Данный урок посвящен полевым транзисторам. Ранее мы изучали биполярные транзисторы, и выяснили, что они бывают 2 типов проводимости: p-n-p и n-p-n. Но тут интересен один момент. Биполярные транзисторы были изобретены в 1947 году, но никому не приходило в голову назвать их биполярными - они были попросту транзисторами и им было нечего противопоставить.
Биполярными их назвали в 1952 году, когда появилась необходимость введения термина "униполярные транзисторы" в связи с изобретением полевых транзисторов (по английски Field-effect transistor).
Всего возможно существование 8 типов полевых транзисторов, из которых на практике работают 5-6, а применяется в основном 4 типа. Одно из преимуществ полевых транзисторов - в ключевом режиме остаточное напряжение меньше, чем у биполярных транзисторов.
Первые полевые транзисторы были маломощными приборами с рассеиваемой мощностью до 100–150 мВт и рабочими токами, не превышающими 10–20 мА. В настоящее время существуют сильноточные полевые транзисторы с токами 30 А и более.
Полевые транзисторы с управляющим переходом
В 1952 году были изобретены п/п приборы также с 3 выводами, но со структурой, отличной от известных транзисторов. Эти "новые" транзисторы имели 2 вывода, аналогичных эмиттеру и коллектору, но назывались они истоком и стоком (что практически то же самое по смыслу), но эти 2 вывода не являлись выводами от 2 разных областей полупроводника (с разным типом проводимости) - весь канал транзисторов новых типов являлся токопроводящим каналом на поверхности полупроводника одного типа проводимости: p- или n-, тем самым и транзисторы можно было назвать транзисторами с P-каналом или N-каналом, а сами транзисторы были названы униполярными (другое название - унитроны), и лишь в порядке противопоставления транзисторы уже 5 лет как существовавшего типа были названы биполярными.
Третий вывод униполярного транзистора был назван затвором (аналог базы биполярного транзистора), он располагался посередине канала, и его проводимость была противоположной (у транзистора с N-каналом затвор p-типа, и наоборот).
Затвор располагался в середине канала на его сужении. Другие названия данного транзистора и приборов схожей структуры - полевые транзисторы (от термина электрическое поле, поскольку воздействие на носители тока осуществляется электрическим полем, а не током) с управляющим p-n переходом или управляющим затвором.
Ниже упрощенная структура этих 2 типов транзисторов и их условные обозначения, слева с каналом N-типа, справа с каналом P-типа.
Эти полевые транзисторы, самые первые из полевых, в настоящее время называются полевыми транзисторами с p-n переходом англ. JFET), для отличия от полевых транзисторов иных типов. Ниже описание работы полевого транзистора данного типа.
Между стоком и истоком прикладывается напряжение питания, и через канал протекает электрический ток, обусловленный движением основных носителей (вспоминаем – в канале N-типа это электроны, в канале P-типа дырки).
P-канальные полевые транзисторы имеют обычно более плохие характеристики, чем N-канальные (дырки менее подвижны, чем электроны), что и обуславливает распространенность типов.
На границе p-n перехода образуется обедненная зона, практически не проводящая ток. При нулевом напряжении на затворе ток стока имеет максимальное значение, которое называют начальным Iс нач. На затвор подается некоторое напряжение смещения, расширяющее обедненную зону и сужающее канал, тем самым увеличивающее его сопротивление и уменьшающее ток стока. При некотором напряжении затвора (названном напряжением отсечки Uотс), ток стока прекращается. Таким образом, ток стока отслеживает напряжение на затворе (отличие – в биполярном транзисторе ток коллектора отслеживает ток базы!).
Ниже передаточная характеристика N-канального полевого транзистора с управляющим p–n-переходом (зависимость тока стока Iс от напряжения затвора Uзи) КП 302 А.
Одно из достоинств полевого транзистора – исключительно высокое входное сопротивление (поскольку в цепи затвора практически не протекает ток). Ниже в качестве примера использования полевого транзистора схема электронного электроскопа на полевом транзисторе с затвором на основе р-n-перехода и каналом n-типа.
Из курса физики мы знаем, что если палочку из диэлектрика натирать тряпочкой или бумагой, мехом, то происходит электризация (разделение электрических зарядов, переход электронов от одного тела к другому), и палочка приобретает некоторый электрический заряд.
Знак заряда при этом явился предметом договоренности - положительным стали считать заряд, который образуется на стеклянной палочке, если натирать ее бумагой или шелком, а отрицательным – на эбонитовой или янтарной палочке при натирании ее мехом. Электроскоп позволяет установить заряд палочки при касании ею антенны электроскопа. Разберем схему прибора.
Заряженной палочкой следует коснуться антенны W1, и в зависимости от знака заряда загорается один из светодиодов Н1 или Н2. Если палочка не заряжена или заряд слабый, ни один из светодиодов не загорится.
Заряд с палочки передается на конденсатор С1 и прикладывается между затвором и истоком полевого транзистора V3. Транзистор и резисторы R4, R5, R6 образуют мост, который в исходном состоянии балансируется переменным резистором R5, и через обмотку включенного в диагональ моста поляризованного реле КР1 ток не протекает.
Примечание: Поляризованное реле — это электромагнитное реле, в котором состояние коммутируемых контактов зависит от направления протекания тока в обмотке его электромагнита.
По схеме электроскопа видно, что левое плечо моста - это канал транзистора и резистор R3, а правое - резисторы R4, R5, R6. Полевой транзистор включен по схеме с общим стоком (аналог схемы с общим коллектором, эмиттерного повторителя), это т.н. истоковый повторитель. В качестве нагрузки в цепь истока включен резистор сопротивлением 1 кОм, на котором протекающий ток вызывает падение напряжения, которое, будучи (с обратным знаком) напряжением смещения затвор-исток, вызывает именно данный ток истока (который равен току стока). Сложно? Да нет, ведь истоковый повторитель охвачен цепью сильной ООС, как и эмиттерный повторитель, и напряжение на истоке относительно земли устанавливается в результате баланса.
Но есть и существенное отличие истокового повторителя от эмиттерного повторителя. В схеме эмиттерного повторителя напряжение на эмиттере всегда меньше напряжения на базе на известную вам величину (0,2 В для германиевого транзистора и 0,6 В для кремниевого), а у истокового повторителя напряжение на истоке относительно земли всегда выше напряжения затвор-земля.
А далее все просто - коэффициент усиления истокового повторителя по напряжению равен 1, и изменение напряжения на затворе (в данном примере - за счет поднесения заряженной палочки) вызывает изменение напряжения на истоке на то же значение.
Поскольку предварительно, при настройке схемы, резистором R5 схема балансируется, т.е. устанавливается нулевое напряжение на обмотке поляризованного реле, при подаче напряжения на затвор реле срабатывает в нужную сторону, в зависимости от полярности приложенного напряжения, и один из контактов реле зажигает нужный светодиод.
Направление тока в обмотке реле будет зависеть от знака заряда поднесенного к антенне тела, поэтому подвижный контакт на якоре реле окажется соединенным либо с левым (по схеме), либо с правым контактом. Загорится соответствующий светодиод и высветит «свой» знак (плюс — красный светодиод АЛ307Б или минус — зеленый светодиод АЛ307Г).
Можно дать и иное объяснение, что сбалансированное состояние моста нарушится при поднесении к антенне заряженного тела, поскольку при этом изменится сопротивление канала полевого транзистора.
После того как мы разобрали схему истокового повторителя на полевом транзисторе с управляющим электродом, понять схему усилителя переменного тока окажется еще проще.
На рисунке первый каскад микрофонного усилителя по схеме с общим истоком (аналог схемы с общим эмиттером, является типовой для полевых транзисторов). Если на затвор вместе с напряжением смещения подавать НЧ или ВЧ сигналы, в цепи стока появляется пульсирующий ток, а на включенной в цепь стока нагрузке напряжение усиленного сигнала. На входе и выходе усилителя разделительные конденсаторы С1 и С4.
Коэффициент усиления по напряжению каскада на полевом транзисторе несколько меньше коэффициента усиления по напряжению каскада на биполярном транзисторе (у приведенной выше схемы коэф. усиления по напряжению составляет 25), но с учетом низкого входного сопротивления каскада на биполярном транзисторе и высокого входного сопротивления каскада на полевом транзисторе, коэф. усиления по мощности каскада на полевом транзисторе очень высок.
Обратите внимание - у транзистора КП303А 4 вывода - помимо истока, стока и затвора присутствует вывод корпуса, который заземляется во избежание наводок (помех).
Полевой транзистор с изолированным затвором
Выше был описан полевой транзистор с p-n переходом (на границе затвора и канала). Но в 1960 году был создан первый работающий полевой транзистор, где затвор изолировался от канала тончайшим (в доли микрометра) слоем диэлектрика, откуда и название этого типа приборов - полевой транзистор с изолированным затвором.
Полевые транзисторы с изолированным затвором называют МДП-транзисторами (метал-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник: в качестве диэлектрика выступал оксид кремния SiO2) (англ. MOSFET).
Существуют 2 разновидности МДП-транзисторов - с индуцированным и встроенным каналом.
- Транзисторы со встроенным каналом (англ. MOSFET) могут работать в разных режимах: как в режиме обеднения канала носителями заряда, когда проводимость канала уменьшается, так и в режиме обогащения, когда проводимость канала увеличивается.
- Транзисторы с индуцированным каналом (англл. IGFET), в которых проводящий канал отсутствует и создаётся за счет влияния электрического поля, создаваемого затвором.
У этих 2 типов МДП-транзисторов несколько иные характеристики зависимости тока стока от напряжения затвора. Ниже передаточные характеристики МДП-транзисторов с каналом N-типа.
Для сопоставления там же приведена уже известная вам передаточная характеристика полевого транзистора с управляющим переходом.
Из характеристик следует, что если N-канальные транзисторы с управляющим переходом (требующие положительного напряжения источника питания) работают при отрицательном напряжении на затворе, а с индуцированным каналом при положительном напряжении затвора выше некоторого порогового напряжения Uпор, транзисторы со встроенным каналом работают при напряжении любой полярности на затворе, превышающем напряжение отсечки Uотс.
Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами, а при включении их в схему принимать особые меры для снятия статического электричества.
Ниже схема инвертора на паре комплементарных (т.е. схожих по характеристикам, но разной проводимости) КМОП-транзисторах (комплементарная структура металл - оксид - полупроводник, англ. CMOS) - логический элемент «НЕ» (NOT). Логическая "1" на входе дает логический "0" на выходе и наоборот. Подробнее назначение и работа логических схем будут рассмотрены позднее.
Вместо заключения
Знакомство с полевыми транзисторами оказалось очень кратким, на титульной картинке приведены условные обозначения полевых транзисторов, хотя возможны и иные.
На этом прекращается предварительное ознакомление с наиболее распространенными элементами РЭА и наиболее ходовыми схемами на их основе, впереди знакомство с приемными и передающими устройствами.