Транзисторы
Транзисторы представляют собой электропреобразовательные полупроводниковые приборы с одним или несколькими электрическими переходами, для усиления мощности сигнала и имеющие три (или более) внешних вывода. Наиболее распространенные транзисторы имеют два электронно-дырочных перехода. В двухпереходных транзисторах используют два различных типа носителей заряда (электроны и дырки), поэтому их называют биполярными. Основным элементом биполярного транзистора является кристалл полупроводника, в котором с помощью примесей созданы три области с различной проводимостью. Если средняя область имеет электронную проводимость типа n, а две крайние – дырочную проводимость типа p, то структура такого транзистора обозначается p-n-p в отличии от структуры n-p-n, при которой транзистор имеет среднюю дырочную, а крайние области – с электронной проводимостями.
Средняя область кристалла полупроводника, служащая основой для образования электронно-дырочных переходов, называется базой, крайняя область, инжектирующая (эмиттирующая) носители заряда, — эмиттером, а область, собирающая инжектированные носители заряда, — коллектором. К каждой из двух областей припаяны соответственно эмиттерный Э, базовый Б и коллекторный К токоотводы, которыми транзистор включается в схему. Кристалл укрепляют на специальном кристаллодержателе и помещают в герметизированный металлический, пластмассовый или стеклянный корпус. Внешние токоотводы электродов проходят через изоляторы в дне корпуса.
Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным. Базовая область транзистора выполняется очень малой толщиной (от 1 до 10-20 мкм). Различная степень легирования областей. Обычно концентрация примесей в эмиттере на 2-3 порядка выше, чем в базе. Степень легирования базы и коллектора зависит от тира прибора.
Для работы транзисторов к их электродам к их электродам подключают постоянные напряжения внешних источников энергии. Помимо постоянных напряжений к электродам подводят сигналы, подлежащие преобразованию. В связи с этим различают входную цепь, к которой подводят сигнал, и выходную, куда включают нагрузку, с которой снимают сигнал. В зависимости от того, какой из электродов при включении транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают схемы с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК.
В схеме с ОБ входной цепью является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора, в схеме с ОЭ входной – цепь базы, а выходной цепь коллектора, в схеме с ОК входной – цепь базы, а выходной- цепь эмиттера.
В зависимости от полярности напряжений внешних источников, подключенных к эмиттерному и коллекторному переходам, различают активный, отсечки, насыщения и инверсный режимы работы транзистора
Активный режим используется при усилении слабых сигналов. В этом режиме напряжение внешнего источника к эмиттерному переходу включается в прямом, а к коллекторному – в обратном направлении. Эмиттер инжектирует в область базы неосновные для неё носители заряда, а коллектор производит их экстракцию (выведение) из базовой области.
В режиме отсечки к обоим переходам подводят обратные напряжения, при которых ток, проходящий через транзисторы, ничтожно мал.
В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся под прямым напряжением; в них происходит инжекция носителей, транзистор превращается в двойной диод, ток в выходной цепи максимален при выбранном значении нагрузки и не управляется током входной цепи; транзистор полностью открыт. В режимах отсечки и насыщения транзисторы обычно транзисторы обычно используются в схемах электронных переключателей.
В инверсном режиме меняются функции эмиттера и коллектора: к коллекторному переходу подключается прямое, а к эмиттерному – обратное напряжение. Однако такое включение транзистора неравноценно из-за несимметрии структуры и различия концентрации носителей в его области
Транзисторы всех мощностей (низкой, средней и высокой соответственно) делятся на низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.
Транзисторы малой мощности
Низкочастотные. Германиевые сплавные транзисторы p-n-p применяются для работы в схемах усиления низких частот и выпускаются в металлическом корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами, массой 2,5 г, с диапазоном рабочих температур от 60 до +70 °C.
Кремниевые транзисторы p-n-p выпускаются в металлическом корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами, массой 1,7 г, с диапазоном рабочих температур от 55 до +100 °C.
Среднечастотные. Транзисторы p-n-p применяются для усиления и генерирования колебаний в диапазоне до 5 МГц, для работы в схемах переключения и стабилизации и выпускаются в металлическом корпусе с гибкими выводами, массой 0,5 г, с диапазоном рабочих температур 60 до +125 °C.
Высокочастотные. Конверсионные транзисторы p-n-p выпускаются в металлическом корпусе с гибкими выводами, массой 2 г, с диапазоном рабочих температур от 55 до +60 °C.
Применяются для работы в УВЧ радиовещательных приемников.
Планарные транзисторы n-p-n выпускаются в металлическом корпусе с гибкими выводами, массой 1 г, с диапазоном рабочих температур от 40 до +85 °C.
Сверхвысокочастотные. Транзисторы p-n-p применяются для работы в каскадах АРУ радиоприемных и телевизионных устройств метрового диапазона воли и выпускаются в металлическом корпусе с гибкими выводам, массой 2 г, с диапазоном рабочих температур от 40 до +55 °C.
Транзисторы средней мощности.
Низко- и высокочастотные. Транзисторы p-n-p выпускаются в металлическом корпусе с гибкими выводами, массой 4 г, с диапазоном рабочих температур от 55 до +70 °C.
Транзисторы n-p-n применяются для работы в выходные каскадах усилителей звуковых частот и выпускаются в металлические корпусе с гибкими выводами двух вариантов, рассчитанных на предельную мощность 300 и 600 Вт, с массой соответственно 2 и 5 г, с диапазоном рабочих температур от 40 до +55 °C.
Высоко- и сверхвысокочастотными. Транзисторы n-p-n выпускаются в металлическом корпусе с гибкими выводами, массой 3 г, с диапазоном рабочих температур от ?40 до +85 °C.
Транзисторы n-p-n выпускаются в металлическом корпусе с гибкими выводами, массой 4,5 г, с диапазоном рабочих температур от 40 до +85 °C.
Транзисторы большой мощности
Низкочастотные. Транзисторы p-n-p применяют для работы в выходных каскадах УНЧ и выпускаются в металлическом герметичном корпусе массой 15 г, с диапазоном рабочих температур от 40 до +55 °C.
Транзисторы n-p-n применяют для работы в схемах строчных разверстки цветных телевизоров и выпускают в металлическом корпусе с монтажным винтом и жесткими выводами, массой 15,5 г.
Среднечастотными. Транзисторы n-p-n применяют для работы в выходных каскадах строчной развертки телевизоров, схемах зажигания автотракторных двигателей и выпускаются в металлическом корпусе с жесткими выводами, массой 25 г (без накидного фланца) и 10 г, с диапазоном рабочих температур от 55 до +100 °C.
Транзисторы p-n-p выпускаются в металлическом корпусе с жесткими выводами, массой 28г, с диапазоном рабочих температур от 55 до +55 °C.
Высоко- и сверхвысокочастотные. Транзисторы p-n-p выпускают в металлопластмассовом или металлостеклянном корпусе, массой соответственно 7 и 4,5 г (с крепежным фланцем 6 г), с диапазоном рабочих температур от 55 до +60 °C.
Транзисторы n-p-n выпускают в металлокерамическом корпусе с винтом и жесткими выводами, массой 5,3 г, с диапазоном рабочих температур от 4 до +85°C.
В полевых или униполярных транзисторах ток переносится носителями лишь одного знака – электронами или дырками – основными для данного полупроводника. Различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и транзисторы с изолированным затвором с встроенным или индуцированным каналом. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом представляет собой кристалл полупроводника ПК электронной проводимости (n-типа) с двумя внешними токоотводами – истоком И и стоком С, через которые проходит ток создаваемый основными носителями заряда. Между внешними токоотводами подключены нагрузка RН и источник постоянного напряжения Еc. Токоотвод И, через который в кристалл входят основные носители заряда, называют истоком, а токоотвод С, через который заряды выходят во внешнюю цепь, — стоком. В основном кристалле полупроводника создана область противоположного типа проводимости – дырочной (p-типа), которая выполняет функции управляющего электрода и называется затвором З. Между затвором и основным кристаллом возникает р-п-переход, а в самом кристалле создаётся узкий канал К ( п- типа) для движения основных носителей заряда –электронов. Сечение канала зависит от напряжения на затворе. Обычно к затвору подводится постоянное обратное напряжение смещения Ез (минус подключен к р-, а плюс- к п-области ). Между затвором и истоком подключают источник переменного напряжения сигнала Uсmsin wt , которое требуется усилить. При отсутствии сигнала на входе основные носители заряда – электроны под действием ускоряющего поля дрейфуют в канале от истока к стоку, создавая ток в кристалле. Этот ток определяется напряжением стока и сопротивлением канала, зависящим от его сечения. Если одновременно с напряжением смещения Ез в цепь затвора подаётся переменное напряжение сигнала, результирующий потенциал на р-п-переходе изменяется Uз=-Ез +Ucmsinwt . При этом будет изменяться ширина р-п-перехода ,что вызовет изменение сечения канала, а следовательно, и его проводимости. В результате напряжение сигнала модулирует сечение канала, управляя током в канале и нагрузке. Таким образом, в полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом под действием поля внешнего источника изменяется сечение токопроводящего канала.
Транзисторы МДП с изолированным затвором (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник) и МОП (cо структурой металл-оксид-полупроводник) имеют один или несколько затворов, электрически изолированных от токопроводящего канала, который может быть встроенным или индуцированным. В приборах со встроенным каналом К основой служит пластинка слаболегированного кремния р-типа проводимости. Области стока С и истока И, обладающие проводимостью п+-типа ,соеденины встроенным каналом –узкой слаболегированной областью кремния проводимостью п-типа. Затвор З представляет собой металлический слой, изолированный от канала тонким диэлектриком. При подаче на затвор переменного напряжения сигнала происходит изменение проводимости канала и проходящего через него тока. Так, при отрицательном напряжении на затворе электроны вытесняются из области канала в объем полупроводника р-типа . Канал обедняется носителями заряда и его проводимость уменьшается. При подаче на затвор положительного напряжения происходит обогащение канала электронами и его проводимость возрастает. Полевой транзистор с изолированным затвором в отличие от полевого транзистора с управляющим р-п-переходом может работать с нулевым, отрицательным или положительным смещением .Другим важным преимуществом полевых транзисторов с изолированным затвором является большое (до 100 ГОм ) входное сопротивление, которое определяется изолирующей прослойкой между затвором и истоком.
1.3. Содержание отчета:
* выводы по результатам экспериментального исследования.
1.4. Сведения и комментарии
1.4.1. Биполярные транзисторы.
Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника с чередующимися типами проводимости: n—p—n или p—n—p (на рис 1.3 приведена структура биполярного транзистора типа n—p—n).
На границах слоев с разным типом проводимости образуются два встречновключенных p—n—перехода (эмиттерный и коллекторный), потенциальные барьеры которых создаются ионизированными атомами примесей (“+” и “–“ на рис. 1.3). У реального транзистора один из крайних слоев (эмиттер) имеет гораздо большую концентрацию примеси по сравнению с другим крайним слоем и является источником подвижных носителей заряда, тогда как второй крайний слой (коллектор) отличается гораздо большей площадью p—n—перехода, что позволяет ему более эффективно собирать носители заряда, инжектированные эмиттером и прошедшие средний слой, называемый базой. Чтобы уменьшить в базе вероятность рекомбинации носителей заряда, перемещающихся из эмиттера в коллектор, базу делают сравнительно высокоомной (с низкой концентрацией примеси) и узкой.
В зависимости от полярности внешних источников питания различают четыре режима работы биполярного транзистора: активный режим, режим двойной инжекции, режим отсечки и инверсный режим. В активном режиме работы (рис.1.4,а) напряжение между эмиттером и базой (
) является прямым, а между коллектором и базой (
) – обратным, поэтому эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Под действием прямого напряжения 
основные носители заряда (здесь – электроны) из эмиттера переходят в базу, где они становятся неосновными носителями, для которых закрытый коллекторный переход не является препятствием, поэтому они свободно переходят в коллектор, создавая во внешней цепи коллекторный ток 
(направление положительного тока противоположно движению электронов), при этом только очень небольшая часть носителей заряда успевает рекомбинировать в базе, образуя основную составляющую тока базы 
. Другая составляющая (
) образуется неосновными носителями (дырками) коллектора (собственные неосновные носители заряда базы не играют существенной роли, поскольку их в высокоомной базе немного). Этот небольшой ток 
протекает также и в коллекторной цепи в составе тока 
:
.
В этом выражении коэффициент передачи тока эмиттера показывает какая часть приращения тока эмиттера передается в коллектор:
.
Учитывая, что ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы, т.е.
,
выражение для тока базы можно записать в таком виде:
.
Поскольку 
, ток базы 
составляет только незначительную часть тока эмиттера.
Закрытый коллекторный переход имеет сравнительно большую ширину и расположен преимущественно в базе как более высокоомном слое. Поэтому увеличение обратного напряжения приводит к уменьшению эффективной ширины базы, что, во-первых, уменьшает вероятность рекомбинации носителей в базе, а во-вторых, понижает потенциальный барьер эмиттерного перехода (основные носители заряда базы сдвигаются в сторону эмиттерного перехода, частично нейтрализуя заряды ионов p—n—перехода). Изменение ширины базы и ее свойств под действием обратного коллекторного напряжения называется эффектом модуляции ширины базы (эффектом Эрли).
Изменяя в небольших пределах напряжение 
, можно значительно изменять ток эмиттера 
, а значит, и ток коллектора 
, т.е. управлять большой мощностью в выходной цепи (напряжение 
в активном режиме может быть большим), затрачивая сравнительно небольшую мощность во входной цепи (цепи эмиттер–база) – в этом и проявляются усилительные свойства биполярного транзистора.
В режиме двойной инжекции (режиме насыщения) напряжения 
и 
прямые (рис. 1.4,б) и оба p—n—перехода открыты, при этом крайние слои выполняют как функции эмиттеров, инжектируя носители заряда (здесь – электроны) в базу, так и функции коллекторов, собирая носители заряда, прошедшие базу. Обозначив ток, образованный электронами эмиттера, через 
, а ток, образованный электронами коллектора, через 
, запишем выражения для внешних токов:
,
где – инверсный коэффициент передачи тока.
Поскольку структура реального биполярного транзистора асимметрична (площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного перехода, а слой коллектора высокоомнее слоя эмиттера), 
. При равенстве внешних напряжений составляющие тока коллектора примерно равны, поэтому 
близок к нулю. При уменьшении прямого напряжения от значения 
модуль составляющей 
уменьшается, поэтому увеличивается ток 
, причем резко, поскольку он равен разности двух составляющих. Подстановка выражений 
и 
в равенство 
дает следующее выражение для тока базы:
,
подтверждающее тот факт, что базовый ток в режиме двойной инжекции равен сумме двух токов рекомбинации.
В режиме отсечки оба p—n—перехода закрыты под действием обратных напряжений 
и 
, вследствие чего через переходы протекают только небольшие неуправляемые токи неосновных носителей заряда.
Если к коллекторному переходу приложить прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное, то поменяются роли у коллектора и эмиттера (инверсный режим работы), и транзистор будет работать в активном режиме, но не так эффективно из-за конструктивной асимметрии транзистора.
Биполярные транзисторы подразделяются на диффузионные и дрейфовые. В названиях “диффузионные” и “дрейфовые” отражается механизм движения носителей заряда через базу: диффузия под действием градиента концентрации носителей заряда и дрейф под действием градиента электрического потенциала. У дрейфовых транзисторов за счет неравномерной концентрации примеси в базе создается электрическое поле, ускоряющее движение носителей заряда через базу, что увеличивает коэффициент передачи эмиттерного тока и граничную частоту. В микросхемах в основном используются дрейфовые транзисторы.
Биполярный транзистор описывается семействами входных и выходных вольт- амперных характеристик, т.е. зависимостями входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении и зависимостями выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе. Для схемы с общей базой, когда входной и выходной источники напряжения имеют общий зажим на базе (рис. 1.4,а и б) семейства входных и выходных ВАХ, т.е.
,
приведены на рис. 1.4,в и г.
Вне зависимости от типа транзистора (n—p—n или p—n—p), т.е. вне зависимости от истинной полярности входных и выходных напряжений, основную часть характеристик размещают в первом квадранте, откладывая справа от оси токов значения прямых напряжений 
(входные ВАХ) и значения обратных напряжений 
(выходные ВАХ).
Входная характеристика при 
(коллекторный переход закорочен) – это характеристика диода, составленного из эмиттерного p—n—перехода и соответствующих областей полупроводника. При подаче на коллекторный переход обратного напряжения 
база сужается и потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается (эффект модуляции ширины базы), поэтому эмиттерный ток 
увеличивается при неизменном напряжении 
, что и является причиной смещения входной ВАХ влево относительно характеристики при 
. Дальнейшее увеличение обратного напряжения 
смещает входную ВАХ незначительно.
Активному режиму работы транзистора соответствуют участки выходных ВАХ (рис. 1.4,г), расположенные в первом квадранте, где наблюдается только слабая зависимость тока коллектора 
от коллекторного напряжения, вызванная модуляцией ширины базы (при увеличении обратного напряжения 
база сужается, вероятность рекомбинации носителей заряда в базе уменьшается, уменьшается и ток базы, что при неизменном токе 
приводит к увеличению тока коллектора 
). При подаче прямого напряжения 
(влево от начала координат) транзистор переходит в режим двойной инжекции, когда коллекторный ток равен разности двух токов, что объясняет его резкую зависимость от прямого напряжения 
. При 
протекает очень незначительный тепловой ток 
(режим отсечки). В случае больших обратных напряжений 
возможен электрический пробой коллекторного перехода, а если мощность, рассеиваемая транзистором, 
превысит допустимую, может произойти тепловое разрушение транзистора.
Если входной и выходной источники напряжения имеют общий зажим на эмиттере транзистора (схема с общим эмиттером на рис. 1.5,а), то входным током является ток базы 
, а выражение коллекторного тока как функции тока базы можно получить, выполнив подстановку 
в 
:
.
Здесь 
– коэффициент передачи базового тока; 
– начальный ток коллектора при 
, он значительно больше тока 
, протекающего через коллекторный переход при нулевом токе эмиттера.
Резкая зависимость тока коллектора 
от напряжения 
при малых значениях 
(рис. 1.5,д) вызвана тем, что на этом начальном участке транзистор работает в режиме двойной инжекции, поскольку как к эмиттерному, так и к коллекторному переходам (в последнем случае через источник 
) приложено прямое напряжение 
. На пологом участке ВАХ (в активном режиме) зависимость 
от 
вызвана эффектом модуляции ширины базы, причем этот эффект в схеме с общим эмиттером выражен сильнее (больший наклон ВАХ), что можно объяснить следующим образом. При увеличении обратного напряжения 
, приложенного к коллекторному переходу через источник 
, база транзистора сужается, увеличивается ток эмиттера 
, а ток базы 
уменьшается. Поскольку характеристики снимаются при фиксированном токе базы, чтобы восстановить прежнее значение 
, требуется еще более увеличить ток 
, а это приводит к увеличению тока коллектора.
Поскольку при 
транзистор работает в режиме двойной инжекции, ток базы в этом режиме больше тока базы при работе транзистора в активном режиме, поэтому входная характеристика при обратном 
проходит правее характеристики, снятой при 
(рис. 1.5,г). Эффект модуляции ширины базы при дальнейшем увеличении обратного напряжения 
проявляется слабо, поэтому все входные характеристики, снятые при обратных напряжениях 
, располагаются близко друг от друга.
Схемы, в которых используются транзисторы, анализируются на постоянном и переменном токе раздельно. При анализе на постоянном токе биполярный транзистор представляется в виде нелинейной физической модели Молла– Эберса, а при анализе на переменном токе, когда транзисторы работают в активном режиме, – в виде малосигнальной эквивалентной схемы (моделирующей схемы), изображенной на рис. 1.6.
В этой схеме 
– дифференциальное сопротивление открытого эмиттерного перехода; 
– сумма сопротивлений активной и пассивной областей базы (
= 1…200 Ом); 
– барьерная емкость коллекторного перехода (
= 0,1…800 пФ); 
– дифференциальное сопротивление закрытого коллекторного перехода, моделирующее влияние 
на ток 
через эффект модуляции ширины базы (
= 50…10000 кОм). Генератор тока моделирует процесс управления коллекторным током 
со стороны тока эмиттера 
( 
и 
– малые приращения соответствующих токов 
и 
). Зависимость 
от частоты 
описывается выражением
и вызвана тем фактом, что перемещение носителей заряда через базу происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Коэффициент 
измеряется на достаточно низкой частоте (
), где он максимален. С увеличением частоты коэффициент 
уменьшается и на частоте 
становится равным 
. Граничная частота коэффициента передачи эмиттерного тока 
у разных типов биполярных транзисторов разная (от нескольких килогерц до нескольких гигагерц). Широкий диапазон приведенных выше значений параметров объясняется широкой номенклатурой биполярных транзисторов, различающихся по мощности (малой, средней, большой) и граничной частоте (низкой, высокой, сверхвысокой).
1.4.2. МДП- транзисторы.
Полевые транзисторы с изолированным каналом (МДП- транзисторы) подразделяются на транзисторы со встроенным и индуцированным каналом. Структура МДП- транзистора (М – металл; Д – диэлектрик; П – полупроводник) со встроенным каналом представляет собой подложку из полупроводника p— или n-типа, в которую встраивается канал в виде полупроводника другого типа проводимости (на рис. 1.7,а канал n-типа).
Полупроводниковый канал отделен от металлического затвора (З) тонким слоем диэлектрика, в качестве которого (в случае кремниевой подложки) чаще всего используется двуокись (окисел) кремния 
(отсюда еще одно название МДП- транзисторов – МОП- транзисторы). К каналу через области с повышенной концентрацией примеси (на рис. 1.7,а области 
) подсоединяются металлические выводы, называемые, как и соответствующие области канала, стоком (С) и истоком (И). Полупроводниковая подложка (чаще всего кремний), изолированная от внешней среды диэлектриком (
), также имеет металлический вывод (П), который обычно соединяется с истоком для того, чтобы p—n—переход между каналом и подложкой был закрыт. Это обеспечивает изоляцию канала от подложки при нормальной полярности напряжения 
(рис. 1.7,а).
У МДП- транзисторов со встроенным каналом нелинейность стоковых характеристик (рис. 1.7,г) объясняется тем, что при увеличении напряжения 
, подсоединенного одним своим зажимом к стоку, а другим к затвору (через источник 
), подвижные носители заряда вытесняются из области канала, расположенной под затвором, в области с повышенной концентрацией примеси ( 
на рис. 1.7,а), что приводит к увеличению сопротивления канала. Происходящее при этом обеднение канала подвижными носителями заряда, как и в случае транзистора с управляющим p—n—переходом, будет по длине канала неравномерным (наибольшим у стока). Повышение по модулю напряжения между затвором и истоком 
, при указанной на рис. 1.7,а полярности, также приводит к обеднению канала, но только равномерному по длине канала (без учета областей 
), поэтому стоковые характеристики при 
пройдут ниже относительно характеристики, снятой при 
(рис. 1.7,г).
МДП — транзисторы со встроенным каналом могут работать и в режиме обогащения при другой (по сравнению с показанной на рис. 1.7,а) полярности напряжения 
. В этом режиме основные носители заряда (в данном случае электроны) под действием поля затвора будут втягиваться в канал из областей 
( 
в случае подложки n-типа), тем самым обогащая канал подвижными носителями заряда (которых в канале при 
сравнительно немного), поэтому стоковые характеристики в режиме обогащения расположатся выше характеристики, снятой при 
. Сток- затворные вольт- амперные характеристики (рис. 1.76,д) могут быть построены по данным стоковых характеристик (рис. 1.7,г), для чего необходимо при выбранных значениях 
провести прямые, параллельные оси токов, и отметить точки пересечения указанных прямых со стоковыми характеристиками. Поскольку у МДП- транзисторов канал от затвора изолирован диэлектриком, входное сопротивление (сопротивление участка затвор–исток) таких транзисторов очень велико. У МДП- транзисторов с каналом p-типа (условное графическое обозначение показано на рис. 1.7,в) полярности напряжений 
и 
противоположны тем, что присущи транзисторам с каналом n-типа, но стоковые характеристики транзисторов с p-каналом, как и транзисторов с n-каналом, принято изображать в первом квадранте.
Отличительной особенностью МДП- транзисторов с индуцированным каналом является отсутствие встроенного канала (рис. 1.8,а), поэтому у них стоковый ток 
равен нулю не только при нулевом или отрицательном (в случае p-подложки) напряжении на затворе, но и при небольших положительных напряжениях, поскольку на пути между стоком и истоком находятся два встречно- включенных p—n—перехода. Только при напряжении 
, превышающем пороговое напряжение 
, в той части подложки, которая расположена непосредственно под затвором, наводится (индуцируется) канал, который образуется из втянутых полем затвора неосновных носителей заряда (одновременно из указанной области подложки полем затвора вытесняются основные носители заряда). Чтобы облегчить образование канала и улучшить его управляемость, подложку МДП- транзистора делают из полупроводника с низкой концентрацией примеси. При увеличении напряжения 
канал обогащается подвижными носителями заряда, и ток стока увеличивается (рис. 1.8,д). Механизм действия напряжения 
, обусловливающий форму стоковых характеристик МДП- транзисторов с индуцированным каналом (рис. 1.8,г), примерно такой же, как и у транзисторов со встроенным каналом. Условное графическое обозначение МДП- транзисторов с индуцированным n—каналом показано на рис. 1.8,б, а с p—каналом – на рис. 1.8,в. МДП- транзисторы с индуцированным каналом применяются гораздо шире по сравнению с транзисторами со встроенным каналом, что вызвано, в первую очередь, отсутствием у них тока стока при нулевом напряжении на затворе.
Стоковые характеристики, приведенные на рис. 1.7,г и 1.8,г, сняты при напряжениях , меньших напряжения электрического пробоя, и при таких токах стока, когда мощность, рассеиваемая транзистором в виде тепла, меньше допустимой мощности, выше которой возможен тепловой пробой.
Существует разновидность МДП- транзисторов с индуцированным каналом – МНОП- транзисторы, у которых между пленкой двуокиси кремния (О) и металлическим затвором (М) помещен слой еще одного диэлектрика – нитрида кремния (Н). Характерной особенностью таких транзисторов является то, что у них путем подачи на затвор импульса напряжения определенной полярности можно установить низкий или высокий уровень порогового напряжения (например, 3 или 15 вольт). Это связано с тем, что под действием импульсного напряжения определенной амплитуды на границе между нитридом кремния и двуокисью кремния происходит накопление зарядов, которые могут сохраняться в течение нескольких лет.
Относительно малых приращений напряжений, вызванных действием источника входного сигнала, транзистор можно рассматривать как линейный элемент электрической цепи и представлять в виде малосигнальной эквивалентной схемы. Эквивалентные схемы подразделяются на два класса: схемы замещения и моделирующие схемы. Схема замещения составляется на основе уравнений эквивалентного четырехполюсника, а моделирующая схема – путем моделирования физических процессов в транзисторе.
В моделирующей эквивалентной схеме полевого транзистора, приведенной на рис. 1.9, не показаны сопротивления между затвором и каналом, что оправданно, поскольку их значения очень большие: 10 6 …10 9 Ом у полевых транзисторов с управляющим p—n—переходом и 10 12 …10 14 Ом у МДП- транзисторов. Все элементы моделирующей схемы – дифференциальные, т.е. определенные для приращений токов и напряжений, обозначенных в схеме строчными буквами. Источник тока, действующий в выходной цепи, управляется входным напряжением 
, причем эффективность управления отображается параметром “крутизна”, показывающим насколько изменится ток стока 
при изменении напряжения 
и постоянном напряжении 
:
.
Типовые значения крутизны полевых транзисторов – 1…25 мА/В. Внутреннее сопротивление
на начальных линейных участках стоковых характеристик (при малых напряжениях 
) моделирует сопротивление материала канала, а на пологих участках – еще и процесс обеднения канала под действием 
(в этом режиме типовые значения 
). Внутреннее сопротивление 
и крутизну s в рабочей точке (т.е. при заданных значениях 
, 
и 
) можно вычислить, определив соответствующие приращения на графиках стоковых и сток- затворных ВАХ. Емкости 
и 
моделируют барьерную емкость закрытого p—n—перехода между затвором и каналом (у транзисторов с управляющим p—n—переходом) или емкость плоского конденсатора, образованного металлическим затвором и полупроводниковым каналом (у МДП- транзисторов); у маломощных транзисторов 
Емкость 
полевых транзисторов, включая и транзисторы с управляющим p—n—переходом, является барьерной емкостью закрытого p—n—перехода между стоком и подложкой; она обычно меньше емкостей 
и 
.
Ст. преподаватель кафедры УИТС В.С. Тихонов
Электроника 1.1 / Физические основы электроники
Структура в обоих типах полевых транзисторов с изолированным затвором одинакова: металл – окисел (диэлектрик) – полупроводник; такие транзисторы еще называют МОП-транзисторами (метал – окисел – полупроводник), или МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник). 4.5.1. Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом показано на рис. 4.6. Он представляет собой монокристалл полупроводника, обычно кремния, где создана электропроводность какого-либо типа, в рассматриваемом случае p -типа. В нем созданы две области с электропроводностью противоположного типа (в нашем случае n -типа), которые соединены между собой тонким приповерхностным слоем этого же типа проводимости. От этих двух зон сформированы электрические выводы, которые называют истоком и стоком. На поверхности канала имеется слой диэлектрика (обычно диоксида кремния SiO 2 ) толщиной порядка 0,1 мкм, а на нем методом напыления наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод – затвор. Иногда от основания [называемого подложкой (П)] также делается вывод, который накоротко соединяют с истоком.
| И | З | С | SiO 2 | |||
| n | n |
| p | |
| П |
Рис. 4.6. Структура полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа Если в отсутствие напряжения на затворе приложить между истоком и стоком напряжение U си любой полярности, то через канал поте- чет ток, представляющий собой поток электронов. Через подложку ток не потечет, т. к. один из p–n- переходов будет находиться под действием обратного напряжения.
При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, а следовательно и кристалла в канале возникает поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из области канала в основание. Канал обедняется основными носителями – электронами, его сопротивление увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше этот ток. Такой режим называется режимом обеднения . При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока направление поперечного электрического поля изменится на противоположное, и оно будет, наоборот, притягивать электроны из областей истока и стока, а также из кристалла полупроводника. Проводимость канала увеличивается, и ток стока возрастает. Такой режим назы- вается режимом обогащения . Рассмотренный транзистор, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и режиме обогащения токопроводящего канала, что иллюстрируют его выходные характеристики (рис. 4.7, а ) и характеристика управления (рис. 4.7, б ).
| I с | U зи 0 | В | I с |
| Режим | |||
| U зи 0 | В обогащения | ||
| Режим | U си const | ||
| U зи 0 В обеднения | |||
| U си | U зи U зи отс | U зи |
| а | б |
Рис. 4.7. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа Выходные характеристики МДП-транзистора подобны выходным характеристикам полевого транзистора с управляющим p–n- переходом. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения U си от нуля сначала действует закон Ома и ток растет практически прямо пропорционально напряжению, а затем при некотором напряжении U си канал начинает сужаться в большей мере возле стока, т. к. на p–n- переходе между каналом и кристаллом увеличивается обратное напряжение; область этого перехо-
да, обедненная носителями, расширяется и сопротивление канала увеличивается. В результате этого ток стока испытывает два взаимно противоположных процесса и остается практически постоянным до такого напряжения U си , при котором наступает электрический пробой. Если кристалл полупроводника полевого транзистора имеет электропроводность n -типа, токопроводящий канал должен быть p -типа. При этом полярность напряжений необходимо изменить на противоположную. Полевые транзисторы со встроенным каналом на электрических схемах изображают условными графическими обозначениями, приведенными на рис. 4.8. С С
| З | З | |
| а И | б | И |
Рис. 4.8. Условные графические обозначения МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа (а) и p-типа (б) 4.5.2. Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом Устройство такого транзистора показано на рис. 4.9. От предыдущего транзистора он отличается тем, что у него нет встроенного канала между областями истока и стока.
| И | З | С | SiO 2 | |||
| n | n |
| p | |
| П |
Рис. 4.9. Структура полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа При отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, т. к. один из p–n- пере- ходов будет обязательно заперт. Если подать на затвор напряжение по-
ложительной полярности относительно истока, то под действием возникающего поперечного электрического поля электроны из областей истока и стока, а также из областей кристалла будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, в приповерхностном слое концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области, и здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т. е. образуется тонкий канал n- типа, и в цепи стока появится ток. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и больше ток стока. Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид его выходных характеристик и характеристики управления показан на рис. 4.10. Если кристалл полупроводника имеет электропроводность n -типа, то области истока и стока должны быть p -типа. Такого же типа проводимости будет индуцироваться и канал, если на затвор подавать отрицательное напряжение относительно истока.
| I с | Область | I с |
| насыщения |
U зи3 U зи 2 Активная
| область | U си const | ||
| U зи 2 U зи1 | |||
| U зи1 | Область | ||
| пробоя | |||
| а | U си | U зи пор б | U зи |
Рис. 4.10. Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа С С
| З | З |
| а И | б И |
Рис. 4.11. Условные графические обозначения МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа (а) и p-типа (б)
Графическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором показано на рис. 4.11. В последнее время МДП-транзисторы все чаще обозначают термином, заимствованным из зарубежной литературы, – MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ). Выводы 1. Полевой транзистор с изолированным затвором это полупроводниковый прибор, в котором управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика. 2. В отличие от полевого транзистора с управляющим p n -переходом входное сопротивление полевого транзистора с изолированным затвором остается очень большим при любой полярности поданного на вход напряжения. 3. Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала свободными носителями заряда. 4. Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения. 5. Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке микросхем. 4.5.3. Сравнение МДП- и биполярного транзистора МДП-транзисторы и биполярные транзисторы выполняют одинаковые функции: работают в схеме или в качестве линейного усилителя, или в качестве ключа. В табл. 4.1 приведено краткое обобщающее сравнение транзисторов этих двух типов. В настоящее время полевые транзисторы вытесняют биполярные в ряде применений. Это связано с тем, что, во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию, т. к. входное сопротивление этих приборов очень велико. Как правило, усиление мощности и тока в МДП-транзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющая цепь изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость схем на МДП-транзисторах. В-третьих, МДП-транзисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием инжекции носителей заряда. В-четвертых, полевые транзисторы обладают более высоким быстродействием, т. к. в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей заряда.
В результате мощные МДП-транзисторы все больше вытесняют биполярные транзисторы там, где требуется высокое быстродействие и повышенная надежность работы.
| Таблица 4.1 | |
| Свойства биполярных и МДП-транзисторов | |
| Биполярные транзисторы | МДП-транзисторы |
| Физические свойства | |
| Управляемый физический процесс – | Управляемый физический процесс – |
| инжекция неосновных носителей за- | эффект поля, вызывающий изменение |
| ряда: изменяется ток управления – | концентрации носителей заряда в ка- |
| нале: изменяется управляющее | |
| изменяется поток инжектированных | |
| напряжение – изменяется проводи- | |
| носителей заряда, что приводит к из- | мость канала, что приводит к измене- |
| менению выходного тока | нию выходного тока |
| Выходной ток обеспечивается носи- | Выходной ток обеспечивается основ- |
| телями заряда обоих знаков (дырками | ными носителями заряда одного зна- |
| и электронами) | ка (или дырками, или электронами) |
| Низкая теплостойкость: с увеличени- | Высокая теплостойкость: рост темпе- |
| ем тока растет температура структу- | ратуры структуры приводит к увели- |
| ры, что приводит к большему увели- | чению сопротивления канала, и ток |
| чению тока | уменьшается |
| Особенности эксплуатации | |
| Прибор управляется током, т. к. | Прибор управляется напряжением, |
| на входе имеется прямосмещенный | входное сопротивление очень велико, |
| p–n -переход и входное сопротивле- | т. к. входная цепь от выходной цепи |
| ние мало | изолирована диэлектриком |
| Относительно небольшой коэффици- | Очень большой коэффициент усиле- |
| ент усиления по току | ния по току |
| Необходимость специальных мер по | Высокая помехоустойчивость |
| повышению помехоустойчивости | |
| Высокая вероятность саморазогрева и | Низкая вероятность теплового само- |
| вторичного пробоя: сужение области | разогрева и вторичного пробоя – |
| безопасной работы (ОБР) | расширение ОБР |
| Высокая чувствительность к токовым | Низкая чувствительность к токовым |
| перегрузкам | перегрузкам |
Однако МДП-транзисторы имеют и недостатки. Во-первых, вследствие высокого сопротивления канала в открытом состоянии МДП-тран- зисторы имеют большее падение напряжения, чем падение напряжения на насыщенном биполярном транзисторе. Во-вторых, МДП-транзисторы
имеют существенно меньшее значение предельной температуры структуры, равное 150 °C (для биполярных транзисторов – 200 °C). К числу основных недостатков мощных МДП-транзисторов также следует отнести вредное влияние на его работу ряда паразитных элементов, возникающих в структуре транзистора на стадии его изготовления. Все базовые ячейки мощного МДП-транзистора содержат внутренний «паразитный» биполярный n–p–n- транзистор (рис. 4.12), образованный n -истоком (эмиттер), p -областью инверсного канала (база) и эпитакси- альным n слоем (коллектор). Паразитный транзистор фактически параллельно подключен к рабочему каналу МДП-транзистора. Рис. 4.12. Паразитные элементы структуры мощного МДП-транзистора (а), эквивалентная схема базовой ячейки (б) Для сохранения положительных свойств МДП-транзистора и исключения начала работы биполярного транзистора часть p -области всегда подключают к металлизированному контакту истока (это эквивалентно закорачиванию эмиттерного перехода паразитного транзистора). Биполярный транзистор оказывается запертым и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора. Однако быстрый спад или, наоборот, рост напряжения «сток–исток» полевого транзистора, что является обычным в динамических режимах, может привести к несанкционированному открытию паразитного транзистора, а это, в свою очередь, может привести к выходу из строя всей силовой схемы. Подключение p -области транзистора к истоку создает еще один дополнительный элемент – обратновключенный диод. Поэтому МДПтранзистор проектируют таким образом, чтобы данный диод соответствовал аналогичным показателям МДП-транзистора и имел малое время восстановления запирающих свойств.
4.6. Комбинированные транзисторы Вред от паразитного биполярного транзистора в составе МДПтранзистора можно обратить в пользу, если к нему добавить еще один дополнительный биполярный транзистор обратного типа проводимости по отношению к паразитному. Такое компромиссное решение, позволившее объединить положительные качества биполярного и МДП-транзистора, представляет собой создание монолитной структуры, называемой IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ), т. е. биполярный транзистор с изолиро- ванным затвором (БТИЗ). Отличие в структуре заключается в материале исходной подложки, в качестве которой используется полупроводниковая пластина с дырочной p -электропроводностью (рис. 4.13, а ). В результате получится комбинированная схема рис. 4.13, б , содержащая: МДП-транзистор, паразитный биполярный транзистор VT 1 и подключенный к нему еще один биполярный транзистор VT 2 . Образовавшаяся структура из транзисторов VT 1 и VT 2 имеет положительную внутреннюю обратную связь, т. к. базовый ток транзистора VT 1 является частью коллекторного тока транзистора VT 2 , и, наоборот, базовый ток транзистора VT 2 является частью коллекторного тока транзистора VT 1. Рис. 4.13. Структура IGBT (а) и ее эквивалентная схема (б) Коэффициенты передачи по току транзисторов VT 1 и VT 2 равны соответственно α 1 и α 2 . Тогда токи коллектора и эмиттера определяются так:
| i к2 i э2 α 2 ; | (4.8) |
| i к1 i э1 α 1 ; | (4.9) |
| i э i к1 i к2 i с . | (4.10) |
Ток стока полевого транзистора определяется по выражению
| i с i э (1 α 1 α 2 ). | (4.11) |
С другой стороны, ток стока можно определить через крутизну S стокозатворной характеристики:
| i c SU зэ . | (4.12) |
| Ток силовой части всей схемы определяется как |
| i к i э | SU зэ | S экв U зэ , | (4.13) | |||||||||
| 1 α α | 2 | |||||||||||
| 1 | ||||||||||||
| где S | экв | S | – эквивалентная крутизна всей схемы. | |||||||||
| 1 (α | α | 2 | ) | |||||||||
| 1 | ||||||||||||
| Очевидно, что при α 1 α 2 1 эквивалентная крутизна значительно | ||||||||||||
| превосходит крутизну S МДП-транзистора, входящего в эту схему. Ко- | ||||||||||||
| эффициентами | α 1 и α 2 можно управлять величиной резисторов R 1 | |||||||||||
| и R 2, которая осуществляется на этапе изготовления этой схемы. | ||||||||||||
Всю рассмотренную схему можно представить как единый полупроводниковый прибор, имеющий вывод коллектора, эмиттера и затвора, который управляется электрическим полем, как МДП-транзистор, но имеет по сравнению с ним значительно бόльшую крутизну и значительно меньшее сопротивление в открытом состоянии. Кроме того, здесь отсутствует явление вторичного пробоя, характерное для классических биполярных транзисторов. Конструктивно IGBT выполняются в виде дискретных элементов (рис. 4.14, а ) либо в виде силовых модулей (рис. 4.14, б ), имеющих в своем составе несколько IGBT , выполненных в едином корпусе. Условное графическое изображение транзисторов представлено на рис. 4.14, в , г . На рис. 4.15 изображены типовые коллекторные характеристики (выходные). Динамические свойства IGBT несколько хуже, чем у МДП-транзи- сторов, но значительно лучше, чем у биполярных транзисторов. Это связано с явлением накопления заряда неосновных носителей в базе биполярного транзистора и, как следствие, – со временем рассасывания этих носителей. Процесс запирания IGBT представлен на рис. 4.16. Заряд, накопленный в базе биполярного транзистора, вызывает характерный «хвост» тока при выключении IGBT . Как только имеющийся в составе IGBT полевой транзистор прекращает проводить ток, в силовой цепи начинается рекомбинация неосновных носителей, которая является началом «хвоста». Этот «хвост»
ведет к увеличению тепловых потерь, а также его необходимо учитывать в мостовых схемах и вводить промежуток между интервалами проводимости двух ключей, установленных в одном плече моста. Для уменьшения «хвоста» необходимо снизить коэффициент усиления биполярного транзистора, но тогда увеличивается напряжение насыщения открытого IGBT и соответственно статические потери. К З Э
Рис. 4.14. Конструкции IGBT: дискретное (а) и модульное (б) исполнение; условное графическое обозначение: отечественное (в); зарубежное (г)
| I к | U зи5 U зи4 |
| U зи4 U зи3 | |
| U зи3 U зи2 | |
| U зи2 U зи1 | |
| U зи1 U зипор | |
| U зипор | |
| U кэ |
Рис. 4.15. Типовые коллекторные характеристики Тем не менее, несмотря на отмеченные особенности, IGBT на сегодняшний день представляются самыми перспективными элементами для использования в качестве силовых управляемых ключей в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт.
Лекция № Полевые (униполярные) транзисторы
Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной.
Определение
Полевой транзистор – это полупроводниковый полностью управляемый ключ, управляемый электрическим полем. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность управляющего напряжения зависит от типа канала транзистора. Здесь прослеживается хорошая аналогия с электронными вакуумными лампами.
Другое название полевых транзисторов – униполярные. «УНО» — значит один.
В полевых транзисторах в зависимости от типа канала ток осуществляется только одним типом носителей дырками или электронами. В биполярных транзисторах ток формировался из двух типов носителей зарядов – электронов и дырок, независимо от типа приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить на:
- транзисторы с управляющим p-n-переходом;
- транзисторы с изолированным затвором.
И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых – отрицательное относительно истока.
У всех типов полевых транзисторов есть три вывода (иногда 4, но редко, я встречал только на советских и он был соединен с корпусом).
1. Исток (источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном).
2. Сток (приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора биполярного транзистора).
3. Затвор (управляющий электрод, аналог сетки на лампах и базы на биполярных транзисторах).
Транзистор с управляющим pn-переходом
Транзистор состоит из таких областей:
На изображении вы видите схематическую структуру такого транзистора, выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. На конкретной схеме (это p-канальный прибор) затвор – это n-слой, имеет меньше удельное сопротивление, чем область канала (p-слой), а область p-n-перехода в большей степени расположена в p-области по этой причине.
Условное графическое обозначение:
а – полевой транзистор n-типа, б – полевой транзистор p-типа
Чтобы легче было запомнить, вспомните обозначение диода, где стрелка указывает от p-области в n-область. Здесь также.
Первое состояние – приложим внешнее напряжение.
Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Можно провести аналогию с нормально-замкнутым ключом. Этот ток называется Iснач или начальный ток стока при Uзи=0.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, без приложенного управляющего напряжения к затвору является максимально открытым.
Напряжение к стоку и истоку прикладывается таким образом:
Через исток вводятся основные носители зарядов!
Это значит, что если транзистор p-канальный, то к истоку подключают положительный вывод источника питания, т.к. основными носителями являются дырки (положительные носители зарядов) – это так называемая дырочная проводимость. Если транзистор n-канальный к истоку подключают отрицательный вывод источника питания, т.к. в нем основными носителями заряда являются электроны (отрицательные носители зарядов).
Исток — источник основных носителей заряда.
Вот результаты моделирования такой ситуации. Слева расположен p-канальный, а справа n-канальный транзистор.
Второе состояние – подаём напряжение на затвор
При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока (Uзи) для p-канального и отрицательное для n-канального, он смещается в обратном направлении, область p-n-перехода расширяется в сторону канала. В резльтате чего ширина канала уменьшается, ток снижается. Напряжение затвора, при котором ток через ключ перестает протекать называется, напряжением отсечки.
Ключ начинает закрываться.
Достигнуто напряжение отсечки, и ключ полностью закрыт. На картинке с результатами моделирования отображено такое состояние для p-канального (слева) и n-канального (справа) ключа. Кстати на английском языке такой транзистор называется JFET.
Режимы работы
Рабочий режим транзистора при напряжение Uзи либо нулевое, либо обратное. За счет обратного напряжения можно «прикрывать транзистор», используется в усилителях класса А и прочих схемах где нужно плавное регулирование.
Режим отсечки наступает, когда Uзи=Uотсечки для каждого транзистора оно своё, но в любом случае прикладывается в обратном направлении.
Характеристики, ВАХ
Выходной характеристикой называют график, на котором изображена зависимость тока стока от Uси (приложенного к выводам стока и истока), при различных напряжениях затвора.
Можно разбить на три области. Вначале (в левой части графика) мы видим омическую область – в этом промежутке транзистор ведет себя как резистор, ток возрастает почти линейно, доходя до определенного уровня, переходит в область насыщения (в центре графика).
В правой части график мы видим, что ток опять начинает расти, это область пробоя, здесь транзистор находиться не должен. Самая верхняя ветвь изображенная на рисунке – это ток при нулевом Uзи, мы видим, что ток здесь самый большой.
Чем больше напряжение Uзи, тем меньше ток стока. Каждая из ветвей отличается на 0.5 вольта на затворе. Что мы подтвердили моделированием.
Здесь изображена стоко-затворная характеристика, т.е. зависимость тока стока от напряжения на затворе при одинаковом напряжении стока-исток (в данном примере 10В), здесь шаг сетки также 0.5В, мы опять видим что чем ближе напряжение Uзи к 0, тем больший ток стока.
В биполярных транзисторах был такой параметр как коэффициент передачи тока или коэффициент усиления, он обозначался как B или H21э или Hfe. В полевых же для отображения способности усиливать напряжение используется крутизна обозначается буквой S
То есть крутизна показывает, насколько миллиАмпер (или Ампер) растёт ток стока при увеличении напряжения затвор-исток на количество Вольт при неизменяемом напряжении сток-исток. Её можно вычислить исходя из стоко-затворной характеристики, на приведенном выше примере крутизна равняется порядка 8 мА/В.
Схемы включения
Как и у биполярных транзисторов есть три типовых схемы включения:
1. С общим истоком (а). Используется чаще всех, даёт усиление по току и мощности.
2. С общим затвором (б). Редко используется, низкое входное сопротивления, усиления нет.
3. С общим стоком (в). Усиление по напряжению близко к 1, большое входное сопротивление, а выходное низкое. Другое название – истоковый повторитель.
Особенности, преимущества, недостатки
- Главное преимущество полевого транзистора высокое входное сопротивление. Входное сопротивление это отношения тока к напряжению затвор-исток. Принцип действия лежит в управлении с помощью электрического поля, а оно образуется при приложении напряжения. То есть полевые транзисторы управляются напряжением.
- Полевой транзистор практически не потребляет тока управления, это снижает потери управления, искажения сигнала, перегрузку по току источника сигнала…
- В среднем частотные характеристики полевых транзисторов лучше, чем у биполярных, это связано с тем, что нужно меньше времени на «рассасывание» носителей заряда в областях биполярного транзистора. Некоторые современные биполярные транзисторы могут и превосходить полевые, это связано с использованием более совершенных технологий, уменьшения ширины базы и прочего.
- Низкий уровень шумов у полевых транзисторов обусловлен отсутствием процесса инжекции зарядов, как у биполярных.
- Стабильность при изменении температуры.
- Малое потребление мощности в проводящем состоянии – больший КПД ваших устройств.
Простейший пример использования высокого входного сопротивление – это приборы согласователи для подключения электроакустических гитар с пьезозвукоснимателями и электрогитар с электромагнитными звукоснимателями к линейным входам с низким входным сопротивлением.
Низкое входное сопротивление может вызвать просадки входного сигнала, исказив его форму в разной степени в зависимости от частоты сигнала. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Вот простейшая схема такого устройства. Подойдет для подключения электрогитар в линейный вход аудио-карты компьютера. С ней звук станет ярче, а тембр богаче.
Главным недостатком является то, что такие транзисторы боятся статики. Вы можете взять наэлектризованными руками элемент, и он тут же выйдет из строя, это и есть следствие управления ключом с помощью поля. С ними рекомендуют работать в диэлектрических перчатках, подключенным через специальный браслет к заземлению, низковольтным паяльником с изолированным жалом, а выводы транзистора можно обвязать проволокой, чтобы закоротить их на время монтажа.
Современные приборы практически не боятся этого, поскольку по входу в них могут быть встроены защитные устройства типа стабилитронов, которые срабатывают при превышении напряжения.
Иногда у начинающих радиолюбителей опасения доходят до абсурда, типа надевания на голову шапочек из фольги. Всё описанное выше хоть и является обязательным к исполнению, но не соблюдение каких либо условий не гарантирует выход из строя прибора.
Полевые транзисторы с изолированным затвором
Этот вид транзисторов активно используется в качестве полупроводниковых управляемых ключей. Причем работают они чаще всего именно в ключевом режиме (два положения «вкл» и «выкл»). У них есть несколько названий:
1. МДП-транзистор (метал-диэлектрик-полупроводник).
2. МОП-транзистор (метал-окисел-полупроводник).
3. MOSFET-транзистор (metal-oxide-semiconductor).
Запомните – это лишь вариации одного названия. Диэлектрик, или как его еще называют окисел, играет роль изолятора для затвора. На схеме ниже изолятор изображен между n-областью около затвора и затвором в виде белой зоны с точками. Он выполнен из диоксида кремния.
Диэлектрик исключает электрический контакт между электродом затвора и подложкой. В отличие от управляющего p-n-перехода он работает не на принципе расширения перехода и перекрытия канала, а на принципе изменения концентрации носителей заряда в полупроводнике под действием внешнего электрического поля. МОП-транзисторы бывают двух типов:
1. Со встроенным каналом.
2. С индуцированным каналом
Транзисторы со встроенным каналом
На схеме вы видите транзистор с встроенным каналом. Из неё уже можно догадаться, что принцип его работы напоминает полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, т.е. когда напряжение затвора равно нулю – ток протекает через ключ.
Около истока и стока созданы две области с повышенным содержанием примесных носителей заряда (n+) с повышенной проводимостью. Подложкой называется основание P-типа (в данном случае).
Обратите внимание, что кристалл (подложка) соединена с истоком, на многих условных графических обозначениях он так и рисуется. При повышении напряжения на затворе в канале возникает поперечное электрическое поле, оно отталкивает носители зарядов (электроны) и канал закрывается при достижении порогового Uзи.
Режимы работы
При подаче отрицательного напряжения затвор-исток ток стока падает, транзистор начинает закрывать – это называется режим обеднения.
При подаче положительного напряжения на затвор-исток происходит обратный процесс – электроны притягиваются, ток возрастает. Это режим обогащения.
Всё вышесказанное справедливо для МОП-транзисторов со встроенным каналом N-типа. Если канал p-типа все слова «электроны» заменяются на «дырки», полярности напряжения изменяются на противоположные.
Моделирование
Транзистор со встроенным каналом n-типа с нулевым напряжением на затворе:
Подадим на затвор -1В. Ток снизился в 20 раз.
Согласно datasheet на этот транзистор пороговое напряжение затвор-исток у нас в районе одного вольта, а типовое его значение – 1.2 В, проверим это.
Ток стал в микроамперах. Если еще немного повысить напряжение, он исчезнет полностью.
Я выбрал транзистор наугад, и мне попался достаточно чувствительный прибор. Попробую изменить полярность напряжения, чтобы на затворе был положительный потенциал, проверим режим обогащения.
При напряжении на затворе 1В ток увеличился в четыре раза, по сравнению с тем, что был при 0В (первая картинка в этом разделе). Отсюда следует, что в отличие от предыдущего типа транзисторов и биполярных транзисторов он без дополнительной обвязки может работать как на повышение тока, так и на понижение. Это заявление весьма грубо, но в первом приближении имеет право на существование.
Характеристики
Здесь всё практически так же как и в транзисторе с управляющим переходом, за исключением наличия режима обогащения в выходной характеристике.
На стоко-затворной характеристике четко видно, что отрицательное напряжение вызывает режим обеднение и закрытие ключа, а положительное напряжение на затворе – обогащение и большее открытие ключа.
Транзисторы с индуцированным каналом
МОП-транзисторы с индуцированным каналом не проводят ток при отсутствии напряжения на затворе, вернее ток есть, но он крайне мал, т.к. это обратный ток между подложкой и высоколегированными участками стока и истока.
Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом аналог нормально-разомкнутого ключа, ток не протекает.
При наличии напряжения затвор-исток, т.к. мы рассматриваем n-тип индуцируемого канала то напряжение положительное, под действием поля притягиваются отрицательные носители зарядов в область затвора.
Так появляется «коридор» для электронов от истока к стоку, таким образом, появляется канал, транзистор открывается, и ток через него начинает протекать. Подложка у нас p-типа, в ней основными являются положительные носители зарядов (дырки), отрицательных носителей крайне мало, но под действием поля они отрываются от своих атомов, и начинается их движение. Отсюда отсутствие проводимости при отсутствии напряжения.
Характеристики
Выходная характеристика в точности повторяет такую же у предыдущих разница заключается лишь в том, что напряжения Uзи становятся положительными.
Стоко-затворная характеристика показывает то же самое, отличия опять-таки в напряжениях на затворе.
При рассмотрении вольтамперных характеристик крайне важно внимательно смотреть на величины, прописанные по осям.
Моделирование
На ключ подали напряжение 12 В, а на затворе у нас 0. Ток через транзистор не протекает.
Добавим 1 вольт на затвор, но ток и не думал протекать…
Добавляя по одному вольту я обнаружил, что ток начинает расти с 4в.
Добавив еще 1 Вольт, ток резко возрос до 1.129 А.
В Datasheet указано пороговое напряжение открытия этого транзистора на участке от 2-х до 4-х вольт, а максимальное на затвор-истор от -20, до +20 В, дальнейшие приращения напряжения не дали результатов и на 20 вольтах (несколько миллиампер я не считаю, в данном случае).
Это значит, что транзистор полностью открыт, если бы его не было, ток в этой цепи составил бы 12/10=1.2 А. В дальнейшем я изучал как работает этот транзистор, и выяснил, что на 4-х вольтах он начинает открываться.
Добавляя по 0.1В, я заметил, что с каждой десятой вольта ток растёт всё больше и больше, и уже к 4.6 Вольта транзистор практически полностью открыт, разница с напряжением на затворе в 20В в токе стока всего лишь 41 мА, при 1.1 А – это чепуха.
Этот эксперимент отражает то, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при достижении порогового напряжения, что позволяет ему отлично работать в качестве ключа в импульсных схемах. Собственно, IRF740 – один из наиболее распространенных в импульсных блоках питания.
Результаты измерений тока затвора показали, что действительно полевые транзисторы почти не потребляют управляющего тока. При напряжении в 4.6 вольта ток был, всего лишь, 888 нА (нано. ).
При напряжении в 20В он составлял 3.55 мкА (микро). У биполярного транзистора он был бы порядка 10 мА, в зависимости от коэффициента усиления, что в десятки тысяч раз больше чем у полевого.
Не все ключи открываются такими напряжениями, это связано с конструкцией и особенностями схемотехники устройств где они применяются.
Особенности использования ключей с изолированным затвором
Два проводника, а между ними диэлектрик – что это? Это транзистор, собственно затвор имеет паразитную ёмкость, она замедляет процесс переключения транзистора. Это называется плато Миллера, вообще этот вопрос достоин отдельного серьезного материала с точным моделированием, с применением другого софта (не проверял эту особенность в multisim).
Разряженная ёмкость в первый момент времени требует большого зарядного тока, да и редкие управляющие устройства (шим-контроллеры и микроконтроллеры) имеют сильные выходы, поэтому используют драйверы для полевых затворов, как в полевых транзисторах, так и в IGBT (биполярный с изолированным затвором). Это такой усилитель, который преобразует входной сигнал в выходной такой величины и силы тока, достаточный для включения и выключения транзистора. Ток заряда также ограничивается последовательно соединенным с затвором резистором.
При этом некоторые затворы могут управляться и с порта микроконтроллера через резистор (тот же IRF740).
Условные графические изображения
Они напоминают полевые транзисторы с управляющим затвором, но отличаются тем, что на УГО, как и в самом транзисторе, затвор отделен от подложки, а стрелка в центре указывает на тип канала, но направлена от подложки к каналу, если это n-канальный mosfet – в сторону затвора и наоборот.
Для ключей с индуцированным каналом:
Может выглядеть так:
Обратите внимание на англоязычные названия выводов, в datasheet’ах и на схемах часто указываются они.
Для ключей со встроенным каналом: