Поскольку ток канала обусловлен носителями только одного знака, ПТ относят к классу униполярных транзисторов.
В идеальном случае эффект управления током достигается без потери энергии (входной ток почти равен нулю). Электрод, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называют истоком, а электрод, на который подаётся управляющий электрический сигнал, называется затвором. Проводящий канал — это область в полупроводнике, в которой регулируется поток носителей заряда.
В связи с тем, что управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением (аналогично электровакуумным приборам) и входные токи ПТ чрезвычайно малы, параметры и характеристики полевых транзисторов существенно отличаются от характеристик биполярных транзисторов.
ПТ обладают рядом преимуществ по сравнению с биполярными:
— высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
— высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
— почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая проходная ёмкость (т. к. усилительные свойства ПТ обусловлены переносом основных носителей заряда, верхняя граница эффективного усиления мощных ПТ выше, чем у биполярных, и применение ключевых усилителей на ПТ при тех же напряжениях питания возможно на частотах около 400 мГц, в то время как на биполярных транзисторах разработка ключевых генераторов частотой выше 100 мГц является весьма сложной задачей);
— квадратичность вольт — амперной характеристики (аналогична триоду);
— высокая температурная стабильность;
— малый уровень шумов.
Используя большое входное сопротивление ПТ, можно увеличить коэффициент передачи и существенно снизить коэффициент шума в УНЧ, предназначенных для работы от высокоомных источников сигнала. Наличие термостабильной точки позволяет снизить дрейф в ряде усилителей постоянного тока (УПТ). В качестве примера показаны передаточные характеристики транзистора КП103 при двух значениях температуры окружающей среды:
Линейная зависимость крутизны ПТ от управляющего напряжения обеспечивает более сильное подавление перекрёстных помех и нелинейных искажений во входных каскадах радиоприёмных устройств. ПТ имеют преимущество и в качестве сопротивления, управляемого напряжением в устройствах регулирования уровня сигнала (компрессорах, цепях АРУ). Применение ПТ в синхронных выпрямителях (СВ) позволяет получить КПД до 0.962 и выше. В ряде случаев ПТ не боятся перегрузки, т. к. имеют естественное ограничение тока.
Несомненны и преимущества ПТ и в качестве ключей высоковольтных преобразователей, в отличии от биполярных транзисторов, применение которых ограничено "вторичным пробоем". Явление "вторичного пробоя" обусловлено концентрацией тока в пределах малых областей активной структуры транзистора. Распределение теплоты в кристалле является неравномерным и зависит от плотности тока и приложенного напряжения. При больших напряжениях коллектора ток стягивается в узкую область, что приводит к существенному изменению активной площади р-n перехода, в результате чего увеличивается тепловое сопротивление. Если игнорировать это явление, то уже при относительно небольших мощностях может произойти сильное сужение тока в структуре и резкое повышение её температуры в области прохождения тока до температуры плавления, что вызывает разрушение транзистора. Генераторы тока на ПТ предельно просты, (см. раздел 3)
По принципу действия и технологии изготовления ПТ можно разделить на 2 группы:
— ПТ с управляющим р-n переходом и барьером Шотки;
— ПТ с изолированным затвором со структурой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП — транзистор), иногда его называют МОП — транзистором (металл — окисел — полупроводник).
В свою очередь ПТ с изолированным затвором подразделяются на:
— с индуцированным каналом (обогащённого типа);
— со встроенным каналом (обеднённого типа).
В настоящее время выпускается большое количество ПТ разного типа:
— канал проводимости обогащённого типа;
— канал проводимости обеднённого типа;
— переход PN;
— переход NP;
— Р-канал на подложке;
— N-канал на подложке;
— затвор изолированный.
Облегчить задачу выбора ПТ в зависимости от их конструкции и технологии изготовления поможет таблица, в которой приведены характерные структуры ПТ, их режимы работы и полярность напряжений на электродах транзисторов относительно истока:
Ниже показаны условные графические обозначения ПТ с изолированной подложкой и подложкой, имеющей электрическое соединение с истоком, соответственно (соединение внутри символа показывают без точки):
Статические стоко-затворные характеристики основных трёх типов ПТ:
Характерной особенностью ПТ с управляющим р-n переходом, а также с изолированным затвором и встроенным каналом является наличие начального тока стока Iс нач при отсутствии управляющего сигнала на затворе и при условии Uси. нас <= Uси = const,
где Uси. нас — напряжение "сток-исток" на границе области насыщения.
В ПТ с управляющим р-n переходом управляющая цепь отделена от канала обратно
— смещённым р-n переходом (поляризованном в направлении запирания рn- или nр-переходом), при этом канал расположен в объёме полупроводника и существует при нулевом напряжении на затворе, т. е. является встроенным каналом.
В силу конструктивных особенностей транзисторов с управляющим р-n переходом они обычно работают в режиме обеднения проводящего канала, т. е. при подаче запирающего напряжения на затвор. При этом электропроводность канала ПТ уменьшается и не превышает Iс.нач, таким образом проводимость достигается инвертированием электрического поля:
Применение металлического затвора создаёт с полупроводником канала выпрямляющий контакт (диод Шотки) и позволяет существенно уменьшить размеры структуры. Использование арсенида галлия, имеющего в два раза большую скорость движения носителей заряда, чем в кремнии, а также очень мелкое залегание в толще кристалла управляющего барьера Шотки (в сравнении с управляющим р-n переходом), позволяющее получить малую ёмкость Сзс, резко повышает диапазон рабочих частот транзистора.
Входная вольт — амперная характеристика ПТ с управляющим р-n переходом и каналом n-типа показаны на рисунке:
Её можно представить как состоящую из двух частей:
— область нарастания или "омическая" область;
— область насыщения.
В первой области канал "сток-исток" ведёт себя как резистор, управляемый напряжением "затвор — исток" (см. ниже). В области насыщения, напротив, ток стока практически не зависит от напряжения на затворе, благодаря чему ПТ приобретает свойства усилительного элемента.
Напряжение отсечки определяют с помощью вольтметра при Iст = 10 мкА, плавно перемещая движок резистора из нижнего положения в верхнее:
В МДП транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом при отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком практически отсутствует (т. е. нормально закрытый прибор). Транзисторы с индуцированным каналом работают в режиме обогащения. При подаче на затвор транзистора с индуцированным каналом некоторого порогового напряжения Uзи пор и более, совпадающего по знаку со знаком основных носителей, на поверхности полупроводника индуцируется заряд противоположного знака, т. е. тип проводимости приповерхностного слоя полупроводника инвертируется и происходит формирование проводящего канала, сопровождающегося ростом тока стока: