Полевой транзистор: виды, устройство, особенности

Классификация полевых транзисторов

Начнём классификацией. Разновидности полевых транзисторов многочисленны, каждая работает сообразно алгоритму:

Тип проводимости канала: n или р. Фактор определяет полярность управляющего напряжения.
По структуре. С р-n-переходом сплавные, диффузионные, МДП (МОП), с барьером Шоттки, тонкопленочные.
Число электродов – 3 или 4. В последнем случае подложка рассматривается обособленным субъектом, позволяя управлять протеканием тока по каналу (помимо затвора).
Материал проводника. Сегодня распространены кремний, германий, арсенид галлия. Материал полупроводника маркируется условным обозначением буквами (К, Г, А) или (в изделиях военной промышленности) цифрами (1, 2, 3).
Класс применения не входит в маркировку, указывается справочниками, дающими сведения, что полевой транзистор часто входит в состав усилителей, радиоприемных устройств. В мировой практике встречается деление по применяемости на следующие 5 групп: усилители высокой, низкой частоты, постоянного тока, модуляторы, ключевые.
Полупроводниковый транзистор
Диапазон электрических параметров определяет набор значений, в которых полевой транзистор сохраняет работоспособность. Напряжение, ток, частота.
По конструктивным особенностям различают унитроны, алкатроны, текнетроны, гридисторы. Каждый прибор наделен ключевыми признаками. Электроды алкатрона выполнены концентрическими кольцами, увеличивая объем пропускаемого тока.
Числом конструктивных элементов, вмещенных одной подложкой выделяют сдвоенные, комплементарные.

Помимо общей классификации придумана специализированная, определяющая принципы работы. Различают:

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом.
Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
Полевые транзисторы с изолированным затвором:

С встроенным каналом.
С индуцированным каналом.

В литературе дополнительно упорядочивают структуры следующим образом: применять обозначение МОП нецелесообразно, конструкции на оксидах считают частным случаем МДП (металл, диэлектрик, полупроводник). Барьер Шоттки (МеП) следует отдельно выделять, поскольку это иная структура. Напоминает свойствами p-n-переход. Добавим, что конструктивно в состав транзистора способны входить одновременно диэлектрик (нитрид кремния), оксид (четырехвалентный кремния), как это случилось с КП305. Такие технические решения используются людьми, ищущими методы получения уникальных свойств изделия, удешевления.

FET устройства

Среди зарубежных аббревиатур для полевых транзисторов зарезервировано сочетание FET, иногда обозначает тип управления – с p-n-переходом. В последнем случае наравне с этим встретим JFET. Слова-синонимы. За рубежом принято отделять оксидные (MOSFET, MOS, MOST – синонимы), нитридные (MNS, MNSFET) полевые транзисторы. Наличие барьера Шоттки маркируется SBGT. По-видимому, материал значение, отечественная литература значение факта замалчивает.

Электроды полевых транзисторов на схемах обозначаются: D (drain) – сток, S (source) – исток, G (gate) – затвор. Подложку принято именовать substrate.

Стоковые характеристики полевого транзистора

Для полевого транзистора с общим истоком семейство выходных характеристик — это зависимости тока стока от напряжения сток—исток при различных значениях напряжения затвор—исток. Схема измерения, приведенная на рис. 6.8, позволяет строить соответствующие графики. Требуемое напряжение затвор—исток VGC

устанавливается потенциометром
RV
, и измеряется вольтметром
Мх.
Затем с помощью потенциометра
RV2
задается ряд значений напряжения сток—исток
VDC
, измеряемых вольтметром М,; результирующий ток стока
ID
измеряется миллиамперметром
Му
Типичное семейство характеристик полевого транзистора показано на рис. 6.9.

Рис. 6.8. Измерительная схема для построения стоковых характеристик полевого транзистора.

Рис. 6.9. Типичные стоковые характеристики и-канального полевого транзистора: А — область переменного сопротивления; В — область насыщения.

Как видно из рис. 6.9, в общих чертах стоковые характеристики полевого транзистора похожи на коллекторные характеристики биполярного транзистора: тот и другой представляют собой источник фиксированного тока на большей части диапазона напряжений. Другими словами, если смещение затвор—исток фиксировано на уровне 1 В, то увеличение VDC

от 5 до 15 В оказывает незначительное влияние на ток стока. Этот совсем не очевидный факт относится к области кривых справа от пунктирной линии; эту область называют областью насыщения.

Чтобы понять работу транзистора в этой области, нужно рассмотреть рис. 6.10, где схематически изображен полевой транзистор, к стоку и затвору которого подключены источники. Первоначально можно предположить, что VDC

= 0 и напряжение на затворе
VGC
имеет такое значение, при котором обедненный слой занимает часть ширины кремниевого бруска, тогда как другая часть кристалла остается проводящим каналом между истоком и стоком. Когда
VDC
начинает расти от нуля, канал ведет себя сначала просто как резистор, сопротивление которого определяется шириной канала, оставленного в кристалле обедненным слоем. Когда VDC достигает нескольких сот милливольт, начинает сказываться обратное смещение на затворе и обедненный слой расширяется, в основном у положительного конца канала (у стока), до тех пор, пока не останется очень узкий проводящий канал. Дальнейшее увеличение VDC приводит к еще большему сужению канала, почти точно уравновешивающему ожидаемое увеличение
ID
с увеличением напряжения. (Это ошибка: с ростом
V с
увеличивается длина участка канала с предельной плотностью тока, остается неизменной напряженность электрического поля на этом участке и поэтому ток стока не меняется. —
Примеч. перев.)
Это — область предельного сжатия канала (насыщения); на рис. 6.9 явно виден выход из
резистивной
области, когда кривые изгибаются, становясь почти горизонтальными (ток становится постоянным). Так же как и в случае биполярного транзистора, имеется небольшой положительный на-

Рис. 6.10. Предельное сжатие канала в полевом транзисторе.

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Tweet Нравится

Предыдущая запись: Простейший усилитель постоянного тока
Следующая запись: Регистры для хранения данных

Устройство полевого транзистора

Управляющий электрод полевого транзистора называется затвором. Канал образован полупроводником произвольного типа проводимости. Сообразно полярность управляющего напряжения положительная или отрицательная. Поле соответствующего знака вытесняет свободные носители, пока перешеек под электродом затвора не опустеет вовсе. Достигается путем воздействия поля либо на p-n-переход, либо на однородный полупроводник. Ток становится равным нулю. Так работает полевой транзистор.

Ток протекает от истока к стоку, новичков традиционно мучает вопрос различения двух указанных электродов. Отсутствует разница, в каком направлении движутся заряды. Полевой транзистор обратим. Униполярность носителей заряда объясняет малый уровень шумов. Поэтому в технике полевые транзисторы занимают доминирующую позицию.

Конструкция транзистора

Ключевой особенностью приборов назовем большое входное сопротивление, в особенности, переменному току. Очевидный факт, проистекающий из управления обратно смещённым p-n-переходом (переходом Шоттки), либо емкости технологического конденсатора в районе изолированного затвора.

Подложки часто выступает нелегированный полупроводник. Для полевых транзисторов с затвором Шоттки – арсенид галлия. В чистом виде неплохой изолятор, к которому в составе изделия предъявляются требования:

Отсутствие негативных явлений на стыке с каналом, истоком, стоком: светочувствительность, паразитное управление по подложке, гистерезис параметров.
Термостабильность в процессе технологических циклов изготовления изделия: устойчивость к отжигу, эпитаксии. Отсутствие диффузии примесей в активные слои, вызванной этим деградации.
Минимум примесей. Требование тесно связано с предыдущим.
Качественная кристаллическая решетка, минимум дефектов.

Сложно создать значительной толщины слой, отвечающий перечню условий. Поэтому добавляется пятое требование, заключающееся в возможности постепенного наращивания подложки до нужных размеров.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Ток насыщения Iс0 в цепи стока транзистора, включённого по схеме с общим истоком, при затворе накоротко замкнутым с истоком (т. е. при Uз.и=0) — характерен лишь для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Ток стока в рабочей точке можно определить по следующей формуле [2]:

Iс = Iс0(1-Uз.и/Uотс)2 (1)

где Uотс — напряжение отсечки.

Уравнение (1) является приближенным для характеристики передачи любого полевого транзистора (особенно с малыми напряжениями отсечки).

Напряжение отсечки Uотс — один из основных параметров, характеризующих полевой транзистор. При напряжении на затворе, численно равном напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал полевого транзистора, и ток стока при этом стремится к нулю.

Измерение истинного значения напряжения отсечки (при полном перекрытии канала) произвести довольно трудно, так как при этом приходится иметь дело с чрезвычайно малыми токами стока, к тому же зависящими от сопротивления изоляции. В справочных данных на полевые транзисторы всегда указывается, при каком значении тока стока произведены измерения напряжения отсечки. Так, например, для транзисторов КП102 напряжения Uотс получены при токе стока 20 мкА, а у транзистора КП103 — при токе стока 10 мкА.

Крутизна проходной характеристики. Входное сопротивление полевых транзисторов со стороны управляющего электрода составляет 107-109 Ом для транзисторов с p-n-переходом. Так как входные токи полевых транзисторов чрезвычайно малы, то управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением. Поэтому усилительные свойства полевого транзистора, как и электронных ламп, целесообразно характеризовать крутизной проходной характеристики.

Крутизна полевых транзисторов

Максимальное значение крутизны характеристики Sмакс достигается при Uз.и=0. При этом численное значение Sмакс равно проводимости канала полевого транзистора при нулевых смещениях на его электродах.

Крутизна характеристики полевых транзисторов на 1-2 порядка меньше, чем у биполярных транзисторов, поэтому при малых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на полевом транзисторе меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.

В большинстве случаев крутизну характеристики полевых транзисторов считают частотно-независимым параметром. Поэтому быстродействие электронных схем на полевых транзисторах ограничено в основном паразитными параметрами схемы.

Выражение для крутизны характеристики в рабочей точке ПТ получим, используя (1):

(2)

где Uз.и — напряжение затвор-исток, при котором вычисляется S;

(3)

Соотношение (3) позволяет по двум известным параметрам рассчитать третий.

Пробивное напряжение. Механизм пробоя полевого транзистора можно объяснить возникновением лавинного процесса в переходе затвор — канал. Обратное напряжение диода затвор — канал изменяется вдоль длины затвора, достигая максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Если выводы стока и истока поменять местами, то пробивное напряжение почти не изменится. Например, у транзистора КП102 пробой наступает при суммарном напряжении между затвором и стоком, равном 30 В. Это напряжение является минимальным; фактически напряжение пробоя составляет в среднем около 55 В, а у отдельных экземпляров достигает 120 В [7].

Пробой не приводит к выходу из строя ПТ с управляющим р-n-переходом, если при этом рассеиваемая мощность не превышает допустимой. После пробоя в нормальном рабочем режиме эти транзисторы восстанавливают свою работоспособность. Это свойство транзисторов с p-n-переходом даёт им известное преимущество перед МОП-транзисторами, у которых пробой однозначно приводит к выходу прибора из строя.

Однако необходимо оговориться, что и для ПТ с р-n-переходом пробой не всегда безвреден. Степень его влияния на параметры транзистора определяется значением и продолжительностью действия тока, протекающего при этом через затвор. Так, в результате пробоя может увеличиться ток утечки затвора в нормальном режиме [7].

Динамическое сопротивление канала rк определяется выражением

Это сопротивление при Uс.и = 0 и произвольном смещении Uз.и можно выразить через параметры транзистора [2]:

(4)

При малом напряжении сток-исток вблизи начала координат ПТ ведёт себя как переменное омическое сопротивление, зависящее от напряжения на затворе. Это остаётся справедливым даже в случае изменения полярности напряжения стока (см. рис. 4); необходимо только, чтобы напряжение на затворе было больше, чем на стоке [5].

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и МеП

В этом случае тип проводимости материала затвора отличается от используемого каналом. На практике встретите разные улучшения. Затвор составлен пятью областями, утопленными в канале. Меньшим напряжением удается управлять протеканием тока. Означая увеличение коэффициента усиления.

Биполярный транзистор

В схемах используется обратное смещение p-n-перехода, чем сильнее, тем уже канал для протекания тока. При некотором значении напряжения транзистор запирается. Прямое смещение опасно использовать по той причине, что мощная управляемая цепь может повлиять на контур затвора. Если переход открыт, потечет большой ток, либо приложится высокое напряжение. Нормальный режим обеспечивается правильным подбором полярности и других характеристик источника питания, выбором рабочей точки транзистора.

Однако в некоторых случаях намеренно используются прямые токи затвора. Примечательно, что этот режим могут использовать те МДП-транзисторы, где подложка образует с каналом p-n-переход. Движущийся заряд истока делится между затвором и стоком. Можно найти область, где получается значительный коэффициент усиления по току. Управляется режим затвором. При росте тока iз (до 100 мкА) параметры схемы резко ухудшаются.

Аналогичное включение используется схемой так называемого затворного частотного детектора. Конструкция эксплуатирует выпрямительные свойства p-n-перехода между затвором и каналом. Прямое смещение мало или вовсе нулевое. Прибор по-прежнему управляется током затвора. В цепи стока получается значительное усиление сигнала. Выпрямленное напряжение для затвора является запирающим, изменяется по входному закону. Одновременно с детектированием достигается усиление сигнала. Напряжение цепи стока содержит компоненты:

Постоянная составляющая. Никак не используется.
Сигнал с частотой несущей. Заводится на землю путем использования фильтрующих емкостей.
Сигнал с частотой модулирующего сигнала. Обрабатывается для извлечения заложенной информации.

Недостатком затворного частотного детектора считают большой коэффициент нелинейных искажений. Причем результаты одинаково плохи для слабых (квадратичная зависимость рабочей характеристики) и сильных (выход в режим отсечки) сигналов. Несколько лучшие демонстрирует фазовый детектор на двухзатворном транзисторе. На один управляющий электрод подают опорный сигнал, на стоке образуется информационная составляющая, усиленная полевым транзистором.

Несмотря на большие линейные искажения эффект находит применение. Например, в избирательных усилителях мощности, дозировано пропускающих узкий спектр частот. Гармоники фильтруются, не оказывают большого влияния на итоговое качество работы схемы.

Транзисторы металл-полупроводник (МеП) с барьером Шоттки почти не отличаются от имеющих p-n-переход. По крайней мере, когда дело касается принципов работы. Но благодаря особым качествам перехода металл-полупроводник, изделия способны работать на повышенной частоте (десятки ГГц, граничные частоты в районе 100 ГГц). Одновременно МеП структура проще в реализации, когда дело касается производства и технологических процессов. Частотные характеристики определяются временем заряда затвора и подвижностью носителей (для GaAs свыше 10000 кв. см/В с).

Классификация и основные типы полевых транзисторов.

Продолжаем разбираться с полевыми транзисторами и в этой статье поговорим о том, какие вообще существуют типы полевиков, и чем они отличаются. И начнем с того, что наиболее распространенным типом полевых транзисторов являются транзисторы, имеющие МОП-структуру (металл – окисел – полупроводник). Поэтому зачастую полевые транзисторы называют просто МОП-транзисторами (или MOSFET).

Как уже упоминалось в предыдущей статье (вот), существуют n-канальные и p-канальные МОП-транзисторы. Их характеристики практически симметричны, но правда есть небольшое уточнение. В p-канальных, в отличие от n-канальных, носителями являются не электроны, а дырки, которые имеют меньшую подвижность. Из этого вытекает то, что характеристики p-канальных МОП-транзисторов хуже, чем соответствующие характеристики n-канальных ПТ (меньше ток насыщения, больше пороговое напряжение итд).

Давайте разберемся, откуда взялось название металл-окисел-полупроводник (МОП). Рассмотрим структуру МОП-транзистора:

Как видите, затвор (металл) изолирован от канала (полупроводник) тонким слоем диэлектрика (окисел). Собственно, поэтому такую структуру и называют МОП