Г. Полевыетранзисторы

Полевые или униполярные транзисторы – это приборы, управляемые напряжением, а не током, в отличие от биполярных транзисторов. Хотя, строго говоря, и биполярный транзистор также управляется напряжением база – эмиттер, ток базы просто необходим дляотводарекомбинировавшихвобластибазы зарядов.

Мы здесь подробнее познакомимся с работой наиболее часто применяемых в САУ МОП транзисторов (металл-окисел-полупроводник или MOS – metal-oxide-silicon). Эти транзисторы, также, как и биполярные, широко используются в качестве силовых ключей, аналоговых коммутаторов, кроме того, эти транзисторы в настоящее время являются ос- новным элементом интегральной схемотехники для обработки информации в цифровом и дискретномпредставлении.

Тем, кто хочет подробнее ознакомится с различными типами полевых транзисторов можно рекомендовать повторить курс «Физические основы электроники» или обратиться к прекраснойкниге[2].

изолятор

p

с с с з з з

и и _и

подложка

канал а)

б) в) г)

Рис. 2.9.

На рисунке 2.9 показана топологическая схема и схемотехнические обозначения n- МОП транзистора. На кремниевой подложке р-типа сформированы две области, сток и ис- ток. В силовых транзисторах исток соединен с подложкой. Для этого металлическая плен- ка, служащая выводом с истока, контактирует и с р+ областью. Отвод от стока такого кон- такта не имеет. Сток имеет больший потенциал, чем исток. У других МОП транзисторов подложка часто никуда не подсоединена и сток с истоком практически неразличимы и мо- гут подключаться к напряжению любой полярности. Затвор отделен от подложки слоем оксида кремния толщиной в доли микрометра. При подаче на затвор напряжения в не- сколько вольт электроны из области подложки концентрируются под затвором и образуют канал проводимости между стоком и истоком. Транзистор начинает проводить ток. При снятиинапряжения ток прекращается.

По физике своей работы полевой транзистор проще биполярного, но получилось так, что практически они были созданы и нашли широкое применение на два - три десяти- летия позже. Причина в высочайших требованиях к чистоте поверхности и параметрам слоя оксида кремния, отделяющего затвор от канала в подложке. И сейчас, когда техноло- гия производства МОП транзисторов насчитывает уже несколько десятилетий, по техно- логическому разбросупараметровМОП транзисторы заметноотстают от биполярных.

65

Если исток не соединен с подложкой, транзистор обозначают, как показано на рис. 2.9, б). При этом подложка р-типа за счет обратного тока диодов, образующихся между стоком и подложкой и истоком и подложкой приобретает потенциал, примерно на 0,5 вольта меньше минимального из потенциалов стока или истока. Принято в таких прибо- рах c n-каналом меньшийпотенциалприсоединятьк стоку.

Если исток и подложка имеют контакт внутри прибора (рис.2.9, в), то между сто- ком и истоком образуется диод, р-область которого соединена с истоком. Чтобы подчерк- нуть это, иногдаприборнасхемах рисуют, какнарис. 2.9 г).

На малых частотах работы этот диод не оказывает отрицательного влияния. Более того, он шунтирует отрицательные выбросы при коммутации нагрузки, т.е. не требуется подключение внешнего диода. Однако на частотах переключения порядка 100 кГц и выше из-за него возникают заметные динамические потери. Однако эти потери обычно меньше, чем убиполярноготранзистора.

МОП транзистор ведет себя, как управляемое потенциалом переменное сопротив- ление. У маломощных элементов, используемыхв качествекоммутаторов аналоговых сигналов, сопротивление канала во включенном состоянии составляет около R_o = 100 Ом. При выборе коммутатора нужно всегда оценивать, допустимы для Вас такие потери или нетидля коммутации целесообразно использовать релейные решения, несмотря на то, что это дорожеи гораздогабаритнее и весомее.

Что самое важное, ТКС канала положителен, поэтому тепловое равновесие внутри прибора устойчиво!

У мощных ключевых транзисторов сопротивление в открытом состоянии может со- ставлятьужедоли Ома. Статический коэффициентполезногодействияравен:

I ² R R

_K 

I ² R

C H

• I ² R

_ H

R R

C H C O H O

Здесь к.п.д. стремится к единице при высокоомных нагрузках, биполярные же при прочих равных условиях выгоднее, как было показано ранее, при высоковольтных. Обыч- но, ключ подбирается под известную нагрузку, сопротивление нагрузки и напряжение ее питания бывают определены. Поэтому, можно просто определить статический КПД для биполярногои полевоготранзисторов и выбратьвыгодный Вамвариант.

Схема типового ключа на МОП транзисторе представлена на рис. 2.10. Здесь вы- числительное ядро ВЯ также, как и на рис. 2.8 гальванически развязано от объекта управ- ления и имеет питание +U_ВЯ. Если на выводе присутствует логическая единица (U>2.4B),

ток через светодиод оптопары DA1 не идет и база

+ U вя ^R1

Вкл0

R _н

DA1

R2 R3

VT1

+ U н

VD1

фототранзистора не освещена. Резистор R2 ограни- чивает темновой ток фототранзистора, поэтому на затворе VT1 уровень напряжения близок к нулю и транзистор закрыт. Напряжение на затворе определя- ется произведением остаточного темнового тока (по- рядка 0.1 мА) на значение сопротивления R3. В тоже время, при Вкл0=0, протекающий по R3 ток должен создавать напряжение на затворе, достаточное для надежного открытия ключа и не перегрузить фото- транзистор (обычно 10…20 мА). Видно, что схема получилась заметно проще, чем на рис. 2.8 и надеж-

Рис. 2.10.

нее из-за устойчивости теплового равновесия. Были

бы ещеполевыетранзисторысмалым сопротивлением в открытомсостоянииподешевле.