Особенности полевых транзисторов. Полевой моп транзистор. ● Инверсное включение транзистора

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.

а) б)

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:

при Uзи = const;

· крутизна стоко-затворной характеристики:

при Uси = const,

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

Технологические возможности и успехи в разработке мощных полевых транзисторов привели к тому, что в настоящее время не составляет особого труда приобрести их за приемлемую цену.

В связи с этим возрос интерес радиолюбителей к применению таких MOSFET транзисторов в своих электронных самоделках и проектах.

Стоит отметить тот факт, что MOSFET"ы существенно отличаются от своих биполярных собратьев, как по параметрам, так и своему устройству.

Пришло время ближе познакомиться с устройством и параметрами мощных MOSFET транзисторов, чтобы в случае необходимости более осознанно подобрать аналог для конкретного экземпляра, а также иметь возможность понимать суть тех или иных величин, указанных в даташите.

Что такое HEXFET транзистор?

В семействе полевых транзисторов есть отдельная группа мощных полупроводниковых приборов называемых HEXFET. Их принцип работы основан на весьма оригинальном техническом решении. Их структура представляет собой несколько тысяч МОП ячеек включенных параллельно.

Ячеистые структуры образуют шестиугольник. Из-за шестиугольной или по-другому гексагональной структуры данный тип мощных МОП-транзисторов и называют HEXFET. Первые три буквы этой аббревиатуры взяты от английского слова hex agonal – «гексагональный».

Под многократным увеличением кристалл мощного HEXFET транзистора выглядит вот так.

Как видим, он имеет шестиугольную структуру.

Получается, что мощный MOSFET, по сути представляет собой эдакую супер-микросхему, в которой объединены тысячи отдельных простейших полевых транзисторов. В совокупности они создают один мощный транзистор, который может пропускать через себя большой ток и при этом практически не оказывать значительного сопротивления.

Благодаря особой структуре и технологии изготовления HEXFET, сопротивление их канала R DS(on) удалось заметно снизить. Это позволило решить проблему коммутации токов в несколько десятков ампер при напряжении до 1000 вольт.

Вот только небольшая область применения мощных HEXFET транзисторов:

Схемы коммутации электропитания.

Зарядные устройства.

Системы управления электродвигателями.

Усилители низкой частоты.

Несмотря на то, что мосфеты, изготовленные по технологии HEXFET (параллельных каналов) обладают сравнительно небольшим сопротивлением открытого канала, сфера применения их ограничена, и они применяются в основном в высокочастотных сильноточных схемах. В высоковольтной силовой электронике предпочтение порой отдают схемам на основе IGBT .

Изображение MOSFET транзистора на принципиальной электрической схеме (N-канальный МОП).

Как и биполярные транзисторы, полевые структуры могут быть прямой проводимости или обратной. То есть с P-каналом или N-каналом. Выводы обозначаются следующим образом:

D-drain (сток);

S-source (исток);

G-gate (затвор).

О том, как обозначаются полевые транзисторы разных типов на принципиальных схемах можно узнать на этой странице .

Основные параметры полевых транзисторов.

Вся совокупность параметров MOSFET может потребоваться только разработчикам сложной электронной аппаратуры и в даташите (справочном листе), как правило, не указывается. Достаточно знать основные параметры:

V DSS (Drain-to-Source Voltage) – напряжение между стоком и истоком. Это, как правило, напряжение питания вашей схемы. При подборе транзистора всегда необходимо помнить о 20% запасе.

I D (Continuous Drain Current) – ток стока или непрерывный ток стока. Всегда указывается при постоянной величине напряжения затвор-исток (например, V GS =10V). В даташите, как правило, указывается максимально возможный ток.

R DS(on) (Static Drain-to-Source On-Resistance) – сопротивление сток-исток открытого канала. При увеличении температуры кристалла сопротивление открытого канала увеличивается. Это легко увидеть на графике, взятом из даташита одного из мощных HEXFET транзисторов. Чем меньше сопротивление открытого канала (R DS(on)), тем лучше мосфет. Он меньше греется.

P D (Power Dissipation) – мощность транзистора в ваттах. По-иному этот параметр ещё называют мощностью рассеяния. В даташите на конкретное изделие величина данного параметра указывается для определённой температуры кристалла.

V GS (Gate-to-Source Voltage) – напряжение насыщения затвор-исток. Это напряжение, при превышении которого увеличения тока через канал не происходит. По сути, это максимальное напряжение между затвором и истоком.

V GS(th) (Gate Threshold Voltage) – пороговое напряжение включения транзистора. Это напряжение, при котором происходит открытие проводящего канала и он начинает пропускать ток между выводами истока и стока. Если между выводами затвора и истока приложить напряжение меньше V GS(th) , то транзистор будет закрыт.

На графике видно, как уменьшается пороговое напряжение V GS(th) при увеличении температуры кристалла транзистора. При температуре 175 0 C оно составляет около 1 вольта, а при температуре 0 0 C около 2,4 вольт. Поэтому в даташите, как правило, указывается минимальное (min. ) и максимальное (max. ) пороговое напряжение.

Рассмотрим основные параметры мощного полевого HEXFET-транзистора на примере IRLZ44ZS фирмы International Rectifier. Несмотря на впечатляющие характеристики, он имеет малогабаритный корпус D 2 PAK для поверхностного монтажа. Глянем в datasheet и оценим параметры этого изделия.

Предельное напряжение сток-исток (V DSS): 55 Вольт.

Максимальный ток стока (I D): 51 Ампер.

Предельное напряжение затвор-исток (V GS): 16 Вольт.

Сопротивление сток-исток открытого канала (R DS(on)): 13,5 мОм.

Максимальная мощность (P D): 80 Ватт.

Сопротивление открытого канала IRLZ44ZS составляет всего лишь 13,5 миллиОм (0,0135 Ом)!

Взглянем на «кусочек» из таблицы, где указаны максимальные параметры.

Хорошо видно, как при неизменном напряжении на затворе, но при повышении температуры уменьшается ток (с 51A (при t=25 0 C) до 36А (при t=100 0 С)). Мощность при температуре корпуса 25 0 С равна 80 Ваттам. Так же указаны некоторые параметры в импульсном режиме.

Транзисторы MOSFET обладают большим быстродействием, но у них есть один существенный недостаток – большая ёмкость затвора. В документах входная ёмкость затвора обозначается как C iss (Input Capacitance ).

На что влияет ёмкость затвора? Она в большой степени влияет на определённые свойства полевых транзисторов. Поскольку входная ёмкость достаточно велика, и может достигать десятков пикофарад, применение полевых транзисторов в цепях высокой частоты ограничивается.

Важные особенности MOSFET транзисторов.

Очень важно при работе с полевыми транзисторами, особенно с изолированным затвором, помнить, что они “смертельно” боятся статического электричества . Впаивать их в схему можно только предварительно закоротив выводы между собой тонкой проволокой.

При хранении все выводы МОП-транзистора лучше закоротить с помощью обычной алюминиевой фольги. Это уменьшит риск пробоя затвора статическим электричеством. При монтаже его на печатную плату лучше использовать паяльную станцию, а не обычный электрический паяльник.

Дело в том, что обычный электрический паяльник не имеет защиты от статического электричества и не "развязан" от электросети через трансформатор. На его медном жале всегда присутствуют электромагнитные "наводки" из электросети.

Любой всплеск напряжения в электросети может повредить паяемый элемент. Поэтому, впаивая полевой транзистор в схему электрическим паяльником, мы рискуем повредить MOSFET-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 M etal O xide S emiconductor F ield E ffect T ransistors (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 ? 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 – М еталл-Д иэлектрик-П олупроводник, 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 (SiO 2), можно сказать что почти стекло, то и вместо названия “диэлектрик” взяли название “оксид, окисел”, и получилось М еталл-О кисел-П олупроводник, 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 . 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 и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:

где

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.

НО…

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

Полевой транзистор – это полупроводниковый преобразовательный прибор, в котором ток, текущий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

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

Принцип действия полевых транзистор ов снован на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током, осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Поэтому эти 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 полевые транзисторы с каналом n - типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n - типа – электронной.

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.

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

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, через который в канал входят носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда - сток. Электрод, для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения - затвор.

Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение U зи 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 U си, то силой тока стока I с , 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 U зи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток I с получается наибольшим. Ток стока I с нач при U зи = 0 называют начальным током стока. Напряжение U зи , при котором канал полностью перекрывается, а ток стока I с становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки U зи отс .

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р- n - переходом

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р- n - переходом и каналом n - типа, отражают зависимость тока стока от напряжения U си при фиксированном напряжении U зи : I c = f (U си ) при U зи = const .

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые; б – стокозатворная

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

Полевые транзисторы с изолированным затвором

У полевого транзистора с изолированным затвором (МДП - транзистор), затвор отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП - транзисторы в качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO 2. Другое название таких транзисторов – МОП - транзисторы (металл-окисел-полупроводник).

Принцип действия МДП - транзисторов основан на изменении проводимости поверхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. Поверхностный слой, является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Конструкция МДП - транзистора со встроенным каналом n -типа. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, с помощью диффузионной технологии созданы две легированные области с противоположным типом электропроводности – n . На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется поверхностный канал с электропроводностью n - типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика. На этот слой нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

При подаче на затвор положительного напряжения, создающимся электрическим полем дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны - из подложки в канал. Канал обогащается – электронами, и его проводимость увеличивается при возрастании ток стока. Это называется режим обогащения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения, 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, проводимость уменьшается, а ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при U зи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (U си > 0), протекает ток стока I с нач , называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Канал проводимости тока не создается, а образуется благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины, при приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нету, и между истоком и стоком n -типа расположен только кристалл р- типа, а на одном из р- n - переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком велико, и транзистор заперт. Но при подаче на затвор положительное напряжение, под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области к затвору. Когда напряжение затвора превысит пороговое значение U зи пор , в поверхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и произойдет инверсия типа электропроводности, индуцируется токопроводящий канал n -типа, соединяющий области истока и стока. Транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

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.

Статические характеристики полевых МДП - транзисторов.

При U зи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения U зи < 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 U зи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей U зи = 0.

При подаче на затвор напряжения U зи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины р- типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока I с увеличивается. Стоковые характеристики при U зи > 0 располагаются выше исходной кривой при U зи = 0.

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

Параметры МДП - транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р- n - переходом. По входному сопротивлению МДП - транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р- n - переходом.

схемы включения

Полевой транзистор можно включать с общим истоком-а (ОИ), общим стоком-в (ОС) и общим затвором-б (ОЗ).

Чаще всего применяется схема с ОИ. 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 меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем имеет ограниченное применение.

усилительный каскад на полевых транзисторах

Схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ .

Транзистор в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока I сп и соответствующим ему напряжением сток-исток U сип . Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора U зип . Это напряжение возникает на резисторе R и при прохождении тока I сп (U R и = I сп R и ) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R 3 . Резистор R и , кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя I сп . Чтобы на резисторе R и не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором С и. Этим и обеспечивают постоянство коэффициента усиления каскада.

Кратко охарактеризуем различные схемы включения полевого транзистора и рассмотрим его характеристики и параметры.

Схемы включения транзистора.

Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком.

Для понимания особенностей работы некоторого электронного устройства очень полезно уметь относить конкретное решение к той или иной схеме включения (если схема такова, что это в принципе возможно).

Моделирующие программы при замене транзистора математической моделью никак не учитывают способ включения транзистора. Важно понять, что если даже на стадии разработки математической модели имеет место ориентация на конкретную схему включения, то на стадии использования эта модель должна правильно моделировать транзистор во всех самых различных ситуациях.

При объяснении влияния uис на ширину p-n-перехода фактически использовалась схема с общим истоком (см. рис. 1.87) (Статья 1 Устройство и основные физические процессы). Рассмотрим характеристики, соответствующие этой схеме (что общепринято).

Так как в рабочем режиме i з = 0, i u ~ i с, входными характеристиками обычно не пользуются. Например, для транзистора КП10ЗЛ, подробно рассматриваемого ниже, для тока утечки затвора iз ут при t < 85°С выполняется условие iз ут< 2 мкА.

Изобразим схему с общим истоком (рис. 1.89).

Выходные (стоковые) характеристики.

Выходной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uис)|uзи =const где f - некоторая функция.

Изобразим выходные характеристики для кремниевого транзистора типа КП10ЗЛ с p-n-переходом и каналом p-типа (рис. 1.90).

Обратимся к характеристике, соответствующей условию uзи = 0. В так называемой линейной области (uис< 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.

При uис = 3 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение приводит к очень незначительному росту тока i c , так как с увеличением область, в которой канал перекрыт (характеризующаяся очень большим удельным сопротивлением), расширяется. При этом сопротивление на постоянном токе промежутка исток-сток увеличивается, а i c практически не изменяется.

Ток стока в области насыщения при uзи= 0 и при заданном напряжении uис называют начальным током стока и обозначают через iс нач. Для рассматриваемых характеристик iс нач = 5 мА при uис= 10 В. Для транзистора типа КП10ЗЛ минимальное значение тока iс начравно 1,8 мА, а максимальное - 6,6 мА. При uис > 22 В возникает пробой p-n-перехода и начинается быстрый рост тока.

Теперь кратко опишем работу транзистора при различных напряжениях uзи. Чем больше заданное uзи, тем тоньше канал до подачи uис и тем ниже располагается характеристика.

Как легко заметить, в области стока на p-n-переходе равно сумме uзи+uис. Поэтому чем больше uзи, тем меньше uис, соответствующее началу пробоя.

Когда uзи= 3 В, канал оказывается перекрыт областью p-n-перехода уже до подачи uис. При этом до пробоя выполняется условие i c = 0. Таким образом,uзи отс = 3 В.Для рассматриваемого типа транзистора минимальное отсечки +2 В, а максимальное +5 В. Эти величины соответствуют условию i c = 10 мкА. Это так называемый остаточный стока, который обозначают через ic отс. Полевой транзистор характеризуется следующими предельными параметрами (смысл которых понятен из обозначений):uис макс,uзс макс, P макc .

Для транзистора КП10ЗЛ uис макс = 10 В,uзс макс = 15 В, P макc = 120 мВт (все при t = 85°С).

Графический анализ схем с полевыми транзисторами.

Для лучшего уяснения принципа работы схем с полевыми транзисторами полезно провести графический анализ одной из них (рис. 1.91).

Пусть Е с = 4 В; определим, в каких пределах будет изменяться uиспри изменении uзи от 0 до 2 В.

При графическом анализе используется тот же подход, который был использован при анализе схем с диодами и биполярными транзисторами. Для рассматриваемой схемы, в которой между затвором и истоком равно напряжению источника uзи, нет необходимости строить линию нагрузки для входной цепи. Линия нагрузки для выходной цепи задается выражением Е с =iс·Rс+uис Построим линию нагрузки на выходных характеристиках транзистора, представленных на рис. 1.92.

Из рисунка следует, что при указанном выше изменении uзи uис будет изменяться в пределах от 1 до 2,6 В, что соответствует перемещению начальной рабочей точки от точки А до точки В. При этом стока будет изменяться от 1,5 до 0,7 мА.

Стокозатворные характеристики (характеристики передачи, передаточные, переходные, проходные характеристики). Стокозатворной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uзи) |uис =const где f - некоторая функция.

Такие характеристики не дают принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда более удобны для использования. Изобразим стокозатворные характеристики для транзистора КП10ЗЛ (рис. 1.93).

Для некоторых транзисторов задается максимальное (по модулю) допустимое отрицательное uзи, например, для транзистора 2П103Д это не должно быть по одулю больше чем 0,5 В.

Параметры, характеризующие свойства транзистора усиливать напряжение.

● Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):

S= |diс/duзи|uзи – заданное, uис =const Обычно задается u зи= 0. При этом для транзисторов рассматриваемого типа крутизна максимальная. Для КП10ЗЛS = 1,8…3,8 мА/В при u ис= 0 В, uзи= 0, t = 20°С.

● Внутреннее дифференциальное сопротивление R ис диф (внутреннее сопротивление)

Rисдиф= (duис/ diс) |uис–заданное,uзи= const

Для КП10ЗЛ R ис диф = 25 кОм при u ис= 10 В,uзи=0.

● Коэффициент усиления

M = (duис/ duзи) |uзи–заданное,iс= const

Можно заметить, что M =S· R ис диф

Для КП10ЗЛ при S = 2 мA/B и R ис диф = 25 кОм М = 2 (мА/В) · 25 кОм = 50.

● Инверсное включение транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный, может работать в инверсном режиме. При этом роль истока играет сток, а роль стока - исток.

Прямые (нормальные) характеристики могут отличаться от инверсных, так как области стока и истока различаются конструктивно и технологически.

● Частотные (динамические) свойства транзистора.

В справочных данных часто указывают значения следующих дифференциальных емкостей, которые перечислим ниже:

• входная емкость С зи - это емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи;
• проходная емкость С зс - это емкость между затвором и стоком при разомкнутой по переменному току входной цепи;
• выходная емкость С ис - это емкость между истоком и стоком при коротком замыкании по переменному току входной цепи.

Для транзистора КП10ЗЛ С зи < 20 пФ, С зс << 8 пФ при uис= 10 В и uзи= 0.

Крутизну S, как и коэффициент B биполярного транзистора, в ряде случаев представляют в форме комплексного числа S. При этом, как и для коэффициента B, определяют предельную частоту f пpед. Это та частота, на которой выполняется условие:

| Ś | = 1 / √2 ·S пт где S пт - значение S на постоянном токе.

Для транзистора КП103Л данные по f пpед в использованных справочниках отсутствуют, но известно, что его относят к транзисторам низкой частоты (предназначенным для работы на частотах до 3 МГц).