Полевые транзисторы

Лекция 5 Полевые транзисторы (ПТ) Полевыми или униполярными транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых изменение тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. В иностранной литературе полевые транзисторы называют FET (field – effect transistor) Прохождение тока в канале только одним типом зарядов. Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (Drain) и истоком (Source). Управляющий электрод называется затвором (Gate). Напряжение управления прикладывается между затвором и истоком. Входное сопротивление полевого транзистора бесконечно большое, входной ток равен нулю ! В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Применяют два типа полевых транзисторов:  полевые транзисторы с управляемым p-n переходом (junction field-effect transistor (JFET));  полевые транзисторы с изолированным затвором (metal-oxidesemiconductor field-effect transistor (MOSFET)); в отечественой литературе их называют: (МОП – металл – оксид кремния – полупроводник) или (МДП – металл-диэлектрикполупроводник).  Категория MOSFET транзисторов делится на полевые транзисторы, работающие в режиме обогащения (со встроенным каналом) и в режиме обеднения (с индуцированным каналом).  В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Классификация полевых транзисторов Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП) Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом С индуцированным каналом 1 З Со встроенным каналом З 3 2 И С И а) n- канал б) p-канал С И С И П а) n- канал В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. З З З З С И С П П а) p-канал n- канал б) С б) П Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом uзи - + IЗ=0 ЕЗ IИ p-n переход З e p e e n-канал И С p Области обеднения З - IС e Rн На затворе u зи 0 , p-n переход заперт. С увеличением обратного напряжения расширяется p-n переход, уменьшается сечение проводящего канала. Отрицательное управляющее напряжение уменьшает ток между истоком и стоком. ЕС + Передаточные характеристики полевых транзисторов, которые выражают зависимость тока стока от напряжения затвор-исток IС(UЗИ). ПТ с n-каналом открывается при U U отс . При нулевом значении U зи проходит начальный ток I СНАЧ . uси В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Передаточная характеристика ПТ с управляющим p-n переходом +IС IСНАЧ n- канал 1а UОТС=UП UОТС -UЗИ UОТС UЗИ UОТС=UП 1б p-канал IСНАЧ -IС В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. ∆IС=24мА ∆UЗИ=1В Рис.5.1 Передаточная характеристика ПТ 2N4091 с управляющим p-n переходом Передаточная характеристика приближенно описывается квадратичной функцией: IC U ЗИ 2 I Cнач ( 1 ) U ОТС В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Усилительные свойства определяются крутизной передаточной ВАХ: S dI C dU ЗИ В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. I C U ЗИ мА 24 В Выходные характеристики ПТ с n-каналом Линейная область ∆IC=24 мА Область насыщения ∆UЗИ =1В Рис.5.2 В линейной области ПТ используют как управляемое сопротивление. Наклон характеристики определяет омическое сопротивление транзистра и полевой транзистор ведет себя как управлеямое сопротивление. Эту область выходных характеристик называют линейной омической. В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Приближенно сопротивление полевого транзистора можно рассчитать по формуле: R0 . где R0 RСИ при U ЗИ 0 . К примеру, есRСИ U ЗИ 2 (1 ) U ОТС ли R0 =10 кОм, U ОТС 6 В,U ЗИ 3В , то RСИ 40 кОм . В области насыщения ПТ используют как усилительный элемент. В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором (МДП – металл-диэлектрик-полупроводник) (МОП – металл – оксид кремния – полупроводник) 1. Полевые транзисторы со встроенным каналом (режим обогащения) depletion-type MOSFET - И З Металл С SiO2 + SiO2 n+ Подложка n iC канал n+ p П Исток и сток имеют сильно легированные области, обогащенные носителями. В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Встроенный канал обогащен носителями, существует при U протекает срок I СНАЧ . При U зи 0 электроны втягиваются в канал, iC возрастает. При U зи 0 ток iC падает. Передаточная ВАХ (n-канал) Рис.5.3 Выходные ВАХ В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. зи 0, Рис. 5.4 S В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. мА 17 В Полевые транзисторы со встроенным р - каналом работают при отрицательных напряжениях на истоке. + И З Металл С SiO2 - SiO2 p+ p канал iC p+ n Подложка Положительное напряжение на истоке выталкивает дырки и уменьшает p-канал. В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Рис.5.5. Передаточная ВАХ МОП-транзистора со встроенным p-каналом В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Рис.5.6 Выходные ВАХ МОП-транзистора со встроенным p-каналом В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом (режим обеднения) enhancement-type MOSFET - И З Металл С+ SiO2 n+ С П З SiO2 iC p а) И Подложка П В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. n+ e+ e+ Индуцированный n-канал Индуцированный n-канал Если U зи 0, канал обеднен носителями заряда. МОПтранзистор можно представить двумя встречно включенными диодами. Ток стока iC 0. Если U зи U пор , электрическое поле затвора втягивает в область канала электроны из области n и повышает проводимость канала. Поэтому канал называется индуцированным. В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Рис.5.7. Передаточная ВАХ В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Рис.5.8. Выходные ВАХ Полевые транзисторы с индуцированным каналом управляются U пор . только при U зи Полевые транзисторы с индуцированным p-каналом работают при отрицательных напряжениях на стоке и затворе. В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. n-каналы +IС IСНАЧ 3а 1а UОТС=UП -UЗИ UОТС 2а IСНАЧ UПОР UПОР IСНАЧ 2б UОТС UЗИ UОТС=UП 1б 3б IСНАЧ -IС p-каналы Передаточные характеристики полевых транзисторов разных типов (1 - с управляющим p-n переходом; 2- с индуцированным каналом; 3 – со встроенным каналом; а – для канала n – типа, б – для канала p – типа.) В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. 3.5. Комплементарные МОП транзисторы (КМОП) На одной и той же подложке МОП транзисторы в p-каналом и n- каналом. Vi V0 Uss p-канальный МОП З Ui И С С З n-канальный МОП Vss З1 З2 И2 С2 И1 С1 Т2 SiO2 П U0 n+ p+ П Т1 И p-канал When «on» p+ n+ n-канал When «on» n+ p+ Подложка p-типа Подложка n-типа Конструкция комплементарного полевого транзистора КМОП Если на вход поступает Ui=5В, напряжение U зи1 5В , транзистор T1 будет открыт. Так как в это время Ui=5В=Uss, то транзистор В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Т2 будет закрыт и его сопротивление будет велико. В результате выходной сигнал на стоках транзистров U0=0В. Если приложить к затворам напряжение Ui=0В, то транзистор Т1 будет закрыт, а Т2 откроется. Получим выходное напряжение U0=5В. Получили инвертер на КМОП транзисторах. Всегда один из транзисторов закрыт и имеет очень малый ток, потребляемая мощность весьма мала. Достоинством КМОП микросхем является их высокая скорость переключения. В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Эквивалентные схемы полевых транзисторов iC iз y11u зи y12uси ic y21u зи y22uси В этих уравнениях:  y11 - проводимость утечки затвора транзистора,  y22 - выходная проводимость,  y21=S - крутизна полевого транзистора (или проводимость прямой передачи),  y12 - проводимость обратной передачи. Spice модель В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Пример расчета усилителя низкой частоты на полевом транзисторе Схема с общим истоком ic R3 T1 2N4091 C1 uc(t) R1 Параметры усилителя: uзи uз C3 uси R2 C2 R4 R1 100 кОм,R2 50 Ом,R3 200 Ом,R4 С1 С2 С3 100 мкФ,ЕП 20 В, uc ( t ) 0,5 sin 2 ft В, f 1кГц . В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. EП 1кОм, 1. Расчет режима покоя на входе и выходе. Определить uзи 0 ,iс 0 ,uси 0 ,uс 0 . Входная цепь. Так как iз 0 0 , u з 0 0 u зи 0 iс 0 R2 . На передаточной ВАХ проводим прямую u зи 0 iс 0 R2 . Рис.5.9. Находим рабочую точку P: uзи 0 В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. 2 В,iс 0 40 мА. Выходная цепь. ic0 Uси0~EП/2 C uси0 Rи Рассчитаем: iс 0 Rc ЕП uси 0 10 В,iс 0 40 мА.  По передаточной ВАХ в рабочей точке находим крутизну: И uс 0 ЕП  Строим выходную ВАХ для uзи 0 2В .  Строим нагрузочную прямую и находим режим покоя: iс 0 Rc iC S u ЗИ 40 мА 200 Ом 12 В. мА 20 В . 8В, С помощью двух курсоров найдем выходную проводимость транзистора: В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. I C U СИ 789,63 мкА Y22 2,02 В 1 Выходное сопротивление Rвых Y22 390,9 10 6 См . 2558 Ом . Рис.5.10 Расчет рабочей точки выходной цепи В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Расчет крутизны S В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. мА 20 В Выполним моделирование схемы в режиме покоя. Рис.3.23* Результаты расчета и моделирования совпадают! В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Расчет амплитуд переменных составляющих 1-й случай. Отсутствует блокировочная емкость в эмиттере С2. Считаем, что С1 и С2 большие, нагрузка R4 отсутствует. ic R3 T1 2N4091 C1 uc(t) R1 uси uзи uз R2 u зи uз u зи ic R2 uc~ . 1 SR2 В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. C2 uвых(t) R4 EП ic Получим для малых приращений: uc~ C3 u зи S u зи R2 . 0,5 sin 2 ft В, f мА 20 ,R2 50 Ом, В Входной сигнал: uc ( t ) U mвх 0,5 В, S 1кГц . 0,5 U зиm 0,25 В , 1 0,02 50 I Cm SU зиm 20 10 3 0,25 5 мА, ic ( t ) ic 0 I Cm sin t ( 40 5 sin t ) мА , uc ( t ) Eп ic ( t )R3 20 ( 40 5 sin t ) 10 20 8 1sin t В 12 1sin t В . Коэффициент усиления по напряжению: KU U mвых U mвх 2. Выполним моделирование в схеме рис.5.11: В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. 3 200 Результаты совпадают. 2-й случай. Блокировочная емкость и нагрузка включены. Считаем X C 2 R2 . Отрицательную обратную связь по переменному сигналу не учитываем. Получим: U mзи U mвх 0,5 В, I Cm SU зиm 20 10 3 0,5 10 мА , В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. R3 R4 200 1000 Rнэ 166,6 Ом , R3 R4 1200 uc ( t ) Eп ic ( t )R3 12 1,66 sin t В , KU 3,32 . Частотные свойства усилителя на ПТ с нагрузкой В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Рис.5.12 Kдб 10,45 дб 20 lg KU , KU В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. 10 10 ,45 20 10 0 ,522 3,33. Истоковый повторитель напряжения C1 uз uвх(t) R3 Т1 C2 ЕП uзи R1 R2 ic uвых(t) Рис.5.13 Истоковый повторитель обеспечивает высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, коэффициент усиления близкий к единице. Исходные данные: Т1 2N4091, Еп=24В, R2=1кОм, R1=100кОм, R2=200кОм, С1=С2=100 мкФ. uвх ( t ) 0,5 sin 2 ft В , f 1кГц . Практический выбор резисторов смещения В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. В режиме DC-DC Transfer Charateristic установим Input – R3. Получим R3=200 кОм. Рис.5.14 Расчет входной цепи 1. Цепь смещения заменяем эквивалентным генератором: В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. EЭ ЕП R1 R1 R2 24 3 8 В,RЭ 100 200 10 300 103 6 66,6 кОм . 2. Для входной цепи в режиме покоя: u На передаточной з0 EЭ ВАХ uзи 0 iс 0 R2 . строим Рис.5.15 Результаты совпадают с моделированием. Определяем крутизну в рабочей точке. В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. эту прямую: S мА 13,3 В 3. Расчет выходной цепи На выходных ВАХ строим нагрузочную прямую с отрезками на осях: uси ЕП 24 В, ЕП R2 В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. 24 мА. Рис.5.16 Результаты в покое совпадают с моделированием (рис.5.17). 4. Расчет усиления переменного сигнала Считаем, что емкости С1 и С2 имеют очень малое сопротивление в диапазоне частот сигнала и не влияют на усиление. uвх ( t ) uзи ( t ) ic ( t )R2 u зи ( t ) Su зи ( t )R2 . u зи ( t ) В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. uвх ( t ) . 1 SR2 Вычислим амплитуды переменного сигнала: U зиm I cm U вхm 0,5 34,9 мВ ; 3 3 1 SR2 1 13,3 10 10 U зиm S 0,0349 13,3 10 3 0,464 мА. Вычислим мгновенные значения: ic ( t ) ic 0 I cm sin 2 ft 12 0,464 sin 2 ft мА ; uвых ( t ) ic ( t )R2 12 0,464 sin 2 ftВ . U нm 0,464 В . U нm 0,464 Коэффициент усиления: KU 0,92 U вхm 0,5 Выходное сопротивление истокового повторителя Считаем, что uвх ( t ) const( u вх 0 ), а нагрузка R2 меняется. Для приращений: u зи u н 0 . В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Далее получим: i Rвых u н i н 1 S н i н u н S u зи , S 1 75 Ом . 3 13,3 10 0, Выполним моделирование: Рис.5.18 Получили амплитуду сигнала на выходе U нm В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. 0,45 В . Расчет выходного сопротивления истокового повторителя в схеме рис.5.19 Rвых 0,18В 2,16 мА В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. 83Ом . Расчет каскада на полевом транзисторе в режиме малого сигнала с использованием Y-параметров Для модели усилительного каскада на полевом транзисторе 2N4091 с общим истоком (рис.3.23*), в которой подключен источник сигнала и нагрузка, выполним расчет по переменной составляющей в режиме малого сигнала. В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. В схеме модели на полевом транзисторе 2N4091 с общим истоком установлены следующие компоненты: R1=100кОм, R2=RИ=50Ом, R3=RC=200Ом, R4=RН=1кОм. Емкости С1, С2, С3 имеют номиналы 100мкФ и могут не учитываться в расчетах на средних частотах. Полевой транзистор в приближенных расчетах для малых сигналов заменяют четырехполюсником в Y- параметрах (уравнения 3.3). Для транзистора 2N4091 в рабочей точке мы ранее нашли крутизну и выходную проводимость Y21 S 20 мА / В Y22 Rвых 390,9 10 6 См . 1 2558 Ом . Y22 В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. Выходное сопротивление iC iЗ≈0 iС С З RГ UВХ eC =uC R1 R 2 UЗИ SUзи 1/Y22 1/Y11 И RС UСИ iН RН UВЫХ Схема замещения усилителя с Y-параметрами 1 1 Исключим из этой схемы элементы и , которые превышают Y11 Y22 значения остальных резисторов. Получим упрощенную схему. Обозначим Rвх R1 R 2 , Rвых R1 R 2 RC . Находим коэффициент усиления по напряжению: В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. KЕ S RC R Н /( RC R Н ) R1 R 2 /( R1 RГ R1 R 2 /( R1 R 2 ) U вых / Eс R2 ) 3,35. В расчете учтено, что RГ=0, Rвх=100кОм. iC iЗ≈0 iС С З RГ UВХ R1 R 2 UЗИ eC =uC SUзи RС UСИ iН RН UВЫХ И Упрощенная схема с Y-параметрами Экспериментальное значение усиления по напряжению в модели составляло 3,33. Находим коэффициент усиления по току: В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016. KI I н / Iс U вых R ВХ R Н Eс R ВХ KЕ RН 100кОм 3,35 1кОм 335 . Находим коэффициент усиления по мощности: KP KЕ KI 3,35 335 1122. Достоинством усилительного каскада на полевом транзисторе является большое входное сопротивления. К недостаткам следует отнести меньшее усиление и быстродействие. В.А. Алехин. Электроника и схемотехника. 2016.