Что такое полевые транзисторы?

Полевые транзисторы это отдельный тип полупроводников, которые оснащены одновременно тремя электродами. Их называют истоком, затвором и стоком. В оснащенном стоком/истоком пространстве, находится особый канал токопровождения. В нем и протекает электрический ток. Он изготовлен из материалов, обладающих полупроводниковыми свойствами с переходом либо p либо n.

Управление осуществляется изменением величины проводимости канала, которая находится в прямой зависимости от напряжения заряда, проходящего между затвором и истоком. В биполярных транзисторах ток течет к коллектору от эмиттера, проходя через переходы p-n. В статье рассмотрены все вопросы строения, особенности, сферы использования полевых транзисторов. В качестве дополнения, статья содержит в себе несколько видеоматериалов и одну подробную научную статью.

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор, MOSFET) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП-транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП – транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Полевые транзисторы  – это однополярные устройства, как и обычные полевые транзисторы. То есть управляемый ток не должен проходить через PN переход. В транзисторе имеется PN переход, но его единственное назначение – обеспечить непроводящую обедненную область, которая используется для ограничения тока через канал.

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 4, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

Основные параметры полевых транзисторов:

1. Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
2. Максимально допустимая рабочая частота;
3. Напряжение сток-исток;
4. Напряжение затвор-сток;
5. Напряжение затвор-исток;
6. Максимально допустимый ток стока;
7. Ток утечки затвора;
8. Крутизна характеристики;
9. Начальный ток стока;
10. Емкость затвор-исток;
11. Входная ёмкость;
12. Выходная ёмкость;
13. Проходная ёмкость;
14. Выходная мощность;
15. Коэффициент шума;
16. Коэффициент усиления по мощности.

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом

В полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом управление током транзистора достигается путем изменения сечения канала за счет изменения области, занимаемой этим переходом. Управляющий р-n-переход образуется между каналом и затвором, которые выполняются из полупроводников противоположных типов проводимости. Так, если канал образован полупроводником η-типа, то затвор – полупроводником p-типа. Напряжение между затвором и истоком всегда подается обратной полярности, т.е. запирающей р-n-персход. Напомним, что при подаче напряжения обратной полярности область, занимаемая р-n-переходом, расширяется. При этом расширяется и область, обедненная носителями заряда, а значит, сужается область канала, через которую может течь ток. Причем, чем больше значение запирающего напряжения, тем шире область, занимаемая р-n-переходом, и тем меньше сечение и проводимость канала.

Материал в тему: устройство подстроечного резистора.

Так же, как и для биполярных транзисторов, для описания работы полевых транзисторов используют выходные характеристики. Выходная характеристика нолевого транзистора – это зависимость тока стока Iс от напряжения между стоком и истоком при фиксированном напряжении между затвором и истоком. В отличие от биполярного, работа нолевого транзистора может также описываться непосредственной зависимостью выходного параметра – тока стока от входного – управляющего напряжения между затвором и истоком. В зависимости от температуры, эти характеристики несколько изменяются. Напряжение UЗИ, при котором канал полностью перекрывается (IС = 0), называется напряжением отсечки Uотc. Управляющее действие затвора характеризуют крутизной, которая может быть определена по выходным характеристикам (см. рис. 1.15, г):

S = ΔIс/ΔUЗИ, при UСИ = const.

Так как управляющий p-n-переход всегда заперт, у полевых транзисторов практически отсутствует входной ток. Благодаря этому они имеют очень высокое входное сопротивление и практически не потребляют мощности от источника управляющего сигнала. Это свойство относится не только к транзисторам с управляющим р-n-переходом, но и ко всем полевым транзисторам, что выгодно отличает их от биполярных.

Распространённые типы полевых транзисторов

В настоящее время в радиоаппаратуре применяются ПТ двух основных типов – с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Опишем подробнее каждую модификацию.

Управляющий p-n-переход

Эти полевые транзисторы представляют собой удлинённый полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими выводами играют роль стока и истока. Функцию затвора исполняет небольшая область с обратной проводимостью, внедрённая в центральную часть кристалла. Так же, как сток и исток, затвор комплектуется металлическим выводом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Изолированный затвор

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанных выше ПТ с управляющим p-n-переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на некотором удалении друг от друга внедрены две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.

Из-за того, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов – металл, диэлектрик и полупроводник, – данные радиокомпоненты часто именуют МДП-транзисторами. В элементах, которые формируются в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, в связи с чем буква «Д» в аббревиатуре заменяется на «О», и такие компоненты получают название МОП-транзисторов.

Существует два вида этих полевых транзисторов – с индуцированным и встроенным каналом. В первых физический канал отсутствует и возникает только в результате воздействия электрического поля от затвора на подложку. Во-вторых канал между истоком и стоком физически внедрён в подложку, и напряжение на затворе требуется не для формирования канала, а лишь для управления его характеристиками. Схемотехническое преимущество ПТ с изолированным затвором перед транзисторами с управляющим p-n-переходом заключается в более высоком входном сопротивлении.

Это расширяет возможности применения данных элементов. К примеру, они используются в высокоточных устройствах и прочей аппаратуре, критичной к электрическим режимам. В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодеталями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать паяльную станцию с заземлением, а, кроме того, заземляться должен и человек, выполняющий пайку. Даже маломощное статическое электричество способно повредить полевой транзистор.

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп-переходом в схеме с общим истоком показано на рис. 26.4. Они ана­логичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти ха­рактеристики показывают зависимость выходного тока I_D от выходного напряжения V_DS(напряжения между стоком и истоком) для заданных Значений напряжения на затворе V_GS(напряжения между затвором и истоком).

Диапазон изменения смещающего напряжения затвор-исток доволь­но велик (несколько вольт) в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно. Видно, что при увеличении (по абсолютной величине) напряжения на затворе ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся обедненный слой перехода затвор-канал не пере­кроет весь канал, останавливая протекание тока. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в состоянии отсечки.

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику для V_GS= 0. При уве­личении напряжения V_DS(от нулевого значения) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигает точки Р, после которой величина тока практически не изменяется. Напряжение в точке Р называется напря­жением отсечки. При этом напряжении обедненный слой, связанный с обратносмещенным переходом затвор-канал, почти полностью перекры­вает канал. Однако протекание тока I_Dв этой точке не прекращается, поскольку благодаря этому току как раз и создается обедненный слой. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои точки отсеч­ки: P₁, P₂ и т. д. Если соединить эти точки друг с другом линией, то правее ее лежит область отсечки, являющаяся рабочей областью полевого транзистора.

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного усилителя ЗЧ на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме через резистор утечки R₁ отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор R₃ обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затво­ра. Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. R₂ – нагрузочный резистор, который может иметь очень большое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязыва­ющий конденсатор С₂ в цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R₃. Следует отметить, что раз­делительный конденсатор С₁ может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) благодаря высокому входному сопротивлению полевого транзистора.

При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызы­вая, в свою очередь, изменение выходного напряжения на стоке транзи­стора. Во время положительного полупериода входного сигнала напря­жение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор-исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток I_Dполевого транзистора. Увеличение I_D приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И на­оборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует по­ложительный полупериод выходного сигнала. Таким образом, входной и выходной сигналы усилителя с общим истоком находятся в противофазе.

Расчет статического режима

Одно из преимуществ полевого транзистора – очень малый ток утечки затвора, величина которого не превышает нескольких пикоампер (10^-12 A). Поэтому в схеме усилителя па рис. 26.5 затвор находится практически при нулевом потенциале. Ток полевого транзистора протекает от стока к истоку и обычно отождествляется с током стока I_D (который, очевидно, равен току истока I_S).

Рассмотрим схему на рис. 26.5. Полагая I_D = 0,2 мА, вычисляем потенциал истока:

V_S = 0,2 мА · 5 кОм = 1 В. Это величина напряжения обратного смещения управляющего    pn-перехода.

Падение напряжения на резисторе R₂ = 0,2 мА · 30 кОм = 6 В.

Потенциал стока V_D = 15 – 6 = 9 В.

Линия нагрузки

Линию нагрузки можно начертить точно так же, как для биполярного транзистора. Если I_D = 0, то V_DS= V_DD = 15 В. Это точка Х на линии нагрузки. Если V_DS= 0, то почти все напряжение V_DDисточника питания па­дает на резисторе R₂. Следовательно, I_D = V_DD / R₂= 15 В / 30 кОм = 0,5 мА. Это точка Y на линии нагрузки. Рабочая точка Q выбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области отсечки. Выбранная рабочая точка Q точка покоя определяется величинами: I_D = 0,2 мА, V_GS= – 1 В, V_DS= 9 В.

МОП-транзистор

В полевом транзисторе этого типа роль затвора играет металлический электрод, электрически изолированный от полупроводника тонкой пленкой диэлектрика, в данном случае оксида. Отсюда и название транзистора «МОП» – сокращение от «металл-оксид-полупроводник». Канал п-типа в МОП-транзисторе формируется за счет притяже­ния электронов из подложки р-типа диэлектрическим слоем затвора (рис. 26.7). Ширину канала можно изменять, подавая на затвор электрический потенциал. Подача положительного (относительно подложки)

Заключение

Более подробную информацию об устройстве полевых транзисторов можно узнать в статье Лекция о полевых транзисторах. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.bourabai.ru

www.studme.org

www.radiolubitel.net

www.radioprog.ru

www.eandc.ru