Полевой транзистор

 

     Рисунок 2.1 – Схеми включення польового  транзистора: а – схема зі спільним витоком; б – схема зі спільним стоком; в – схема зі спільним затвором [15] 

     Основною  схемою включення польового транзистора  є схема з СВ. Ця схема аналогічна схемі включення електронної лампи зі спільним катодом (СК) і схемі включення звичайного транзистора зі спільним емітером (СЕ).

     При підсилюванні сигналів польовим транзистором в вихідному (стоковому) колі потрібний  струм спокою I_c0 за допомогою джерела стокового кола E_c и деяка постійна напруга зміщення на затворі відносно витоку U_з0. Величини і полярність цієї напруги визначаються типом польового транзистора і обраним для роботи режимом по постійному струму. Живлення робочої схеми підсилювача як правило виконується від одного джерела живлення E_c. На рис. 2.2 показана схема підсилювача низької частоти з автоматичним зміщенням.  

     

 

     Рисунок 2.2 – Схема підсилювача низької  частоти з автоматичним зміщенням  [15] 

     В цій схемі постійна напруга, яка  виділяється на резисторі R_в, забезпечує необхідне зміщення . Щоб на цьому опорі не виділялась змінна напруга, змінна складова струму закорочується конденсатором C_в, ємність якого вибирається з умови – найменша з частот підсилювального сигналу. Одночасно R_в покращує стабільність обраного режиму транзистора по постійному струму (стабілізує величину ), так як вона забезпечує зворотній зв'язок. Опір R_в – це по суті вхідний опір подальшого каскаду. Зазвичай , де R_з – відносно великий (декілька мегаом) опір, який служить для передачі потенціалу зміщення на затвор і відводу постійної складової струму затвору.

     Польові транзистори перш за все доцільно використовувати для попереднього підсилення слабких сигналів, які поступають з приймальної антени або тих, що знімається з високоомних датчиків таких, як фотоелементи і фотопомножувачі, іонізаційні камери, п’єзокристали.

     При конструюванні підсилювачів необхідно  пам’ятати, що стоко затворна характеристика (характеристика управління) у польових транзисторах всіх типів носить виразно нелінійний характер, тому при підсиленні сигналів з відносно великими амплітудами. Такий підсилювач буде вносити помітні нелінійні спотворення.

     Нелінійні спотворення, які створюються польовим транзистором, знаходяться в прямій пропорційній залежності від максимальної напруги на затворі U_зm і при відносно великій амплітуді сигналу, який підсилюється, можуть бути значними. Це є недоліком польового транзистора в порівнянні з іншими підсилювальними приладами, у яких є достатньо великі майже прямолінійні ділянки.

     Слід  відмітити, що високий вхідний опір польового транзистора дозволяє використовувати його в схемах електронних  гальванометрів і високоомних вольтметрів.

     Схема такого високоомного вольтметра показана на рис.2.3. В цій схемі польовий транзистор використовується в якості витокового повторювача, який має надзвичайно  високий вхідний опір. 

     

 

     Рисунок 2.3 – Схема електронного високоомного вольтметра на польовому транзисторі [15]

     Вимірювальний прилад зі шкалою до 100 мкА вмикається в діагональ збалансованого потенціометром R₁ моста. Польовий транзистор в вихідному стані (при закороченому вході) підбором резисторів R₂ і R₃, які забезпечують необхідне зміщення, ставиться в режим температурної компенсації. Резистор R₅ оберігає транзистор від перевантажень. Вимірювальна напруга, яка виділяється на каліброваному резисторі R₆ = 0,6 МОм, керує польовим транзистором і викликає розбалансування моста. Вимірювальний прилад можна проградуювати за напругою, яка подається на R₆ (високоомний вольтметр), або по струму, який протікає по R₆ (в цьому випадку прилад використовується в якості гальванометра для вимірювання слабких струмів) 

     2.2 Використання польових  транзисторів в  схемах перервників 

     Польовий  транзистор можна також використовувати  для комутації електричних кіл  і перетворювачів електричних сигналів, здійснюваних за допомогою перервників.

     Найбільш  часто перервники використовуються в різних цифрових схемах, а також  в схемах підсилювачів постійного струму (ППС) для перетворення (модуляції) повільного сигналу, який повільно змінюється, в сигнал с відносно більш високою частотою, на якій здійснюється підсилення, і зворотнього перетворення (демодуляції) цього сигналу на  на виході ППС.

     В деякому відношенні перервники на польових транзисторах мають переваги перед  перервниками на звичайних транзисторах і електронних лампах.

     Схема послідновно-паралельного перевника  на польових транзисторах показана на рис. 2.4. 

     

 

     Рисунок 2.4 – Схема послідовно-паралельного перервника на польових транзисторах з каналами різного типу [15] 

     Транзистор  T₁ можна розглядати як підсилювальний елемент, а транзистор T₂ - як динамічне навантаження. При від’ємній полярності комутуючої напруги транзистор T₁ закритий, а T₂ – відкритий, тому практично вся напруга джерела сигналу E_с передається на вихід перервника. В колі затвору відкритого транзистора T₂ тече невеликий прямий струм, який обмежений опором R₂ при цьому U_з2 ≈ 0.

     При додатній полярності комутуючої напруги транзистор T₁ відкривається (U_з1 ≈ 0), а транзистор T₂ закривається, тому напруга E_c на вихід перервника практично не передається (залишкова напруга дуже близька до нуля). Перевагою схеми, крім малих залишкових параметрів, являється незначне споживання енергії від джерела сигналу E_c. При малих значеннях цієї напруги схема буде працювати і при зміні полярності E_c, що може бути використано амплітудно-фазового модулятора і демодулятора в ППС з перетворювачем сигналу. Комутуюча напруга за умови може бути синусоїдальної форми. 
 
 
 

     2.3 Польові транзистори  в схемах генераторів спеціального призначення 

     На  рис. 2.5 зображений RC-генератор з триланковим фазозсувним колом в колі зворотнього зв’язку. Кожна ланка цього кола зсовує фазу напруги, яка передається, на 60⁰ і при цьому виникає додатній зворотній зв'язок і схема самозбуджується, що має місце на частоті , де R – опір ланок фазозсувного кола. Якщо в якості цих елементів використовувати польові транзистори, то можна в достатньо широких межах змінювати частоту RC–генератора за допомогою управляючої напруги. Активний елемент RC–генератора також можна реалізувати на польовому транзисторі, так як він,  навідміну від звичайного транзистора, має великий вхідний опір. Коефіцієнт передачі трьохланкового фазозсувного RC-кола складає 1/29, тому коефіцієнт підсилення активного елементу повинен бути K > 29. 

     

 

     Рисунок 2.5 – Схема RC-генератора з фазозсувним колом і регульованою частотою [15] 

     Великий вхідний опір польових транзисторів відкриває широкі можливості при  використанні їх в різних релаксаційних  схемах. При цьому є можливість отримати відносно великі (порядка хвилини) постійні часу цих схем без використання великих ємностей [16] 

     

 

     Рисунок 2.5 – Схема мультивібратора [15] 

     На  рис.2.6 приведена схема самозбуджуючого  мультивібратора на польових транзисторах. Як відомо, період коливань прямокутних  імпульсів такої схеми визначається співвідношенням  .

     При використанні транзистора КП302А, у якого , і елементи схеми і , отримаємо величину періоду коливання прямокутних імпульсів за вище наведеною формулою T ≈ 6,6 хв. За допомогою звичайних транзисторів отримати такий результат досить таки важко.

     Схема генератора пилкоподібної напруги  на польових транзисторах з достатньо  гарною лінійністю пилки (порядка1%) зображена  на рис. 2.7. Схема виконана на польовому  T₁, звичайному T₂ і одноперехідному T₃ транзисторах. Польовий використовується як джерело постійного струму I_c ≈ const. Величину I_c регулюють за допомогою резистора R₁, який є одночасно опором від’ємного зворотного зв’язку, який покращує постійність цього струму. При постійному струмі заряду C на ній формується лінійно змінююча напруга , яка подається на емітерний повторювач і передається на навантаження.

     

 

     Рисунок 2.7 – Схема генератора пилкоподібної  напруги [15] 

     Коли  досягається амплітудне значення напруги на конденсаторі C – відпирається одноперехідний транзистор T₃, конденсатор швидко розряджається через його відкритий емітерний перехід, після чого весь процес заряду конденсатора повторюється знову [15]. 

     2.4 Використання тонкоплівкового  транзистора з  бар’єром Шотткі 

     Тонкоплівковий  транзистор (ТПТ) на основі аморфного  гідрогенізованиого кремнію є основним елементом рідкокристалічних дисплеїв, рентгенівських детекторів і інших  плоских пристроїв широкоформатної  електроніки.

     Для функціонування в складі схеми транзистор повинен володіти достатньо високою ефективною провідністю відкритого каналу. Висока загальна провідність в відкритому стані зазвичай створюється виготовленням сток-витокових областей із сильно легованого кремнію n-типу, які забезпечують омічний контакт до електронного каналу. Можна створювати сток-витокові області нанесенням металу. Витоковий контакт Шотткі метал-аморфний кремній зміщений в оберненому напрямку і для забезпечення високої провідності ТПТ у відкритому стані необхідно вибирати метали з невеликою висотою бар’єру Шотткі (БШ) φ_b, тобто з малою роботою виходу. Для великих φ_b зворотній струм БШ виток-кремній буде малим і відповідно буде подавлений струм відкритого каналу. 

     

 

     Рисунок 2.8 – Структура тонкоплівкого  транзистора [17] 

     

 

Рисунок 2.9 – Залежність I_d(V_d) для а-Si: H ТПТ з алюмінієвими сток-витоковими контактами [17] 

      На  рис. 2.8 показана структура ТПТ з  шириною каналу 300 мкм. Довжина витоку/стоку/каналу 300 мкм. Товщина плівок Si₃N₄ – 0,3 мкм, a-SI: H – 0,1 мкм, а на рис. 2.9 представлені ВАХ ТПТ зі сток-витоковими областями з алюмінію. При напругах менше 1В спостерігається відхилення від лінійності опору каналу – згущення кривих. Ефект згущення інколи спостерігається в ТПТ і може бути пов'язаний з обмеженням струму сток-витоковими контактами як оберненого струму БШ, або за рахунок збільшення нелінійного опору контактів при великій товщині плівки кремнію. Аналогічні характеристики спостерігались з ефектом згущення інколи спостерігались на транзисторах з магнієвими сток-витоковими контактами і зв’язані, ймовірніше всього, з природнім окислом на поверхні. Плівка природнього окислу на кремнії товщиною 0,25 нм зменшує зворотній струм БШ на порядок, підвищуючи тим самим ефективну висоту БШ.

      Результати  розрахунку ВАХ показані на рис. 2.10. Залежності побудовані при напрузі на затворі 20 В, φ_b = 0,85 (1), 0,8 (2), 0,75 (3), 0,7 (4), 0,5 еВ (5). 

 

     Рисунок 2.10 – Розраховані залежності I_d(V_d) при різних φ_b [17] 

     При φ_b > 0,75 еВ спостерігається високий опір контакту Шотткі при тягнучих напругах, менших 3В, при φ_b = 0,55 еВ напруга повністю падає на робочій області, глибина проникнення поля під виток/сток 15 мкм. При φ_b = 0,55 еВ струм через бар’єр Шотткі не обмежує струм через робочу область, що і призводить до лінійності характеристик ТПТ [17]. 

ВИСНОВКИ 

     У ході виконання комплексної курсової роботи розглянуті питання стосовно фізичних основ роботи, класифікації, будови польових транзисторів.

1. Встановлено, що переваги транзисторів в порівнянні з електронними лампами є відсутність розжареного катода, який споживає значну потужність і вимагає часу для його розігрівання. Крім того транзистори у багато разів менше по масі і розмірам, ніж електричні лампи, і здатні працювати при нижчій напрузі та вищих частотах.
2. Характеристики транзистора, виміряні при кімнатній температурі (T_r) до і після термопольової обробки, показують, що локалізація позитивних іонів (Na⁺) біля границі розділу SiO₂/Si супроводжується збільшенням ефективної рухливості електронів (у ∼ 2,3 рази), крутизни, I_d і невеликим зменшенням порогової напруги.
3. Показано, що сток-витокові контакти Шотткі істотно визначають провідність тонкоплівкового транзистора в надпороговій області. При висоті бар'єру більше 0,75 еВ проявляється ефект згущування, що призводить до локального  пониження бар'єру і зростання струму через зворотньо зміщений бар'єр Шотткі.
4. Основними проблемами мікромініатюризації польового транзистора є тунелювання через затвор, інжекція гарячих носіїв в оксид, прокол між витоком і стоком, зменшення рухливості носіїв в каналі, збільшення послідовного опору між витоком і стоком, забезпечення запасу між пороговою напругою і напругою живлення.