2.4 Полевые транзисторы

В ряде случаев ис­пользование биполярных транзисторов затруднено, так как эти приборы управляются током, т. е. потребляют заметную мощность от входной цепи. Это препятствует их использованию при подключении к маломощным источникам входного сигнала. Указанного недостатка лишены полевые транзисторы - полупроводни­ковые приборы, которые практически не потребляют ток из входной цепи. В полевых транзисторах в отличие от биполярных ток определя­ется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). Поэтому иногда их называют униполярными (т. е. однополярными) транзисторами.

В полевых (униполярных) транзисторах, в отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.

Конструктивно состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, регулирующий ток в цепи за счет изменения сечения проводящего канала.

Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.

Полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода

Полевые транзисторы с p-n переходом имеют структуру, разрез которой приведен на рис. 21, а. Подключение источников напряжения к прибо­ру показано на рис. 21, а, на рис. 21,6 показано схемное обозначение полевого транзистора с p-n переходом и кана­лом p-типа. Существуют также полевые транзисторы с ка­налом n-типа, их обозначение приведено на рис. 21, в, принцип действия аналогичен, но направления токов и поляр­ность приложенных напряжений противоположны.

На рис. 21, г приведено семейство стоко­вых (выходных) характеристик прибора I_с=f(U_си) при U_зи=const.

При управляющем напряжении U_зи =0 и подключении источника напряжения между стоком и истоком U_си по ка­налу течет ток, который зависит от сопротивления канала. Напряжение U_си равномерно приложено по длине канала, это напряжение вызывает обратное смещение p-n перехода между каналом p-типа и n-слоем, причем наибольшее об­ратное напряжение на p-n переходе существует в области, прилегающей к стоку, а вблизи истока p-n переход нахо­дится в равновесном состоянии. При увеличении напряже­ния U_си область двойного электрического слоя p-n пере­хода, обедненная подвижными носителями заряда, будет расширяться, как показано на рис. 22, а. Особенно сильно расширение перехода проявляется вблизи стока, где боль­ше обратное напряжение на переходе. Расширение p-n пе­рехода приводит к сужению проводящего ток канала тран­зистора, и сопротивление канала возрастает. Из-за увели­чения сопротивления канала при росте U_си стоковая характеристика полевого транзистора имеет нелинейный ха­рактер (рис. 21, г). При некотором напряжении U_си гра­ницы p-n перехода смыкаются (рис. 22, а), и рост тока I_с при увеличении U_си прекращается.

Рисунок 21 - Структура (а), схемные обозна­чения (б - канал p-типа, в - канал n типа) и стоковые характеристики (г) полево­го транзистора c p-n переходом

Рисунок 22 - Сужение канала полевого транзистора

при приложении напряжений

При U₃=0 канал имеет максимальное сечение. При подаче положительного напряжения на затво­р U_зи>0 (обратное напряжение) p-n-переход расширяется, обедненный слой проникает вглубь канала и уменьшает его сечение, как показано на рис. 22, 6. В результате канал, проводя­щий ток, сужается и ток стока уменьшается. Таким образом, увеличивая напряжение U_зи, можно уменьшить I_с, что видно из рассмотрения рис. 21, г. При определенном U_зи, называемом напряжением отсечки, ток стока практически не протекает.

Величина I_с определяется проводимостью канала, т.е. его сечением. В свою очередь, сечение зависит от ширины обедненного слоя p-n-перехода.

Полевой транзистор с изолированным затвором

У таких транзисторов между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика - МДП-транзисторы (металл - ди­электрик - полупроводник), частный случай - окисел кремния - МОП-транзисторы.

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов.

МДП-транзистор со встроенным каналом

При приложении положительного напряжения к затво­ру электрическое поле притягивает электроны из подлож­ки, они скапливаются в области канала, сопротивление ка­нала уменьшается и ток стока растет (режим обогащения) (рис. 23, в при U_си >0).

При отрицательном напряжении на затворе электриче­ское поле выталкивает электроны из канала в подложку, сопротивление канала увеличивается и ток стока падает (ре­жим обеднения). Поскольку затвор изолирован от остальной цепи, малый ток затвора I₃ вызывается только утечкой по изоляции. Мощность управляющей цепи МДП-транзистора практически равна нулю.

Рисунок 23 - МДП-транзистор со встроенным каналом n-типа (а);

семейство стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

М ДП-транзистор с индуцированным каналом

Ка­нал между областями, связанными со стоком и истоком, не создается и при напряжении U_зи=0 выходной ток отсут­ствует, I_с =0. Прибор может работать только в режиме обогащения, когда поле затвора притягивает носители со­ответствующего знака, создающие проводящий канал меж­ду областями истока и стока.

Рисунок 24 - МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа(а);

семейство стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

Рисунок 25 - Схемные обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа (а), р-типа (б) и выводом от подложки (в); с инду­цированным каналом n-типа (г), р-типа (д) и выводом от подложки (е)

Мощные МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.

Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью.

Комбинированный транзистор, состоящий из управляю­щего MOSFET и выходного биполярного каскада, на­зывается биполярный транзистор с изолированным затвором БТИЗ - IGBT (insulated gate bipolar transistor), в котором соединяются достоинства полевых и биполяр­ных транзисторов, работающих в ключевом режиме.

Достоинством IGBT является больший коэффициент усиления и значительное снижение по­следовательного сопротивления (по сравнению с MOSFET) силовой цепи в открытом состоянии. Благодаря этому снижаются тепловые потери на замкнутом ключе.

Р исунок 26 - Принцип действия

и условное обозна­чение транзистора IGBT