Униполярные транзисторы. Тема 7

Тема 7.2 Униполярные транзисторы

Устройство и принцип действия униполярного транзистора Униполярными, или полевыми, транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Оба на звания этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности:

прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управление током канала осуществляется при помощи электрического поля.

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком ( ц йстоком ( а управляющий электрод называется затвором (Оа Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторь делят ся на две группы: с управляющим р-п-п и с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистор изол затвором И приведено на рис. 5.1 а, а полевого транзистора с управляющим переходом (ПТУП) — на рис.5.16.

В полевых т с изолiюевышым за электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокисв кремния iО Электроды стока и иётока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утёчки затвора пренебрежи мо мал даже при повышенных температурах. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. При обеденном канале этiек ‘грическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется iа-iдуцированiiым. Еслй канал обогащен носителями зарядов, то он назь встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднениiо

канала носителями зарядов i о- -б

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную дроводимость, то он назЫвается п-каналом. Каналы с дыроч ной проводимостью называются р-каналами’. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором мргут быть четырех типов: с каналом п- или р-типов,

1

2..

каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные схематичные изображения этих типов транзисторов приведены на рис.: 5.2. Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве. Канал транзистора изображается вертикальной штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплош ная — встроенный. Исток и сток действуют как невьшрямляющие контакты, по этому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, напр2iвление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальцой динией, параллельной каналу. Вывод затвора

Г (7 7 ‚5 7

обращен к электроду истока. б -- Уело полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр.

Первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К кремний, Л — арсенид галлия). Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе гшл транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далеё идет двухзнаi1ньий номер раз работки транзистора. Пятая буква соотвествует разбраковке по параметрам. На пример, транзистор КПЗО2А — кремниевый, полевой, малой мощности, высоко

частотный. (/ ‚7 )

Устройство полевого транзистора с управляющим р-п-переходо на рис. 5.1 6. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного р-п-перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулировать ток в канале. На рис. 5.1 6 приведен полевой транзистор с каналом р-типа и за твором, вьшолненным из областей п-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводимос ти канала, поэтому полевые транзисторьи с

управляющим р-п-переходом работа а) б) с только на обеднение канала носителями

зарядов.

Условное схематическое изображение полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом приведено на рис. 5.3. Поскольку ПТУП могут работать только с обеднением канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображении

с

и

п-канал р-канал

Рис. 5.3. Условные обозначсния полевьтх, транзисторов с управляющим

р-п-переходом

сплошной линией, которая имеет контактьи с электродами стока и истока. На правление стрелки на выводе затвора указывает тип проводимости канала.

Таким образом, полный набор разновидностей полевых тра.нзисторов, имею щихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Их типовые передаточные характеристики приведены на рис. 5.4. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, на правление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в на в не выпускают ся только ПТИЗ со встроенным каналом р-типа. 7 .

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристи гiолевых транзисторов с кацалом п-типа расположены в верхней половине графи ка и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительно му напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом р-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрица тельное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики

Лекция 5. Униполярные транзисторы

ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным I При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки становится близким к нулю.

Характеристики ГIТИЗ с индуцированньим каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах про исходит при напряжении на затворе больше порогового значения 1 Увеличе ние напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока Такие транзисторьт могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения па затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

На рис. 5.5 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУГI с каналом п-типа. Характеристики других тйпов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением па затворе и полярностью приложепных Напря жений. На этих вольт-амперньих характеристиках можно выделить две области:

линейную и насыщения.

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки пере гиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от iтапряже ния па затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока сто ка от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходньи с характеристиками электровакуумньих пен тодов. Осо б еiiности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопро тивление, управляемое напряжением юта затворе, а в области насыщения — как

усилительный элемент. Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях.

Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора определя ется уравнением

(5.1)

где / — постоянный коэффициент, зависящйй от конструкции транзистора, (1 поро говое напряжение (или напряжение отсечки), и напряжение между затвором и истоком, и — напряжение между стоком и истоком.

На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенньим выражением, пола гая в (5.1) и

(5.2)

Выражение (5.2) позволяет определить сопротивление канала в линейной об ласти

(5.3)

Из выражения (5 3) следует, что при и, сопротивление канала будет мини мальным /?I,, 1/(2IсЦд. Если напряжение на затворе стремится к пороговому зна ченяiо щ — (I то сопротивление канала возрастает до бесконечности: ]?

График зависимости сопротивления канала от ‘управляющего напряжения на зат воре приведен на рис.5.6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротив ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

(5.4)

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

С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговому значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается,

56

что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной п мостью. Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ спрсобен пропускать доста точно большой ток (до IОА и выше). Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управляющим напряжением, чем обычно и пользуются при создании силовых ключей. Схема замещения кшоча на полевом транзисторе приведена на рис. 5.6 6.

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

(5.5)

из которого следует его полная независимость от напряжёния на стоке. Практи чески такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (5.5) можно найти начальный ток стока при условии, что щ О:

(5.6)

Выражение (5.6) показывает, что значение коэффициента 1’, введенного в фор муле (5.1), можно установить экспериментально, измерив на ток стока ‘СНаЧ и гтороговое напряжение Ц, (или напряжение отсечки (] так как

(5.7)

Поскольку полевые транзисторьт в области насыщения используются в основ ном как усилительньие приборы, то для оценки их усилительных свойств найдем значение крутизньи вольт-амперной характеристики:

а

(5.8)

Из уравнения (5.8) следует, чтё максимальное значение крутизна имеет при и = О. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис. 6.13. Это обо значение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изобра жается как в ГIТИЗ, а электроды коллектора и эмитгера изображаются как у

биполярного транзистора.

Область безопасной работы БТИЗ подобна ПТИЗ, т. е. в ней отсутствует уча сток вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 6.13 6 приведена область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа ЮВТ с максимальным рабочим напряжением 1200 В при длительности им пульса I0мкс. Поскольку в основу транзисторов типа ЮВТ. положены ПТИЗ с

индуцировашым каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5. ..6 В.

Бьистродействяе БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисто ров, по значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. i ния показали, что для большинства транзисторов типа ЮВТ времена включения я выклiочеiшя не превышают 0,5... 1,Омкс.

Статический индукционный трахiзистор (СИТ) представляет собой полевой трапз с управляющим р-п-переходом, который может работать как при обратном смещенйи затвора (режим полевого транзистора), так и при прямом смещении затвора (режим бипогiярпого транзистора). В результате смешанного управления открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база биполярного транзистора, а при запирании транзистора на затвор подается обратное запирающее напряжение. В отличие от биполярного транзистора обратное напряжение, подаваемое па затвор транзистора, может достигать 30 В, что значительно ускоряет процесс рассасьивания пеЪсновных носи телей, которые появляются в канале при прямом смещении затвора.

В настоящее время имеются две разновидности СИТ транзисторов. Первая разновидность транзисторов, называемых просто СИТ, представляет со бёй нормально открытый прибор с управляющим р-п-переходом. В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь сток-исток находится в проводящем состояния. Перевод траязистора в непроводящее состояние осуществляется при