Полевые транзисторы. Их характеристики, виды и принцип работы

СОДЕРЖАНИЕ:

Полевой транзистор принцип работы

Среди множества полупроводниковых приборов следует отметить полевой транзистор, принцип работы которого основан на перемещающихся основных однотипных носителях заряда. Поток этих зарядов регулируется с помощью поперечного электрического поля. Источником поля является напряжение, приложенное к любому из электродов транзистора. Такой электрод получил дополнительное название затвора.

Поскольку перемещаются однотипные заряды, электроны или дырки, полевые транзисторы называются униполярными, в отличие от биполярных приборов. Они могут иметь управляющий р-п-переход или изолированный затвор. Основными параметрами устройств является входное и внутреннее (выходное) сопротивление, а также напряжение отсечки и прочие характеристики.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом

Данный прибор состоит из полупроводниковой пластины, на концах которой установлены электроды истока и стока. Именно при их участии происходит подключение устройства к управляемой сети. Соединение управляющей сети осуществляется с третьим электродом, выступающим в роли затвора. Поскольку у пластины и третьего электрода различные типы проводимости, то за счет этого и образуется р-п-переход.

С помощью источника питания, включенного во входную цепь, в области р-п-перехода создается обратное напряжение. Дополнительно к входной цепи производится подключение источника усиливаемых колебаний. Когда входное напряжение изменяется, то происходит изменение и обратного напряжения в районе р-п-перехода. В результате, происходит изменение п-канала, представляющего собой обедненный слой. То есть, фактически, изменяется поперечное сечение, через которое проходят основные носители заряда.

В зависимости от выполняемых функций, электроды прибора имеют следующие наименования:

  • Электрод исток: из него происходит вхождение в канал основных носителей зарядов.
  • Электрод сток: через него из канала происходит выход основных носителей зарядов.
  • Электрод затвор: регулирует поперечное сечение канала.

Сам канал может обладать одной из двух проводимостей. Проводимость полевых транзисторов бывает с «р» или «п» каналом. Напряжения смещения, которые подаются на эти электроды, имеют противоположную полярность.

Таким образом, принцип действия полевого транзистора очень похож на работу вакуумного триода. Триод имеет катод, анод и сетку, которые соответствуют истоку, стоку и затвору. Однако, конструкция полупроводникового прибора отличается в лучшую сторону и обладает большим набором функций.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Данная конструкция прибора отличается наличием изолирующего слоя, разделяющего затвор и канал. В качестве подложки используется полупроводниковый кристалл, имеющий высокое удельное сопротивление. В нем создаются области с проводимостью, противоположной подложке. В этих местах наносятся электроды стока и истока. Между ними, на поверхности кристалла наносится тонкий слой диэлектрического материала. В свою очередь, на этот слой производится нанесение третьего металлического электрода – затвора.

В структуру прибора входит металл, диэлектрик и полупроводник (МДП). Поэтому, данные устройства получили название МДП-транзисторов.

МДП-приборы имеют следующую классификацию:

  • С индуцированным каналом. В данной конструкции отсутствует проводящий канал между стоком и истоком. Поэтому, появление тока зависит от полярности стока и порогового напряжения на затворе в соответствии с истоком.
  • Со встроенным каналом. В этом приборе, при значении нулевого напряжения, под затвором происходит образование инверсионного слоя в виде канала, соединяющего сток и исток.

Таким образом, полевые транзисторы, имеют общий принцип работы, но отличается особенностями конструкции, что дает возможность их использования в самых разных областях.

Мощные полевые транзисторы-принцип работы, применение

Существует два главных основополагающих типа полевых (униполярных, управляемых напряжением) транзисторов, являющихся активными полупроводниковыми элементами, обладающими высокой мощностью – это n-канальные иp-канальные.

Первые из них применяются более часто и отличаются наибольшим диапазоном токов и напряжений. Кроме этих моделей производятся полевые транзисторы, управляемые сигналом логического уровня, они обладают ограничением по току и защелкой по напряжению.

Определение полевого транзистора

Транзистор полевого типа считается полупроводниковым прибором, в конструкции которого регулировка осуществляется измерением проводимости проводящего канала, благодаря использованию поперечного электрического поля.

Другими словами, он является источником тока, который управляется Uз-и. От параметра напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала. Помимо p–n – канальных транзисторов существует их разновидность с затвором из металла, который изолирован от канала кремниевым диэлектриком. Это МДП-транзисторы (металл – диэлектрик, (окисел) – проводник). Транзисторы с использованием окисела называются МОП-транзисторы.

Параметры, характеризующие полевой транзистор

  1. Ширина канала – расстояние между p-n-переходами W.
  2. Напряжение отсечки — напряжение на затворе при исчезновении каналов.
  3. Напряжение насыщения – с него начинается формирование пологой части ВАХ.
  4. Стоко-затворная ВАХ (вольт-амперная характеристика).

Рис. №1. Стоко-затворная ВАХ n-канального транзистора с

Ic= Icmax (I Uзи / U) 2 , здесь Icmax стока.

  1. Крутизна определяется по формуле S = dIc / dUзи(мА/В),что является следствием увеличенияU рабочего стока, при этом крутизна полевого транзистора становится меньше.
  2. Внутреннее сопротивление транзистора (дифференциальное сопротивление) rcсоставляет в пологой части характеристики несколько МОм.
  3. Лавинный пробой p-n-переходов возможен после повышения напряжения области стока и истока, что считается причиной ограничения применения полевого транзистора относительноUc.
  4. Коэффициент усиления относительно напряжения µu= srспри уменьшении величины тока стока коэффициент µuповышается.
  5. Инерционность полевого транзистора обуславливается временем,отводимым на заряд барьерной емкости переходов затвора.
  6. Полевой транзистор обладает граничной частотой для улучшения своих качественных частотных свойств.

Проводимость транзистора

Существует две разновидности проводимости – электронная и дырочная, это означает, что в основе работы лежит использование электронов и дырок. Транзистор с электронной проводимостью относится к n-канальным устройствам, p-канальные транзисторы обладают дырочной проводимостью.

Отличие полевых униполярных транзисторов от биполярных заключается в наличии значительно высокого значения величины входного сопротивления. Потребление электроэнергии полевыми транзисторами отличается значительной экономией.

Небольшие габаритные размеры МОП-транзисторах позволяет занимать очень малую площадь в конструкции интегральной схемы, в противоположность биполярным аналогам. Благодаря этому достигается значительно уплотненная компоновка элементов в интегральных схемах. Технология производства интегральной схемы на МОП-транзисторах затрачивает намного меньшее количество операций, чем технология производства ИС с применением биполярного транзистора.

Структура полевого транзистора

Основополагающий принцип работы, на котором осуществляется действие полевого транзистора с использованием управляющего p-n-перехода основывается на изменении проводимости канала, которая возможна благодаря изменению поперечного сечения. Сток и исток включают напряжение полярности, при котором главные носители заряда (ими являются электроны в канале n-типа) движутся от истока к стоку. В свою очередь, между затвором и истоком включается отрицательное напряжение, управляющее запиранием p – n–переходом.

Рис. №2. Структуры (а) полевых транзисторов с управляющим pn-перехода и (б) структура транзистора с изолированным затвором.

При большем значении напряжения расширяется запирающий активный слой и канал становится уже. С уменьшением поперечного размера канала происходит увеличение сопротивления и уменьшение величины тока между стоком и истоком. Это действие позволяет управлять протеканием тока. При невысоком значении напряжения затвор — исток происходит перекрытие канала запирающим слоем, что снижает проводимость канала. Ширина канала варьируется от нулевого значения до отрицательных величин, иначе говоря, p-n-переходы затвора сдвигаются в обратном направлении, сопротивление увеличивается.

Напряжение на затворе после исчезновения канала и смыкании p-n-перехода, определяется, как напряжение отсечки U– это величина считается одной из основополагающих для всех разновидностей полевых транзисторов.

Рис. №3. Структура полевого транзистора. Канал, расположенный между электродами стоком и истоком сформирован из слабообогащенного полупроводника n-типа.

Сфера использования полевых транзисторов

Полевой транзистор является устройством, рассчитанным на большую мощность, характерным в конструкции регуляторов, конвертеров, драйверов, электродвигателей, реле и мощных биполярных транзисторов. Они применяются в конструкции зарядных устройств, автоэлектроники, устройствах управления температурным режимом, широкополосных и малошумящих усилителях в схемах зарядочувствительных предусилителей и прочее. Для полевых транзисторов характерно наличие высокого входного сопротивления. Управление полевым транзистором производится непосредственно от микросхемы, без применения добавочных усиливающих каскадов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Полевой МОП транзистор

Что такое MOS, MOSFET, МОП транзистор?

Как часто вы слышали название МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Да-да… это все слова синонимы и относятся они к одному и тому же радиоэлементу.

Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе звучит как Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор ;-). Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором? С чем это связано? Об этих и других вещах вы узнаете в нашей статье. Не переключайтесь на другую вкладку! 😉

Виды МОП-транзисторов

В семействе МОП-транзисторов в основном выделяют 4 вида:

1) N-канальный с индуцированным каналом

2) P-канальный с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канальный со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом – сплошной.

В современном мире МОП-транзисторы со встроенным каналом используются все реже и реже, поэтому в наших статьям мы их затрагивать не будем, а будем рассматривать только N и P – канальные транзисторы с индуцированным каналом.

Откуда пошло название “МОП”

Начнем наш цикл статей про МОП-транзисторы именно с самого распространенного N-канального МОП-транзистора с индуцированным каналом. Go!

Если взять тонкий-тонкий нож и разрезать МОП-транзистор вдоль, то можно увидеть вот такую картину:

Если рассмотреть с точки зрения еды на вашем столе, то МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа – толстый кусок хлеба, диэлектрик – тонкий кусок колбасы, а сверху кладем еще слой металла – тонкую пластинку сыра. И у нас получается вот такой бутерброд:

А как будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр – металл, колбаса – диэлектрик, хлеб – полупроводник. Следовательно получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП – Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором ;-). А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать что почти стекло, то и вместо названия “диэлектрик” взяли название “оксид, окисел”, и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места 😉

Строение МОП-транзистора

Давайте еще раз рассмотрим структуру нашего МОП-транзистора:

Имеем “кирпич” полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому их концентрация в данном материале намного больше, чем электронов. Но электроны тоже есть в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике – это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. “Кирпич” P-полупроводника носит название Подложки. Она является основой МОП-транзистора, так как на ней создаются другие слои. От подложки выходит вывод с таким же названием.

Другие слои – это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.

Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод и называется Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Подложка МОП-транзистора

Итак, смотря на рисунок выше, мы видим, что МОП-транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор, Подложка), а в реальности только 3. В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:

Поэтому, требуется соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.

Принцип работы МОП-транзистора

Тут все то же самое как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом. Исток – это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток – это вывод, куда они притекают, а Затвор – это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.

Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движуху электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:

Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения P-N переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:

И-исток, П-Подложка, С-Сток.

Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.

Значит, в этой схеме

никакой движухи электрического тока не намечается.

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать определенное напряжение на Затвор, в подложке начинаются волшебные превращения. В ней начинает индуцироваться канал.

Индукция, индуцирование – это буквально означает “наведение”, “влияние”. Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: “через электрическое поле”.

Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:

На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле. А раз подаем на Затвор положительное напряжение, значит он будет заряжаться положительно не так ли?

Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов. А раз и на Затворе положительный потенциал и дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Картина будет выглядеть следующим образом пока что без источника питания между Истоком и Стоком:

Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора и поближе к выводу Подложки, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому электронам ничего другого не остается, как просто создать вавилонское столпотворение около слоя диэлектрика.

В результате, картина будет выглядеть следующим образом:

Видели да? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.

Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Если вы читали статью проводники и диэлектрики, то наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался “проводок”, по которому может бежать электрический ток.

Получается, если подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину:

Как вы видите, цепь стает замкнутой и в цепи начинает спокойно протекать электрический ток.

Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал. А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор 😉 Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, “играя” напряжением на затворе 😉 Ну гениальнее некуда!

Работа P-канального МОП-транзистора

В нашей статье мы разобрали N-канальный МОП транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться уже дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора:

На ютубе нашел очень неплохое видео, поясняющее работу полевого МОП-транзистора. Рекомендую к просмотру (не реклама):

Полевые транзисторы. Их характеристики, виды и принцип работы

Полевым транзистором именуют такой компонент, через который под влиянием продольного электрического поля протекает ток, обусловленный движением носителей заряда сугубо одного типа. Так как принцип действия полевых транзисторов основан на перемещении основных носителей заряда одного типа проводимости, такие компоненты ещё называют униполярными.

Затвором называют вывод полевого транзистора, к которому подводят напряжение от устройства управления. Следует подчеркнуть, что управление полевыми транзисторами осуществляют напряжением, а биполярными транзисторами – током. Истоком именуют вывод, который обычно служит источником поступления в транзистор носителей заряда от устройства электропитания. Стоком называют вывод компонента, через который носители заряда покидают транзистор. Перемещение основных носителей заряда от истока к стоку происходит по области, которая носит название канала полевого транзистора. Каналы у полевых транзисторов могут быть как электронного, так и дырочного типов проводимостей. Носителями заряда в полевых транзисторах n-типа выступают электроны, а в приборах p-типа – дырки. Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим переходом и с изолированным затвором, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и другое. Входное сопротивление транзистора – это отношение приращения напряжения затвор-исток и приращению тока затвора. Внутреннее сопротивление транзистора – это отношение приращения напряжения сток-исток к приращению тока стока при заданном напряжении затвор-исток. Крутизна стокозатворной характеристики – это отношение приращения тока стока к приращению напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток.

5.2. Полевые транзисторы с управляющим переходом

5.2.1. Конструкция полевых транзисторов с управляющим переходом

Первый полевой транзистор с управляющим переходом теоретически были рассчитан Уильямом Шокли в 1952 году. Одна из разновидностей таких транзисторов – унитрон – представляет собой полупроводниковую пластину дырочного или электронного типов проводимостей. На её торцы наносят токопроводящие плёнки, к которым подключают выводы стока и истока, а широкие грани легируют для получения противоположного типа проводимости относительно проводимости пластины и подсоединяют к этим граням вывод затвора. Другая разновидность полевых транзисторов с управляющим переходом – текнетрон – может быть образован, например, стержнем из германия, к торцам которого подсоединяют выводы истока и стока, а вокруг стержня внесением индия выполняют кольцеобразный затвор.

Упрощённая конструкция полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа проводимости изображена на рис. 5.1.

Из рисунка видно, что канал возникает между двумя p-n переходами. Конструкция компонентов с каналом n-типа не имеет отличий от конструкции полевых транзисторов с каналом p-типа, что видно на рис. 5.2.

Но в полевых транзисторах с каналом n-типа полупроводник, в котором возникает канал, обладает электронным типом проводимости, а области затвора имеют дырочную проводимость. Полевые транзисторы с каналом n-типа могут обладать лучшими частотными и температурными свойствами и образовывать шумы меньшей амплитуды, чем приборы с каналом p-типа.

5.2.2. Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом

Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом заключён в изменении площади сечения канала под воздействием поля, возникающего при подаче напряжения между затвором и истоком. Упрощённая структура полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа приведена на рис. 5.3.

Пока между затвором и истоком не подано напряжение управления, под воздействием внутреннего поля электронно-дырочных переходов они заперты, сечение канала наиболее велико, его сопротивление низко, и ток стока транзистора максимален. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока наиболее велик, называют напряжением насыщения.

Если между затвором и истоком приложить небольшое напряжение, ещё немного закрывающее p-n переходы, то зоны, к которым подсоединён затвор, будут обеднены носителями заряда, размеры этих зон объёмного заряда возрастут, частично перекрывая сечение канала, сопротивление канала возрастёт, и сила тока стока станет меньше. Обеднённые носителями заряда области почти не проводит электрический ток, причём эти области неравномерны по длине пластины полупроводника. Так, у торца пластинки, к которому подключен вывод стока, обеднённые носителями заряда области будут наиболее существенно перекрывать канал, а у противоположного торца, к которому подсоединён вывод истока, снижение площади сечения канала будет наименьшим.

Если приложить ещё большее напряжение между затвором и истоком, то области, обеднённые носителями заряда, станут столь велики, что сечение канала может быть ими полностью перекрыто. При этом сопротивление канала будет наибольшим, а ток стока будет практически отсутствовать. Напряжение затвор-исток, соответствующее такому случаю, именуют напряжением отсечки.

К важнейшим характеристикам полевых транзисторов относят стокозатворную характеристику и семейство стоковых характеристик. Стокозатворная характеристика отражает зависимость силы тока стока от приложенного к выводам затвор-исток напряжения при фиксированном напряжении сток-исток. Это показано на рис. 5.4 для полевых транзисторов с управляющим переходом и каналами p-типа и n-типа проводимостей.

Семейство стоковых характеристик представляет зависимости токов стока от напряжений сток-исток при фиксированных стабильных напряжениях затвор-исток, что изображено на рис. 5.5.

По достижении определённого значительного напряжения сток-исток развивается лавинный пробой области между затвором и стоком. При этом идёт резкое увеличение тока стока, что можно видеть на стоковой характеристике.

Функционирование полевых транзисторов с управляющим переходом возможно сугубо путём обеднения канала носителями заряда. В связи с тем, что напряжение сигнала прикладывают к закрытому переходу, входное сопротивление каскада велико и для рассмотренных выше приборов может достигать 10 9 Ом.

5.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором потому носит такое название, что его затвор, выполненный из тонкого металлического покрытия, нанесён на диэлектрический слой, который отделяет затвор от канала. По этой причине полевые транзисторы с изолированным затвором имеют аббревиатуру МДП (металл – диэлектрик – полупроводник). Слой диэлектрика часто образуют двуокисью кремния. Такие полевые транзисторы носят аббревиатуру МОП (металл – оксид – полупроводник). Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют большее входное сопротивление, достигающее 10 15 Ом, чем полевые транзисторы с управляющим переходом.

5.3.1. Полевые транзисторы со встроенным каналом

Структура полевого транзистора со встроенным каналом n-типа проводимости дана на рис. 5.6.

Приложим от источника питания постоянное напряжение между выводами сток-исток. Пока напряжение затвор-исток отсутствует, канал обладает некоторым сопротивлением, по нему двигаются основные носители заряда, а, следовательно, протекает некоторый ток стока транзистора. Если к выводам затвор-исток транзистора с каналом n-типа подключить источник питания так, чтобы на затвор было подано напряжение положительной полярности, то неосновные носители заряда, присутствующие в подложке, будут втянуты электрическим полем в канал. Концентрация носителей заряда в канале возрастёт, его сопротивление станет меньше, а, значит, ток стока станет больше. Если подключить источник питания обратной полярностью так, чтобы на затвор было подано отрицательное напряжение относительно истока, то электроны, присутствующие в канале, под действием поля будут вытеснены в подложку. При этом концентрация носителей заряда в канале станет ниже, сопротивление канала возрастет, и ток стока станет меньше. Если запирающее напряжение затвор-исток будет столь велико, что практически все носители заряда будут оттеснены в подложку, то ток стока станет почти отсутствовать. Стокозатворные характеристики полевых транзисторов со встроенным каналом n-типа и p-типа проводимостей приведены на рис. 5.7.

Заключим, что полевые транзисторы со встроенным каналом функционируют как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала.

5.3.2. Полевые транзисторы с индуцированным каналом

Структура полевого транзистора n-типа проводимости с индуцированным каналом представлена на рис. 5.8.

Когда напряжение затвор-исток полевого транзистора, изображённого на рисунке, отсутствует, либо к затвору приложено напряжение отрицательной полярности, канал не возникает и ток стока транзистора не течёт. Когда на затор транзистора подано напряжение положительной полярности относительно истока, возникнет электрическое поле, втягивающее в область под затвором электроны, которые находились в подложке на правах неосновных носителей заряда. А дырки из канала полем будут оттеснены в подложку, обладающую p-типом проводимости. Концентрация электронов в локальном участке полупроводника под затвором между стоком и истоком возрастает относительно концентрации дырок, то есть имеет место смена типа проводимости и возникает, или как говорят, индуцируется, канал. В результате происходит движение носителей заряда по каналу, и течёт ток стока. Стокозатворные характеристики полевых транзисторов с индуцированным каналом p-типа и n-типа проводимостей даны на рис. 5.9.

Сделаем вывод, что полевые транзисторы с индуцированным каналом функционируют сугубо в режиме обогащения канала носителями заряда.

5.4. Режимы работы полевых транзисторов

5.4.1. Динамический режим работы транзистора

Динамическим режимом работы называют такой режим, в котором к транзистору, который усиливает входной сигнал, подключена нагрузка. Такой нагрузкой может служить резистор Rс, подсоединённый последовательно со стоком полевого транзистора, включённого по схеме с общим истоком, что показано на рис. 5.10.

Каждый электрик должен знать:  Сглаживающие фильтры и стабилизаторы напряжения

Постоянное напряжение питания каскада Uп составляет сумму падений напряжений на выводах сток-исток транзистора и на резисторе Rс, то есть Uп = URс + Uси.р. В тоже время, согласно закону Ома, падение напряжения на нагрузочном резисторе Rс равно произведению протекающего по нему тока Iс.р на его сопротивление: URс = Iс.р • Rс. Согласно сказанному, напряжение питания каскада составляет: Uп = Uси.р + Iс.р • Rс. Последнее выражение можно переписать относительно напряжения сток-исток транзистора, и в этом случае получим линейную формулу для выходной цепи Uси.р = Uп – Iс.р • Rс, которую именуют уравнением динамического режима.

На выходных статических характеристиках транзистора для получения представления о режимах работы каскада строят динамическую характеристику, имеющую форму линии. Рассмотрим рисунок 5.11, на котором изображена такая динамическая характеристика усилительного каскада.

Чтобы провести эту линию, которую ещё называют нагрузочной прямой, необходимо знать две координаты точек, соответствующих напряжению питания каскада и току стока в режиме насыщения. Эта нагрузочная прямая пересекает семейство выходных статических характеристик, а точка пересечения, которую называют рабочей, соответствует определённому напряжению затвор-исток. Зная положение рабочей точки, можно вычислить некоторые ранее не известные токи и напряжения в конкретном устройстве.

5.4.2. Ключевой режим работы транзистора

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю. На практике, естественно, когда транзистор открыт, присутствует некоторое небольшое сопротивление сток-исток. Когда транзистор закрыт, по выводам сток-исток протекает ток небольшой величины. Таким образом, мощность потерь в транзисторе в статическом режиме мала. Однако в динамическом режиме, когда транзистор открывается или закрывается, его рабочая точка форсирует линейную область, в которой ток через транзистор может условно составлять половину максимального тока стока, а напряжение сток-исток может достигать половины от максимальной величины. Таким образом, в динамическом режиме в транзисторе выделяется огромная мощность потерь, которая свела бы на нет все замечательные качества ключевого режима, но к счастью длительность нахождения транзистора в динамическом режиме много меньше длительности пребывания в статическом режиме. В результате этого КПД реального транзисторного каскада, работающего в ключевом режиме, может быть очень высок и составлять до 93% – 98%.

Работающие в ключевом режиме транзисторы широко применяют в силовых преобразовательных установках, импульсных источниках электропитания, в выходных каскадах некоторых передатчиков и пр.

Полевые транзисторы

История создания и реализации полевых транзисторов

Первый полевой транзистор был изобретен Юлий Эдгаром Лилиенфельдом – австро-венгерским ученым-физиком, посвятившим большую часть жизни изучению транзисторного эффекта. Случилось это в 1928 году, однако первая технология изготовления транзисторов не позволяла физически реализовать этот радиоэлемент в промышленности. Первый работающий полевой транзистор с изолированным затвором, согласно трудам Лилиенфельда, произвели в США лишь в 1960 году. За 7 лет до этого была предложена другая технология изготовления полевого транзистора на базе управляющего p-n перехода (МОП транзистор). На основе трудов Вальтера Шоттки в 1966 году американский инженер Карвер Андресс Мид предложил новый тип транзисторов с использованием барьера Шоттки. В 1977 году было установлено, что применение полевых транзисторов в вычислительной технике значительно повышает расчетные мощности электронных устройств, что положило начало разработок компьютерных процессоров и логических микросхем на основе полевого транзистора. Более корректным названием полевого транзистора является униполярный транзистор (управляемый одним электрическим полем), однако в народе это название не прижилось.

Физические основы работы полевого транзистора

Полевым (униполярным) транзистором называют электронное устройство, в основе которого лежит принцип использования зарядов только одного знака, т.е. электронов или дырок. Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала под действием электрического поля, а не потенциала напряжения, что является основным отличием полевого транзистора от биполярного. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом, встроенным каналом и индуцированным каналом. Транзисторы с встроенным и индуцированным каналом так же относятся к разновидности МДП транзисторов.

Устройство полевого транзистора

а – с p-n переходом; б – с изолированным затвором и встроенным каналом; в – с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Работа полевых транзисторов основана на движении основных носителей в полупроводнике.

Полевой транзистор с p-n переходом.

Данный транзистор состоит из основного канала полупроводника n-типа, изготовленного из пластины кремния с омическими выводами с каждого конца. Канал образован методом диффузии (введением легированного материала) и образует тончайший слой с дырочной проводимостью. Канал заключен между двумя электродами p-типа, соединенными между собой. Таким образом, n-канал образует два p-n перехода, расположенных параллельно направлению тока. Вывод, через который поступают носителя заряда, называют истоком (И), а электрод, откуда заряд вытекает – стоком (С). Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором (З). Существуют два типа канала. Положительный заряд протекает через канал с p проводимостью, а отрицательный заряд проходит через канал с n проводимостью. На рисунке ниже представлен полевой канал с отрицательной проводимостью, управляемый полем положительной полярности. В данном случае через канал от истока к стоку передвигаются электроны. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p типа.

Управляющее или входное напряжение (Uзи) подается между затвором и истоком. Это напряжение для обоих p-n переходов является обратным. В выходную цепь, в которую так же входит канал транзистора, подключается напряжение Uси положительным полюсом к стоку.

Способность управления транзистором объясняется тем фактором, что при изменении напряжения Uзи будет изменяться ширина p-n переходов, которые представляют собой участки в полупроводнике, которые обеднены носителями заряда. Так как p-слой c меньшим сопротивлением имеет большую концентрацию примесей по сравнению с n-слоем, то управление изменением ширина канала происходит за счет более высокоомного n-слоя. При этом изменяется сечение, и проводимость токопроводящего канала (Ic – ток стока) от истока к стоку.

Особенность работы полевого транзистора заключается во влиянии напряжения Uзи и Uси на проводимость канала. Влияние подводимых напряжений отображает рисунок ниже.

А) напряжение прикладывается только к входной управляющей цепи. Изменение Uзи управляет сечением канала по всей ширине, однако, выходной ток Ic=0 из-за отсутствия напряжения Uси.

Б) Присутствует только напряжение канала, управляющее напряжение отсутствует и начинает протекать ток Ic. Создается падение напряжения на стоковом электроде, в результате пропускная способность канала сужается и при некотором значении границы p-n переходов смыкаются. Повышается внутреннее сопротивление канала и ток Ic далее не способен проходить.

В) В этом варианте на рисунке показано суммарное значение напряжений, когда канал напряжения Uси заперт малым управляющим напряжением Uзи. При подаче этого напряжения происходит расширение n области и начинает протекать ток Ic.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП и МОП)

В этих транзисторах затворный электрод отделен от канала тонким изолирующим слоем из окиси кремния. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура металл – окисел — полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов. Проникновения управляющего поля в канал не затруднено, но ток затвора сильно уменьшается и не зависит от полярности приложенного напряжения к затвору. МДП-транзисторы (структура металл – диэлектрик — полупроводник) выполняют из кремния. Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.

Каналы полевых МДП транзисторов могут быть обедненного (б — встроенный канал) и обогащенного типа (в — индуцированный канал), (см. рисунок устройства полевого транзистора).

— По встроенному каналу течет ток Iс при отсутствии напряжения Uзи. Его значением можно управлять в сторону уменьшения, подав положительное напряжение Uзи, если транзистор с p-каналом и отрицательное напряжение, если транзистор с n-каналом. Другими словами – закрыть транзистор управляющим обратным напряжением.

— В индуцированном канале, если отсутствует напряжение Uзи ток между стоком и истоком очень мал. При подаче управляющего напряжения ток Iси увеличивается.

Итак, управляющее напряжение при его подаче на затвор транзистора с встроенным каналом – закрывает транзистор, в индукционном канале — открывает транзистор.

Вольт — амперная и сток — затворная характеристики полевого транзистора

ВАХ полевого транзистора определяет его выходные (стоковые) характеристики, а так же содержит информацию о его свойствах в различных режимах работы. Кроме того ВАХ отображает связь параметров между собой. По графику можно определить некоторые параметры, не документированные в описании к транзистору, произвести расчеты уровня напряжения цепей смещения (Uзи), стабилизацию режима, а так же дать оценку работы полевого транзистора в широком диапазоне токов и напряжений.

На рисунке слева показан пример стоковой характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом p-типа при различных фиксированных управляющих напряжениях Uзи. Графики отображают зависимость тока стока (Ic) от напряжения сток – исток (Uси). На каждой из этих кривых присутствуют 3 характерные области:

1. Сильная зависимость тока Ic от напряжения Uси (участок до штрих — пунктирной линии). Эта часть определяет период насыщения канала до напряжения Uси нас, при котором транзистор переходит в закрытое (открытое) состояние. Чем выше управляющее напряжение смещения Uзи, тем раньше закроется (откроется) полевой транзистор.

2. Слабая зависимость тока Ic, когда канал насыщается до своего максимального значения и переходит в постоянно закрытое (открытое) состояние.

3. В момент, когда напряжение Uси превышает предельно допустимое для полевого транзистора, наступает необратимый электрический пробой p-n перехода. Полевой транзистор при этом выходит из строя.

Сток-затворная характеристика показывает зависимость Ic от напряжения между затвором и истоком.

Напряжение на затворе, при котором ток стока стремится к нулю, является очень важной характеристикой полевого транзистора. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или напряжением отсечки.

Условные графические изображения полевых транзисторов в электрических схемах выглядят следующим образом.

Где полевой транзистор:

а – с p-n переходом и p-каналом;

б — с p-n переходом и n-каналом;

в – со встроенным p-каналом обедненного типа;

г – со встроенным n-каналом обедненного типа;

д – с индуцированным p-каналом обогащенного типа;

е – с индуцированным n-каналом обогащенного типа;

ж – p-типа (в) и выводом от подложки;

з – p-типа (д) и выводом от подложки

Европейское обозначение контактов: gate – затвор, drain – сток, source – исток, tab – подложка (зачастую в неизолированных транзисторах является стоком).

Основные технические характеристики полевого транзистора

Современные полевые транзисторы характеризуются основными характеристиками, температурными характеристиками и электрическими характеристиками при температуре до +25 градусов на подложке (истоке). Кроме того, существуют статические и динамические характеристики полевых транзисторов, определяющие максимальные показатели при их применении в частотных сигналах. На частотные характеристики следует обращать особое внимание при использовании транзисторов в генераторах, модуляторах, импульсных блоках питания, современных цифровых усилителях класса D и выше. Частотные свойства определяются постоянной времени RC-цепи затвора, определяющей скорость запирания / отпирания канала. У полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП и МДП) входная емкость значительно меньше полевых транзисторов с p-n переходом, что дает возможность применять их в высокочастотной аппаратуре.

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

Vds (Vdss) или Uси max – определяет максимально допустимое значение напряжения между истоком и стоком;

Id или Ic – максимально допустимый ток стока, проходящий через открытый канал транзистора;

Rdc(on) – сопротивление канала между затвором и истоком (обычно указывается совместно с управляющим напряжением Uзи или Vgs).

Iз ут или Igss – ток утечки затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

Pd или Pmax – максимальная рассеиваемая мощность транзистора при температуре, как правило, +25 градусов.

Тепловые параметры полевого транзистора определяют устойчивость его характеристик при работе в диапазоне температур, так как при изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. От температуры сильно зависит значение Ic , крутизны и тока утечки затвора.

Tj или Тmax – температура разрушения кристалла подложки, соответствующая максимально допустимой рабочей температуре

Tstg или Тmin – минимальная отрицательная температура, при которой соблюдаются основные паспортные параметры транзистора

Отличительной особенностью работы полевых транзисторов в сравнении с биполярными является очень низкий коэффициент шума или Кш. Данный коэффициент мало влияет от напряжений сток – исток, тока стока, а так же температуры работы транзистора (до +50 градусов).

Полевые транзисторы. Их характеристики, виды и принцип работы

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Режимы работы полевых транзисторов. Схемы включения полевых транзисторов. Параметры полевых транзисторов. Преимущества и недостатки полевых транзисторов. Области применения полевых транзисторов. Маркировка полевых транзисторов

Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые приборы, которые управляются электрическим полем, т.е. практически без затраты мощности управляющего сигнала. В англоязычной литературе эти транзисторы называют транзисторами типа FET (Field Effect Transistor).

  1. Разновидности полевых транзисторов

Различают шесть различных типов полевых транзисторов. Их условные обозначения в электрических схемах представлены на рис. 1.

Рис. 1. Разновидности полевых транзисторов

Управляющим электродом полевого транзистора является затвор З. Он позволяет управлять величиной сопротивления между стоком С и истоком И (область полупроводника между С и И называют каналом). Управляющим напряжением является напряжение UЗИ. Большинство ПТ являются симметричными, т.е. их свойства почти не изменяются, если их электроды С и И поменять местами. В транзисторах с управляющим переходом затвор отделен от канала СИ p-n переходом. При правильной полярности напряжения UЗИ p-n переход запирается, и изолирует затвор от канала; при противоположной полярности он открывается. Для полевых транзисторов с управляющим переходом такой режим является запрещенным.

У ПТ с изолированным затвором, или МОП транзисторов (МОП – металл-оксид-полупроводник) затвор отделен от канала СИ тонким слоем диэлектрика. При таком исполнении транзистора ток через затвор не будет протекать при любой полярности напряжения на затворе. Входные сопротивления полевых транзисторов с управляющим переходом составляют от 10 10 до 10 13 Ом, а для МОП транзисторов – от 10 13 до 10 15 Ом. В МОП транзисторах присутствует четвертый вывод от так называемой подложки. Этот электрод, как и затвор, может выполнять управляющие функции, но он отделен от канала только p-n переходом. Управляющие свойства подложки обычно не используются, а ее вывод соединяют с выводом истока.

  1. Режимы работы полевых транзисторов

Аналогично делению биполярных транзисторов на p-n-p и n-p-n-транзисторы, полевые транзисторы делятся на p-канальные и n-канальные. У n-канальных полевых транзисторов ток канала становится тем меньше, чем меньше потенциал затвора. У p-канальных полевых транзисторов наблюдается обратное явление.

Типовые передаточные характеристики полевых транзисторов приведены на рис. 2. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон управляющего напряжения.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом p-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики полевых транзисторов с управляющим переходом при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется IС НАЧ. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки UОТС становится близким к нулю.

Рис. 2. Типовые передаточные характеристики полевых транзисторов

Характеристики МОП транзисторов с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения UПОР. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики МОП транзистора со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока IС НАЧ. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Карта входных и выходных напряжений при заземленном истоке приведена на рис. 3.

Рис. 3. Карта входных и выходных полярностей транзисторов

Различные транзисторы, включая биполярные, нарисованы в квадрантах, характеризующих их входное и выходное напряжение в активной области при заземленном истоке (или эмиттере).

При заземленном истоке полевого транзистора включается (переходит в проводящее состояние) путем смещения напряжения затвора в сторону напряжения питания стока. Например, для n-канального полевых транзисторов с управляющим p-n переходом используется положительное напряжение питания стока, как и для всех n-канальных приборов. Таким образом, этот полевой транзистор включается положительным смещением затвора.

На рис. 4 приведены выходные вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим переходом с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

Рис. 4. Выходные характеристики полевых транзисторов с управляющим переходом и каналом n-типа

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. Особенности этих характеристик обусловливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевые транзисторы используют как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.

  1. Схемы включения полевых транзисторов

Включение полевых транзисторов с управляющим p-n переходом и каналом n типа в схемы усилительных каскадов с общим истоком и общим стоком показано на рис. 5, а, б.

Рис. 5. Включение полевых транзисторов в схемы: а) с общим истоком, б) с общим стоком

Постоянное напряжение Е1 обеспечивает получение определенного значения тока стока IС=E/(rСИ +RН) в зависимости от сопротивления канала rСИ. При подаче входного усиливаемого напряжения UВХ потенциал затвора меняется, а соответственно меняются и токи стока и истока, а также падение напряжения на резисторе RН. Приращение падения напряжения на резисторе RН при большом его значении гораздо больше приращений входного напряжения. За счет этого осуществляется усиление сигнала. При изменении типа проводимости канала меняются только полярности приложенных напряжений и направления токов.

  1. Параметры полевых транзисторов

Основными параметрами полевых транзисторов, являются:

  • крутизна характеристики S=?IС/?UЗИ при UСИ=const, S=0,1…500мА/В;
  • внутреннее дифференциальное сопротивление RИС ДИФ (внутреннее сопротивление) RИС ДИФ = ?UСИ/IС при UЗИ=const, RИС ДИФ =10 … 50 кОм;
  • начальный ток стока IС НАЧ – ток стока при нулевом напряжении UЗИ; у полевых транзисторов с p-n переходом IС НАЧ =0,2÷600мА, МОП со встроенным каналом IС НАЧ = 0,1…100мА, МОП с индуцированным каналом IС НАЧ =0,01 ÷ 0,5мкА;
  • напряжение отсечки UЗИ ОТС = 0,2 ÷ 10В;
  • сопротивление сток – исток в открытом состоянии RСИ ОТК=2 … 300 Ом;
  • максимальная частота усиления fмакс – частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице (fмакс – десятки ÷ сотни МГц).
  1. Преимущества и недостатки полевых транзисторов

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим переходом перед биполярными транзисторами являются высокое входное сопротивление, малые шумы (обусловлены тем, что носители заряда не пересекают p-n переходов, как в биполярных транзисторах, а двигаются вдоль них), простота изготовления, малое значение остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора. Так как в полевом транзисторе ток через канал вызван перемещением основных носителей, концентрация которых определяется преимущественно количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры, то полевые транзисторы более температуростабильны. Полевые транзисторы обладают более высокой стойкостью к ионизирующим излучениям.

При изготовлении интегральных схем и микропроцессоров часто на одном чипе изготавливаются и используются полевые транзисторы как с p-, так и с n-каналами. В этом случае транзисторы и схемы называются комплементарными, дополняющими друг друга. Такая технология получила широчайшее распространение при изготовлении микросхем с высокой степенью интеграции.

Мощность сигнала, необходимая для управления полевым транзистором во много раз меньше, чем мощность для управления биполярным транзистором. По этой причине полевые транзисторы широко используются при изготовлении интегральных схем и микропроцессоров. Такие схемы с полевыми транзисторами имеют малую потребляемую мощность, в их состав можно включать увеличенное число транзисторов.

Появление мощных полевых транзисторов (30 А и более) позволяет заменить биполярные транзисторы во многих применениях, зачастую получая более простые схемы с улучшенными параметрами.

Недостаток многих полевых транзисторов – невысокая крутизна переходной характеристики, а, следовательно, и малый коэффициент усиления схем на полевых транзисторах. Кроме этого, по быстродействию и, соответственно, по частотным свойствам полевые транзисторы, как правило, не имеют преимуществ перед биполярными транзисторами.

  1. Области применения полевых транзисторов

Схемы с высоким входным сопротивлением (слаботочные). Сюда относятся буферные или обычные усилители для тех применений, где ток базы или конечное полное входное сопротивление биполярных транзисторов ограничивает их характеристики. Можно построить такие схемы на отдельно взятых полевых транзисторах, однако сегодняшняя практика отдает предпочтение использованию интегральных схем, построенных на полевых транзисторах. В некоторых из них полевые транзисторы используются только в качестве высокоомного входного каскада, а вся другая схема построена на биполярных транзисторах, в других вся схема построена на полевых транзисторах.

Аналоговые ключи. МОП-транзисторы являются отличными аналоговыми ключами, управляемыми напряжением. По своим качествам такие ключи гораздо лучше ключей на биполярных транзисторах.

Цифровые микросхемы. МОП-транзисторы доминируют при построении микропроцессоров, схем памяти и большинства высококачественных цифровых логических схем. Микромощные логические схемы изготавливаются исключительно на МОП-транзисторах.

Мощные переключатели. Мощные МОП-транзисторы часто бывают предпочтительнее биполярных транзисторов для переключения нагрузок, в первую очередь из-за того, что в полевых транзисторах практически отсутствует входной ток и мощность управляющих сигналов чрезвычайно мала. Отличные результаты дает использование мощных ключей, построенных на комбинации биполярных и полевых транзисторов.

Переменные резисторы и источники тока. В линейной области стоковых характеристик полевые транзисторы ведут себя подобно резисторам, управляемым напряжением, в области насыщения они являются управляемыми напряжением источниками тока.

  1. Маркировка полевых транзисторов

Рассмотрим способы маркировки полевых транзисторов на примере транзистора КП 312А:

  • первая буква «К» – обозначение материала (К – кремний, А – арсенид галлия GaAs).
  • вторая буква «П» – указывает, что транзистор полевой.
  • первая цифра «3» – указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную частоту.
  • вторая и третья цифры «12» – номер разработки.
  • последняя буква «А» – параметр.

Также КП 312А маркируется двумя желтыми точками.

Полевые транзисторы

Устройство и принцип действия полевого транзистора. Статические характеристики. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Схемы включения полевых транзисторов. Простейший усилительный каскад. Расчет электрических цепей с полевыми транзисторами.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид лекция
Язык русский
Дата добавления 19.11.2008
Размер файла 682,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ТЕМА 5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор — это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП — или МОП — транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа — электронной.

5.1 Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом

5.1.1 Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с управляющим р-n- переходом — это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении.

Рисунок 5.1 — Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (каналом n- типа)

Рисунок 5.2 — Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа (а), каналом р- типа (б)

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.

Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором.

Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток р-n- перехода, получается во много раз меньше, чем у германия.

Условные обозначения полевых транзисторов с каналом n- и р- типов приведены на рис. 5.2.

Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 5.1. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратным для обоих р-n- переходов. Ширина р-n- переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения Uси, то силой тока стока Iс, протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р-n- переходом.

При напряжении Uзи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим.

Ток стока Iс нач при Uзи = 0 называют начальным током стока.

Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки Uзи отс.

Каждый электрик должен знать:  Опасно ли неправильное подключение фазы и нуля к дифавтомату

5.1.2 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-n переходом

Рассмотрим вольт — амперные характеристики полевых транзисторов с р-n- переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт — амперных характеристик: стоковые и стоко — затворные.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа показаны на рис. 5.3, а. Они отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic = f(Uси) при Uзи = const.

Рисунок 5.3 — Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а — стоковые (выходные); б — стоко — затворная

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси. При Uси = 0 выходной ток Iс = 0. При Uси 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uси нас. При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uси нас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик.

Стоко — затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси: Ic = f(Uси) при Uси = const (рис. 5.3, б).

5.1.3 Основные параметры

· максимальный ток стока Iс max (при Uзи = 0);

· максимальное напряжение сток-исток Uси max;

· напряжение отсечки Uзи отс;

· внутреннее (выходное) сопротивление ri ? представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока:

· крутизна стоко-затворной характеристики:

отображает влияние напряжение затвора на выходной ток транзистора;

· входное сопротивление при Uси = const транзистора определяется сопротивлением р-n- переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-n- переходом довольно велико (достигает единиц и десятков мегаом), что выгодно отличает их от биполярных транзисторов.

5.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

5.2.1 Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП — транзистор) — это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

МДП — транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов — МОП — транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Принцип действия МДП — транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП — транзисторы выполняют двух типов — со встроенным и с индуцированным каналом.

Рассмотрим особенности МДП — транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 5.4, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности — n. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод — затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

Рисунок 5.4 — Конструкция МДП — транзистора со встроенным каналом n- типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда — электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.

При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси 0), протекает ток стока Iс нач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Конструкция МДП — транзистора с индуцированным каналом n- типа показана на рис. 5.5, а

Рисунок 5.5 — Конструкция МДП — транзистора с индуцированным каналом n-типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р- типа и на одном из р-n- переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Условное обозначения МДП — транзисторов приведены на рис. 5.6.

Рисунок 5.6 — Условное обозначение МДП — транзисторов:

а ? со встроенным каналом n- типа;

б ? со встроенным каналом р- типа;

в ? с выводом от подложки;

г ? с индуцированным каналом n- типа;

д ? с индуцированным каналом р- типа;

е ? с выводом от подложки

5.2.2 Статические характеристики МДП — транзисторов

Стоковые (выходное) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n- типа Ic = f(Uси) показаны на рис. 5.4, б.

При Uзи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения Uзи 0 поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны — носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при Uзи 0 располагаются ниже кривой, соответствующей Uзи = 0.

При подаче на затвор напряжения Uзи 0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины (подложки) р- типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи 0 располагаются выше исходной кривой при Uзи = 0.

Стоко-затворная характеристика транзистора со встроенным каналом n-типа Ic = f(Uзи) приведена на рис. 5.4, б.

Стоковые (выходные) характеристики Ic=f(Uси) и стоко-затворная характеристика Ic = f(Uзи) полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 5.5, б; в.

Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Ic = 0 при Uси = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.

5.2.3 Основные параметры МДП транзисторов

Параметры МДП — транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р-n- переходом.

Что касается входного сопротивления то МДП — транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р-n- переходом. Входное сопротивление у них составляет rвх = 1012 … 1014 Ом.

5.2.4 Область применения

Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении интегральных схем и др.

5.3 Основные схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 5.7).

Рисунок 5.7 — Схемы включения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.

5.4 Простейший усилительный каскад на полевых транзисторах

В настоящее время широко применяются усилители, выполненные на полевых транзисторах. На рис. 5.9 приведена схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ и одним источником питания.

Режим работы полевого транзистора в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока Iсп и соответствующим ему напряжением сток-исток Uсип. Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора Uзип. Это напряжение возникает на резисторе Rи при прохождении тока Iсп (URи = Iсп Rи) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R3. Резистор Rи, кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя Iсп. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си и таким образом обеспечивают неизменность коэффициента усиления каскада. Сопротивление конденсатора Си на наименьшей частоте сигнала должно быть намного большим сопротивления резистора Rи, которое определяют по выражению:

где Uзип, Iсп — напряжение затвор-исток и ток стока при отсутствии входного сигнала.

Емкость конденсатора выбирается из условия:

где fmin — наинизшая частота входного сигнала.

Конденсатор Ср называется разделительным. Он используется для развязки усилителя по постоянному току от источника входного сигнала.

Резистор Rс выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого напряжением между затвором и истоком.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения uвх напряжение между затвором и истоком будет изменяться во времени Uзи(t) = uвх; ток стока также будет изменяться во времени, т.е. появится переменная составляющая Ic(t) = ic. Изменение это тока приводит к изменению напряжения между стоком и истоком; его переменная составляющая uс равная по величине и противоположная по фазе падению напряжения на резисторе Rс, является входным напряжением усилительного каскада Uси(t) = uc = uвых = ?Rcic.

В усилителях на МДП — транзисторах с индуцированным каналом необходимое напряжение Uзип обеспечивается включением в цепь затвора делителя R1R2 (рис. 5.10).

От выбранного значения тока делителя Iд = Ес/(R1+R2) зависят сопротивления резисторов R1 и R2. Поэтому ток делителя выбирают исходя из обеспечения требуемого входного сопротивления усилителя.

5.5 Расчет электрических цепей с полевыми транзисторами

В усилителе на полевом транзисторе, схема которого приведена на рис. 5.9, ток стока Ic и напряжение Uси связаны уравнением:

В соответствии с этим уравнением можно построить линию нагрузки (нагрузочную характеристику):

Для ее построения на семействе статических выходных (стоковых) характеристик полевого транзистора достаточно определить две точки:

1-я точка: полагает Ic = 0, тогда Uси = Ес;

2-я точка: полагает Uси = 0, тогда Ic = Ес/(Rc+Rи).

Графическим решением уравнения для выходной цепи рассматриваемого каскада являются точки пересечения линии нагрузки со стоковыми характеристиками.

Рисунок 5.11 — Графический расчет режима покоя каскада на полевом транзисторе при помощи выходных и входной характеристик

Значение тока стока Iс и напряжения Uси зависят также от напряжения затвора Uзи. Три параметра Iсп, Uсип и Uзип определяют исходный режим, или режим покоя усилителя. На выходных характеристиках этот режим отображается точкой По, лежащей на пересечении выходной нагрузочной характеристики с выходной статической характеристикой, снятой при заданном значении напряжения затвора.

Резистор R3 предназначен для подачи напряжения Uзип с резистора Rи между затвором и истоком транзистора. Сопротивление R3 принимают равным 1…2 МОм.

Сопротивление резистора Rи для обеспечения режима покоя, харак-теризуемого значениями Iс = Iсп и Uзи = Uзип (точка По, рис. 5.11), рассчитывают по формуле:

Подобные документы

Создание полупроводниковых приборов для силовой электроники. Транзисторы с изолированным затвором. Схемы включения полевых транзисторов. Силовые запираемые тиристоры. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Назначение защитной цепи.

реферат [280,5 K], добавлен 03.02.2011

История создания полевых транзисторов. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Принцип действия МДП-структур специального назначения. Схемы включения полевых транзисторов, их применение в радиоэлектронике, перспективы развития.

реферат [1,3 M], добавлен 30.05.2014

Физические основы полупроводниковых приборов. Принцип действия биполярных транзисторов, их статические характеристики, малосигнальные параметры, схемы включения. Полевые транзисторы с управляющим электронно-дырочным переходом и изолированным затвором.

контрольная работа [637,3 K], добавлен 13.02.2015

Устройство плоскостного биполярного транзистора. Концентрация основных носителей заряда. Схемы включения биполярных транзисторов. Статические характеристики биполярных транзисторов. Простейший усилительный каскад. Режимы работы и область применения.

лекция [529,8 K], добавлен 19.11.2008

Конструкции полевых транзисторов с управляющим р-п переходом. Стоко-затворная и стоковая (выходная) характеристики, параметры и принцип действия транзисторов. Структура транзисторов с изолированным затвором. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью.

реферат [822,3 K], добавлен 21.08.2015

Устройство полевого транзистора: схемы включения и параметры. Эквивалентная схема, частотные и шумовые свойства. Устойчивость полевого транзистора при работе в диапазоне температур (тепловые параметры). Вольт-амперные характеристики транзистора.

реферат [174,3 K], добавлен 27.05.2012

Применение полевых транзисторов в усилителях. Виды полевых транзисторов (с управляющим переходом и с изолированным затвором). Преимущества и недостатки полевых транзисторов. Строение полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом.

курсовая работа [867,1 K], добавлен 09.05.2014

Транзисторы– полупроводниковый прибор, пригодный для усиления мощности. Принцип действия n–p–n транзистора в режиме без нагрузки. Усиление каскада с помощью транзистора. Схемы включения транзисторов и работы с общим эмиттером и с общим коллектором.

реферат [63,2 K], добавлен 05.02.2009

Устройство, принцип действия и режимы работы биполярного транзистора; классификация, схемы включения, вольт-амперные характеристики. Расчет электрических цепей с полупроводниковыми приборами. Определение рабочей точки, технология изготовления, применение.

презентация [662,5 K], добавлен 14.11.2014

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (РТ) новой технологии (IGBT) против полевых МОП транзисторов. Улучшенные динамические характеристики. Рабочие частоты и токи. Положительный температурный коэффициент. Потери проводимости и переключения.

статья [176,9 K], добавлен 27.09.2009

MOSFET транзисторы

Полевой транзистор с изолированным затвором

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n — переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).

Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел — полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO2).

Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик — полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов — IRFZ44N.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.

Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.

Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO2). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом ( +) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO2). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET” или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука .

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому — напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.

Принцип действия полевого транзистора с изолированным затвором. Полевые транзисторы. Виды и устройство. Применение и особенности

Полевой транзистор с управляющим электронно-дырочным переходом имеет 2 невыпрямляющих контакта к области полупроводника, через которую проходит ток и один (либо два) управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в обратном направлении .

Изменением обратного напряжения на переходе управляют шириной перехода, тем самым изменяется толщина слоя полупроводника, по которому протекает ток.

Область полупроводника, по которой протекает ток основных носителей, называется каналом .

Электрод, из которого основные носители входят в канал, называется истоком .

Электрод, через который основные носители уходят из канала, называется стоком .

Электрод, служащий для управления толщиной канала, называется затвором.

Различают два типа полевых транзисторов:

Канал в полевых транзисторах может иметь проводимость -типа и -типа. Однако при использовании канала -типа будут худшие частотные свойства, хуже стабильность параметров и выше уровень шумов по сравнению с каналом -типа.

Устройство и графическое изображение различных полевых транзисторов на основе кристалла полупроводника -типа приведено на рисунках.

Транзистор с управляющим

МДП транзистор с индуцированным каналом

МДП транзистор со встроенным каналом

Ток в полевых транзисторах обусловлен движением в канале только основных носителей заряда (это дрейф основных носителей заряда под действием электрического поля). Управляющее поле создается обратным напряжением на управляющем

переходе или на затворе в МДП транзисторах. Токи в цепи управления (в затворе) имеют малую величину, и, следовательно, входное дифференциальное сопротивление цепи управления велико.

С точки зрения проводимости и входных токов и сопротивления, полевые транзисторы близки к электронным лампам. Поэтому, как и в лампах, усилительные свойства полевых транзисторов принято характеризовать крутизной характеристики, определяющей зависимость выходного тока (тока стока) от напряжения, приложенного ко входной цепи (цепи затвора).

Принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом.

Графическое изображение транзистора и его включение по схеме с общим истоком приведено на рисунке.

Из рисунка видно, что электрическое сопротивление канала между истоком и стоком зависит от толщины канала. Толщина канала может уменьшаться за счет изменения ширины

перехода зависит от приложенного к нему обратного напряжения, то есть изменяется при изменении отрицательного напряжения затвор-исток

Следовательно, изменяя напряжение затвор-исток, можно управлять электрическим сопротивлением канала.

При подаче положительного напряжения между стоком и истоком

под действием электрического поля возникает дрейф основных носителей зарядов в канале -типа от стока к истоку.

В результате приложения положительного напряжения между стоком и истоком изменяется электрическое поле в теле полупроводника, что приводит к изменению конфигурации

перехода –будет наблюдаться вытягивание запирающего слоя по направлению к стоку.

Объясняется данный процесс следующим образом. Если не учитывать сопротивление канала, можно считать, что потенциал у стока соответствует напряжению

перехода потенциал на переходе у стока будет определяться величиной

и тем самым увеличивается потенциальный барьер на переходе и его ширина. В тоже самое время потенциал у истока остается неизменным и определяется напряжением

Приложение положительного напряжения

вызывает не только протекание тока стока по каналу, но и изменение конфигурации самого канала. Значение тока стока определяется сопротивлением канала.

Ток затвора обусловлен движением неосновных носителей зарядов через обратно смещенный электронно-дырочный переход. Ввиду незначительной концентрации неосновных носителей заряда ток затвора мал.

Током стока можно управлять напряжением затвор-исток

. При некотором значении напряжения

ширина перехода может возрасти до такой величины, что весь канал будет перекрыт. При этом ток стока будет равен нулю и транзистор запирается.

, при котором транзистор запирается, называется напряжением отсечки

Как отмечалось выше, увеличение ширины электронно-дырочного перехода также происходит и при возрастании напряжения сток-исток

. Можно предположить, что при этом также возможно полное запирание канала.

Практически полного запирания канала не наблюдается, то есть в цепи стока протекает некоторый ток. Это связано с тем, что возрастание напряжения сток-исток приводит к вытягиванию запирающего слоя в направлении стока и при этом всегда остается некоторая конечная толщина канала.

Выходные вольт-амперные характеристики полевого транзистора определяют зависимость тока стока от напряжения на стоке

при фиксированном напряжении затвора:

Типичное семейство выходных статических характеристик полевого транзистора с управляющим

переходом и -каналом приведено на рис. . На рис. приведены статические характеристики передачи полевого транзистора с управляющим

переходом и -каналом.

Выходные статические характеристики полевого транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом (рис.) имеют два характерных участка:

начальный участок –крутая зависимость тока стока от напряжения сток-исток;

пологий участок –ток стока практически не зависит от напряжения сток- исток.

При фиксированном значении напряжения

проводящий канал имеет определенное сопротивление, зависящее от его длины и поперечного сечения. Поэтому при начальном увеличении напряжения

сопротивление остается практически постоянным и ток на выходе возрастает пропорционально напряжению. Однако по мере роста напряжения

к управляющему электронно-дырочному переходу прикладывается все большее обратное напряжение (в области стока), что приводит к уменьшению площади поперечного сечения канала, и как следствие, его сопротивления.

При некотором значении напряжения сток-исток, получившим название напряжения насыщения

-происходит полное перекрытие канала и в дальнейшем не наблюдается роста стока при увеличении напряжения

Очевидно, что наибольшее значение тока стока будет при нулевом напряжении затвор-исток. Чем больше абсолютное значение напряжения затвор-исток тем меньше начальное поперечное сечение канала, и, следовательно, выше его сопротивление.

При больших значениях напряжения сток-исток может возникнуть электрический пробой обратно смещенного перехода затвор-исток. Пробой электронно-дырочных переходов кремниевых полевых транзисторов носит лавинный характер.

Статические характеристики передачи (рис.) представляют зависимость тока насыщения стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

Каждый электрик должен знать:  Модуляция

Основным рабочим режимом полевых транзисторов с управляющим

переходом являетсярежим насыщения тока стока .

Статические характеристики передачи дают возможность определить один из основных параметров транзистора, характеризующий его усилительные свойства — крутизну характеристики

, представляющую отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе.

Для полевых транзисторов с управляющим

переходом характерно то, что их максимальная проводимость наблюдается при нулевом смещении на затворе. С ростом смещения (по абсолютной величине) проводимость канала уменьшается. Смещение для полевых транзисторов управляющим

переходом имееттолько одну полярность, которая соответствует отсутствию инжекции основных носителей через переход.

Для полевых транзисторов с изолированным затвором характерно наличие диэлектрического слоя между металлическим электродом затвора и материалом полупроводника.

Наличие диэлектрика снимает ограничение на полярность управляющего напряжения — оно может быть как положительным, так и отрицательным.

Полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами. Особенностью их является то, что ток выхода управляется электрическим полем и напряжением одной полярности. Регулирующий сигнал поступает на затвор и осуществляет регулировку проводимости перехода транзистора. Этим они отличаются от биполярных транзисторов, в которых сигнал возможен с разной полярностью. Другим отличительным свойством полевого транзистора является образование электрического тока основными носителями одной полярности.

Разновидности

Существует множество разных видов полевых транзисторов, действующих со своими особенностями. Разберемся, по каким признакам классифицируются полевые транзисторы.

Тип проводимости. От нее зависит полюсность напряжения управления.
Структура: диффузионные, сплавные, МДП, с барьером Шоттки.
Количество электродов: бывают транзисторы с 3-мя или 4-мя электродами. В варианте с 4-мя электродами подложка является отдельной частью, что дает возможность управлять прохождением тока по переходу.
Материал изготовления : наиболее популярными стали приборы на основе германия, кремния. В маркировке транзистора буква означает материал полупроводника. В транзисторах, производимых для военной техники, материал маркируется цифрами.
Тип применения: обозначается в справочниках, на маркировке не указан. На практике известно пять групп применения «полевиков»: в усилителях низкой и высокой частоты, в качестве электронных ключей, модуляторов, усилителей постоянного тока.
Интервал рабочих параметров: набор данных, при которых полевики могут работать.
Особенности устройства: унитроны, гридисторы, алкатроны. Все приборы имеют свои отличительные данные.
Количество элементов конструкции: комплементарные, сдвоенные и т. д.

Кроме основной классификации «полевиков», имеется специальная классификация, имеющая принцип действия:

Полевые транзисторы с р-n переходом, который осуществляет управление.
Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
«Полевики» с изолированным затвором, которые делятся:
— с индукционным переходом;
— со встроенным переходом.

В научной литературе предлагается вспомогательная классификация. В ней говорится, что полупроводник на основе барьера Шоттки необходимо выделить в отдельный класс, так как это отдельная структура. В один и тот же транзистор может входить сразу оксид и диэлектрик, как в транзисторе КП 305. Такие методы применяют для образования новых свойств полупроводника, либо для снижения их стоимости.

На схемах полевики имеют обозначения выводов: G – затвор, D – сток, S – исток. Подложку транзистора называют «substrate».

Конструктивные особенности

Электрод управления полевым транзистором в электронике получил название затвора. Его переход выполняют из полупроводника с любым видом проводимости. Полярность напряжения управления может быть с любым знаком. Электрическое поле определенной полярности выделяет свободные электроны до того момента, пока на переходе не закончатся свободные электроны. Это достигается воздействием электрического поля на полупроводник, после чего величина тока приближается к нулю. В этом заключается действие полевого транзистора.

Электрический ток проходит от истока к стоку. Разберем отличия этих двух выводов транзистора. Направление движения электронов не имеет значения. Полевики обладают свойством обратимости. В радиотехнике полевые транзисторы нашли свою популярность, так как они не образуют шумов по причине униполярности носителей заряда.

Главной особенностью полевых транзисторов является значительная величина сопротивления входа. Это особенно заметно по переменному току. Эта ситуация получается по причине управления по обратному переходу Шоттки с определенным смещением, или по емкости конденсатора возле затвора.

Материалом подложки выступает нелегированный полупроводник. Для «полевиков» с переходом Шоттки вместо подложки закладывают арсенид галлия, который в чистом виде является хорошим изолятором.

К нему предъявляются требования:

На практике оказывается трудным создание структурного слоя со сложным составом, отвечающим необходимым условиям. Поэтому дополнительным требованием является возможность медленного наращивания подложки до необходимых размеров.

Полевые транзисторы с р- n переходом

В такой конструкции тип проводимости затвора имеет отличия от проводимости перехода. Практически применяются различные доработки. Затвор может быть изготовлен из нескольких областей. В итоге наименьшим напряжением можно осуществлять управление прохождением тока, что повышает коэффициент усиления.

В разных схемах применяется обратный вид перехода со смещением. Чем больше смещение, тем меньше ширина перехода для прохождения тока. При определенной величине напряжения транзистор закрывается. Применение прямого смещения не рекомендуется, так как мощная цепь управления может оказать влияние на затвор. Во время открытого перехода проходит значительный ток, или повышенное напряжение. Работа в нормальном режиме создается путем правильного выбора полюсов и других свойств источника питания, а также подбором точки работы транзистора.

Во многих случаях специально применяют непосредственные токи затвора. Такой режим могут применять и транзисторы, у которых подложка образует переход вида р-n. Заряд от истока разделяется на сток и затвор. Существует область с большим коэффициентом усиления тока. Этот режим управляется затвором. Однако, при возрастании тока эти параметры резко падают.

Подобное подключение применяется в схеме частотного затворного детектора. Он применяет свойства выпрямления перехода канала и затвора. В таком случае прямое смещение равно нулю. Транзистор также управляется затворным током. В цепи стока образуется большое усиление сигнала. Напряжение для затвора изменяется по закону входа и является запирающим для затвора.

Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:

  • Постоянная величина. Не применяется.
  • Сигнал несущей частоты. Отводится на заземление с применением фильтров.
  • Сигнал с модулирующей частотой. Подвергается обработке для получения из него информации.

В качестве недостатка затворного детектора целесообразно выделить значительный коэффициент искажений. Результаты для него отрицательные для сильных и слабых сигналов. Немного лучший итог показывает фазовый детектор, выполненный на транзисторе с двумя затворами. Опорный сигнал подается на один их электродов управления, а информационный сигнал, усиленный «полевиком», появляется на стоке.

Несмотря на значительные искажения, этот эффект имеет свое назначение. В избирательных усилителях, которые пропускают определенную дозу некоторого спектра частот. Гармонические колебания фильтруются и не влияют на качество действия схемы.

Транзисторы МеП, что означает – металл-полупроводник, с переходом Шоттки практически не отличаются от транзисторов с р-n переходом. Так как переход МеП имеет особые свойства, эти транзисторы могут функционировать на повышенной частоте. А также, структура МеП простая в изготовлении. Характеристики по частоте зависят от времени заряда затворного элемента.

МДП-транзисторы

База элементов полупроводников постоянно расширяется. Каждая новая разработка изменяет электронные системы. На их базе появляются новые приборы и устройства. МДП-транзистор действует путем изменения проводимости полупроводникового слоя с помощью электрического поля. От этого и появилось название – полевой.

Обозначение МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-полупроводник. Это дает характеристику состава прибора. Затвор изолирован от истока и стока тонким диэлектриком. МДП транзистор современного вида имеет размер затвора 0,6 мкм, через который может протекать только электромагнитное поле. Оно оказывает влияние на состояние полупроводника.

При возникновении нужного потенциала на затворе возникает электромагнитное поле, которое оказывает влияние на сопротивление участка стока-истока.

Достоинствами такого применения прибора является:

  • Повышенное сопротивление входа прибора. Это свойство актуально для применения в цепях со слабым током.
  • Небольшая емкость участка сток-исток дает возможность применять МДП-транзистор в устройствах высокой частоты. При передаче сигнала искажений не наблюдается.
  • Прогресс в новых технологиях производства полупроводников привел к разработке транзисторов IGBT, которые включают в себя положительные моменты биполярных и полевых приборов. Силовые модули на их основе широко применяются в приборах плавного запуска и преобразователях частоты.

При разработке таких элементов нужно учесть, что МДП-транзисторы имеют большую чувствительность к повышенному напряжению и статическому электричеству. Транзистор может сгореть при касании к его выводам управления. Следовательно, при их установке необходимо применять специальное заземление.

Такие транзисторы обладают многими уникальными свойствами (например, управление электрическим полем), поэтому они популярны в составе электронной аппаратуры. Также следует отметить, что технологии изготовления транзисторов постоянно обновляется.

ТЕМА 5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор – это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП — или МОП — транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа – электронной.

5.1 Полевые транзисторы с управляющим р- n- переходом

5.1.1 Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с управляющим р-n- переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении.

Рисунок 5.1 – Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (каналом n- типа)

Рисунок 5.2 – Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа (а), каналом р- типа (б)

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.

Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором.

Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток р-n- перехода, получается во много раз меньше, чем у германия.

Условные обозначения полевых транзисторов с каналом n- и р- типов приведены на рис. 5.2.

Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 5.1. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратным для обоих р-n- переходов. Ширина р-n- переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения Uси, то силой тока стока Iс, протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р-n- переходом.

При напряжении Uзи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим.

Ток стока Iс нач при Uзи = 0 называют начальным током стока.

Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки Uзиотс.

5.1.2 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р- n- переходом

Рассмотрим вольт — амперные характеристики полевых транзисторов с р-n- переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт — амперных характеристик: стоковые и стоко — затворные.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа показаны на рис. 5.3, а. Они отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic= f(Uси) при Uзи = const.

Рисунок 5.3 – Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые (выходные); б – стоко — затворная

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси. При Uси = 0 выходной ток Iс = 0. При Uси > 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uсинас. При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uсинас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик.

Стоко — затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси: Ic= f(Uси) при Uси = const (рис. 5.3, б).

5.1.3 Основные параметры

· максимальный ток стока Iсmax (при Uзи = 0);

· максимальное напряжение сток-исток Uсиmax;

· напряжение отсечки Uзиотс;

· внутреннее (выходное) сопротивление ri − представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока:

· крутизна стоко-затворной характеристики:

отображает влияние напряжение затвора на выходной ток транзистора;

· входное сопротивление при Uси = const транзистора определяется сопротивлением р-n- переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-n- переходом довольно велико (достигает единиц и десятков мегаом), что выгодно отличает их от биполярных транзисторов.

5.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

5.2.1 Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП — транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

МДП — транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП — транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Принцип действия МДП — транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП — транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

Рассмотрим особенности МДП — транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 5.4, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

Рисунок 5.4 – Конструкция МДП — транзистора со встроенным каналом n- типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда – электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.

При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси > 0), протекает ток стока Iснач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Конструкция МДП — транзистора с индуцированным каналом n- типа показана на рис. 5.5, а

Рисунок 5.5 – Конструкция МДП — транзистора с индуцированным каналом n-типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р- типа и на одном из р-n- переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Условное обозначения МДП — транзисторов приведены на рис. 5.6.

Рисунок 5.6 – Условное обозначение МДП — транзисторов:

а − со встроенным каналом n- типа;

б − со встроенным каналом р- типа;

в − с выводом от подложки;

г − с индуцированным каналом n- типа;

д − с индуцированным каналом р- типа;

е − с выводом от подложки

5.2.2 Статические характеристики МДП — транзисторов

Стоковые (выходное) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n- типа Ic= f(Uси) показаны на рис. 5.4, б.

При Uзи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения Uзи 0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины (подложки) р- типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи > 0 располагаются выше исходной кривой при Uзи = 0.

Стоко-затворная характеристика транзистора со встроенным каналом n-типа Ic= f(Uзи) приведена на рис. 5.4, б.

Стоковые (выходные) характеристики Ic=f(Uси) и стоко-затворная характеристика Ic= f(Uзи) полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 5.5, б; в.

Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Ic= 0 при Uси = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.

5.2.3 Основные параметры МДП — транзисторов

Параметры МДП — транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р-n- переходом.

Что касается входного сопротивления то МДП — транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р-n- переходом. Входное сопротивление у них составляет rвх = 1012 … 1014 Ом.

5.2.4 Область применения

Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении интегральных схем и др.

5.3 Основные схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 5.7).

Рисунок 5.7 – Схемы включения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.

5.4 Простейший усилительный каскад на полевых транзисторах

В настоящее время широко применяются усилители, выполненные на полевых транзисторах. На рис. 5.9 приведена схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ и одним источником питания.

Режим работы полевого транзистора в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока Iсп и соответствующим ему напряжением сток-исток Uсип. Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора Uзип. Это напряжение возникает на резисторе Rи при прохождении тока Iсп (URи = Iсп Rи) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R3. Резистор Rи, кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя Iсп. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си и таким образом обеспечивают неизменность коэффициента усиления каскада. Сопротивление конденсатора Си на наименьшей частоте сигнала должно быть намного большим сопротивления резистора Rи, которое определяют по выражению:

где Uзип, Iсп – напряжение затвор-исток и ток стока при отсутствии входного сигнала.

Емкость конденсатора выбирается из условия:

где fmin – наинизшая частота входного сигнала.

Конденсатор Ср называется разделительным. Он используется для развязки усилителя по постоянному току от источника входного сигнала.

Резистор Rс выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого напряжением между затвором и истоком.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения uвх напряжение между затвором и истоком будет изменяться во времени DUзи(t) = uвх; ток стока также будет изменяться во времени, т.е. появится переменная составляющая DIc(t) = ic. Изменение это тока приводит к изменению напряжения между стоком и истоком; его переменная составляющая uс равная по величине и противоположная по фазе падению напряжения на резисторе Rс, является входным напряжением усилительного каскада DUси(t) = uc= uвых = −Rcic.

В усилителях на МДП — транзисторах с индуцированным каналом необходимое напряжение Uзип обеспечивается включением в цепь затвора делителя R1R2 (рис. 5.10).

От выбранного значения тока делителя Iд = Ес/(R1+R2) зависят сопротивления резисторов R1 и R2. Поэтому ток делителя выбирают исходя из обеспечения требуемого входного сопротивления усилителя.

5.5 Расчет электрических цепей с полевыми транзисторами

В усилителе на полевом транзисторе, схема которого приведена на рис. 5.9, ток стока Ic и напряжение Uси связаны уравнением:

В соответствии с этим уравнением можно построить линию нагрузки (нагрузочную характеристику):

Для ее построения на семействе статических выходных (стоковых) характеристик полевого транзистора достаточно определить две точки:

1-я точка: полагает Ic= 0, тогда Uси = Ес;

2-я точка: полагает Uси = 0, тогда Ic= Ес/(Rc+Rи).

Графическим решением уравнения для выходной цепи рассматриваемого каскада являются точки пересечения линии нагрузки со стоковыми характеристиками.

Рисунок 5.11 – Графический расчет режима покоя каскада на полевом транзисторе при помощи выходных и входной характеристик

Значение тока стока Iс и напряжения Uси зависят также от напряжения затвора Uзи. Три параметра Iсп, Uсип и Uзип определяют исходный режим, или режим покоя усилителя. На выходных характеристиках этот режим отображается точкой По, лежащей на пересечении выходной нагрузочной характеристики с выходной статической характеристикой, снятой при заданном значении напряжения затвора.

Резистор R3 предназначен для подачи напряжения Uзип с резистора Rи между затвором и истоком транзистора. Сопротивление R3 принимают равным 1…2 МОм.

Сопротивление резистора Rи для обеспечения режима покоя, харак-теризуемого значениями Iс = Iсп и Uзи = Uзип (точка По, рис. 5.11), рассчитывают по формуле.

Полевые транзисторы

Полевые (униполярные) транзисторы делятся на транзисторы с управляющим p–n-переходом (рис. 1) и с изолированным затвором. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом проще биполярного.

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока Iс. Между затвором и истоком полевого транзистора приложено обратное напряжение, запирающее p–n-переход, образованный n-областью канала и p-областью затвора.

Таким образом, в полевом транзисторе с n-каналом полярности приложенных напряжений следующие: Uси>0, Uзи≤0. При подаче запирающего напряжения на p-n-переход между затвором и каналом (см. рис. 2, а) на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением.

Рис. 1. Структура (а) и схема (б) полевого транзистора с затвором в виде p–n -перехода и каналом n-типа; 1,2 – области канала и затвора; 3,4,5 – выводы истока, стока, затвора

Рис. 2. Ширина канала в полевом транзисторе при Uси = 0 (а) и при Uси >0 (б)

Это приводит к уменьшению ширины проводящего канала. При подаче напря-жения между истоком и стоком обедненный слой становится неравномерным (рис. 2,б), сечение канала возле стока уменьшается, и проводимость канала тоже уменьшается.

ВАХ полевого транзистора приведены на рис. 3. Здесь зависи-мости тока стока Iс от напряжения Uси при постоянном напряжении на затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора ( рис. 3,а).

Рис. 3. Выходные (а) и передаточная (б) вольт-амперные характеристики полевого транзистора.

На начальном участке характеристик ток стока возрастает с увеличением Uси. При повышении напряжения сток–исток до Uси=Uзап–[Uзи] происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения).

Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком приводит к меньшим значениям напряжения Uси и тока Iс, при которых происходит перекрытие канала.

Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою p–n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика Iс=f(Uзи) (рис. 3,б).

На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси. Из нее видно, что в отсутствии входного напряжения (затвор–сток) канал обладает определенной проводимостью и пропускает ток, называемый начальным током стока Ic0.

Чтобы практически «запереть» канал, необходимо приложить к входу напряжение отсечки Uотс. Входная характеристика полевого транзистора – зависимость тока утечки затвора I3 от напряжения затвор – исток – обычно не используется, так как при Uзи n -переход между затвором и каналом закрыт и ток затвора очень мал (I3=10-8 …10-9 А), поэтому во многих случаях им можно пренебречь.

Как и в случае биполярных транзисторов, полевые имеют три схемы включения: с общим затвором, стоком и истоком (рис. 4). Передаточная ВАХ полевого транзистора с управляющим p–n-переходом представлена на рис. 3,б.

Рис. 4. Схема включения полевого транзистора с общим истоком с управляющим p–n-переходом

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим p–n-переходом перед биполярными являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, низкое падение напряжения на открытом полностью канале. Однако полевые транзисторы обладают таким недостатком, как необходимость работать в отрицательных областях ВАХ, что усложняет схемотехнику.

Добавить комментарий