Полевые транзисторы

Элементная база полупроводниковых элементов постоянно растет. Каждое новое изобретение в этой области, по сути дела, меняет все представление об электронных системах. Меняются схемотехнические возможности в проектировании, появляются новые устройства на их основе. С момента изобретения первого транзистора (1948 г), прошло уже немало времени. Были изобретены структуры "p-n-p" и "n-p-n", Со временем появился и МДП-транзистор, работающий по принципу изменения электрической проводимости приповерхностного полупроводникового слоя под действием электрического поля. Отсюда и еще одно название этого элемента - полевой.

Сама аббревиатура МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) характеризует внутреннее строение этого прибора. И действительно, затвор у него изолирован от стока и истока тонким непроводящим слоем. Современный МДП-транзистор имеет длину затвора, равную 0,6 мкм. Через него может проходить только электромагнитное поле - вот оно и влияет на электрическое состояние полупроводника.

Давайте рассмотрим, как работает и выясним, в чем же его основное отличие от биполярного “собрата”. При появлении необходимого потенциала на его затворе появляется электромагнитное поле. Оно влияет на сопротивление перехода сток-исток перехода. Вот некоторые преимущества, которые дает использование этого прибора.

При проектировании и работе с этими элементами, необходимо учитывать, что МДП-транзисторы очень чувствительны к перенапряжению в схеме и То есть прибор может выйти из строя при прикосновении к управляющим выводам. При монтаже или демонтаже используйте специальное заземление.

Перспективы в использовании этого прибора очень хорошие. Благодаря своим уникальным свойствам, он нашел широкое применение в различной электронной аппаратуре. Инновационным направлением в современной электронике является использование силовых IGBT-модулей для работы в различных цепях, в том числе, и индукционных.

Технология их производства постоянно совершенствуется. Ведутся разработки по масштабированию (уменьшению) длины затвора. Это позволит улучшить и так уже неплохие эксплуатационные параметры прибора.

Давайте еще раз вспомним, какие бывают виды МОП-транзисторов. Здесь работает правило два по два (2х2). В каждом семействе по два вида:

Из всех этих 4 разновидностей, наверное не ошибусь, если скажу, что самый ходовый транзистор считается именно N-канальный с индуцированным каналом:

Именно с него мы и начнем наш путь в мир современной электроники.

Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом:

Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.

Что будем делать с этим куском кремния? Раз уж он есть, то давайте заставим его пахать. Для начала соберем вот такую простенькую схемку:

Собираем и смотрим, что у нас получилось:

Напряжение на крокодилы идет с блока питания Bat, но лампочка не горит. Следовательно, в данный момент никакой движухи электрического тока через канал Стока и Истока нет.

Это аналогично этому рисунку (только тут без лампочки):

Ток не бежит, потому что у нас там эквивалентный диод VD2, который препятствует протеканию тока.

Об этом я еще говорил в прошлой статье.

На амперметре блока питания также по нулям, что говорит о том, что тока вообще нет никакого.

Почему Затвор у нас висит без дела? Не порядок. Надо его тоже задействовать. Чем у нас занимается Затвор в полевых транзисторах? Управляет потоком основных носителей. А что такое поток заряженных частиц, которые движутся в одном направлении? Да, все верно - это электрический ток ;-). В опыте выше на Затворе сейчас почти ноль. Почему почти? Да потому что он все равно пытается ловить какие-то наводки, но это все равно не сказывается на работе схемы. В реальных схемах Затвор никогда нельзя оставлять без дела болтаться в воздухе. Он всегда должен быть соединен с чем-нибудь.

Так, что нам теперь надо сделать, чтобы начать управлять шириной канала Сток-Исток, а следовательно и менять сопротивление этого канала? Как мы помним из прошлой статьи, достаточно подать положительное напряжение относительно Истока на Затвор;-) Для этого возьмем второй блок питания и будем с помощью него менять напряжение на Затворе нашего транзистора. Сделаем все по такой схеме:

Вот так выглядит мой блок питания, который в схеме называется Bat2. С помощью него мы будем регулировать напряжение вручную от нуля и больше.

Так выглядит вся схема в реале, которую я нарисовал выше. Так как вольтметр на блоке питания стрелочный и неточный, поэтому напряжение будем мерять с помощью мультиметра , который я цепанул параллельно щупам Bat2:

Хоть я и сделал крутилку на ноль на Bat2, все равно он выдает каких-то 22 миллиВольта. На этот опыт эти доли миллиВольта никак не повлияют.

Ну что, поехали?

Устанавливаю 1 Вольт на Bat2:

Лампочка не горит, сила тока в цепи ноль Ампер:

Так ладно. Добавляем еще 1 Вольт, итого получаем 2 Вольта:

Лампочка не горит, на амперметре опять по нулям:

Ну ладно. Раз такое дело добавляем еще 1 Вольт. Итого 3 Вольта:

Да опять лампочка не зажглась!

И вот уже при каких-то 3,5 Вольт

Через лампочку начинает течь ток силой около 10 мА, но лампочка, естественно, пока что не горит. Ток слабоват.

Во! Запомните этот момент! При этом напряжении транзистор начинает ОТКРЫВАТЬСЯ. Это значение у разных видов транзисторов разное. В основном от 0,5 и до 5 вольт. В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage , в переводе с англ. яз. - пороговое напряжение на Затворе для включения транзистора . В даташите этот параметр указывается как V GS(th) , а в некоторых даташитах как V GS(to) . В даташите на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions):

(картинка кликабельна)

Как вы видите, диапазон открытия этого транзистора может быть от 2 Вольт и до 4 Вольт. Но опять же, это при токе Стока от 250 мкА, как указано в даташите, а я замерял от 10 мА. Здесь также в условиях говорится, что напряжение между Истоком и Затвором должно быть такое же, как и напряжение между Стоком и Истоком. Так как мы не пытались замерить точное напряжение 5-ым знаком после запятой, для нас эти условия не имеют значения. Как вы помните, у биполярных транзисторов транзистор начинал открываться только при напряжении на базе-эмиттере более 0,6-0,7 Вольт для кремниевых видов.

Неужели мы сегодня так и не зажгем лампочку? Зажгем, да еще как! Для того, чтобы чуток накалить нить лампы, мы просто добавляем напряжение на Затвор, покрутив крутилку блока питания Bat2.

Вуа-ля! Нить лампы стала слабенько гореть.

На амперметре видим значение около 1 Ампера:

При этом стал очень сильно греться сам транзистор. Почему? Давайте разберемся...

Итак, раз мы с помощью Затвора стали управлять сопротивлением канала Сток-Исток, то грубо говоря, это у нас получился резистор R. Это и есть сопротивление канала Сток-Исток. При напряжении на Затворе в 0 Вольт, сопротивление этого резистора достигает очень большого значения, а следовательно, сила тока, протекающего через него, будет вообще микроАмперы. Закон Ома .

Так как резистор R включен последовательно в цепь, то вспоминаем правило шунта : на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, а на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение. Также не забываем, что нить лампы тоже обладает сопротивлением, поэтому рисунок у нас примет вот такой вид:

В первом случае у нас на Затвор ничего не подавалось и транзистор был в закрытом состоянии. Как только мы стали подавать напругу на Затвор, то у нас сопротивление канала стало меняться, а следовательно и падение напряжение на резисторе R и проходящий через него ток. Получился типичный делитель напряжения . В этом случае на резисторе R падает какое-то напряжение и через него течет приличная сила тока. В нашем случае почти 1 Ампер. Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке помноженной на силу тока через Сток-Исток или просто на ток Стока или буквами:

P= I 2 C х R

где R - сопротивление канала Сток-Исток

I C - ток, проходящий через канал (ток Стока)

А что такое мощность, рассеиваемая на радиоэлементе? Это и есть тепло. Поэтому в нашем случае транзистор нагрелся очень сильно. Опыт пришлось приостановить.

Значит, самые щадящие режимы для МОП-транзистора - это когда канал полностью открыт. В этом случае у нас сопротивление канала достигает сотые доли Ома. Либо когда канал полностью закрыт. В этом случае сила тока, проходящая через канал, будет достигать тока утечки между Стоком и Истоком. А это микроАмперы. В этих двух случаях транзистор будет холодным, как айсберг в океане. Поэтому такой транзистор предназначен в основном для работы в ключевом режиме , где как раз и используются эти два режима.

Для того, чтобы полностью открыть транзистор, достаточно будет просто подать чуть больше напряжения для полного открытия канала. В моем случае это составило 4,2 Вольта:

Как вы видите, лампочка горит в полный накал. Сопротивление канала в этом случае минимальное.

Лампа ест свои честные 1,69 Ампер:

Умножайте силу тока на напряжение и получаем потребляемую мощность лампочки. Итого P=IU=12 Вх1,69 А=20,28 Ватт

А на лампочке написано 21 Ватт:

Ладно, спишем на погрешность и на то, что лампа еще не раскочегарилась. Транзистор в этом случае остается холодным и ни капельки не греется.

Раз уж транзистор полностью открылся, то можно ли еще подавать напряжение на Затвор? Можно. Но при этом лампочка уже ярче светить не будет. Оно и понятно, так как лампочка итак горит уже на всю мощь, а сопротивление канала достигло уже почти нуля. Какое максимальное напряжение можно подать на Затвор? Смотрим даташит и находим что-то типа максимальных параметров (Absolute Maximum Ratings)

Находим параметр V GS , что обозначает напряжение между Затвором и Истоком. В нашем случае это напряжение на Bat2. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать - это +-20 Вольт. Напряжение более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, в нашем случае это оксид кремния, и транзистору придет жопа. Значит, мы можем спокойно подавать от 0 и до 20 Вольт на Затвор, не боясь что транзистор уйдет на тот свет.

Также для нас могут представлять интерес такие параметры, как максимальная сила тока, которая может течь через канал Сток-Исток. В даташите такой параметр обозначается как I D (ток Стока).

(картинка кликабельна)

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуе кристалла 100 градусов, что чаще всего происходит на практике.

Так как транзистор с индуцированным каналом в основном используется в импульсном и ключевом режиме , поэтому нам важен такой параметр как сопротивление канала полностью открытого транзистора. В даташите он указывается как R DS(on)

Как мы видим всего 17,5 миллиОм. Или 0,017 Ом. Десятые доли Ома! Давайте предположим, что мы пропускаем через открытый транзистор максимальный ток в 49 Ампер. Какая мощность будет рассеиваться на транзисторе в этом случае? Формула мощности через силу тока и сопротивление выглядит вот так: P=I 2 R= 49 2 x 0,017 = 41 Ватт.

А максимальная мощность, которую может рассеять транзистор - это 94 Ватта.

Основные параметры полевых МОП-транзисторов указываются в основном сразу на первой страничке даташита в отдельной рамке.

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите. Очень информативно и наглядно.

Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала полностью открытого транзистора от температуры кристалла:

Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.

А давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1:

Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы.

В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть то? На Затворе то у нас голимый ноль, поэтому канал закрыт.

На фото ниже показан этот случай.

Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь:

Даже не надо ни о чем заморачиваться! Тупо подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет копейки.

Лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал равен почти как и на Истоке, то есть нулю, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, захватив по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой стол.

Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!

Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого МОПа.

Вот эта часть вам ничего не напоминает?

Ёшки-матрешки коровьи олашки...Так это же конденсатор ! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться то ему некуда! Вот он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал Затвора и заткнуть канал, нам опять же надо уравнять его с нулем, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет:

Как вы видели в опыте выше, если мы отключаем напругу на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах - Затвор должен всегда чем то управляться и с чем то соединяться. Ему нельзя давать висеть в воздухе. Об этом я еще говорил в начале статьи.

А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе:

При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается

Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель), лампочка сразу тухнет:

Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал. А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение;-). Не забываем золотое правило. Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше).

Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.

Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим P-N переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим P-N переходом - 250 Вольт. Поэтому самое важное правило при работе с такими транзисторами - это заземлить себя через антистатический браслет , или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов. Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде как спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.

Тема сложная и статья поэтому получилась большая. Чем дальше в лес, тем больше дров. Поэтому, пишите в комментах что бы вы хотели еще увидеть и узнать и МОПах. Сложно ли подан материал и тд. Мне нужна обратная связь, и чем больше тем лучше;-)

А вот и следующая статья

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Транзистор с управляющим p - n -переходом. Его схематическое изображение приведено на рис. 1.21, а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 1.22, а , б (p - и n -типов соответственно). Стрелка указывает направление от слоя р к слою п (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть существенно меньше 1 мкм.

Рис. 1.22 Устройство транзистора

Рис. 1.23 Графическое изображение: а – канал р-типа; б – канал n -типа

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэтому область р- n -перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим
р- n -переходом и каналом n -типа. Если подать положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом р-типа: и зи > 0, то оно сместит p -n -переход в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения на переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение и зи достаточно велико, то канал полностью перекрывается областью p -n -перехода (напряжение отсечки).

В рабочем режиме р -n -переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (i з ? 0 ), а ток стока практически равен току истока.

На ширину р -n -перехода и толщину канала прямое влияние также оказывает напряжение между истоком и стоком. Пусть u зи = 0 и подано положительное напряжение u ис (рис. 1.24). Это напряжение окажется поданным и на промежуток затвор – сток, т.е. окажется, что u зс = u ис и р -n -переход находится под обратным напряжением.

Обратное напряжение в различных областях р -n -перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение примерно равно величине u ис . Поэтому p -n -переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Можно считать, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.

При u ис = U зи отс канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 1.25). При дальнейшем увеличении напряжения u ис эта область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться.

Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, существуют три схемы включения: схемы с общим затвором (03), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком (рис. 1.26).

Так как в рабочем режиме i c ? 0, то входные характеристики обычно не рассматриваются.

Выходные (стоковые) характеристики. Выходной характеристикой называют зависимость вида

где f – некоторая функция.

Выходные характеристики для транзистора с р -n -переходом и каналом n -типа приведены на рис. 1.27.

Обратимся к хар актеристике, соответствующей условию u зи = 0. В линейной области (u ис < 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 u ис > 4 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт, расширяется. При этом сопротивление промежутка исток-сток увеличивается, а ток i c практически не изменяется. Это область насыщения. Ток стока в области насыщения u зи = 0 и при заданном напряжении и си называют начальным током стока и обозначают через i c нач . Для рассматриваемых характеристик i c нач = 5 мА при и си = 10 В.

Параметрами, характеризующими свойства транзистора усиливать напряжение, являются: В соответствии с их структурой такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

На рис. 1.28 показан принцип устройства транзистора со встроенным каналом.

Основанием (подложкой) служит кремниевая пластинка с электропроводностью p -типа. В ней созданы две области с электропроводностью n + -типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область – диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 – 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.

Если к затвору приложено нулевое напряжение, то при подаче между стоком и истоком напряжения через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p -n -переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока, стока и кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения . Если подать положительное напряжение на затвор, то под действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электроны. Сопротивление канала падает, ток увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения . Если кристалл n -типа, то канал должен быть p-типа и полярность напряжения меняется на противоположную.

Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 1.29). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком
n + -типа расположен только кристалл p -типа и на одном из p-n + -переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p -области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (еденицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n -типа, и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Если подложка n -типа, то получится индуцированный канал p -типа. Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в устройствах переключения. Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные.

По электропроводности канала различают p -канальные и n- канальные МДП-транзисторы. Условное обозначение этих приборов на электрических схемах показано на рис. 1.30. Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора).

Рис. 1.30 Условные графические обозначения полевых транзисторов
с изолированным затвором: а – со встроенным р-каналом; б – со встроенным
n-каналом; в – с индуцированным p-каналом; г – с индуцированным n-каналом

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p - канальные и n -канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием.

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC -цепи затвора. Поскольку входная емкость С зи у транзисторов с р -n -переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц – единиц мегагерц.

При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC-цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-n -переходом.

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

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.

Рисунок 5.9

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:

(5.1)

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

Емкость конденсатора выбирается из условия:

(5.2)

где fmin – наинизшая частота входного сигнала.

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

Емкость конденсатора:

(5.3)

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).

Рисунок 5.10

(5.4)

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:

(5.5)

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

(5.6)

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.

В отличие от МОП-транзисторов со встроенным каналом, в МОП-транзисторах с индуцированным каналом при отсутствии напряжения на затворе канал проводимости отсутствует .

Если подложка выполнена на основе кремния p-типа, области истока и стока – сильнолегированные полупроводники n-типа (n +) и проводящий канал между ними отсутствует, то p-n переход между И и С находится под обратным напряжением и ток в цепи стока отсутствует. Приповерхностный слой полупроводника обогащён дырками.

При подаче на затвор относительно истока (и подложки) положительного напряжения U ЗИ дырки приповерхностного слоя (из подзатворной области) отталкиваются вглубь полупроводника p-типа (подложки), а электроны движутся к поверхности в подзатворную область. Электроны движутся в подзатворную область не только из подложки p-типа, где они являются неосновными носителями и их концентрация мала, но также и из слоёв (областей) n + -типа, где их концентрация практически неограниченна, а напряженность поля вблизи этих областей достаточно высока.

При небольших значениях U ЗИ все электроны, попадающие в подзатворную область, рекомбинируют с дырками. Однако, по мере увеличения U ЗИ, приток числа электронов становится больше числа рекомбинирующих электронов, в результате чего происходит приповерхностная инверсия типа электропроводности, и приповерхностный слой приобретает электронную электропроводность. В подзатворной области появляется тонкий инверсный слой n-типа, соединяющий сток с истоком. Этот слой начинает играть роль канала проводимости, и если между истоком и стоком приложено напряжение, то по каналу потечёт ток.

Напряжение на затворе, при котором наступает инверсия проводимости слоя полупроводника и индуцируется канал, называется пороговым напряжением .

Если при изменять значение напряжения на затворе, можно расширять или сужать индуцированный канал, тем самым увеличивая или уменьшая ток стока. Толщина индуцированного канала составляет от 1 до5 нм (1нм=10 -8 см). Очевидно, что транзистор с таким каналом может работать только в режиме обогащения.