Полевые транзисторы с изолированным затвором

Если в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом затвор имеет электрический контакт с каналом, то в полевых транзисторах с изолированным затвором такой контакт отсутствует. В этих транзисторах (рис. 1.16, а) затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированного от полупроводника. В зависимости от вида изоляции различают МДП и МОП-транзисторы. Аббревиатура «МДП» расшифровывается как «металл — диэлектрик — полупроводник», а «МОП» — как «металл — оксид — полупроводник». В последнем случае под оксидом понимается оксид кремния, который является высококачественным диэлектриком.

Рис. 1.16. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом (а); его условное обозначение (б); передаточная (в) и выходные (г) характеристики

Исток и сток формируют в виде сильно легированных областей полупроводника. За счет этого области истока и стока имеют высокую концентрацию носителей, что отмечено на рисунке знаком «+». Как МДП-, так и МОП-транзисторы могут быть выполнены с каналом p- и n-типов. Канал в этой группе транзисторов может быть встроенным (т. е. созданным при изготовлении) и индуцированным (т. е. наводящимся под влиянием напряжения, приложенного к затвору).

Полевой транзистор с встроенным каналом. На рис. 1.16, а изображен МДП-транзистор с встроенным каналом n-типа (тонким слоем полупроводника n-типа), соединяющим исток и сток (n⁺-области). Эти области образованы в подложке — полупроводнике р-типа. Строго говоря, в МДП- и МОП-транзисторах не три, а четыре электрода, включая подложку. Однако часто подложку электрически соединяют с истоком (или стоком), образуя три вывода.

В зависимости от полярности напряжения U_ЗИ, приложенного к затвору относительно истока, в канале может изменяться концентрация основных носителей (в рассматриваемом случае — электронов). При отрицательном напряжении на затворе U_ЗИ электроны выталкиваются из области канала в области n⁺, канал обедняется носителями и ток I_С снижается. Положительное напряжение на затворе втягивает электроны из областей n⁺ в канал и ток I_С через канал возрастает. Таким образом, в отличие от полевого транзистора с p-n-переходом в этом полевом транзисторе управляющее напряжение может быть как отрицательным, так и положительным, что отражено на его передаточной (рис. 1.16, в) и выходных (рис. 1.16, г) характеристиках.

Полевой транзистор с индуцированным каналом. Этот вид транзистора отличается от предыдущего тем, что при отсутствии напряжения на затворе канал отсутствует (рис. 1.17, а), так как n-области истока и стока образуют с p-подложкой два p-n-перехода, включенные навстречу друг другу, и, значит, при любой полярности напряжения U_СИ один из переходов заперт.

Если же на затвор подать напряжение больше порогового U_ЗИ > U_{ЗИ пор}, то созданное им электрическое поле вытягивает электроны из n⁺-областей (и в какой-то мере из подложки), образуя тонкий слой n-типа в приповерхностной области p-подложки (рис.1.17, б). Этот слой соединяет исток и сток, являясь каналом n-типа. От подложки канал изолирован возникшим обедненным слоем.

Таким образом, полевые транзисторы с индуцированным n-каналом (n-МОП-транзисторы), в отличие от рассмотренных ранее полевых транзисторов, управляются только положительным сигналом U_ЗИ (рис. 1.17, г). Значение порогового напряжения у них 0,2…0,1 В.

Рис. 1.17. Полевой транзистор с индуцированным каналом в исходном состоянии (а) и при приложенном напряжении на затворе (б); его условное обозначение (в); передаточная (г) и выходные (д) характеристики

Значительно больше пороговое напряжение у р-МОП-транзистора, принцип работы которого аналогичен n-МОП-транзистору. Но в связи с тем, что носителями в нем служат дырки, а не электроны, полярность всех напряжений у этого транзистора противоположна n-МОП-транзистору. Значение порогового напряжения этого типа транзисторов составляет 2…4 В.

Как и биполярные, полевые транзисторы можно включать по схеме с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Как правило, используют схему c ОИ, так как она, подобно схеме c ОЭ биполярных транзисторов, позволяет получить значительные коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности одновременно.

Преимущества полевых транзисторов:

1) высокое входное сопротивление в схеме c ОИ;

2) малый уровень собственных шумов, так как перенос тока осуществляют только основные для канала носители и, следовательно, нет рекомбинационного шума;

3) высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий;

4) высокая плотность расположения элементов при изготовлении интегральных схем.

Отметим также интересную особенность полевых транзисторов: в принципе исток и сток в транзисторах равноправны, т. е. в зависимости от приложенной полярности напряжения исток и сток могут меняться местами. На этом свойстве основано использование полевых транзисторов в качестве электронных ключей вместо обычных контактных переключателей.

Полевые транзисторы широко используются в усилителях, генераторах и другой радиоэлектронной аппаратуре, а МОП-транзисторы являются основой для разработки всех современных средств вычислительной техники, включая микропроцессоры, микроконтроллеры, полупроводниковую память.

Сравнивая условные обозначения транзисторов (см. рис. 1.8, б; 1.9, б; 1.15, б, в; 1.16, б; 1.17, в) подчеркнем, что стрелка в них всегда направлена от p-области к n-области, что позволяет легко установить, например, тип канала полевого транзистора.

ТИРИСТОРЫ

Тиристоры — это полупроводниковые приборы с тремя или более p-n-переходами, которые имеют два устойчивых состояния и применяются как мощные электронные ключи.

Диодные тиристоры (динисторы) имеют два вывода от крайних чередующихся p- и n-областей (рис. 1.18, а).

Вывод, соединенный с крайней p-областью, называется анодом, а с крайней n-областью — катодом. Внешнее напряжение U является прямым по отношению к переходам П₁ и П₃ и обратным для перехода П₂, поэтому переходы П₁ и П₃ открыты (подобно открытым диодам), а переход П₂ заперт. В результате напряжение U почти целиком приложено к П₂ и через тиристор протекает небольшой ток, являющийся обратным током I₀ p-n-перехода.

Рис. 1.18. Тиристор диодный и его условное обозначение (а), эквивалентная схема (б) и вольт-амперная характеристика (в)

С увеличением напряжения ток через тиристор несколько возрастает (участок 0В характеристики на рис. 1.18, в), а при достижении напряжением, приложенным между анодом и катодом, значения U_вкл, лавинообразно увеличивается, ограничиваясь только сопротивлением нагрузки. Поясним этот процесс.

Тиристор можно представить как два биполярных транзистора VТ1и VТ2 (рис. 1.18, б). Небольшое приращение тока ΔI_Э1 = ΔI вызывает (как в обычном транзисторе) приращение тока коллектора ΔI_К1, который, поступая в базу транзистора VТ2, вызывает приращение его коллекторного тока:

ΔI_К2 = ΔI_Б2β₂ = ΔI_К1β₂,

где β₂ — коэффициент передачи тока VТ2. Но ток коллектора второго транзистора, как показано по схеме, является базовым для первого транзистора (ΔI_K2 = ΔI_Б1), поэтому ток I_K1, в свою очередь, увеличивается:

ΔI_К1= ΔI_Б1β₁= ΔI_К2 β₁= ΔI_К1 β₂ β₁ и т.д.

Этот процесс соответствует участку BC вольт-амперной характеристики с отрицательным сопротивлением и переводит тиристор в открытое состояние, когда он ведет себя как диод в прямом направлении.

Чтобы запереть (погасить) тиристор, необходимо каким-либо образом уменьшить ток I, протекающий через него, до значения, меньшего удерживающего I_уд. Если напряжение U, питающее схему, переменное, то тиристор запирается в отрицательный полупериод, когда ток I достигает нуля, если же оно постоянное, то для запирания тиристора применяют так называемые схемы гашения.

Перевод тиристора из запертого состояния в открытое можно вызвать не только повышением анодного напряжения, но и кратковременным увеличением тока базы в одном из транзисторов его эквивалентной схемы. Для этого от одной из баз делают вывод управляющий электрод (УЭ) (рис. 1.19, а). Подавая импульс тока управления I_у, можно вызвать лавинообразное увеличение тока при U< U_вкл (рис. 1.19, в). Такие тиристоры называют триодными (управляемыми) тиристорами.

Основные параметры тиристоров:

• наибольший прямой ток — до 2000 А;
• допустимое обратное напряжение — от 100 до 2400 В;
• допустимая частота переключений — до 2000 Гц.

Рис. 1.19. Триодный (управляемый) тиристор:

а — структура, б — условное обозначение, в — вольт-амперные характеристики

Тиристоры нашли свое применение в силовой электронике и электротехнике — там, где требуется формирование мощных питающих напряжений постоянного или переменного тока, питающих напряжений с регулируемой частотой, специальной формы. В частности, на основе тиристоров разрабатываются устройства регулирования частотой вращения электродвигателей, в том числе в приводах станков.