Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

В полевом транзисторе с p-n переходом управление протекающим током и входные характеристики реализуются за счет свойств p-n перехода. Основное преимущество перед биполярными транзисторами — это то, что p-n переход в этом типе транзисторов обычно применяется в запертом состоянии. Это обеспечивает высокое входное сопротивление на низких частотах. Регулировка тока транзистора производится за счёт изменения ширины p-n перехода под воздействием управляющего напряжения.

Принцип работы полевого транзистора с p-n переходом

Основным элементом любого полевого транзистора является полупроводниковый канал, по которому протекает электрический ток. Как и в любом другом проводнике, его сопротивление зависит от длины, удельного сопротивления материала и площади сечения канала. Удельное сопротивление канала в полевых транзисторах обычно делается достаточно большим.

Площадь сечения канала в полевом транзисторе может изменяться напряжением, подаваемым на его затвор. Для этого канал должен быть очень тонким. Именно так управляется ток, который проходит через полевой транзистор. Упрощенная конструкция полевого транзистора с p-n переходом и подключение источников питания в рабочем режиме приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Упрощенная конструкция полевого транзистора с p-n переходом и подключение источников питания

На исток и сток канала полевого транзистора в этой схеме подается напряжение U_си. На затвор подается запирающее напряжение. Для n-канального транзистора в рабочем режиме к стоку подключается положительный потенциал источника питания U_си, а на затвор — отрицательное напряжение.

Из-за того, что сопротивление полупроводника в канале достаточно большое, запирающий слой в основном образуется именно в канале транзистора. Более того! Из-за падения напряжения на канале напряжение вдоль затвора изменяется. Чем ближе к стоку, тем больше будет напряжение, чем ближе к истоку, тем меньше. И, соответственно, чем ближе к стоку, тем шире будет запирающий слой и тем меньше будет сечение канала.

Эта ситуация иллюстрируется на рисунке 1 заштрихованной областью, которая показывает запирающий слой p-n перехода. При увеличении запирающего напряжения на затворе запирающий слой увеличивается, и сечение канала уменьшается, что приводит к уменьшению тока через транзистор. При достаточно большом запирающем напряжении на затворе, канал полностью перекрывается, и транзистор переходит в режим отсечки.

Статические характеристики полевых транзисторов с p-n переходом

Типовая зависимость тока стока полевого транзистора JFET от запирающего напряжения на затворе приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Сток-затворная характеристика n-канального полевого транзистора с p-n переходом

Сток-истоковая характеристика, которую ещё называют характеристикой прямой передачи транзистора, для большинства полевых транзисторов достаточно хорошо описывается следующим квадратичным выражением:

.        (1)

Основным параметром полевого транзистора, используемым при расчете усилительного каскада или другого узла телекоммуникационной аппаратуры, является статическая крутизна характеристики прямой передачи. Она определяется по сток-затворной характеристике транзистора как отношение изменения тока стока к изменению напряжения затвор-исток:

.        (2)

В качестве примера реальной характеристики прямой передачи полевого транзистора на рисунке 3 приведем сток-затворную характеристику транзистора КП302.

Рисунок 3. Характеристика прямой передачи транзистора 2П302

Очень важной характеристикой усилительных электронных приборов является независимость их характеристик от напряжения источника питания. Обычно это достигается высоким выходным сопротивлением электронного прибора (электровакуумной лампы, биполярного или полевого транзистора). В полевых транзисторах высокое выходное сопротивление достигается за счёт присущей им внутренней отрицательной обратной связи в канале.

Для иллюстрации принципа работы внутренней обратной связи в канале полевого транзистора снова обратимся к рисунку 1. Мы уже упоминали, что за счёт высокого сопротивления полупроводника в канале полевого транзистора на нём возникает падение напряжения. При увеличении напряжения на стоке полевого транзистора, увеличивается падение напряжения, возрастает толщина запирающего слоя. Это приводит к уменьшению площади сечения канала и в конечном итоге уменьшению тока стока. В результате действия этого механизма ток стока при увеличении напряжения на стоке почти не растёт. Это признак большого выходного сопротивления, как в генераторе тока.

Выходное сопротивление обычно определяется по выходным характеристикам транзистора. Типовые выходные характеристики полевого транзистора приведены на рисунке 4.

Рисунок 4. Выходные характеристики n-канального полевого транзистора с p-n переходом

На каждой характеристике прослеживается два участка — омический для малых U_с и насыщения для больших U_с. Насыщение для выходной характеристики при U_з = 0 начинается после напряжения U_с = U_отс. Для остальных характеристик насыщение наступит при меньших значениях U_с = U_отс − U_з. Выходное сопротивление полевого транзистора можно определить по его выходной характеристике, определив изменение тока ΔI_с при изменении напряжения стока ΔU_с. Выходное сопротивление транзистора будет равно:

.        (3)

На рисунке 5 приведены выходные характеристики реального полевого транзистора с p-n переходом 2П302.

Рисунок 5. Выходные характеристики n-канального полевого транзистора с p-n переходом

На них отчетливо видно, что наклон выходных характеристик зависит от напряжения на затворе. Соответственно меняется и выходное сопротивление транзистора.

Температурные свойства полевых транзисторов с p-n переходом

Характеристики полевых транзисторов, точно так же, как и биполярных транзисторов зависят от температуры. На рисунке 6 приведено изменение характеристики прямой передачи n-канального полевого транзистора с p-n переходом в зависимости от температуры.

Рисунок 6. Зависимость характеристики прямой передачи полевого транзистора от температуры

Температурная зависимость тока истока определяется двумя факторами: это увеличение собственной проводимости полупроводника, и изменение подвижности основных носителей заряда в канале транзистора. Увеличение собственной проводимости полупроводника приводит к увеличению входного тока транзистора, и, как следствие, уменьшение его входного сопротивления R_вх. Одновременно увеличение температуры приводит к уменьшению основного параметра полевого транзистора — крутизны S.

У кремниевых полевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре 20°C ток затвора обычно составляет 1 ... 10 мкА. При увеличении температуры на каждые 10°С входной ток удваивается.

Точно такой же характер изменения графиков сток-затворных характеристик от температуры наблюдается и в p- канальных полевых транзисторах. Характеристики прямой передачи отечественного полевого транзистора КП102 при различных температурах приведены на рисунке 7.

Рисунок 7. Зависимость характеристики прямой передачи p-канального полевого транзистора от температуры

Если внимательно рассмотреть характеристики прямой передачи полевого транзистора, приведённые на рисунках 6 и 7, то можно обнаружить термостабильную точку. В этой точке ток стока полевого транзистора практически постоянен при различных температурах.

Это объясняется воздействием двух факторов. При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителей заряда удельная проводимость канала транзистора уменьшается, и, соответственно уменьшается его ток стока I_с. Одновременно из-за увеличения количества основных зарядов уменьшается ширина запирающего слоя p-n перехода, что приводит к расширению проводящей части канала и увеличению тока стока I_с.

Первый фактор влияет на большие токи стока, а второй — на малые. Эти два противоположных процесса при определенном напряжении на затворе взаимно компенсируются, что позволяет строить схемы устройств на полевых транзисторах с независимыми от температуры параметрами.

Основные параметры полевых транзисторов с p-n переходом

Как уже упоминалось ранее, основным параметром полевого транзистора, используемым при расчете узлов телекоммуникационной аппаратуры, является статическая крутизна характеристики прямой передачи S. Она указывается непосредственно в справочных параметрах на транзистор [10]. Статические характеристики в современных справочниках обычно не приводятся.

В качестве основного параметра обычно приводится сопротивление полностью открытого транзистора. Дифференциальное выходное сопротивление в справочных параметрах обычно не приводится, так как оно значительно превышает сопротивление нагрузки и в расчётах им можно пренебречь.

В настоящее время полевые транзисторы применяются в составе интегральных микросхем. Поэтому в основном используется планарная конструкция полевых транзисторов с p-n переходом, подобная той, что приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Планарная конструкция полевого транзистора с p-n переходом

Принцип работы полевых транзисторов с p-n переходом очень хорошо показан в следующем видео:

Видео 1. Полевые транзисторы с p-n переходом

Малые размеры экрана сделаны, чтобы видео было доступно на смартфонах. Размер видео всегда можно увеличить управляющими кнопками.

Итог:

• Полевой транзистор обладает очень большим входным и выходным сопротивлением на низких частотах.
• Ток стока транзистора описывается квадратичной зависимостью от напряжения на затворе.

Дата последнего обновления файла 21.07.2020

1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. — М.: Радио и связь, 1998. — 560 с.
2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
3. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
4. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.
5. Колосницын Б. С. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебно-методическое пособие: в 2 ч. Ч. 1: Расчёт и проектирование биполярных транзисторов. — Минск: БГУИР, 2011. — 68 с.
6. Колосницын Б. С. Гапоненко Н. В. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебное пособие: в 2 ч. Ч. 1: Физика активных элементов интегральных микросхем — Минск: БГУИР, 2016. — 196 с.
7. Колосницын Б. С. Гранько  С. В. Электронные приборы на основе полупроводниковых соединений. Учебно-методическое пособие: — Минск: БГУИР, 2017. — 94 с.
8. Лекция 23. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ url:https://edu.ikit.sfu-kras.ru/files/ivt/electrical-engineering-electronics-and-circuitry-2/lectures/L_23.pdf
9. Технология MBCFET, делающая возможным переход к 3 нм техпроцессу в 2021 году url:https://cnx-software.ru/2019/05/19/технология-mbcfet-делающая-возможным-пере/

Справочники:

1. Транзисторы 2П302А/ИУ, 2П302Б/ИУ, 2П302В/ИУ
2. 2N5457, 2N5458 JFETs — General Purpose n-Channel, Depletion. ON Semiconductor. url:https://www.onsemi.com/pub/Collateral/2N5457-D.PDF
3. MMBFU310LT1G JFET Transistor — General Purpose n-Channel. ON Semiconductor. url:https://www.onsemi.com/pub/Collateral/2N5457-D.PDF

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.