Польові транзистори – це напівпровідникові прилади, підсилювальні властивості яких визначаються впливом потенціалу, прикладеного до керуючого електроду, а саме затвору, на протікання струму, зумовлене основними носіями заряду в каналі провідності між витоком і стоком.
За будовою розрізняють польові транзистори з керуючим переходом (р-n переходом або переходом метал-напівпровідник з бар'єром Шоткі) та транзистори з ізольованим затвором. Останні бувають з вбудованим та індукованим каналом провідності.
На відміну від біполярних транзисторів регулювання струму у вихідному колі тут забезпечується не величиною струму вхідного кола, а потенціалом, прикладеним до керуючого електроду – затвору. Конструктивно польовий транзистор з керуючим переходом можна зобразити у вигляді кристалу, з протилежних кінців якого забезпечено створення омічних (невипрямлених) контактів до витокової і стокової областей, а в середній області кристалу вмонтовано керуючий р-n перехід або випрямлений контакт метал-напівпровідник.
Величина струму у вихідному колі, тобто струму стокового затвору визначається напругою Uсв та навантаженням і власним опором каналу провідності ввімкнених послідовно у вихідне коло.
Прикладання запірної напруги Uзв призводить до розширення області просторового заряду (ОПЗ) цього переходу (пунктир), а відповідно і до звуження каналу провідності. Зменшення поперечного перерізу каналу провідності призводить до збільшення його опору, а відповідно до зменшення стокового струму.
Кажуть, що такий транзистор може працювати тільки в режимі збіднення каналу провідності основними носіями заряду.
Для опису властивостей польових транзисторів використовують сімейства вихідних та перехідних характеристик і не використовують вхідні характеристики, що зумовлено великим вхідним опором транзистора. Вихідні характеристики – це залежності виду:
Оскільки транзистор з керуючим переходом є нормально відкритим, тобто при нульовому потенціалі струм стоку максимальний, то перехід в режимі збіднення при закриванні каналу провідності відображає зменшення стокового струму на вихідних характеристиках.
Передаточні характеристики (стокозатворні):
Тоді ця характеристика буде мати місце при від'ємних значеннях U.
При Uзв відсічки канал зв'язку перекривається.
Для опису цих характеристик застосовуються наступні параметри:
1. коефіцієнт підсилення сигналу за напругою:
2. кривизна передаточної характеристики – це відношення приросту Іс до DUзв:
3. вхідний диференційний опір каналу провідності:
В транзисторах з індукованим каналом з самого початку канал провідності не створюється, а створюються лише омічні контакти до витокової і стокової областей.
Приклад додавання потенціалу до затвору приводить до накопичення основних носіїв заряду в приповерхневій області напівпровідника під діелектриком, а відповідно до індукування (наведення) каналу провідності між витоком і стоком.
Відповідно такий транзистор може працювати тільки в режимі збагачення каналу провідності основними носіями. На стокових (вхідних) характеристиках це відображається зростанням струму у вихідному колі.
Стокозатворні характеристики розміщуються в І квадранті і напруга відсічки Uзв.відс.>0.
Такий транзистор називається нормально закритим.
У транзистор з вбудованим каналом канал провідності створюється технологічно, тому він може працювати як у режимі збагачення, так і в режимі збіднення.
Вихідні та перехідні характеристики мають наступний вигляд:
Транзистори з ізольованим затвором характеризуються значно більшим опором, який може досягати 1010 – 1012 Ом.
Розрізняють три схеми ввімкнення польових транзисторів в електричне коло, як чотириполюсника.
Схема із загальним затвором відповідає схемі із загальною базою.
Схема із загальним витоком аналогічна схемі із загальним емітером.
Схема із загальним стоком (витоковий повторювач) є аналогічною до схеми із загальним колектором.
Для опису польових транзисторів в схемах використовують їх еквівалентні схеми.
Польові транзистори теоретично повинні були б володіти вищими граничними частотами, оскільки в них відсутні процеси інжекції та екстракції носіїв заряду, що мають місце в базі біполярних транзисторів, а струм каналу провідності зумовлений тільки одним типом носіїв. Однак на практиці цього не спостерігається, оскільки значний вплив мають паразитні ємності між затвором та стоковим і витоковим електродами і каналом провідності. Тому реально граничні частоти досягають десятків МГц, тоді як в біполярних структурах десятки ГГц.
На практиці вдалося реалізувати польові транзистори підвищеної потужності. Реалізовуються транзистори потужністю до 100 Вт.
2. Підсилювачі електричних сигналів
Електронним підсилювачем називається пристрій, що забезпечує кероване перетворення енергії джерела постійного струму в енергію електричних коливань, що змінюється за законом зміни керуючого сигналу.
В електронних підсилювачах здійснюється модуляція напруги постійного джерела з допомогою керуючого сигналу.
Елементарний каскад підсилення можна зобразити у вигляді подільника напруги, що складається з лінійного навантаження і нелінійного керуючого елементу, в якості якого можна застосувати біполярний чи польовий транзистор.
Принцип дії підсилювача можна пояснити, використовуючи уявлення про перерозподіл напруги джерела живлення Eж між лінійним та нелінійним елементом.
Нехай опір транзистора на початку буде приблизно еквівалентний опору навантаження. Збільшення вхідного сигналу Uвх приводить до зменшення вихідного опору між емітером і колектором і в результаті потенціал колектора буде наближатись до нуля. Якщо Uвх зменшується, то вхідний опір транзистора безмежно зростає і потенціал колектора буде наближатись до потенціалу джерела живлення.
Таким чином коливання потенціалу колектора буде рівне половині напруги живлення, оскільки закон зміни потенціалу визначається законом зміни вхідного сигналу, то можна говорити про підсилення вхідних коливань, одержане на виході підсилювального каскаду.
підсилювальних каскадів
Підсилювальні каскади класифікують:
1. за видом підсилювального сигналу: підсилювачі гармонічних сигналів; підсилювачі імпульсних сигналів.
В І випадку аналізуються періодичні сигнали, що змінюються за законами sin або cos.
В ІІ випадку сигнали, як періодичні, так і неперіодичні, можуть мати вигляд прямокутних, трикутних, трапецієвидних чи іншого виду імпульсів.
2. за типом (параметром) підсилювального сигналу: підсилювачі струму, напруги, потужності.
3. за видом сигналу в залежності від робочого діапазону частот розрізняють підсилювачі постійного та підсилювачі змінного струмів.
Підсилювачі постійного струму призначені для обробки сигналів, амплітуда яких повільно змінюється з часом, так що частота таких сигналів (час релаксації) є значно меншим за час релаксації підсилювальної схеми.
Підсилювачі змінного струму поділяють на:
· підсилювачі низької частоти
· підсилювачі високої частоти
· широкосмугові підсилювачі
· резонансні підсилювачі (вузькосмугові)
Якщо підсилювач складається з кількох каскадів, то їх класифікують за видом міжкаскадного зв'язку:
· підсилювачі з гальванічним зв'язком
· підсилювачі з резестивно-ємнісним міжкаскадним зв’язком
· підсилювачі з індуктивним зв'язком
Основні характеристики підсилювачів:
1. амплітудна характеристика описує залежність вихідної напруги від вхідної.
Це практично лінійна залежність Uвих = f(Uвх), яка при малих напругах обмежена рівнем теплових шумів каскаду Uш, а при великих напругах обмежена значенням напруги живлення каскаду.
Uш – це теплові флуктуації струму в елементах каскаду підсилювача, які приводять до наведених ЕРС у вхідному колі, що передається у вихідне коло підсилювача (флуктуації - коливання).