа. Напряжение между затвором и истоком всегда инвертировано, например, pn-транзитный блок.

Напомним, что при приложении напряжения обратной полярности площадь, занимаемая pn переходом, увеличивается. В этом случае область, лишенная носителей заряда, также расширяется, а это означает, что область канала, через которую может протекать ток, сужается. Кроме того, чем больше значение напряжения блокировки, тем больше площадь, занимаемая pn переходом, и тем меньше сечение и проводимость канала.

Как и в случае с биполярными транзисторами, выходные характеристики используются для описания работы полевых транзисторов. Выходная характеристика транзистора с нулевым эффектом — это зависимость тока стока Ic от напряжения между стоком и истоком при фиксированном напряжении между затвором и истоком. В отличие от биполярного транзистора, работу транзистора с нулевым эффектом также можно описать прямой зависимостью выходного параметра — тока стока на входе — управляющего напряжения между затвором и истоком.

В зависимости от температуры эти характеристики меняются незначительно. Напряжение UZI, при котором канал полностью закрыт (IC = 0), называется напряжением отсечки Uotc. Управляющее воздействие заслонки характеризуется крутизной, которую можно определить по выходным характеристикам (см. Рис. 1.15, г):

S = ΔIс / ΔUZI, при USI = const.

Поскольку управляющий pn-переход всегда заблокирован, полевые транзисторы практически не имеют входного тока. Благодаря этому они имеют очень высокое входное сопротивление и практически не потребляют мощность от источника управляющего сигнала. Это свойство распространяется не только на транзисторы с управляющим pn переходом, но и на все полевые транзисторы, что выгодно отличает их от биполярных.

Классификация полевых транзисторов

По физическому устройству и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первый образован транзисторами с управляющим p-n переходом или переходом металл-полупроводник (барьер Шоттки), второй — транзисторами, управляемыми изолированным электродом (затвором), т.н. МДП-транзисторы (металл — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (т. Е. Электрически изолирован) от канала р-n переходом, смещенным в противоположном направлении.

Такой транзистор имеет два не выпрямляющих контакта в области, через которую проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в противоположную сторону (см. Рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина, а следовательно, и толщина области, через которую проходит контролируемый ток основных носителей заряда.

Область, толщина и поперечное сечение которой регулируется внешним по отношению к управляющему pn переходом напряжением и через которую протекает регулируемый ток основных носителей, называется каналом. Электрод, с которого в канал попадают основные носители заряда, называется источником. Электрод, через который основные носители заряда покидают канал, называется стоком. Электрод, используемый для регулировки поперечного сечения канала, называется затвором.

Электропроводность канала может быть типа № п. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с одним каналом n и одним каналом p. Все полярности напряжений смещения, приложенных к электродам транзисторов с каналом n и p, противоположны.

Ток стока, который представляет собой ток от относительно мощного внешнего источника питания в цепи нагрузки, регулируется, когда обратное напряжение изменяется на pn переходе затвора (или на двух pn переходах одновременно). Из-за малости обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая источником сигнала в схеме затвора, незначительна. Следовательно, полевой транзистор может обеспечивать усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.

Поэтому полевой транзистор в принципе аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе аналогичен катоду вакуумного триода, затвору сетки и стоку анода. Но в то же время полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора нагрев катода не требуется. Во-вторых, каждая из функций истока и стока может выполняться каждым из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть как n-канальными, так и p-канальными, что позволяет успешно комбинировать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

Полевой транзистор отличается от биполярного, прежде всего, принципом работы: в биполярном транзисторе выходной сигнал регулируется входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно более высокие входные сопротивления, что связано с обратным смещением затворного pn перехода в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут иметь низкий уровень шума (особенно на низких частотах), поскольку в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, и канал эффекта адполя транзистора может быть отделен от кристалла полупроводника поверхность.

Процессы векторной рекомбинации в pn переходе и базе биполярного транзистора, а также процессы генерационной рекомбинации на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются появлением низкочастотного шума.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого электрически отделен от канала диэлектрическим слоем .

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, называемом подложкой, создаются две сильно легированные области с типом проводимости, противоположным подложке. Эти области закрыты металлическими электродами — истоком и стоком. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше одного микрона.

Поверхность полупроводникового кристалла между истоком и стоком покрыта тонким слоем (около 0,1 мкм) диэлектрика. Поскольку исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод — затвор. В результате получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы IGBT часто называют полевыми МОП-транзисторами.

Входное сопротивление МОП-транзисторов может достигать 1010… 1014 Ом (для полевых транзисторов с управляющим pn переходом 107… 109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существует два типа МОП-транзисторов: индуцированный канал и встроенный канал.

В МОП-транзисторах с индуцированным каналом (рис.2, а) между сильно легированными областями истока и стока отсутствует токопроводящий канал, поэтому заметный ток стока появляется только при определенной полярности и определенном значении затвора напряжение относительно источника, которое называется пороговым напряжением (УЗИПор).

В МДП-транзисторах с интегрированным каналом (рис. 2, б) на поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении затвора по отношению к истоку имеется обратный слой — канал, соединяющий исток со стоком.

Показано на рис. 2, структуры IGBT имеют подложку проводимости n-типа. Таким образом, сильно легированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и внедренный канал имеют проводимость p-типа. Если аналогичные транзисторы созданы на подложке с проводимостью p-типа, их канал будет иметь проводимость n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

Когда напряжение на затворе по отношению к истоку равно нулю и при наличии напряжения на стоке, ток стока незначителен. Он представляет собой обратный ток pn перехода между подложкой и сильно легированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис.2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях затвора (нижнее УЖп) обедненный слой в основные носители появляются на поверхности полупроводника под затвором, слоем полевого эффекта и пространственным зарядом области, состоящей из нескомпенсированных ионизованных примесных атомов.

При напряжениях затвора, превышающих UZIpore, на поверхности полупроводника под затвором появляется обратный слой, который является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут меняться с изменением напряжения на затворе, а также изменится ток стока — то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так регулируется ток стока в IGBT и индуцированном канале.

Из-за того, что затвор отделен от подложки слоем диэлектрика, ток в цепи затвора незначителен, а мощность, потребляемая источником сигнала в схеме затвора, также мала и необходима для управления относительно большим током стока. Следовательно, МОП-транзистор с индуцированным каналом может усиливать электромагнитные колебания напряжения и мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МОП-транзисторе до появления канала почти все напряжение источника питания в цепи стока приходилось на полупроводник между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряженности электрического поля. Под действием напряжения затвора в полупроводнике под затвором возникает канал, через который носители заряда — дырки — перемещаются от истока к стоку. Дырки, движущиеся в направлении постоянной составляющей электрического поля, ускоряются этим полем, и их энергия увеличивается за счет энергии источника питания в цепи стока.

Одновременно с возникновением канала и появлением в нем подвижных носителей заряда снижается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Следовательно, дырки замедляются переменным электрическим полем, передавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

В этой схеме в качестве нелинейного элемента используется МОП-транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Из-за наличия интегрированного канала в таком МОП-транзисторе с нулевым напряжением затвора (см. Рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения затвора как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор с интегрированным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта характеристика МОП-транзисторов со встроенным каналом отражается также в сдвиге статических выходных характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, б) оставляют точку на оси абсцисс, соответствующую напряжению отсечки UZIotc, т.е напряжению между затвором и истоком МОП-транзистора с a в канале, работающем при опорожнении режим, в котором ток стока достигает заданного низкого значения.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (MNOS) диэлектрик под дверью состоит из двух слоев: слоя оксида SiO2 и толстого слоя нитрида Si3N4. Между слоями образуются электронные ловушки, которые при приложении положительного напряжения (28..30 В) к затвору MNOS-структуры захватывают электроны, туннелирующие через тонкий слой SiO2. Образующиеся отрицательно заряженные ионы увеличивают пороговое напряжение, и их заряд может сохраняться до нескольких лет при отсутствии питания, поскольку слой SiO2 предотвращает потерю заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28… 30 В) накопленный заряд поглощается, что значительно снижает пороговое напряжение.

Металлооксидно-полупроводниковые (MOS) структуры с плавающим затвором с лавинной инжекцией (LISMOS) имеют затвор из поликремния, который изолирован от других частей структуры. Лавинный пробой pn перехода подложки и стока или истока, к которому приложено высокое напряжение, позволяет электронам проникать через оксидный слой к затвору, в результате чего на нем появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют ему сохранять этот заряд в течение десятков лет. Снятие электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового излучения с кварцевыми лампами, в то время как фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

Позже были разработаны структуры полевых транзисторов с двойным затвором. Затвор, встроенный в диэлектрик, используется для хранения заряда, который определяет состояние устройства, а внешний (обычный) затвор, управляемый многополярными импульсами, вводит или снимает заряд на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем микросхемы флеш-памяти, которые в наши дни стали очень популярными и составили серьезную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для создания очень больших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они изготовлены с использованием нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. В таких устройствах толщина диэлектрика затвора достигает нескольких атомных слоев. Используются различные конструкции, в том числе три двери. Устройства работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах от компании Intel количество устройств варьируется от десятков миллионов до 2 миллиардов. Совершенно новые полевые микротранзисторы изготовлены из деформированного кремния, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный диэлектрический материал затвора на основе соединений гафния.

За последнюю четверть века стремительное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном типа МДП. Они состоят из множества маломощных конструкций или конструкций с разветвленной конфигурацией затвора. Такие ВЧ- и СВЧ-устройства были впервые созданы в СССР специалистами НИИ Пульсаров В.В. Бачуриным (кремниевые устройства) и В.Я. Ваксембург (аппараты на арсениде галлия) Изучение их импульсных свойств проводилось научной школой проф. Дьяконова В.П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло поле для разработки мощных манипуляционных (импульсных) полевых транзисторов специальной конструкции с высокими рабочими напряжениями и токами (отдельно до 500-1000 В и 50-100 А).

Такие устройства часто управляются низкими напряжениями (до 5 В), имеют низкое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) в устройствах с большим током, большой крутизной и малыми временами переключения (в единицах до десятков нс). У них нет явления накопления носителей в структуре и явления насыщения, присущего биполярным транзисторам. В результате мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности.

Читайте также: Последовательное и параллельное соединение: схемы подключений

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

1. Напряжение на затворе Uзи = 0

Подключите положительный источник напряжения к стоку, землю к истоку. Так же подключаем створку к земле (Узи = 0). Начнем постепенно повышать напряжение на выхлопе Usi. Пока Usi низкое, ширина канала максимальна. В этом состоянии полевой транзистор ведет себя как обычный проводник. Чем выше напряжение между стоком и истоком Isi, тем больше ток через канал между стоком и истоком Isi. Это состояние еще называют омической областью.

С увеличением Ussi в полупроводнике N-типа в зонах PN перехода постепенно уменьшается количество свободных электронов — появляется обедненный слой. Этот слой растет несимметрично — больше со стороны стока, так как туда подключен источник напряжения. В результате канал сужается настолько, что при дальнейшем увеличении Usi Ici будет расти очень незначительно. Это состояние называется режимом насыщения.

2. Напряжение на затворе Uзи < 0

Когда транзистор находится в режиме насыщения, канал относительно узкий. Достаточно подать небольшое отрицательное напряжение на затвор Uzi, чтобы еще больше сузить канал и значительно снизить ток Ici (для транзистора с каналом P на затвор подается положительное напряжение). Если мы продолжим снижать Udi, канал сузится до полного закрытия и текущий Ici остановится. Значение Узи, при котором ток Ici прекращается, называется напряжением отсечки (Uotv).

Для усиления сигнала используется полевой транзистор JFET в режиме насыщения, так как в этом состоянии из-за небольших изменений Узи Исси заметно меняется. Параметр усиления JFET — это взаимная крутизна. Он обозначается буквами gm или S и измеряется в мА / В (миллиАмпер / Вольт).

Преимущества и недостатки полевого транзистора JFET

Высокое входное сопротивление

Как уже упоминалось выше, одним из важнейших свойств полевых транзисторов является очень высокое входное сопротивление Rin (Rin). Кроме того, в полевых транзисторах с изолированным затвором MOSFET Rin в среднем на несколько порядков выше, чем у JFET. Благодаря этому полевые транзисторы практически не потребляют ток от источников сигналов, которые необходимо усиливать.

Например, схема цифрового микроконтроллера генерирует сигнал, управляющий работой электродвигателя. Этот тип схемы обычно имеет очень низкий выходной ток, которого для двигателя явно недостаточно. Здесь вам понадобится усилитель, который потребляет очень небольшой ток на входе и выводит сигнал той же формы и частоты на выходе выхода микроконтроллера, только с большим выходным током. Здесь подойдет усилитель на JFET-транзисторе с высоким входным сопротивлением.

Низкий коэффициент усиления по напряжению

Существенным недостатком JFET над биполярным транзистором является очень низкий коэффициент усиления по напряжению. Если вы построите усилитель на основе одного полевого транзистора, вы можете получить Vout / Vin максимум около 20. При таком же использовании биполярного транзистора с высоким (усиление биполярного транзистора — ток коллектора / ток базы) вы можете получить Vout. / Вин несколько сотен.

Поэтому для качественных усилителей часто используются оба типа транзисторов вместе. Например, из-за очень высокого Rin полевого транзистора достигается большое усиление сигнального тока. И только потом с помощью биполярного транзистора усиливается сигнал напряжения.

О других преимуществах и недостатках полевых транзисторов вы можете прочитать здесь

Распространённые типы полевых транзисторов

В настоящее время в радиооборудовании выделяют два основных типа ТП: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Опишем каждое изменение более подробно.

Управляющий p-n-переход

Эти полевые транзисторы представляют собой удлиненный полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими проводниками служат стоком и истоком. Функцию затвора выполняет небольшая область обратной проводимости, встроенная в центральную часть кристалла. Как и сток и исток, затвор снабжен металлическим тросиком.

Электронно-дырочный pn переход в таких полевых транзисторах называется управляющим, так как он напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

Интересный материал для познания — что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Изолированный затвор

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанного выше полевого транзистора с управляющим pn переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на определенном расстоянии друг от друга заделаны две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора выполняет металлический вывод, который отделен от кристалла диэлектрическим слоем и, следовательно, не вступает с ним в электрический контакт.

В связи с тем, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов: металл, диэлектрик и полупроводник, эти радиокомпоненты часто называют МДП-транзисторами. В элементах, сформированных в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, после чего буква «D» в аббревиатуре заменяется на «O» и такие компоненты называются МОП-транзисторами.

Полевой транзистор на схеме.

Эти полевые транзисторы бывают двух типов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. В первом нет физического канала и он возникает только в результате действия электрического поля, исходящего от затвора, на подложку. Во-вторых, канал между истоком и стоком физически встроен в подложку, и напряжение затвора требуется не для формирования канала, а только для управления его характеристиками. Преимущество схемы IGBT FET перед транзисторами с pn переходом заключается в его более высоком входном импедансе.

Это расширяет возможности использования этих элементов. Например, они используются в высокоточных устройствах и другом оборудовании, ответственном за электрические режимы. Благодаря своим конструктивным особенностям полевые МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает вас соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодетелями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать заземленную паяльную станцию, а кроме того, лицо, выполняющее пайку, также должно быть заземлено. Даже статическое электричество малой мощности может повредить полевой транзистор.

Классификация транзисторов.

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим pn переходом в схеме общего истока показано на рис. 26.4. Они аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти характеристики показывают зависимость выходного тока ID от выходного напряжения VDS (напряжение между стоком и истоком) для заданных значений напряжения затвора VGS (напряжение между затвором и истоком).

Диапазон изменения напряжения смещения затвор-исток довольно велик (несколько вольт), в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно. Видно, что с увеличением (по абсолютной величине) напряжения затвора ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся истощающий слой соединения затвор-канал не закроет весь канал, прерывая ток. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в отключенном состоянии.

Схема на полевом транзисторе.

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику при VGS = 0. По мере увеличения напряжения VDS (от нуля) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигнет точки P, после чего значение тока практически не меняется. Напряжение в точке P называется напряжением отключения. При этом напряжении обедненный слой, связанный с соединением затвор-канал с обратным смещением, почти полностью перекрывает канал. Однако поток текущего идентификатора в этой точке не прекращается, поскольку именно благодаря этому току создается слой истощения. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои собственные точки отсечения: P1, P2 и т.д. Если соединить эти точки вместе линией, справа от нее будет область среза, которая является областью работы полевого транзистора.

Полевой транзистор.

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного AF-усилителя на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме очень небольшой ток утечки затвора отводится к шасси через резистор утечки R1. Резистор R3 обеспечивает необходимое обратное смещение, повышая потенциал истока выше потенциала затвора. Кроме того, этот резистор также обеспечивает стабильность постоянного тока для усилителя. R2 — нагрузочный резистор, который может иметь очень высокое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязочный конденсатор C2 в цепи истока удаляет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R3. Следует отметить, что блокирующий конденсатор С1 может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) из-за высокого входного сопротивления полевого транзистора.

Когда сигнал подается на вход усилителя, ток стока изменяется, что, в свою очередь, вызывает изменение выходного напряжения на стоке транзистора. Во время положительного полупериода входного сигнала напряжение затвора увеличивается в положительном направлении, напряжение обратного смещения перехода затвор-исток уменьшается, и, таким образом, увеличивается ID тока полевого транзистора. Увеличение ID приводит к уменьшению выходного напряжения (стока), и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И наоборот, отрицательный полупериод входного сигнала соответствует положительному полупериоду выходного сигнала. Следовательно, входные и выходные сигналы усилителя с общим источником являются противофазными.

Расчет статического режима

Одним из преимуществ полевого транзистора является очень низкий ток утечки затвора, величина которого не превышает нескольких пикоампер (10-12 А). Следовательно, в схеме усилителя на рис. 26.5 затвор практически находится под нулевым потенциалом. Ток полевого транзистора течет от стока к истоку и обычно идентифицируется с идентификатором тока стока (который, очевидно, равен току истока IS).

Рассмотрим схему рис. 26.5. Полагая ID = 0,2 мА, рассчитываем потенциал источника:

VS = 0,2 мА 5 кОм = 1 В. Это напряжение обратного смещения управляющего pn перехода.

Падение напряжения на резисторе R2 = 0,2 мА 30 кОм = 6 В.

Потенциал разряда VD = 15-6 = 9 В.

Линия нагрузки

Линию нагрузки можно нарисовать так же, как биполярный транзистор. Если ID = 0, то VDS = VDD = 15 В. Это точка X на линии нагрузки. Если VDS = 0, то почти все напряжение VDD блока питания падает до R2. Следовательно, ID = VDD / R2 = 15 В / 30 кОм = 0,5 мА. Это точка Y на линии нагрузки. Рабочая точка Q выбрана такой, чтобы транзистор работал в области отсечки. Выбранная рабочая точка Q определяется значениями: ID = 0,2 мА, VGS = — 1 В, VDS = 9 В.

Полевой транзистор.

Полевой транзистор с изолированным затвором

IGBT FET могут называться MOSFET (металлооксидный полупроводник) или MOSFET (металлический диэлектрический полупроводник). Оксид кремния SiO2 обычно используется в качестве диэлектрика.
Они делятся на МОП-транзисторы со встроенными и индуцированными каналами.
МДП-транзисторы отличаются от полевых транзисторов с p-n переходом тем, что затвор изолирован от полупроводника диэлектриком. Из-за диэлектрика затвор электрически не связан с полупроводником, что позволило увеличить входное сопротивление полевого транзистора до 1017 Ом.

МДП-транзистор с встроенным каналом

Такой полевой транзистор представляет собой полупроводниковый кристалл pon-типа, называемый подложкой.
На кристалле, например типа p, создаются две сильно легированные (обогащенные) области противоположного типа по отношению к подложке (в нашем случае типа n). Это будет исток и сток транзистора, на который нанесен диэлектрический слой.

Между ними построен тонкий канал, состоящий из слаболегированного (обедненного) полупроводникового слоя с типом проводимости как у истока, так и у стока .
Над диэлектриком нанесен металлический электрод — затвор. Получается «бутерброд»: металл — диэлектрик — полупроводник. Металлические провода, соединяющие области n-типа, выведены через диэлектрик. Также есть выход от подложки, которая обычно подключается к источнику, и его потенциал считается нулевым.

При приложении напряжения между истоком и стоком при нулевом напряжении затвора (Uzi = 0) начальный ток стока Ist.init будет течь через интегрированный канал (на рисунке пределы толщины канала: сплошная линия 1,0 — диэлектрик) электроны в канале.

Подавая на затвор положительное напряжение, мы создаем электрическое поле, которое будет втягивать электроны из подложки в канал и выталкивать из него дырки. Канал, принимающий далее основные носители заряда, расширяется (пунктирная линия 3 (+) — диэлектрик); его проводимость увеличивается, Icad увеличивается, и транзистор работает в режиме насыщения.

При отрицательном напряжении затвора электроны выталкиваются в подложку, а отверстия в подложке втягиваются в канал и, истощая электроны, он сжимается (линия 2 (-) — диэлектрик). Это приводит к уменьшению текущего ID по сравнению с Ist. Полевой транзистор переходит в режим истощения.