§16.8. Полевые транзисторы

В полевых транзисторах используют эффект воздействия поперечного электрического поля на проводимость канала, по которому движутся носители электрического заряда.

Полевые канальные транзисторы имеют существенные преимущества, к которым прежде всего относятся большое входное сопротивление приборов (1010—1015 Ом), большая устойчивость к проникающим излучениям (допускается уровень излучений, на 3—4 порядка больший, чем для биполярных транзисторов), малый уровень собственных шумов, малое влияние температуры на усилительные свойства.

Полевые транзисторы изготовляют двух типов: с затвором в виде р-п-перехода и с изолированным затвором.

Рис. 16.25. Схематическое изображение полевого транзистора с р-п-переходами: И — исток; С — сток; 1 — обедненный слой

Устройство транзистора с затвором в виде р-п-перехода схематично представлено на рис. 16.25. Основу прибора составляет слаболегированная полупроводниковая пластина R-типа, к торцам которой приложено напряжение Uc, создающее ток Iс через сопротивление нагрузки Rн. В полупроводниковой пластине этот ток обеспечивается движением основных носителей заряда. Торец пластины, от которого движутся носители заряда, называется истоком. Торец, к которому движутся носители заряда,— стоком. В две противоположные боковые поверхности основной р- пластины вплавлены пластинки типа п. На границе раздела пластин п и р возникают электронно- дырочные переходы. К этим переходам в непроводящем направлении приложено входное напряжение ивх. Значение напряжения ивх можно менять при обязательном сохранении указанной на рисунке полярности. Обычно ивх состоит из двух составляющих: переменного напряжения управляющего сигнала и постоянной составляющей начального смещения, значение которой превышает амплитуду сигнала. Пластины n-типа образуют затвор. При указанной полярности напряжения на затворе вокруг этих пластин образуется слой, обедненный носителями заряда и, следовательно, имеющий малую проводимость. Между обедненными слоями сохраняется канал с высокой проводимостью.

Принцип действия полевого транзистора основан на изменении ширины обедненного слоя при изменении обратного напряжения р-п-перехода (см. § 16.5). С увеличением напряжения на затворе ширина обедненных слоев увеличивается, а поперечное сечение канала и его проводимость уменьшаются.

Таким образом, изменяя напряжение ивх на затворе, можно менять ток через сопротивление нагрузки Rн и выходное напряжение ивх.

Работу полевого транзистора принято характеризовать зависимостью тока стока Iс от напряжения между истоком и стоком Uc при различных значениях напряжения на затворе U3. Эта зависимость аналогична анодной характеристике усилительной лампы.

Семейство характеристик полевого транзистора с затвором в виде р-п-перехода изображено на рис. 16.26. Сначала с увеличением Uc ток Iс нарастает практически линейно. Затем наступает режим насыщения и увеличение Uc не приводит к росту тока. Это объясняется тем, что при

насыщении напряженность продольного поля в канале складывается с напряженностью поперечного поля и канал в области стока сужается. Причем чем больше напряженность продольного поля (чем больше Uс), тем больше сужается канал в области стока. Ток при этом остается постоянным. Ток насыщения тем меньше, чем больше напряжение на затворе (обратное напряжение р-п-перехода).

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором схематически показано на рис. 16.27. Основу прибора составляет пластина полупроводника р-типа. На небольшом расстоянии друг от друга в поверхность основной пластины вплавляют донорную примесь. Затем поверхность пластины кремния подвергают термической обработке, в результате чего на ней наращивается тонкий (0,1 мкм) слой диосида, являющегося хорошим изолятором. На слой изолятора накладывают металлическую пластину затвора, перекрывающую области донорной примеси п.

Транзисторы с изолированным затвором чаще называют транзисторами типа МДП (металл

— диэлектрик— полупроводник). Упрощенно принцип его работы можно представить следующим образом: при отсутствии напряжения на затворе области п истока и стока разделены непроводящей прослойкой основной пластины; при подаче на затвор положительного напряжения электроны вытягиваются из основной пластины и скапливаются под изолирующей прослойкой.

При определенной разности потенциалов концентрация электронов под диэлектриком превысит концентрацию дырок и области п будут соединены проводящим электронным каналом.

В рассмотренном случае проводящий канал между истоком и стоком индуцируется напряжением затвора. Разновидностью МДП-транзисторов являются конструкции, при которых канал «встраивается» в процессе изготовления прибора путем введения соответствующих примесей. Напряжение затвора меняет концентрацию носителей и проводимость встроенного канала.

Полевые транзисторы могут быть изготовлены и на основе пластин n-типа.

Структура тиристора содержит четыре (р-п-р-п) или пять (р-п-р-п-р) слоев. В последнем случае тиристор называют симметричным.

Четырехслойная структура тиристора изображена на рис. 16.28. Тиристор содержит три р- n-перехода: П1, П2, П3. Чтобы повысить эффективность управляющего сигнала ис, слой, к которому подключен управляющий электрод, делают тоньше остальных.

Физические процессы в четырехслойной структуре и тем более их математическое описание достаточно сложны, поэтому ограничимся лишь общими сильно упрощенными представлениями.

Четырехслойную структуру тиристора можно представить в виде двух соответствующим образом соединенных транзисторов р-п-р- и п-р-п- типов (рис. 16.29). Как видно из схемы, к переходам П1 и П3 подведено прямое напряжение, а к переходу П2 — обратное. Если бы не было переходов П1 и П3, тиристор превратился бы в диод и через переход П2 проходил бы обратный ток I0. При наличии переходов П1 и П3 через переход П2 проходят два дополнительных тока: коллекторный ток Iк1 транзистора p-n-р и коллекторный ток Iк2 транзистора п-р-п. Ток Iк1 создает дырки, а ток Iк2 — электроны. Поэтому ток I через переход П2, равный току через сопротивление нагрузки, можно рассматривать как сумму трех токов: I=I0+ Iк1+Iк2

Выразив коллекторные токи транзисторов через эмиттерные токи, получим

I=I0+α1Iэ1+α2Iэ2.

Уточним понятие о коэффициентах α1 и α2, с помощью которых коллекторные токи выражаются через эмиттерные (см. § 16.7). Мы установили, что α зависит от того, какая часть эмиттированных носителей заряда достигает коллектора, и считали для каждого конкретного транзистора коэффициент α постоянным. Однако это справедливо только для нормальных режимов работы, близких к номинальному. При больших отклонениях тока эмиттера от номинальных значений коэффициент α существенно изменяется (рис. 16.30). В частности, при малых токах эмиттера коэффициент α близок к нулю, так как почти все носители, эмиттированные в базу, рекомбинируют в ней, не доходя до коллектора.

Обратимся еще раз к рис. 16.29: непосредственно из схемы находим, что Iэ1=Iэ1=I, поэтому

выражение для тока нагрузки принимает вид

I=I0+α1I+α2I.

откуда

I = 1− (αI10+α2 )

Последнее выражение характерно для схем с положительной обратной связью. Если знаменатель стремится к нулю, ток неограниченно возрастает (на самом деле ток ограничен сопротивлением нагрузки, которое мы не учитывали в наших рассуждениях).

Основной для тиристора является вольт-амперная характеристика, показывающая зависимость тока в нагрузке от напряжения цепи. Эта характеристика (рис. 16.31) имеет сложный вид, так как при изменении напряжения изменяется не только ток I0, но и коэффициенты α1, α2.

На характеристике можно выделить несколько характерных участков. При малых значениях напряжения U ток в цепи, а следовательно, и коэффициенты α1 и α2 малы, при этом I≈I0

и тиристор ведет себя как диод, включенный в обратном направлении (участок 1). При достижении напряжением критического значения Uвкл (точка 2) коэффициенты α1 и α2 быстро возрастают, а ток скачком увеличивается до значений, превышающих Iуд (участок 4). Наклон характеристики на этом участке определяется значением нагрузочного сопротивления. Взаимодействие транзисторов, условно выделенных на рис. 16.29, приводит к такому быстрому возрастанию α1 и α2, что в течение короткого времени ток увеличивается даже при снижении напряжения (участок 3). Снижение напряжения при увеличении тока свидетельствует о том, что на этом участке тиристор имеет отрицательное сопротивление. Участок 5 соответствует обратному включению переходов П1 и П3. При некотором значении обратного напряжения наступает необратимый пробой переходов П1 и П3 и тиристор разрушается (участок 6).

Ток, при котором сопротивление тиристора становится отрицательным, называют током включения Iвкл. Для того чтобы перевести тиристор из открытого (включенного) состояния в закрытое, необходимо снизить ток через него до значений, меньших значения удерживающего

тока Iуд.

Семейство вольт-амперных характеристик тринистора представлено на рис. 16.32. Подавая на управляющий электрод соответствующий сигнал, можно менять напряжение включения тиристора. Чем больше ток управления Iу, тем меньше напряжение включения тиристора.

Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора с пятислойной структурой (р-п- р-п-р) изображена на рис. 16.33. В соответствии с симметрией структуры симметрична и характеристика прибора.

Рис. 16.34. Выключение тиристора с помощью шунтирующего транзистора: 1 — тиристор; 2—

транзистор

Ранее отмечалось, что управляющий электрод может изменять только момент включения (напряжение включения) тиристора. Для перевода тиристора из открытого состояния в закрытое необходимо уменьшить ток тиристора до значений, меньших Iуд. В цепях переменного тока это происходит при смене полярности питающего напряжения. В цепях постоянного тока обратное

переключение тиристора требует специальных устройства из возможных вариантов схемы приведен на рис. 16.34. При подаче на базу транзистора импульса напряжения ток через транзистор резко возрастает и соответственно уменьшается ток тиристора. Включение тиристора осуществляется подачей импульса напряжения на управляющий электрод У, который на схеме не обозначен.