4.9. Полевые транзисторы

Полевые транзисторы - это управляемые элементы, особенностью которых является практически нулевая мощность управления в статическом состоянии. Это означает, что в отличие от биполярных транзисторов ток управления полевых транзисторов мал, и можно считать, что они управляются напряжением (электрическим полем) - отсюда название “полевые”. Технология полевых транзисторов обеспечивает значительно большую плотность элементов в 1 мм³, что позволяет создавать микросхемы огромной функциональной сложности (однокристальные ЭВМ).

На полевых транзисторах выполняются цифровые устройства, не потребляющие энергии в статическом состоянии, то есть с малым потреблением.

На полевых транзисторах, в силу их особенностей, удобно строить ключи переменного тока, в том числе и прецизионные аналоговые коммутаторы.

Мощные полевые транзисторы обладают значительно меньшим сопротивлением в открытом состоянии при работе в ключевом режиме, что обеспечивает более высокие значения КПД преобразователей энергии.

Кроме того, в полевых транзисторах отсутствует эффект диффузионной емкости и связанные с ним ограничения быстродействия, обусловленные эффектом насыщения.

К сожалению, крутизна управления у полевых транзисторов существенно меньше, чем у биполярных (особенно у маломощных приборов), то есть для переключения полевого транзистора требуются большие перепады управляющего напряжения. Это обстоятельство делает быстродействие цифровых ключей на полевых транзисторах существенно меньшим по сравнению с ключами на биполярных транзисторах.

Все это приводит специалистов к необходимости творческих решений проблемы приоритетов между полевыми и биполярными транзисторами в каждом конкретном случае.

По физике работы различают полевые транзисторы с управляемым р-п-переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Наибольшее практическое применение в силу удобства управления и высокой технологичности нашли полевые транзисторы с изолированным затвором.

4.10. Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом

Рис. 4.22. Схематическое изображение полевого транзистора с управляющим р-п-переходом: а) каналом п-типа, б) условное графическое изображение

Упрощенная конструкция этого транзистора с проводящим каналом п-типа изображена на рис. 4.22. Источник регулируемой энергии Е_си подключен к проводящему каналу между стоком (С) и истоком (И), образованным п-слоем р-п-перехода. Управляющее напряжение Е_зи прикладывается между затвором (З) и истоком запирающей для р-п-перехода полярностью. Сопротивление проводящего канала сток-исток зависит от его длины, удельного сопротивления слоя п и площади поперечного сечения, определяемой шириной канала d.

При увеличении (относительно исходного нулевого) значения запирающего напряжения Е_зи ширина обедненной области р-п-перехода (заштриховано) увеличивается, а ширина проводящего п-канала уменьшается. В результате имеем функциональную зависимость

I_c=F(d, Е_си), d=f(Е_зи),

I_c=F(Е_зи, Е_си), (4.12)

подтверждающую управляемость тока стока.

В силу того, что управляющий р-п-переход находится в запертом состоянии, ток затвора, равный обратному току р-п-перехода, очень мал по величине и не является током управления, поскольку практически не зависит от напряжения Е_зи.

Так как проводимость канала определяется носителями одного типа (основными), то полевые транзисторы иногда называют униполярными приборами, а по наличию сквозного проводящего канала - канальными.

а) б)

Рис. 4 23. ВАХ полевого транзистора с управляющим р-п-переходом: а) проходные; б) выходные

Опуская математические зависимости (4.12), с которыми можно ознакомиться в специальной литературе, рассмотрим их графические изображения. На рис. 4.23 приведены ВАХ полевого транзистора: а) сквозные (проходные) и б) выходные.

Рис. 4.24. Линейный аттенюатор на полевом транзисторе

Проходная ВАХ характеризуется значениями I_с⁰ (ток стока при нулевом напряжении управления), U₀ (напряжение отсечки тока, при котором обедненная область р-п-перехода полностью перекрывает проводящий канал). Характерной особенность полевых транзисторов является практически линейная характеристика выходной ВАХ при небольших значениях U_си, когда проводящий канал представляет практически линейно управляемое сопротивление. Это свойство широко используется при построении линейных регуляторов сигнала (рис. 4.24). При увеличении U_си за счет взаимодействия двух напряжений (U_зи, U_си), каждое из которых является для р-п-перехода запирающим, выходные ВАХ приобретают горизонтальный характер, когда из-за слабой зависимости тока от напряжения прибор обладает очень большим дифференциальным сопротивлением. Полевой транзистор в этом режиме широко используется в виде задатчика тока для запитки неизменным током стабилитронов при создании высокостабильных опорных источников (рис. 4.25).

Эта схема удобна тем, что напряжение на стабилитроне автоматически является напряжением смещения полевого транзистора, задающим требуемое значение тока I_с.

Рис. 4.25. Схема использования полевого транзистора в качестве задатчика тока

Использование полевого транзистора с управляющим р-п-переходом в качестве ключа - аналогового коммутатора - предусматривает меры, исключающие открывание управляющего перехода (рис. 4.26). Нормальная коммутация обеспечивается при условии

Рис. 4.26. Схема аналогового коммутатора

U_уU_с.

Отсекающий диод при подаче запирающего значения U_у запирается, обеспечивая нулевое значение напряжения затвор-исток. Из-за низкой крутизны управления (единицы мА/В) полевые транзисторы редко применяются для построения линейных усилителей, лишь иногда в качестве входного каскада, обеспечивающего большое входное сопротивление всему усилителю. Линеаризованное уравнение может быть получено для заданного режима покоя I_c^A, U_зи^А, U_си^А из (4.12):

, (4.13)

где - крутизна;

- внутреннее (выходное) сопротивление.

Поскольку входная цепь (управления) – это обратно смещенный р-п-переход, то его характеристикой в линеаризованном виде является дифференциальное сопротивление

.

Линеаризованная электрическая модель на основании (4.13) изображена на рис. 4.27. Инерционность ПТ определяется конечным временем переноса носителей в области канала и наличием межэлектродных паразитных емкостей: входной С_зи, выходной – С_си, проходной – С_зг. В диапазоне частот входных сигналов до нескольких десятков МГц основное влияние оказывают паразитные емкости, обозначенные пунктиром на рис. 4.27. Как управляемый элемент, полевой транзистор с управляемым р-п-переходом не очень удобен: входное сопротивление сохраняется высоким только при подаче на затвор запирающего напряжения; полярность запирающего напряжения противоположна полярности источника питания, то есть для работы этого элемента требуется два разнополярных напряжения, что приводит к усложнению схемы. От этих недостатков свободны полевые транзисторы с изолированным затвором.

Рис. 4.27. Линеаризованная электрическая модель полевого транзистора

4.11. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Схематическое изображение такого прибора с технологически встроенным каналом п-типа приведено на рис. 4.28. Проводящий канал сток-исток изолирован от цепи управления (затвора) слоем диэлектрика, а от подложки – обедненным слоем р-п-перехода.

У правление током стока происходит за счет модуляции ширины канала под диэлектриком из-за изменения знака и величины управляющего напряжения затвор-исток. По сочетанию металл (контакт затвора) – диэлектрик-полупроводник (проводящий канал), такие транзисторы получили название МДП-транзисторов. Поскольку технологически диэлектрик получается путем окисления поверхности кремниевого материала канала (SiO₂), то иногда фигурирует название МОП-транзисторы.

В очень упрощенном виде изменение ширины проводящего канала под воздействием управляющего напряжения можно рассматривать как индукцию зарядов на противоположных пластинах конденсатора затвор-диэлектрик-полупровод-ник. На рис. 4.28 показан вариант увеличения (обогащения) исходного канала при положительном значении Е_зи.

а)

б)

Рис. 4.29. Схематическое изо- бражение МДП-транзистора с индуцированным каналом: а) при нулевом; б) положительном напряжении на затворе

Подавая отрицательное напряжение на затвор, можно уменьшить ширину канала (обеднить). В результате имеем функциональную зависимость, аналогичную (4.12). Отличием является то, что в статическом состоянии ток затвора равен нулю, что обеспечивает огромное входное сопротивление на постоянном токе. Являясь полезным фактором (нулевая мощность управления на постоянном токе), большое входное сопротивление может привести к такому неприятному явлению, как пробой диэлектрика под воздействием статического потенциала, имеющегося, например, на теле человека и составляющего единицы киловольт. Это обстоятельство требует специальных мер предосторожности при обращении с МДП-приборами: "заземления" рук оператора-монтажника, жала паяльника и т.д.

Если технологически канал не встроен (рис. 4.29), то его можно образовать (обогатить) за счет индукции зарядов под диэлектриком. Поскольку канал появляется за счет индукции зарядов, то такой прибор называется МДП-транзистор с индуцированным каналом или МДП-транзистор с обогащением канала. С татические ВАХ приведены на рис. 4.30.

а) б)

Рис. 4.31. Выходные ВАХ МДП-транзистора: а) со встроенным; б) индуцированным каналом п-типа

Рис. 4.32. Работа шунтирующего диода сток-подложка при коммутации индуктивной нагрузки

Подложка очень часто технологически соединяется с истоком, что приводит к появлению шунтирующего диода, который оказывается полезным при работе в режиме ключа на индуктивную нагрузку, предотвращая разрыв тока в индуктивности при размыкании ключа, что могло бы привести к образованию огромного скачка ЭДС самоиндукции и электрическому разрушению прибора (рис. 4.32).

Рис. 4.33. Схема ключа переменного тока на МДП-транзисторах

С другой стороны, наличие шунтирующего диода приведет к неуправляемости МДП-транзистора при знакопеременном напряжении U_си (ключ переменного тока). Для сохранения управляемости в этом случае необходимо применить схему, изображенную на рис. 4.33.

Здесь протекание сквозного тока от источника U_си через встречно включенные диоды исключается при любой полярности, что определяет состояние ключа (замкнут-разомкнут) только знаком и величиной управляющего напряжения. Если подложка имеет внешний вывод, то, задавая на него напряжение, обеспечивающее запирание шунтирующего диода при любом значении U_си, можно также сохранить управляемость при знакопеременном напряжении сток-исток.

Очень важным свойством МДП-транзисторов является положительный температурный коэффициент сопротивления канала, что приводит к автоматическому выравниванию токов через параллельно соединенные транзисторы. Это делает возможным создание МДП-структур с ничтожно малыми сопротивлениями канала (10 ^{- 3} Ом).