Униполярные транзисторы

4 Униполярные транзисторы

Униполярные или полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы, регулирование тока в которых производится электрическим полем, перпендикулярным направлению тока. В общем виде, простейший полевой транзистор состоит из затвора (gate), стока (drain) и истока (source), расположенных на подложке (нет названия на английском языке). Оба названия этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности: прохождение тока в канале прибора обусловлено только одним типом зарядов, и управление током канала осуществляется при помощи электрического поля. Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делятся на две группы: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) приведено ниже на рис. 4.1а, а полевого транзистора с управляющим переходом (ПТУП)– на рис. 4.1б.

Рис. 4.1 Устройство униполярного транзистора: а – с изолированным затвором; б – управляющим p-n переходом

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния SiO₂. Электроды истока и стока располагаются по разные стороны от затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утечки затвора пренебрежимо мал даже при повышенных температурах корпуса прибора. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями заряда или обогащен ими. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает проводимость канала, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то канал называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями заряда.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется n-каналом. Каналы с дырочной проводимостью называются p-каналами. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов: с каналами n- и p-типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условное схематичное изображение этих транзисторов приведено на рис. 4.2.

Рис. 4.2 Схематичное изображение транзисторов с изолированным затвором

Графическое изображение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве. Канал транзистора изображается вертикальной штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная – встроенный. Исток и сток действуют как невыпрямляющие контакты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду истока.

Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр. Первая буква указывает материал (К – кремний, А – арсенид галлия). Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе полевых транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Шестая буква соответствует разбраковке по параметрам. Например, транзистор КП302А – кремниевый, полевой, малой мощности, высокочастотный.

Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом приведено на рис. 4.1, б. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного p-n перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулировать ток в канале. На рис. 4.1,б приведен полевой транзистор с каналом p-типа и затвором, выполненным из областей n-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводимости канала, поэтому полевые транзисторы с управляющим p-n переходом работают только на обеднение канала носителями зарядов.

Рис. 4.3 Схема полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

В полевом транзисторе с объемным каналом площадь поперечного сечения канала меняется за счет изменения площади обедненного слоя обратно включённого p-n – перехода. На рис. 4.3 показан полевой транзистор с управляющим p-n – переходом, включенный по схеме с ОИ (общим истоком).

На p-n- переход (затвор – исток) подается обратное напряжение U_ЗИ. При его уменьшении (в абсолютном значении) глубина обеднённого слоя d (заштрихованная область на рис. 4.3 – область объёмного заряда) возрастает, а токопроводящее сечение канала b сужается. Это соответствует увеличению сопротивления канала, а значит при постоянном напряжении U_СИ выходной ток I_Сснижается. Поскольку напряжение U_ЗИ прикладывается к переходу в обратном направлении, ток затвора I_З ничтожно мал и практически не зависит от управляющего напряжения.

Для полевых транзисторов входная характеристика (зависимость тока затвора I_З от напряжения U_ЗИзатвор-исток при фиксированном значении U_СИ) не имеет практического применения и при расчетах используются только передаточные и выходные характеристики ВАХ. На следующем рисунке приведены выходные и передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим переходом для схемы включения с ОИ. Эти характеристики, подобно характеристикам биполярного транзистора, имеют нелинейный характер, а, следовательно, полевой транзистор, как и биполярный, является управляемым нелинейным элементом цепи. Однако тут имеются существенные различия.

На начальном участке изменение выходного напряжения полевого транзистора крутизна его ВАХ с изменением входного сигнала не остается постоянной, как в случае биполярного транзистора. Как видно из рис. 4.4,а , с уменьшением U_ЗИ крутизна ВАХ уменьшается, а следовательно, возрастает выходное сопротивление транзистора. Это указывает на зависимость выходного сопротивления транзистора от управляющего напряжения на этом участке ВАХ.

Рис. 4.4 Статические ВАХ полевого транзистора с управляющим переходом (схема с ОИ): а – выходные; б – передаточные.

Изменение выходного тока I_Сполевого транзистора при изменении U_СИ происходит до определенного значения выходного напряжения, равного напряжению насыщения U_{СИ нас} (проекция на ось абсцисс точки пересечения штриховой кривой ОА с соответствующей ВАХ транзистора). Это напряжение равно U_{СИ нас} =U_З –U_{З отс}, где U_{З отс} – управляющее напряжение, при котором ток I_С=0 (режим отсечки). При дальнейшем возрастании выходного напряжения I_С остается неизменным вплоть до пробивного напряжения U_{СИ проб}.

Физику происходящих в полевом транзисторе процессов можно объяснить следующим образом. Как уже отмечалось, при входном напряжении U_З =U_{З отс}, соответствующем обратному напряжению на p-n – переходе (затвор – исток), при котором токопроводящий канал транзистора будет полностью перекрыт, выходной ток транзистора будет равен нулю I_С=0 (рис. 4.4, б). При U_З >U_{З отс} в токопроводящем канале появляется просвет шириной b и по нему от истока к стоку начинает протекать ток I_С , создающий на сопротивлении канала падение напряжения. Это напряжение, складываясь с напряжением U_ЗИ, по мере приближения к стоку, приводит к увеличению напряжения на обратно смещенном p-n – переходе, т.е. к сужению канала при приближении к истоку, как это показано на рис. 4.3. Рост тока стока приводит к увеличению падения напряжения на канале и к уменьшению его ширины, в результате чего уменьшается ток I_С,протекающий между истоком и стоком. Однако уменьшение тока стока приводит к уменьшению падения напряжения на канале и к уменьшению фактического (суммарного) напряжения на обратно смещенном p-n – переходе, что увеличивает ширину канала b, а следовательно и ток I_С. В результате в структуре полевого транзистора (рис. 4.3) устанавливается динамическое равновесие и при U_СИ >U_{СИ нас} ток стока поддерживается на уровне I_{С нас}.

Как видно из рис. 4.4, а , с уменьшением напряжения U_ЗИ пробивное напряжение транзистора U_{СИ проб}уменьшается. При этом всегда выполняется равенство

U_{СИ проб}= U_{СИ проб}(при U_ЗИ=0) + U_ЗИ.

Если U_ЗИ= U_{ЗИ отс}, транзистор заперт (режим отсечки) и I_С=0. В случае открытого транзистора для любого значения выходного тока I_Сбудет соблюдаться равенство U_ЗИ –U_{СИ нас}=U_{ЗИ отс}= -U_{СЗ нас};

где U_{СЗ нас –} напряжение между стоком и затвором в режиме насыщения транзистора. Из сравнения приведенных на рис. 4.4 ВАХ видно, что полярности управляющего и выходного напряжений полевого транзистора с управляющим p-n – переходом не совпадают.

Условное схематичное изображение полевых транзисторов с управляющим переходом приведено на рис. 4.5. Поскольку ПТУП работают только на обеднение канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображении сплошной линией, которая имеет контакты с электродами стока и истока.

Рис. 4.5 Условное обозначение полевых транзисторов с управляющим

p-n переходом.

Таким образом, полный набор разновидностей полевых транзисторов, имеющихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Их типовые передаточные характеристики приведены на рис. 4.6. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность питающего напряжения, направление тока в канале и диапазон изменения питающего напряжения. Из всех приведенных разновидностей в настоящее время не выпускаются только ПТИЗ со встроенным каналом p-типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики каналов n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом p-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным I_{С НАЧ}. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки U_ОТС становится близким нулю.

Рис. 4.6 Типовые передаточные характеристики полевых транзисторов

Рис. 4.7 Входная характеристика и простейшая схема каскада на ПТУП

Точка А соответствует режиму ожидания в линейной области, сигнал может быть точечным или иметь протяженность симметрично относительно точки А, но не превышать положение точки 1, т.к. при переходе границы вертикальной оси p-n-переход открывается, транзистор теряет управляющие свойства, прибор может быть поврежден. Точки В и С соответствуют режимам ожидания В и С, это значит, что в режимах ожидания на затворах должны быть выставлены напряжения относительно истоков, соответствующие уровням точек А, В, С. Для импульсного режима предельные границы импульсов определяются точками D и 1. Простейшая схема на полевом транзисторе для усиления в активной области изображена на рис. 4.7. Новые элементы здесь по сравнению с каскадом на биполярном транзисторе – резисторы R_И,R_З.Известны различные способы подачи напряжения смещения, соответствующего точке А на графике (рис. 4.7). Один из них – способ автосмещения. Он состоит в том, что ток, протекающий через транзистор, создает на R_Инапряжение уровня точки А полярностью плюс сверху, минус снизу, и этот минус поступает через R_Зна затвор. Режим ожидания установлен.

Характеристика ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока I_{С НАЧ}. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Рис. 4.8 Входная характеристика и простейшая схема каскада на ПТИЗ с встроенным каналом n-типа.

То, что между затвором и подложкой имеется изоляция, изображено на рис. 4.8 разделением (зазором) между затвором и подложкой, которая имеет вывод со стрелкой к подложке – канал n-типа, от подложки – р-типа. Из внешнего вида характеристики (рис. 4.8) следует, что рабочая точка А может располагаться на вертикальной оси и транзистор работает как в направлении обогащения носителями (в сторону точки 1), так и обеднения (в направлении точек В, С). Кстати, так как изоляция между затвором и подложкой тонкая, следует избегать её пробоя статическим электричеством. Для предотвращения пробоя руки натирают антистатиком, на запястье надевают металлические браслеты, от которых идут проводники к заземлению. Те же меры необходимо применять по отношению к микросхемам, в том числе, если в них записана программа, например, контроллеры. Паять необходимо маломощными паяльниками, запитывающимися пониженным напряжением (5 В) через разделительные трансформаторы с хорошей изоляцией между обмотками.

В истоковой цепи (рис. 4.8) нет резистора потому, что на рисунке рабочая точка А расположена на вертикальной оси при U_З=0, но для термостабилизации иногда включают R_И. При этом образуется отрицательная обратная связь, термостабилизирующая каскад.

Характеристика ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения U_ПОР. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Уточненный вид входных характеристик униполярных транзисторов в области начала координат изображен на рис. 4.9.

Рис. 4.9 Входная характеристика и простейшая схема каскада ПТИЗ с индуцированным затвором.

У транзисторов с индуцированным каналом (рис. 4.9) подложку изображают в виде штриховой линии, входная характеристика имеет зону нечувствительности U₃₀ от десятых долей вольта, до нескольких вольт, расположена в первом квадранте, на схеме рис. 4.9 смещение создается делителем R_З1 и R_З2,в цепи истока включен термостабилизирующий резистор R_И.

Подобно биполярным транзисторам полевые транзисторы могут быть включены по схемам с общим истоком ОИ, общим затвором ОЗ и общим стоком ОС. Свойства подобны свойствам каскадов на биполярных транзисторах.

На рис. 4.10 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУП с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых

Рис. 4.10 Выходные характеристики униполярного транзистора в области начала координат

транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пентодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент. Из рисунка видно, что характеристики транзистора проходят через начало координат, следовательно, остаточных параметров, как у биполярного транзистора, здесь нет, поэтому в виде электронных ключей (эквивалентов замыкающихся и размыкающихся контактов механических ключей) униполярные транзисторы предпочтительнее в сравнении с биполярными.

Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях.

Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора определяется уравнением

(4.1)

где k – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора;

U_П – пороговое значение напряжения (напряжение отсечки);

u_ЗИ – напряжение между затвором и истоком;

u_СИ – напряжение между стоком и истоком.

На начальном участке линейной области (до точки перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, полагая u_СИ≈0:

(4.2)

Выражение (4.2) позволяет определить сопротивление канала в линейной области

(4.3)

Из выражения (4.3) следует, что при u_ЗИ=0 сопротивление канала будет минимальным R_min=1/(2kU_И). Если напряжение на затворе стремится к пороговому значению u_ЗИ →U_П, то сопротивление канала возрастает до бесконечности: R_C→∞. График изменения сопротивления канала от напряжения на затворе представлен на рис. 4.11.

Рис. 4.11 Зависимость сопротивления канала от напряжения на затворе

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротивление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член выражения (4.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, дифференцируя выражение (4.1) по напряжению

откуда получаем выражение дифференциального сопротивления канала

(4.4)

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке U_СИ нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых транзисторов с изолированным затвором достигает долей Ома (0,5…2,0), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым собственным сопротивлением канала.

С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговому значению (или больше его), то сопротивление канала быстро увеличивается, что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной проводимостью. Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ способен пропускать достаточно большой (до 10А и выше). Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управляющим напряжением, чем обычно пользуются при создании силовых ключей. Схема замещения ключа на полевом транзисторе приведена на рис. 4.12.

Рис. 4.12 Схема замещения ключа на полевом транзисторе

Область насыщения. В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением

(4.5)

из которого следует его полная независимость от напряжения на стоке. Практически такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (4.5) можно найти начальный ток стока при условии, что u_ЗИ=0:

(4.6)

Выражение (4.6) показывает, что значение коэффициента k , введенного в формуле (4.1), можно установить экспериментально, измерив начальный ток стока i_C_.НАЧ и пороговое значение напряжения U_П (или напряжение отсечки U_ОТС), так как

(4.7)

Поскольку полевые транзисторы в области насыщения используются в основном как усилительные приборы, для оценки их усилительных свойств найдем значение крутизны вольт-амперной характеристики:

(4.8)

Из уравнения (4.8) следует, что максимальное значение крутизна имеет при u_ЗИ=0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при U_ЗИ=U_П становится равной нулю. Используя максимальное значение крутизны S_MAX=2kU_П, уравнение (4.8) можно записать в виде

. (4.9)

Схему замещение полевого транзистора для области насыщения можно представить в виде источника тока, управляемого напряжением на затворе U_ЗИ. При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (4.9), а для малого сигнала, используя (4.8), получим

(4.10)

где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Схема замещения транзистора приведена на рис. 4.13.

Рис. 4.13 Схема замещения полевого транзистора в режиме насыщения.

В этой схеме цепь затвора представлена разомкнутой, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схемой замещения, легко найти усиление простейшего усилительного каскада на полевом транзисторе, изображенной на рис. 4.14.

Рис. 4.14 Простейший усилительный каскад на полевом транзисторе.

Заменив полевой транзистор его схемой замещения, получим схему замещения усилительного каскада, приведенную на рис. 4.15, для которой можно найти напряжение на нагрузке:

откуда

Рис. 4.15 Схема замещения усилителя на полевом транзисторе.

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель полевого транзистора усложняют введением других параметров, которые учитывают не идеальность транзистора. Уточненная схема замещения приведена на

рис. 4.16.

Рис. 4.16 Уточненная схема замещения полевого транзистора для расчета Y – параметров.

Этой схеме замещения соответствуют уравнения, которые называют уравнениями транзистора в Y – параметрах (параметрах проводимости):

(4.11)

Физический смысл параметров, используемых в системе уравнений (4.11), можно установить, если воспользоваться режимами короткого замыкания на входе и выходе схемы замещения (рис. 4.16). При коротком замыкании на выходе (U_СИ=0) находим два параметра

(4.12)

Аналогично при коротком замыкании на входе (U_ЗИ=0) находим два других параметра

(4.13)

Из уравнений (4.12) и (4.13) следует, что параметр y₁₁ является проводимостью утечки полевого транзистора, а y₂₂ – его выходная проводимость, y₁₂ называется проводимостью обратной передачи и учитывает влияние напряжения на стоке на ток затвора, а y₂₁=S – это крутизна полевого транзистора (или его проводимость прямой передачи). Из схемы замещения (рис. 4.16) легко можно получить схему замещения (рис. 4.13), если положить y₁₁= y₁₂= y₂₂=0.

Можно отметить, что в справочниках по полевым транзисторам обычно приводятся не все, а только некоторые из рассмотренных характеристик. Всегда приводится значение крутизны S , вместо входной проводимости иногда приводится ток утечки затвора и входная емкость, а вместо проводимости обратной передачи в большинстве случаев приводится так называемая проходная емкость С_ЗС, т.е. емкость с затвора на сток (или на канал). Для мощных полевых транзисторов, работающих в ключевом режиме, обычно приводится значение сопротивления открытого канала, максимальный ток стока и предельное напряжение на стоке.

MOSFET-транзисторы – (metal – oxide – semiconductor – transistor – металл-изоляция-полупроводник-транзистор) – это разновидность полевых (FET) транзисторов.

Конструкция полевого транзистора, изображенная на рисунке 4.17, а), содержит, например, две области n (сток, исток) и канал - область p, получается подобие биполярного транзистора, то есть полевой транзистор VT1 нагружен паразитным биполярным транзистором VT2, существенно ухудшающим общие частотные, усилительные и коммутационные свойства.

Было предложено в процессе производства, в конструкции, соединить накоротко подложку и исток, таким образом переход база-эмиттер закорачивался, что существенно улучшало общие свойства, тем не менее остался переход коллектор-база в виде диода VD, (рис. 4.17, в), который ухудшает свойства униполярного транзистора. Но в ключевых схемах диод нужен для защиты униполярных транзисторов от ЭДС самоиндукции, поэтому этот тип транзисторов наиболее часто используют в импульсных ключевых режимах.

а) б) в)

Рис. 4.17. Конструкция полевого транзистора – а ; паразитный биполярный транзистор VT2 в конструкции униполярного транзистора – б; MOSFET – транзистор – в

Резистор R₁ – эквивалент внутреннего сопротивления транзистора. Делать мощные транзисторы однокристальными нецелесообразно, так как при больших размерах площадей увеличивается технологический брак производства. Поэтому в мощных приборах вводят множество маломощных транзисторов, объединенных параллельным включением. Наиболее известными и общеупотребительными на многие годы стали прямоугольные ячейки SIPMOS Siemens и TMOS Motorola, а также гексагональные структуры XEXFET – International Rectifier – рис. 4.18, а,б.

а) б)

Рис. 4.18. Прямоугольные ячейки – а ; гексагональные ячейки – б

Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными:

· большая устойчивость к токовым перегрузкам;

· меньшая мощность в цепях управления, так как затворы изолированы, токов почти нет;

· скорость переключения полевых транзисторов выше, так как отсутствует накопление зарядов неосновных носителей;

· при повышении температуры из-за однородности полупроводника напряжение на ячейке (транзисторе) в открытом состоянии нарастает (положительный ТКН), поэтому можно параллельно объединять множество транзисторов для увеличения мощности. У биполярных структур отрицательный ТКН (из-за разнородности), при параллельном соединении происходит перегрузка транзисторов с меньшим падением напряжения, они выгорают.

Однако у полевых транзисторов есть и недостатки:

· напряжение открытого состояния полевого транзистора почти в несколько раз больше, чем у биполярного, особенно для высоковольтных транзисторов, и следовательно, возрастают потери мощности;

· оказалось, что из-за положительного тока сопротивление открытого канала практически удваивается при температуре +150⁰С, в то время, как биполярные транзисторы имеют аналогичную температуру +200⁰С.