2.3. Полевые и igbt - транзисторы

Основное отличие полевых транзисторов (ПТ) от биполярных заключается в том, что ПТ имеют гораздо большее входное сопротивление, и управление проводимостью транзистора осуществляется напряжением, а не током. Кроме того, в создании тока ПТ участвуют носители одного типа (дырки или электроны). Все ПТ разделяют на два типа: с управляющим р-n-переходом и с изолированным затвором – со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы).

Р ассмотрим ПТ с р-n-переходом. Он имеет проводящий канал (р- или n-типа), от концов которого сделаны два вывода – электроды истока (И) и стока (С) (рис. 2.10). Вдоль канала выполнен р-n-переход. На рис. 2.10, а вид­но, что канал n-типа заключен между двумя слоями р-типа. Оба слоя р-типа имеют общий вывод, называемый затвором (З). Условное обозначение ПТ с р-n-переходом приведено на рис. 2.11, а.

Управляющее напряжение U_зи подается между истоком и затвором. Ток ПТ протекает по каналу (в данном случае n-типа) от истока к стоку. Внешние напряжения смещают р-n-переход между каналом и затвором в обратном направлении. Через затвор протекает малый ток обратно смещенного р-n-перехода, что обеспечивает большое входное сопротивление ПТ. Напряжение на управляющем электроде U_зи имеет полярность, противоположную напряжению на стоке U_си.

Проводимость канала сток-исток изменяется за счет изменения сечения канала при изменении ширины обратно смещенного р-n-перехода под действием U_зи. При увеличении U_зи ширина р-n-перехода увеличивается, сечение канала уменьшается, а сопротивление полупроводника увеличивается.

Рассмотренные свойства отражаются статическими характеристиками ПТ. Различают стоко-затворные (проходные) I_с = f (U_зи) при U_cи = const и стоковые (выходные) I_с = f (U_cи) при U_зи = const характеристики. На рис. 2.12 представлены эти характеристики для n-канального транзистора с р-n-переходом.

Выходные характеристики ПТ (рис. 2.12, а) имеют четыре области: омическую – I, усиления – II, пробоя – III, область возникновения прямых токов затвора – IV. В омической области сопротивление канала мало, и транзистор ведет себя как сопротивление, управляемое напряжением U_зи. В области усиления II сечение канала минимальное, и при увеличении U_си растет сопротивление канала, а ток стока I_с остается практически постоянным. При больших напряжениях на стоке (область III) наблюдается резкое увеличение тока стока, которое может привести к необратимому тепловому пробою транзистора.

Полевые транзисторы с р-n-переходом могут работать и при смене полярности управляющего напряжения U_зи (область IV), но напряжение U_зи не должно превышать контактной разности потенциалов р-n-перехода (0,50,6 В). Иначе возникает ток затвора, и входное сопротивление ПТ резко уменьшается.

2.3.1. МДП-транзисторы

У полевых транзисторов с изолированным затвором (МДП-транзисторы) последний отделен от проводящего канала слоем окиси кремния Si0₂ (стекло) и действует на ток канала только своим электрическим полем. Входное сопротивление МДП-транзисторов достигает 10¹⁰10¹⁴ Ом. МДП-транзисторы бывают двух типов – со встроенным кана­лом и с индуцированным каналом. Их условное обозначение соответственно показано на рис. 2.11, б и в. В отличие от транзисторов с р-n-переходом у МДП-транзисторов напряже­ние на затворе может иметь любую полярность относительно истока.

В МДП-транзисторе используется слой подложки, от которой сделан четвертый вывод П (рис. 2.11). Подложка образует с каналом диодное соединение, n-канальный МДП-транзистор имеет подложку р-типа и наоборот.

Управление осуществляется электрическим полем затвора относительно истока – U_зи, которое в зависи­мости от знака притягивает или выталкивает основные носители заряда в проводящем слое. Например, в МДП-транзисторе с каналом n-типа отрицательное напряжение на затво­ре относительно истока U_зи будет отталкивать электроны, что приводит к уменьшению их концентрации (режим обеднения). При подаче на затвор положительного напряжения U_зи из подложки в канал притягиваются электроны, что приводит к увеличению проводимости канала (режим обогащения). Сле­дует отметить, что МДП-транзисторы с индуцированным каналом работают в режиме обогащения, а транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обедне­ния, так и в режиме обогащения.

Статические характеристики МДП-транзисторов анало­гичны по форме характеристикам транзисторов с р-n-пере­ходом.

Н а рис. 2.13, а, б представлены стоко-затворные ха­рактеристики, соответственно, n-канальных и р-канальных транзисторов с р-n-переходом (1), МДП-транзисторов со встроенным каналом (2) и МДП-транзисторов с индуциро­ванным каналом (3).

Режим обеднения обозначен на характеристиках квад­рантом I, а режим обогащения – квадрантом II. Как видно из рис. 2.13, характеристики отличаются лишь сдвигом относительно оси U_зи. Характеристики для МДП-тран­зисторов даны для часто встречающегося случая, когда подложка соединена с истоком, т.е. U_пи = 0. Эти характеристики могут быть сдвинуты по оси U_зи в сто­рону обеднения, если между истоком и подложкой прило­жить запирающее р-n-переход напряжение (U_пи  0).

Основными электрическими параметрами ПТ являются: начальный ток стока I_{с нач} – ток стока при U_зи = 0; напряжение отсечки U_отс – напряжение, при котором ток стока близок к нулю (U_отс = 0,810 В); крутизна S = dI_с/dU_зи при U_си = const – отражает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора (S = 0,37 мА/В); входное сопротивление r_вх = dU_зи /dI_з – определяет сопротивление обратно-смещенного перехода (r_вх =10⁸10¹⁰ 0м); внутреннее сопротивление r_i = dU_cи /dI_c при U_зи = сonst – характеризует сопротивление канала на участке усиления II (r_i = 0,020,5 МОм); межэлектродные емкости С_си, С_зи, С_зс (С_зи  С_си = 620 пФ, С_зс = 28 пФ).

Основные достоинства ПТ по сравнению с биполярными транзисторами: высокая технологичность, меньшая стоимость, меньшая площадь, занимаемая на кристалле, большее входное сопротивление, отсутствие остаточного напряжения в открытом состоянии, малые шумы. Недостатки ПТ: большой разброс характеристик, сложная зависимость от температуры.