ТЕМА 5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

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

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

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

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

5.1 Полевые транзисторы с управляющим р- n- переходом

5.1.1 Устройство и принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

5.1.3 Основные параметры

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

· максимальное напряжение сток-исток Uсиmax;

· напряжение отсечки Uзиотс;

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

· крутизна стоко-затворной характеристики:

отображает влияние напряжение затвора на выходной ток транзистора;

· входное сопротивление

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

На принципиальных схемах можно встретить обозначения полевого транзистора той или иной разновидности.

Чтобы не запутаться и получить наиболее полное представление о том, какой всё-таки транзистор используется в схеме, сопоставим условное графическое обозначение униполярного транзистора и его отличительные свойства, и особенности.

Независимо от разновидности полевого транзистора он имеет три вывода. Один из них называется Затвор (З). Затвор является управляющим электродом, на него подают управляющее напряжение. Следующий вывод зовётся Исток (И). Исток аналогичен эмиттеру у биполярных транзисторов. Третий вывод именуется Сток (С). Сток является выводом, с которого снимается выходной ток.

На зарубежных электронных схемах можно увидеть следующее обозначение выводов униполярных транзисторов:

G – затвор (от англ. – G ate «затвор», «ворота»);

S – исток (от англ. – S ource «источник», «начало»);

D – сток (от англ. – D rain «отток», «утечка»).

Зная зарубежные обозначения выводов полевого транзистора, будет легко разобраться в схемах импортной электроники.

Обозначение полевого транзистора с управляющим p-n – переходом (J-FET).

Итак. Транзистор с управляющим p-n – переходом обозначается на схемах так:

n-канальный J-FET

p-канальный J-FET

В зависимости от типа носителей, которые используются для формирования проводящего канала (область, через которую течёт регулируемый ток), данные транзисторы могут быть n-канальные и p-канальные. На графическом обозначении видно, что n-канальные изображаются со стрелкой, направленной внутрь, а p-канальные наружу.

Обозначение МДП-транзистора.

Униполярные транзисторы МДП типа (MOSFET) имеют немного иное условное графическое обозначение, нежели J-FET"ы c управляющим p-n переходом. MOSFET"ы также могут быть как n-канальными, так и p-канальными.

MOSFET"ы существуют двух типов: со встроенным каналом и индуцированным каналом .

В чём разница?

Разница в том, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при подаче на затвор положительного или только отрицательного порогового напряжения. Пороговое напряжение (U пор ) – это напряжение между выводом затвора и истока, при котором полевой транзистор открывается и через него начинает протекать ток стока (I c ).

Полярность порогового напряжения зависит от типа канала. Для мосфетов с p-каналом к затвору необходимо приложить отрицательное «-» напряжение, а для тех, что с n-каналом, положительное «+» напряжение. Мосфеты с индуцированным каналом ещё называют транзисторами обогащённого типа . Поэтому, если услышите, что говориться о мосфете обогащенного типа – знайте, это транзистор с индуцированным каналом. Далее показано его условное обозначение.

n-канальный MOSFET

p-канальный MOSFET

Основное отличие МДП-транзистора с индуцированным каналом от полевого транзистора со встроенным каналом заключается в том, что он открывается только при определённом значении (U пороговое) положительного, либо отрицательного напряжения (зависит от типа канала – n или p).

Транзистор же со встроенным каналом открывается уже при «0», а при отрицательном напряжении на затворе работает в обеднённом режиме (тоже открыт, но пропускает меньше тока). Если же к затвору приложить положительное «+» напряжение, то он продолжит открываться и перейдёт в так называемый режим обогащения - ток стока будет увеличиваться. Данный пример описывает работу n-канального mosfet"а со встроенным каналом. Их ещё называют транзисторами обеднённого типа . Далее показано их условное изображение на схемах.

На условном графическом обозначении отличить транзистор с индуцированным каналом от транзистора со встроенным каналом можно по разрыву вертикальной черты.

Иногда в технической литературе можно увидеть изображение МОП-транзистора с четвёртым выводом, который является продолжением линии стрелки указывающей тип канала. Так вот, четвёртый вывод – это вывод подложки (substrate). Такое изображение мосфета применяется, как правило, для описания дискретного (т.е. отдельного) транзистора и используется лишь как наглядная модель. В процессе производства подложку обычно соединяют с выводом истока.

MOSFET с выводом подложки (substrate)

Обозначение мощного МОП-транзистора

В результате соединения истока и подложки в структуре полевого mosfet"а между истоком и стоком образуется встроенный диод . На работу прибора данный диод не влияет, поскольку в схему он включен в обратном направлении. В некоторых случаях, встроенный диод, который образуется из-за технологических особенностей изготовления мощного MOSFET"а можно использовать на практике. В последних поколениях мощных МОП-транзисторов встроенный диод используется для защиты самого элемента.

Встроенный диод на условном обозначении мощного МДП-транзистора может и не указываться, хотя реально такой диод присутствует в любом мощном полевике.

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 (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.

В отличие от полевых транзисторов с p-n-переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью токопроводящего канала, в МДП-транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика.

По этой причине МДП-транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором.

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 (1012-1014 Ом).

Рис. 5.6. Условные обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа (а), р-типа (б) и выводом от подложки (в); с индуцированным каналом n-типа (г), р-типа (д) и выводом от подложки (е)

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.

МДП-транзисторы представляют собой в общем случае четырех- электродный прибор. Четвертым электродом (подложкой), выполняющим вспомогательную функцию, является вывод от подложки исходной полупроводниковой пластины. МДП-траизисторы могут быть как с каналом п- или р-типа. Условные обозначения МДП-транзистров показаны на рис. 5.6 а-е.

Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом п-типа показана на рис. 5.7, а. В исходной пластине кремния р-типа с помощью диффузионной технологии созданы области истока, стока и канала п-типа. Слой окисла SiO2 выполняет функции защиты поверхности, близлежащей к истоку и стоку, а также изоляции затвора от канала. Вывод подложки (если он имеется) иногда присоединяют к истоку.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом п-типа для случая соединения подложки с истоком показаны на рис. 5.7, б. По виду эти характеристики близки к характеристикам полевого транзистора с p-n-переходом. Рассмотрим характеристику при Uзи = 0, что соответствует соединению затвора с истоком. Внешнее напряжение приложено к участку исток - сток положительным полюсом к стоку. Поскольку Uзи = 0, через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. На начальном участке 0-а, когда падение напряжения в канале мало, зависимость Ic(Ucи) близка к линейной. По мере приближения к точке б падение напряжения в канале приводит ко все более существенному влиянию его сужения (пунктир на рис. 5.7, а) на проводимость канала, что уменьшает крутизну нарастания тока на участке а-б. После точки б токопроводящий канал сужается до минимума, что вызывает ограничение нарастания тока и появление на характеристике пологого участка II.

Рис. 5.7. Конструкция МДП-транзистора со встроенным каналом п-типа (а); стоко-затворная характеристика (б); стоко-затворная характеристика (в)

Покажем влияние напряжения затвор - исток на ход стоковых характеристик.

В случае приложения к затвору напряжения (Uзи При подаче на затвор напряжения Uзи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из р-слоя полупроводниковой пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи > 0 располагаются выше исходной кривой (Uзи = 0).

Для транзистора имеется предел повышения напряжения Uсз ввиду наступления пробоя прилежащего к стоку участка сток - затвор. На стоковых характеристиках пробою соответствует достижение некоторой величины Uси.пр. В случае Uзи 0 (режим обогащения).

Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом п-типа показана на рис. 5.8, с. Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит изменение электропроводности полупроводника, т.е. индуцируется токопроводящий канал п-типа, соединяющий области стока и истока. Проводимость канала возрастает с повышением приложенного к затвору напряжения положительной полярности. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом п-типа приведены на рис. 5.8, б. Они близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости Iс = F(Uси). Отличие заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Iс равен нулю при Uзи = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока. Вид стоко-затворной характеристики транзистора с индуцированным каналом показан на рис. 5.8, в.

МДП-транзисторы обоих типов выпускаются на тот же диапазон токов и напряжений, что и транзисторы с р-п-переходом. Примерно такой же порядок величин имеют крутизна S и внутреннее сопротивление ri. Что касается входного сопротивления и межэлектродных емкостей, то МДП-транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с p-n-переходом. Как указывалось, входное сопротивление у них составляет 1012-1014 Ом. Значение межэлектродных емкостей не превышает: для Сзи, Сси - 10 пФ, для Сзс - 2 пФ. Схема замещения МДП-транзисторов аналогична схеме замещения полевых транзисторов с p-n-переходом (см. рис. 5.5).

МДП-транзисторы широко применяются в интегральном исполнении. Микросхемы на МДП-транзисторах обладают хорошей технологичностью, низкой стоимостью, способностью работы при более высоком напряжении питания, чем микросхемы на биполярных транзисторах.