Полевые транзисторы

( или униполярные, или канальные транзисторы)

1. Полевой транзистор с p-n переходом

Биполярные транзисторы управляются током, полевые транзисторы управляются напряжением. Различают следующие типы полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n переходом; полевые транзисторы с изолированным затвором.

Простейший полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой тонкую пластину полупроводникового материала (кремния) с одним p-n переходом в центральной части и с омическими контактами по краям. Его структура показана на рис. 43. Обозначение выводов: С-сток, З-затвор, И-исток. Обозначение на схеме представлено на рис. 44. Изображенный на рис.43 и 44 транзистор называется полевой транзистор с p-n переходом и каналом n-типа.

В зависимости от электропроводности полупроводника канал может быть n-типа или р-типа. Если подключить к каналу напряжение, то через пластину полупроводника между омическими контактами потечет ток. Ток через канал образуется за счет основных носителей. При n-канале за счет электронов.

Омический контакт (электрод), от которого течет ток, называется истоком, а омический контакт, к которому он направлен, - стоком. Электрод, используемый для управления эффективной толщиной канала, называется затвором. Межэлектродные напряжения сток - исток Uси и затвор - исток Uзи отсчитывают относительно истока. Управляющей цепью является цепь затвор-исток (З-И). Управляемой цепью является С-И, в которой регулируется ток.

С помощью Uзи регулируется ширина канала, его проводимость, ток через него. Управление током стока осуществляется путем подачи Uзи со знаком, обратным направлению проводимости p-n перехода. При подаче отрицательного напряжения на затвор в области p-n перехода образуется обедненный слой (как у диода, смещенного в обратном направлении). Чем шире обедненный слой, тем уже канал, по которому могут проходить электроны от истока к стоку, т.к. обедненный слой, лишенный свободных носителей, ведет себя как изолятор, имеющий очень большое сопротивление.

Можно подобрать такое напряжение на затворе (напряжение отсечки тока стока Uзи отс<0), при котором токопроводящий канал будет полностью ликвидирован, т.е. перекрыт и протекание тока через пластину невозможно. Толщина токопроводящего канала при отсутствии стокового напряжения (Uси=0) определяется формулой:

h'=h(1-( Uзи/Uзи отс)^1/2),

где h - технологическая толщина канала.

Сопротивление канала:

Rк=Rко/(1-( Uзи/Uзи отс)^1/2),

где Rко - сопротивление канала при Uзи=0.

Т.к. управление током через канал производится обратно включенным p-n переходом, то сопротивление участка затвор-исток оказывается очень большим. Оно соответствует сопротивлению полупроводникового диода, включенного в обратном направлении, что выгодно отличает данный полупроводниковый прибор от биполярного транзистора. Управление толщиной канала осуществляется обратным напряжением Uзи или, в конечном итоге, поперечным относительно направления тока через канал электрическим полем, что нашло отражение в названии - полевой транзистор. Применять прямое включение управляющего p-n перехода нецелесообразно, т.к. при этом резко возрастает ток через него и возрастает выделяемая на переходе ЗИ мощность (т.е. нагрев перехода).

В отличие от биполярного транзистора ток, текущий через полевой транзистор, образуется только основными носителями, поэтому такой транзистор называют еще униполярным. Он в меньшей степени подвержен влиянию температуры и радиации, т.к. этими факторами определяется концентрация неосновных носителей.

Полевой транзистор с p-n переходом и каналом p-типа показан на рис. 45.

2. Входные и выходные характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа

Статические характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа приведены на рис. 46. Характеристики Ic(Uси) называются выходными стоковыми характеристиками, характеристика Ic(Uзи) называется входной характеристикой управления.

В рабочем режиме при Uси>0, Uзи<0 по каналу протекает ток, поэтому потенциалы различных поперечных сечений канала оказываются неодинаковыми. Наибольшим сечение канала будет возле истока, где Up-n=Uзи, а наименьшим - возле стока, где обратное (отрицательное) напряжение p-n перехода равно Up-n=Uзи-Uси (следует помнить, что Uзи<0, а Uси>0).

Если увеличивать Uси, то напряжение Up-n=Uзи-Uси может достичь напряжения Uзи отс, а это означает, что в сечении канала возле стока произойдет перекрытие канала. В действительности полного перекрытия канала не происходит, т.к. полное перекрытие привело бы к отсечке тока канала Iк, создаваемого источником напряжения Uси.

Оказывается, что в самом узком месте возле стока остается малое сечение канала, пропускающее ток, т.е. происходит не отсечка тока канала, а его ограничение. Такой процесс называется насыщением. Напряжение, при котором оно наступает, - напряжением насыщения Uси нас. При этом ток равен значению Ic нач.

Описанные процессы отражены на выходных характеристиках на рис. 46. Из условия Up-n=Uзи отс=Uзи-Uси нас находим:

Uси нас=Uзи-Uзи отс=|Uзи отс|-|Uзи|.

Выражение для тока стока имеет вид:

Iс=Ic нач(1-Uзи/Uзи отс)².

Это парабола, график которой является входной характеристикой и имеет вид:

Если в полевом транзисторе при Ucи>Ucи нас изменять напряжение на затворе от 0 до |Uзи|>|Uзи отс|, то толщина суженного участка канала будет уменьшаться до нуля и ток канала станет равным нулю, а в цепи стока протекает некоторый малый остаточный ток (ток отсечки). Он состоит в основном из обратного тока p-n перехода, протекает от стока на затвор и пренебрежительно мал (обычно имеет значение несколько микроампер).

При большом напряжении Ucи, когда Ucи+|Uзи|>Uпроб в обратновключенном управляющем p-n переходе вблизи стока возникает электрический (лавинный) пробой и ток стока резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

На рис.46 при Uзи=0 , Iс=Icнач=Imax; при |-Uзи||-Uотс|, Iс=0. Здесь Icнач - начальный ток стока; напряжение Uотс напряжение отсечки. Uотс=(0,3…10)В, Iснач=(1…20)мА.

На выходных характеристиках также может быть проведена нагрузочная прямая, как и у биполярных транзисторов.

Типы транзисторов с p-n переходом: КП103 - с каналом n -типа, КП 302, КП 303, КП307 - с каналом p -типа.

Полевые транзисторы могут работать как в усилительном, так и в ключевом режимах.

3. Схема ключа на полевом транзисторе с p-n переходом

Схема и диаграммы показаны на рис. 47, 48.

Состояние I ключ разомкнут (транзистор не проводит). Cостояние II ключ замкнут (транзистор проводит). Такой ключ может быть применен в генераторе пилообразного напряжения для периодического сброса напряжения на конденсаторе.

4. Полевые транзисторы с изолированным затвором

В отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n переходом в МОП-транзисторах электрод затвора изолирован от канала слоем диэлектрика толщиной 0,2…0,3 мкм, в качестве которого обычно применяют окисел (двуокись кремния SiO₂).

Структура такого транзистора представлена на рис. 49. Если в этой структуре окисел заменить на p -слой, то мы возвратимся к транзистору с p-n переходом. Транзистор со структурой, показанной на рис.49, называется МОП-транзистор: М-металл, О-окисел, П-полупроводник. Английское название транзистора: MOSFET-Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor. Вывод П - это подложка, т.е. слой, на который наложен слой n -канала. Вывод подложки снабжают стрелкой, указывающей тип канала. Обычно подложку присоединяют к истоку. Причем иногда это делается внутри транзистора. Ее можно оставить и не присоединенной.

МОП-транзисторы имеют две конструктивные разновидности -- с встроенным каналом и с индуцированным каналом. Обозначение на схеме транзистора с встроенным каналом n-типа показано на рис. 50. Таким транзистором является КП 305X. Х- буква, характеризующая параметры. Обозначение транзистора с каналом p-типа, приведено на рис. 51.

При работе с МОП-транзисторами необходимо соблюдать меры предосторожности. Изоляция затвора в МОП-транзисторе приводит к тому, что такой транзистор очень чувствителен к статическим зарядам, из-за которых может появиться большой потенциал на затворе и произойти пробой изоляции. Поэтому МОП-транзисторы поставляются с выводами, замкнутыми между собой временной перемычкой. Лучше не удалять эту перемычку, пока транзистор не впаян в схему. У некоторых МОП-транзисторов имеются встроенные защитные диоды и поэтому они не боятся статического электричества.

5. Входные и выходные характеристики МОП - транзистора с встроенным каналом n -типа (КП 305)

Характеристики показаны на рис. 52. Недостаток транзистора с такими характеристиками: Uзи=0, а прибор проводит, т.е. у рассмотренных ранее транзисторов при Uзи=0 существует ток стока. Иногда желательно, чтобы при Uзи=0, Iс=0. Этим свойством обладают полевые транзисторы с индуцированным (наведенным) каналом.

6. МОП - транзисторы с индуцированным каналом

Предыдущие МОП-транзисторы имели встроенный канал (p или n-типа). Эти транзисторы при Uзи=0 проводят. В полевом транзисторе с индуцированным каналом при Uзи=0 ток отсутствует.

Структура транзистора с индуцированным каналом p-типа представлена на рис. 53. В теле подложки n-типа имеются две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости (p-типа). Одна из этих областей используется как исток И, другая - как сток С. Электрод затвора З изолирован от полупроводниковой пластины слоем диэлектрика (SiO₂) толщиной 0,2…0,3 мкм. Исток, сток и подложка имеют контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжены выводами.

Т.к. высоко легированные р-области истока и стока с полупроводником подложки n-типа образуют p-n переходы, то при любой полярности напряжения сток-исток один из этих переходов оказывается включенным в обратном направлении и препятствует протеканию тока канала, следовательно, между истоком и стоком отсутствует токопроводящий канал.

При подаче отрицательного напряжения на затвор его отрицательный потенциал отталкивает электроны в подложке n-типа от затвора. При некотором отрицательном пороговом напряжении на затворе относительно истока и подложки Uзи пор<0 в подложке n-типа возникает обедненный основными носителями (электронами) инверсный поверхностный слой р-типа, образованный дырками. Этот слой соединяет р-области истока и стока и формирует между ними токопроводящий канал p-типа. Дырки в индуцированном канале являются неосновными носителями заряда n-области, поэтому считается, что канал работает в режиме обогащения.

Изображение на схеме МОП-транзистора с индуцированным каналом p-типа показано на рис. 54. У такого транзистора канал показан в виде прерывистой линии, которая подчеркивает, что собственный проводящий канал между стоком и истоком отсутствует. Типы транзисторов с индуцированным каналом p-типа: КП 301, КП 304.

Входные и выходные характеристики транзистора с индуцированным каналом p-типа приведены на рис. 55. Транзистор начинает проводить ток при |Uзи|=|Uпор|. Здесь Uпор называется пороговое напряжение.

На рис. 56 показано изображение МОП - транзистора с индуцированным каналом n-типа. Входная характеристика приведена на рис. 57.

7. Крутизна

Как можно судить о качестве полевого транзистора? У биполярного транзистора важнейшим параметром является коэффициент усиления по току, который определяется отношением токов. В случае полевого транзистора ток стока Iс управляется напряжением Uзи между затвором и истоком. Таким образом, о способности транзистора усиливать можно судить по величине отношения Iс/Uзи, которое имеет размерность проводимости. Эта величина называется крутизной, обозначается буквой S и определяется как отношение

S=dIс/dUзи.

Если Iс измеряется в миллиамперах, а Uзи - в вольтах, то крутизна S указывается в мA/B или в миллисименсах (мСм).

8. Особенности полевых МОП транзисторов

Буква К обозначает, что в ключе применена пара из двух транзисторов с разным типом проводимости. Такая пара называется комплементарной. Схема ключа показана на рис. 58, диаграммы работы - на рис. 59. Интервал I входной ключ управления переключен вверх, II на общей точке. Часто наличие на входе напряжения какой-то величины обозначают единицей, нулевое напряжение обозначают нулем. Uвых рисуется, оценивая состояние каждого полевого транзистора при подаче на вход единичного или нулевого напряжения. Схема замещения для I интервала показана на рис. 60, для II интервала - на рис.61.

Состояние ключей определяется по входным характеристикам. Когда состояние выхода ключа противоположно состоянию входа, ключ называется инвертором.

В заключение раздела по полевым транзисторам приводим таблицу обозначений и входных характеристик транзисторов - Таблица 2 и таблицу режимов работы каналов и полярностей электродных напряжений - Таблица 3. В настоящее время выпускаются МОП-транзисторы на напряжения до 1000В и токи до сотен ампер при рабочей частоте 30…100кГц, управление от цифровых микросхем с напряжением питания 5В. Разработан составной транзистор из комбинации МОП-транзистора с биполярным. Название такого транзистора: биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor).