5.7. Температурні залежності та шуми польових транзисторів

Параметри ПТ залежать від температури, тому при постійних напругах на його електродах струм стоку в інтервалі робочих температур не є сталим. Він може як збільшуватися, так і зменшуватися з підвищенням температури, тобто температурний коефіцент струму стоку може мати позитивне, нульове або негативне значення. Температурна нестабільність характеристик і параметрів ПТ спричиняє головним чином зміну рівнів напруги відсікання або порогової напруги.

Основними фізичними причинами зміни струму стоку МДН-тран­зис­торів є температурні залежності рухомості носіїв у каналі, порогової напруги та значення позитивного поверхневого заряду. З одного боку, рухомість носіїв у каналі зменшується з ростом температури, що спричиняє зменшення струму. Одночасно зменшується порогова напруга і струм стоку збільшуються. Таким чином, температурні зміни кру­тості та порогової напруги можуть взаємно компенсуватися. Стокзатворні характеристики при двох температурах перетинаються в одній точці, тобто є така робоча точка – термостабільна, в якій струм стоку не залежить від температури. Цю властивість МДН-транзисторів викорис­товують для створення схем з підвищеною температурною стабіль­ністю.

Параметри МДН-транзисторів менш чутливі до зміни температури, ніж параметри БТ. Фізична причина цієї відмінності полягає в тому, що в МДН-транзисторі використовуються основні носії заряду, концентрація яких у діапазоні робочих температур майже постійна. Характеристики ПТ менше залежать від електрофізичних параметрів напівпровод­ника, ніж характеристики БТ. Для БТ велике значення мають концентрація неосновних носіїв і тривалість їх життя, які дуже залежать від температури.

В умовах підвищеної температури навколишнього середовища максимально допустима потужність розсіювання зменшується через погіршення умов охолодження .Польові транзистори на відміну від інших напівпроводникових приладів мають кращу радіаційну стійкість.

Шуми ПТ визначаються тепловими, надлишковими (1/f-шум) та дробовими шумами.

Тепловий шум створюється хаотичним рухом носіїв заряду в провідному каналі, керованому опором. Як і на всякому опорі на ньому існують флуктуації струму та напруги. Тепловий шум розподіляється за частотою (білий шум). На середніх робочих частотах тепловий шум у ПТ є основним.

Надлишковий шум (або 1/f-шум) домінує в області низьких частот; його інтенсивність зростає приблизно обернено пропорційно робочій частоті (звідси i назва «1/f-шум»). Джерелом надлишкового шуму є довільні локальні зміни електричних властивостей матеріалів та їх поверхневих станів..

Дробовий шум створюється струмом затвора і стає помітним у разі великих опорів у колі затвора. У ПТ він відносно малий, тому його зазвичай не враховують. Шумові властивості ПТ, як і БТ, оцінюють за допомогою коефіцієнта шуму F.

5.8. Класифікація та особливості використання польових транзисторів

Для позначення ПТ застосовують систему позначень БТ. Як напівпро­від­никовий матеріал ПТ використовують кремній, а тому перша літера в позначенні – К або цифра 2. Належність приладу до ПТ відображається літерою П. Таким чином, одержуємо сполучення КП (або 2П), біполярні транзистори КТ (або 2Т).

У технічній літературі та довідниках ПТ так само, як і БТ, класифікують за максимально допустимою потужністю розсіювання та частотою. У позначенні ПТ це відображено за допомогою класифікаційного номера (цифр від 1 до 9), який вказує максимально допустиму потужність та частотний діапазон. Ці дані повністю збігаються з відповідними параметрами для БТ.

Виготовляючи дискретні ПТ, застосовують планарну групову технологію. Це дозволяє на одному кристалі створювати транзистори, параметри та характеристики яких майже повністю збігаються. Дійсно, ПТ формується на кристалі напівпровідника на дуже малій відстані один від одного (електрофізичні властивості ділянок майже не відрізняються), структури створюються в єдиному технологічному процесі. У результаті стало можливим виготовляти здвоєні ПТ, які знаходять широке застосування для побудови симетричних (балансних схем), зокрема, диференціальних підсилювачів. Здвоєні ПТ використовують як навісні компоненти. У позначеннях такі прилади виділяють літерою С (2ПС або КПС).

Польові транзистори можуть бути з одним або двома керувальними p‑n‑переходами (затворами). Другий перехід створюється підкладкою, обмежує канал знизу і може використовуватися для розширення функціо­наль­них можливостей ПТ. Найчастіше другий затвор (підкладку) з’єднують з витоком (із заземленим електродом), а інколи – з основним затвором. За необхідності другий затвор можна використовувати як другий керувальний електрод, що дає змогу ефективно використовувати такі ПТ у перетворювачах або змішувачах частоти, коли напруга одного інформаційного сигналу подається на перший затвор, а іншого – на другий затвор. При цьому корисний ефект створюється завдяки безпосередній взаємодії вказаних напруг так само, як і у двосіткових (тетродних) перетворювачах на електронних лампах. Тому ПТ із двома затворами називають тетродами.

Польові транзистори широко використовують для побудови РЕА. Вони є приладами універсального призначення. Їх застосування дозволяє значно розширити схемотехнічні можливості конструювання апаратури, поліпшити якісні показники пристроїв, спростити схеми. Можна виокремити такі функціональні вузли, для побудови яких ефективно використовують ПТ: малошумові низькочастотні підсилювачі, підсилювачі високих частот, генератори, перетворювачі, змішувачі, підсилювачі постійного струму, диференціальні підсилювачі, ключові схеми тощо. Усе це стосується апаратури як на дискретних елементах, так і на інтегральних схемах.

Великого поширення набули транзистори з ізольованим затвором передусім завдяки впровадженню мікроелектроніки. МДН-транзистори є основою побудови різних за функціональним призначенням кремнієвих інтегральних схем, особливо надвеликих: мікропроцесорів, мікро-ЕОМ, електронних калькуляторів, запам’ятовувальних пристроїв великої інфор­маційної ємності, електронних годинників, пристроїв медичної електронікиі  т. ін. Потужні МДН-транзистори використовують у перемикальних схемах.

У сучасній РЕА використовують широку гаму ПТ. Як керувальні випрямні переходи, крім кремнієвих р-п‑переходів, дедалі більше застосовують гетероструктурні та випрямні переходи з бар’єрами Шотткі. Транзистори з керувальним переходом метал – напівпровідник на арсеніді галію завдяки набагато більшим дрейфовій швидкості і рухливості електронів, ніж кремнієвого р-п‑переходу, забезпечують збільшення максимальної частоти підсилення електричних сигналів з 10 до 30 ГГц. Такі прилади застосовують у надшвидкодіючих ЦІС і пристроях надвисокої частоти. Найбільшу швидкодію і роботу на частоті у межах 130...150 ГГц забезпечують ПТ з керувальними гетеропереходами метал – напівпровідник. Коефіцієнт шуму таких приладів становить: 0,1 дБ на частоті до 10 Гц, 2 дБ на частоті до 400 МГц, 3 дБ на частоті до 40 ГГц.

До потужних ПТ належать прилади з допустимою потужністю розсіювання понад 1,5 Вт. Найпоширенішими є кремнієві МДН-транзистори з індукованим каналом п-типу у вигляді паралельно з’єднаних декількох каналів, що забезпечує більші робочі струми, малий опір відкритого тран­зистора (мінімальну залишкову напругу) та більшу крутість стокзатворної характеристки. Максимально допустима напруга у потужних ПТ досягає значень 500...1000 В, а максимальний робочий струм – 10...20 А. Тривалість перемикання таких приладів становить 0,003...0,3 мкс.

При монтажі радіоелектронної апаратури особливості ПТ вимагають обов’язкового виконання таких запобіжних заходів: під час паяння усі виводи МДН-транзистора повинні бути закороченими, а жало паяльника – заземленим; вивід ПТ, з’єднаний з корпусом, необхідно приєднувати до схеми першим, а від’єднувати останнім; усі види обладнання, корпуси апаратури та вимірювальних приладів мають бути електрично заземлені; МДН-транзистори необхідно зберігати і транспортувати за наявності короткозамикачів на їх виводах. Використовуючи ПТ, необхідно ретельно виконувати ще ряд вимог, які сформульовані в технічних умовах.