Өрістік транзисторлар

КІРІСПЕ

Өрістік транзистор – бұл күшейткіш құрамы негізгі тасушының ағынымен көрсетілген, өткізгіш арна арқылы өтетін және электр өріспен басқарылатын жартылай өткізгіш аспап. Өрістік транзистордың жұмысы бір типті ғана тасушыларды қолдануға негізделген – негізгі, сондықтан оларды униполярлы деп те атайды. Өрістік (арналық) транзистор – жұмыстық токтың өзгеруі кіріс сигналы тудыратын, оған перпендикуляр бағытталған электр өрісі әрекетінен болатын транзистор. Өрістік транзисторларда кристалл арқылы өтетін токты тек бір таңбалы заряд тасушы – электрон немесе кемтік тудырады. Заряд тасушыларды басқаруға негізделетін физикалық эффектілерге қарай өрістік транзисторлар шартты түрде 2 топқа: басқаратын р-п электрон-кемтіктік ауысуы бар немесе металл-шалаөткізгіш түйіспелі оқшауланған жапқылы металл-диэлектрик-шалаөткізгіш (МДШ) транзисторлар деп бөлінеді.

Өрістік транзисторлар.

Транзисторлардың өрістік деген түрі бар. Мұнда да биполярлы транзистордағы сияқты үш электрод бар. Бірақ мұнда олар жаппа (затвор), бастау (исток) және құйма (сток) деп аталады. Ал бастау мен құйманың ток жүретін арасын арна (канал) деп атайды. Бұл транзистордың тогы бекітпе мен бастаудың арасына берілген кернеудің әсерінен пайда болатын электр өрісі арқылы басқарылады. Сондықтан да оны өрістік транзистор дейді. Мұндай транзисторларда ток арна арқылы тек бір ғана түрлі зарядпен пайда болады (электрондармен немесе ойықтармен). Зарядтарды арнаға кіргізетін электродты бастау деп атаса, зарядтардың арнадан кететін электродын құйма деп атайды. Ал арнаның кедергісін реттейтін электрод бекітпе деп аталады. Осындай п типті арнасы бар, р - п асуы түріндегі бекітпесі бар өрістік транзистордын схемасы төмендегі 1-суретте берілген.

1-сурет.

1- суретте 1 - бастаудың ұшы; 2 - бекітпе; 3 - арна; 4 - бекітпенің ұшы; 5- кұйманың ұшы.

Арнасы п типті транзистордың негізгі заряд тасушылары электрондар, олар арнаның бойымен бастаудан кұймаға қарай ағылады. Бастаудың потенциалы төмен, ал құйманың потенциалы жоғары болады (Uқб > 0). Осылайша кұйма тогы пайда болады. Бастау мен р типті бекітпенің арасына р-п асуын жабатындай кернеу берілуі керек. Ол үшін бекітпенің потенциалы бастаудың потенциалынан төмен болуы керек (Uбек.б < 0). Арнасы р - типті транзисторда Uқб < 0 және Uбек.б > 0 болады.

Өрістік транзистордың жұмыс принципін төмендегі сурет арқылы түсіндірейік (2- сурет).

 

2-сурет.

Мұнда қарапайымдылық үшін кұйма мен бастау біріктірілген, яғни Uқб = 0. Жабатын Uбек.б кернеуді берген уақытта р - п асуында жабатын қабат пайда болады. Бұл жабатын кабатта заряд тасымалдаушылар жоқ, сондықтан оның кедергісі өте жоғары. Бұл қабат арнаның өткізгіштік қабілетін төмендетеді.

Егер жабатын кернеу жоғарылайтын болса, онда арна да көбірек жабылады да, жабатын қабат ұлғаяды. Өте жогары Uбек.б кернеу кезінде жабатын кабат арнаны толық жауып тастайды да, оның кедергісі тез көтеріледі. Құйма мен бастаудың арасына кернеу қою транзистордың жұмыс принципін өзгерте алмайды, тек қана жабатын қабат пен арнаның түрі өзгереді.

Өрістік транзисторлардың оқшауланған бекітпелі дегені бар. Оның бекітпесі жартылай өткізгіш емес, металл. Сол металл бекітпе мен арнаның арасында жұқа диэлектрик орналастырылған. Ал р – п асуы деген мүлде жоқ. Осы диэлектрик бекітпе арқылы ағып кететін ақпа токтың шамасын әлдеқайда төмендете алады.

Өрістік транзисторлар кіретін кедергілері жоғары болатын күшейткіш каскадтарда, кілттік және де логикалық схемаларда пайдаланылады.

Төмендегі 3-суретте п-арналы өрістік транзисторлардың шартты бейнесі берілген. Ал р - арналы өрістік транзисторлардың шартты бейнесінде барлығы да осылай көрсетіледі, бірақ тек қана стрелкаларының бағыты қарама- қарсы болулары керек.

3-сурет.

3.а - суретте бекітпесі  р - п асуы түріндегі п - типті  өрістік транзистордың, ал 3.б - суретте  бекітпесі оқшауланган п –  типті өрістік транзистордың  шартты түрде белгіленулері көрсетілген.

Жекелеген қақпасымен өрістік транзистор – бұл қақпасы арнадан диэлектрик қабатымен электрлік қатынаста бөлінген өрістік транзистор.

Жекеленген қақпасымен өрістік транзистор электр өткізгіштіктің қарама-қарсы типімен екі аумағы құрылған жартылай өткізгіштің біршама үлкен меншікті кедергісімен пластинадан тұрады (сурет 5.2). Бұл аумақтарға металдық электродтар – кіріс және шығыс қойылған. Кіріс және шығыс арасындағы өткізгіштің беті диэлектриктің жұқа қабатымен жабылған, әдетте кремний оксидінің қабатымен (SiO2). Диэлектрик қабатына металдық электрод – қақпа қойылған. Сонда металдан, диэлектриктен, жартылай өткізгіштен тұратын құрылымды аламыз. Сондықтан жекеленген қақпасымен өрістік транзисторларды жиі МДЖ-транзисторлар (металл-диэлектрик-жартылай өткізгіш) немесе МОЖ-транзисторлар (металл-оксид- жартылай өткізгіш) деп атайды.

МДЖ-транзисторлар.

МДЖ-транзисторларының екі түрі бар: индукцияланған және орнатылған арналармен.

n-арнамен р-типті жартылай  өткізгіш негізінде орындалған  МДЖ-транзисторының құрылымы 4-суретте  көрсетілген. МДЖ-транзисторының жұмысы  өріс әсеріне, яғни жартылай өткізгіштің  үстіңгі аумағының өткізгіштігін  үстіңгі потенциал арқылы өзгерту  мүмкіншілігіне негізделген. Тоқ  өтетін өткізу қабат арна деп  аталады. Мұндан транзисторлар тобының  тағы бір атауы – арналық  транзисторлар. Жартылай өткізгіштің  көлемінің және жекеленген электродтрадың (қақпамен) арасында потенциалдар  айырымын жасағанда жартылай  өткізгіштің бетінде жартылай  өткізгіштің қалған көлемінде  концентрациядан өзгешеленетін, - қақпада  кернеуді өзгертіп, кедергісімен  басқаруға болатын арнасы бар  заряд тасушылар концентрациясымен  қабат пайда болады.

Өріс әсерін туғызатын металдық электродты жаппа (З) деп атайды. Қалған екі электродты бастау (И) және құйма (С) деп атайды. Негізінде бұл электродтар қайырылады. Бастау – бұл өткізгіш арна арқылы заряд тасушылар қосылатын электрод. Құйма – бұл заряд тасушылар шығаратын электрод. Жаппа – электр сигнал берілетін электрод. Оны өткізгіш арнада кірістен шығысқа өтетін тоқ өлшемін басқару үшін қолданады. Егер арна n-типті болса, онда жұмыстық тасушылары – электрондар және шығыс қарама-қарсылығы оң.

4-сурет. n-арналы МДЖ транзисторының құрылымы

Өрістік қосылу сұлбалары және кіріс шығыс параметрлері.

Өрістік транзисторлардың негізгі шамалары: сипаттаманың тіктігі S, күшейту коэффициенті μ ішкі кедергі Ri.

Өрістік транзистордың сипаттамасының тіктігі деп S шығыс тоғының өзгеруінің оның өзгеруіне әкелген Uси = const болғанда қақпадағы кедергісіне қатынасын айтады:

S = (dIc/dUзи)|Uси = const

Өрістік транзистордың күшейткіш коэффициенті μ деп S шығыс тоғының өзгеруінің оның өзгеруіне әкелген Iс = const болғанда қақпадағы кедергісіне қатынасын айтады:

μ = (dUси/dUзи)|Iс = const

Өрістік транзистордың ішкі кедергісі Ri деп S шығыс тоғының өзгеруінің оның өзгеруіне әкелген Uзи = const болғанда қақпадағы кедергісіне қатынасын айтады:

Ri = (dUси/dIс)|Uзи = const

Өрістік транзистордың күшейткіш коэффициенті, сипаттамасының тіктігі және ішкі кедергісі өзара арақатынаспен біріктірілген:

μ = S Ri

Температура өскенде тіктігі де, табалдырықты кедергісі де азаяды, оның үстіне бұл шамалардың азаюы тоққа кері бағыттарда әсер етеді. Тоқтың олар теңесетін Ic мәндері бар. Бұл тұрақты мәнді ауыспалы тоқ деп атайды. Ауыспалы тоқтың бар болуы – МДЖ–транзисторлардың маңызды ерекшелігі; ол жеңіл жолмен – жұмыс тоқты алумен температуралық тұрақтандыру мүмкіншілігін қамтамасыз етеді.

Өрістік транзисторлардың сипаттамаларының жұмыс аумағы қазіргі заманғы өрістік транзисторлар үшін S = 0,3...30 мА/В, ал Ri бірнеше мегаом құрайтын динамикалық теңдік аумағы болып табылады. Өрістік транзисторлардың маңызды еркшеліктері олардың өте үлкен кіру кедергілері (1015 Ом-ға дейін) және шекті жиілігі (1 ГГц-қа дейін) болып табылады.

Қосу сұлбалары. Статикалық сипаттамалары және шектері.

Электронды сұлбаларда қолдану ерекшеліктері.

Биполярлық транзисторларға ұқсастығына қарай тұрақты потенциал нүктесіне қандай электрод қосылғанына байланысты қосу сұлбаларын үшке бөледі: кірісті, шығысты және қақпалы.

Ортақ кіріс сұлбасы.

Ортақ кіріспен сұлба биполярлы транзисторлар үшін ортақ эмиттермен сұлбаға сай келеді.

 

5-сурет. Ортақ бастау өрістік транзистордың қосылу сұлбасы

Айырмашылығы диод қақпа-арна жабулышы бағытта қосылған болады. Бұл жағдайда кіріс тоқ нольге жақын, ал кіріс кедергісі өте үлкен болады. Сұлбаның анализі үшін алдыңғы бөлімде биполярлық транзисторлар үшін алынған нәтижелерге қайтып оралуға болады. Транзисторлардың сипаттамаларын және кіші сигналдардың шамаларын салыстыру келесі сәйкестік кестесін береді:

IК » IС; IЭ » IИ ; IБ » IЗ ≈ 0.

Ортақ кіріспен сұлба үшін күшейткіш коэффициентінің максималды шамасы A = -S = -μ құрайды.

Күшейткіш коэффициенті 0,1IСИ < IС < IСИ аралықта шығыс тоқтан тәуелсіз деуге болады және n- арналы өрістік транзисторлар үшін 100-ден 300-ге дейін құрайды. p-арналы өрістік транзисторлар үшін бұл өлшем шамамен екі есе кіші. Сонымен, өрістік транзисторлардың максималды күшейту коэффициенті биполярлы транзисторлардың максималды күшейту коэффициентінің шамамен оныншы бөлігін құрайды.

Сызықты емес қателіктердің коэффициенті, биполярлы транзисторларда сияқты кіру амплитудасына пропорционалды, бірақ ол жұмыс нүктесінің орналасуына тәуелді. Ол √IC шамаға кері пропорционалды.

Бұл коэффициент 1%-дан кіші болу үшін, кіру сигналдың амплитудасының шамасы 66мВ-тан үлкен болмау керек. Каскадтың кернеумен күшейткіш коэффициенті 20-ға тең болған кезде, шығу сигналдың амплитудасы шамамен 1,3 В-ті құрайды. Бұл өлшем ұқсас қосу сұлбамен биполярлы транзисторлардан әлдеқайда үлкен .

Өрістік және биполярлық транзистордың шулық сипаттамасының айырмашылығы маңызды. Өрістік транзисторда шулы тоқ биполярлыққа қарағанда біршама аз, онда шудың кернеуі сияқты бағыттаушы p-n-өткізгіш транзистор үшін маңызды, тәртіп мәні бір немесе сондай болады.

МЖЖ-транзисторда шулық фактор I/f 100 кГц тәртіп жиілігінің басталуынан байқалады. Сондай үлгімен МЖЖ-транзисторлар аз жиілікті аумақта өрістік транзисторлар бағыттаушы p-n-өткізгіштен «шулауы» біршама күшті, сондықтан оны тек қана жоғарғы жиілікті аз шулайтын мақсаттағы құрылғыларды қолданылады.

Жалпы қақпамен сұлбасы.

Ереже бойынша өрістік транзистордың жалпы қақпамен сұлбасы үшін тіпті ұқсамайды, осыдан осы қосылыста қақпа-кіру транзистордың тізбегінің құрамына жоғарғы омдық қолданылмайды.

Жалпы шығыспен сұлбасы (кірулік қайталану).

Жалпы кіріспен сұлбасына қарағанда жалпы шығыстың сұлбасы біршама жоғарғы кіру кедергіге ие болады. Көпшілік жағдайдың бірінде ол қаншалықты үлкен болса да және жалпы кіру сұлбасы үшін де бұл маңызды мән берілмейді. Бұндай сұлбаның артықшылығы каскадтың кіру сыйымдылығын елеулі азайтудан тұрадады. Ерекшелігі эмиттерлік қайталанудан шығу кедергісі сигнал көзіндегі төменгі кедергіден қайталануы әсер етпейді.

Күшейткіш коэффициенттің және кіріс қайталағыштың шығу кедергісінің типтік мәндерін сандық мысалмен дәйектеуге болады. Транзистордың сипаттамасының 5 мА/В тіктігі және кіріс тізбегінің кедергісі RИ=1кОм кезінде

Бұл мысалдан кіріс қайталағыш эмиттерлі қайталағыштағыдай сондай кіші шығыс кедергі шамаларын ала алмайтындығын көреміз. Мұның себебі өрістік транзисторлардың биполярлық транзисторларға қарағанда тіктігінің аз болуы.

6-сурет. Өрістік транзистордың  ортақ құйма және ортақ жаппамен  қосылу сұлбасы

7-сурет. Өрістік транзистордың ВАС-ы