ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал, управляемым электрическим полем.

Из приведенного определения следует, что ПТ, в отличие от биполярного, управление которым осуществляется током, управляется напряжением, создающим электрическое поле. Поэтому в установившемся режиме входной ток прибора отсутствие и, следовательно, отсутствует статическая входная характеристика. Это уменьшает мощность, требуемую для управления транзистором, так как последняя расходуется только на перезаряд емкостей ПТ. В отличие от биполярного, ПТ иногда так же называют униполярным, так как его работа основана на использовании только одного типа носителей заряда - либо электронов, либо дырок. Поэтому в ПТ отсутствуют процессы изменения (накопления и рассасывания) объемного заряда неосновных носителей, оказывающие заметное влияние на свойства БТ.

Основным способом движения носителей заряда, образующих ток ПТ, является их дрейф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток ПТ, называют каналом. Токопроводящие каналы могут быть приповерхностными (транзисторы с изолированным затвором) и объемными (транзисторы с управляющим p-n переходом). Приповерхностный канал представляет собой либо обогащенный слой, образующийся за счет донорных примесей в полупроводнике, либо инверсный слой, возникающий под воздействием внешнего поля. Такой полевой транзистор имеет классическую структуру металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-структуру), в которой роль диэлектрика, как правило, играет оксид (например, двуокись кремния SiO2). Поэтому полевой транзистор с такой структурой часто называют МДП или МОП транзистором (металл - оксид - полупроводник).

Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (З), два других электрода - истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот вывод, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, а стоком - тот, через который эти носители уходят из канала. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входа и выхода, для ПТ может существовать несколько схем включения. Однако, на практике, используют схему включения ПТ с общим истоком.

2.4.1.ПТ с управляющим p-n переходом.Данный транзистор реализует принцип создания объемного проводящего канала, площадь поперечного сечения которого меняется за счет изменения площади обедненного слоя обратно включенного p-n перехода. На рис. 2.13 показан полевой транзистор с управляющим p-n переходом. Это пластина полупроводника n типа на боковые поверхности которого нанесен полупроводник p типа или метал (транзистор с барьером Шоттки), а к торцам подключены силовые вывода. При анализе все напряжения будем рассматривать с учетом их знаков.

Рис.2.13. ПТ с управляемым p-n-переходом.

На p-n переход, сформированный между выводами затвора и истока, подается обратное напряжение . При его уменьшении глубина обедненного слоя (заштрихованная область на рис. 2.13 - область обедненная носителями заряда) возрастает, и токопроводящее сечение канала сужается. Сопротивление канала увеличивается и выходной ток ПТ уменьшается. Поскольку напряжение прикладывается к p-n переходу в обратном направлении, ток затвора ничтожно мал и не зависит от напряжения .

Следует отметить, что напряжение в произвольном сечении ( ) p-n перехода равно:

, (2.12)

где - сопротивление части канала от истока до сечения .

Поэтому, чем ближе к стоку, тем больше обратное смещение p-n перехода и меньше сечение канала.

Из сказанного следует, что максимальный ток стока соответствует нулевому управляющему напряжению. Поэтому принято говорить, что транзистор данного типа работает на обеднение канала, так как при подаче управляющего напряжения ток ПТ можно только уменьшать. При некотором напряжении на затворе канал полностью смыкается ( ) и ток ПТ уменьшается до нуля. Это напряжение называется напряжением отсечки .

2.4.2.ПТ с изолированным затвором. Данный транзистор реализует принципы инверсии проводимости, обогащения или обеднения носителями заряда приповерхностного слоя проводящего канала, под действием внешнего поля.

На рис.2.14 а) показана структура и подключение ПТ с изолированным затвором и каналом n типа. На подложке из полупроводника p типа формируется две не соприкасающиеся области полупроводника n типа. Это области стока и истока. Поверхность подложки покрывается диэлектриком, поверх которого наносится слой метала, выполняющего роль затвора. Если напряжение на затворе относительно подложки П равно нулю, то между стоком и истоком образуется два встречно включенных p-n перехода (рис.2.14.б). Поэтому ток в цепи нагрузки отсутствует. Если на затвор относительно подложки П подать положительное напряжение, то дырки p полупроводника из приповерхностного слоя, прилегающего к диэлектрику, будут вытесняться вглубь подложки а на их место будут притягиваться электроны. В результате p-n переходы исчезают и, между n областями стока и истока, образуется канал с носителями n типа. В цепи нагрузки начинает протекать ток, величина которого пропорциональна напряжению затвора (ширине канала). Такой канал называется индуцированный. Принято говоря, что в этом случае транзистор работает на обогащение канала.

а)

б)

Рис.2.14. ПТ с изолированным затвором: структура а), эквивалентная электрическая цепь б).

Заметим, что напряжение в произвольном сечении ( ) канала равно:

, (2.13)

где - сопротивление части канала от истока до сечения . Поэтому, чем ближе к стоку, тем меньше напряженность поля (меньше напряжение затвор-подложка) и меньше сечение канала.

Существует разновидность МДП транзисторов, у которой в приповерхностный слой при изготовлении искусственно вносится примесь n типа, образующая при нулевом напряжении затвора между стоком и истоком проводящий канал. В этом случае при положительном напряжении затвора канал будет расширяться (обогащаться), а при отрицательном - сужаться (обедняться). Такой канал называют встроенным.

Следует обратить внимание на то, что для реализации описанного метода работы вывод истока необходимо соединить с выводом подложки.

2.4.3.Статические ВАХ и условные обозначения.Из приведенного описания следует, что существует шесть основных разновидностей ПТ. Условные обозначения и их статические ВАХ сведены в таблицу 2.6.

Анализируя ВАХ приборов можно сделать следующие важные выводы.

· Выходные ВАХ ПТ подобны аналогичным ВАХ БТ (см. рис.2.8 б) так как у обоих типов приборов существует область для которой выходной ток ( или ) практически не зависит от напряжения, приложенного к его силовым выводам ( или ). Однако при небольших напряжениях эти характеристики существенно различны. Для БТ наклон характеристик при постоянен для различных значений тока базы, в то время как наклон характеристик ПТ при небольших зависит от управляющего напряжения .

Таблица 2.6.Статические ВАХ и обозначения ПТ различных типов.

ПТ с управляющим p-n-переходом	Канал n-типа
Канал p-типа
ПТ с изолированным затвором	Индуцированный канал	Канал n-типа
Канал p-типа
Встроенный канал	Канал n-типа
Канал p-типа

· Полярности входного и выходного напряжений для ПТ с управляющим p-n переходом всегда противоположны, а для МДП транзистора с индуцированным каналом – всегда одинаковы. МДП транзистор со встроенным каналом занимает промежуточное положение и управляющее напряжение может как совпадать, так и не совпадать с выходным.

· Всегда существует некоторое значение управляющего напряжения при котором ток ПТ равен нулю.

2.4.4.Режимы работы ПТ.Можно выделить три режима работы ПТ. Это насыщенный режим, режим выключенного состояния, и режим управляемого сопротивления.

Насыщенный режимхарактеризуется пропорциональностью напряжения на затворе и тока стока ПТ. Это основной режим при построении аналоговых устройств и по своей сути он аналогичен активному режиму работы БТ. На выходных характеристиках данный режим соответствует пологому участку ВАХ ( ) и существует при условии, что . Название режима отражает тот факт, что канал пропускает максимально возможный для его ширины ток, то есть он полностью насыщен носителями заряда. Величину легко найти рассматривая принцип работы ПТ.

Так для ПТ с управляющим p-n переходом, согласно 2.12 напряжение, приложенное непосредственно к p-n переходу в некотором сечении , складывается из напряжения и падения напряжения в полупроводнике на отрезке от истока до выбранного сечения. Если это напряжение ( ) достигает значения, равного напряжению отсечки , канал должен полностью перекрыться (из принципа работы при канал перекрыт). Однако этого не происходит, так как само напряжение существует благодаря протеканию тока стока. Поэтому вместо перекрытия канала наступает ограничение приращения тока, то есть ток стока достигает своего предельного для заданного напряжения значения, которое и остается неизменным при увеличении напряжения стока. В пределе, когда , то есть рассматриваемое сечение сдвигается к правому краю пластины полупроводника (см. рис.2.13), величина . Уменьшение напряжения ниже приводит к падению тока стока, так как в приборе отсутствует сечение, ограничивающее ток транзистора. Увеличение же приводит к смещению сечения, для которого и которое ограничивает ток прибора. Ток стока при этом остается неизменным.

Подставив в 2.12 и , получим:

(2.14)

Для транзистора с изолированным затвором ширина канала с приближением к выводу стока также падает (см. рис. 2.14.а). Поэтому для существования канала необходимо, чтобы напряжение в его сечении , непосредственно прилегающем к выводу стока, было как минимум равно напряжению . Подставляя в 2.13 и , для напряжения получим:

. (2.15)

Увеличение напряжения выше значения , как и в ПТ с управляющим p-n переходом приводит к ограничению приращений тока и .

Таким образом, для существования насыщенного режима должны выполняться следующие условия:

· , что предполагает для ПТ с управляющим p-n переходом, для МДП транзистора с n каналом и для МДП транзистора с p каналом;

· .

Режим управляемого сопротивленияхарактеризуется пропорциональностью напряжения и тока стока . Он соответствует начальному участку выходных характеристик, для которого угол наклона пропорционален величине напряжения на затворе - . Этот режим подобен режиму насыщения для БТ и используется для замыкания цепи нагрузки. Для его существования необходимо выполнение следующих условий:

· , что предполагает для ПТ с управляющим p-n переходом, для МДП транзистора с n каналом и для МДП транзистора с p каналом;

· .

Режим выключенного состояния характеризуется отсутствием тока стока ПТ. Режим подобен режиму отсечки БТ и используется для размыкания цепи нагрузки. Условия его существования следующие:

· для ПТ с управляющим p-n переходом;

· для МДП транзистора с n каналом;

· для МДП транзистора с p каналом.

2.4.5.Статические дифференциальные параметры ПТ. К основным статическим дифференциальным параметрам ПТ относятся:

· крутизна передаточной характеристики , определяемая как касательная к передаточной характеристике транзистора

; (2.16)

· внутреннее дифференциальное сопротивление , определяемое как касательная к выходным характеристикам в области насыщенного режима работы

; (2.17)

· статический коэффициент усиления по напряжению , определяемый как произведение крутизны на внутреннее дифференциальное сопротивление

. (2.18)

2.4.6.Схемы замещения ПТ. При составлении схем замещения воспользуемся, как и ранее методом кусочно-линейной аппроксимации. Полученные, таким образом схемы замещения приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7. Схемы замещения полевого транзистора.

Режим	Схема замещения	Условия применимости
Управляемого сопротивления
Насыщенный режим
Выключенное состояние

Следует обратить внимание, что для всех трех режимов входные цепи схем замещения одинаковы, что, в отличии от БТ, упрощает их практическое применение.

Параметры схем замещения легко определяются из передаточной характеристики ПТ. Ранее обмечалось, что значение крутизны ( ) определяется касательной к передаточной характеристике транзистора в предполагаемой рабочей точке.

Значение сопротивления можно найти аппроксимируя выходные характеристики ПТ в насыщенном режиме работы и режиме управляемого сопротивления прямыми линиями (пунктир на рис.2.15).

Рис.2.15. Получение параметров схемы замещения.

Прямая, аппроксимирующая ВАХ для заданного напряжения в режиме управляемого сопротивления, проводится через точку с координатами и . Тогда величина искомого сопротивления может быть определена выражением:

. (2.19)

Значение определяется по передаточной характеристике для .

Для ПТ с управляемым p-n переходом значение необходимо заменить на .

В режиме выключенного состояния схема замещения ПТ аналогична схеме замещения БТ.

2.4.7.Температурная зависимость параметров ПТ. Основной причиной зависимости характеристик ПТ от температуры является обусловленный повышением температуры рост подвижности носителей заряда. Это, с одной стороны, приводит к увеличению сопротивления полупроводника и, следовательно, при заданном напряжении , уменьшению протекающего тока ( ). Этот эффект становится заметным при больших значениях .

С другой стороны, рост подвижности носителей заряда ведет к увеличению абсолютной величины напряжения и уменьшению напряжения .

Таким образом, в транзисторе действует две противоположные тенденции противоположно воздействующие на ВАХ ПТ. На рис.2.16 приведены передаточные характеристики ПТ с управляющим p-n переходом и МДП транзистора с каналом n типа для различных температур окружающей среды.

Из приведенных характеристик следует, что для любого типа ПТ существует такое значение тока стока, величина которого остается постоянной при изменении температуры.

Важно отметить еще одну особенность ПТ. При больших токах стока повышение температуры окружающей среды приводит к уменьшению , т.е. в приборе отсутствует характерная для БТ положительная обратная связь по температуре. Увеличение температуры транзистора автоматически приводит к снижению тока стока и, следовательно, мощности, рассеиваемой в приборе. Поэтому ПТ менее склонен к тепловому пробою, что делает более предпочтительным его применение при построении силовых устройств.

а)

б)

Рис.2.16. Передаточные характеристики ПТ с управляющим p-n переходом а) и МДП транзистора с индуцированным каналом б) n типа при различных температурах.

ТИРИСТОР

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое, и наоборот. На рис.2.17 а) приведена обобщенная структура тиристора. Крайняя p область соединяется с выводом, называемым анодом, крайняя n область – с выводом называемым катодом. Внутренние p и n области могут соединяться с управляющими выводами (Упр1 и Упр2).

2.5.1.Принцип работы и ВАХ.Принципыработы тиристора проще пояснить, используя представление тиристора в виде двух взаимодействующих биполярных транзисторов (рис.2.17.б). На рис.2.17 в) приведен схемотехнический эквивалент такого представления. В зависимости от наличия управляющих выводов тиристоры подразделяются на диодные (динисторы) у которых отсутствуют выводы управления и триодные (тринисторы).

Предположим к структуре, показанной на рис.2.17 а), приложено напряжение, смещающее p-n переходы, образованные крайними областями структуры в прямом направлении (переходы 1 и 3 - эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2). Средний p-n переход (2) при этом смещен в обратном направлении и ток в структуре отсутствует. По мере увеличения напряжение p-n переход 3 (коллекторные переходы транзисторов VT1 и VT2) глубже смещается в обратном направлении и достигает напряжения электрического пробоя (см. рис.2.6.б). При этом появляются коллекторные токи транзисторов, причем и . Это приводит к еще большему увеличению коллекторных токов. В структуре развивается лавинообразный процесс, приводящий к насыщению транзисторов VT1 и VT2. Напряжение между выводами анода и катода тиристора падает, и ток достигает значения .

а)

б)

в)

Рис.2.17. Обобщенная структура тиристора а), и ее представление в виде двух биполярных транзисторов б) и в).

2.5.2. Статические характеристики.Описанному процессу соответствует ВАХ, приведенная на рис. 2.18 (случай ). На ней можно выделить несколько характерных участков: участок 1 - , - прямое не проводящее состояние тиристора; участок 2 – участок отрицательного сопротивления; участок 3 – включенное состояние тиристора , ; участок 4 – обратное не проводящее состояние .

Напряжение называется напряжением включения тиристора (динистора). Следует отметить, что участок отрицательного сопротивления является неустойчивым и поэтому прибор способен скачком переходит с участка 1 на участок 3 ВАХ и обратно, то есть использоваться в качестве электронного ключа.

Рис.2.18. ВАХ тиристора.

Для выключения прибора необходимо либо уменьшить его ток до величины меньшей, чем , либо уменьшить его напряжение менее .

2.5.3. Разновидности тиристоров.Следует отметить, что существует разновидность тиристоров (и динисторов и тринисторов) обратная ветвь ВАХ которых подобна характеристики прямо смещенного диода (участок 5 ВАХ). Это достигается введением в структуру дополнительного встречно включенного диода.

Тринистор отличается от динистора наличием управляющего вывода. Этот вывод обеспечивает введение в базу одного из транзисторов структуры дополнительного тока, что приводит к уменьшению напряжения . В зависимости от того, в базу какого из транзисторов вводится дополнительный ток различают управление тиристором по катоду (используется вывод Упр1) или по аноду (используется вывод Упр2). На процессы переключения это не оказывает существенного влияния.

Тринистор используется как управляемый электронный ключ. При этом внешнее напряжение ( см. рис.2.14 а) выбирается меньшим, чем напряжение . Поэтому при отсутствии управляющего напряжения тринистор надежно заперт (участок 1 ВАХ). При появлении управляющего тока (например, рис.2.18) напряжение включения снижается и тринистор переходит во включенное состояние (участок 3 ВАХ). После этого управляющий ток может быть снят, и тринистор будет находиться во включенном состоянии либо до момента падения его тока менее , либо уменьшения напряжения менее . Таким образом, для включения тринистора могут использоваться короткие импульсы тока.

Существует разновидность так называемых запираемых тиристоров, способных переходить из включенного состояния в выключенное при подаче соответствующего сигнала управления.

Еще одна разновидность тиристоров это так называемые симметричные тиристоры. Их ВАХ симметрична относительно начала координат. Эти приборы строятся на пятислойной структуре и могут выполняться как с управляющим выводом (такой прибор называют симистором или триаком) либо без него (диак). Данный тип прибора используется для коммутации нагрузки в цепях переменного тока. На рис.2.19 приведена используемые условные обозначения, а на рис .2.20. классификация тиристоров.

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

Рис.2.19. Условные графические изображения тиристоров: динистор а), симметричный динистор – диак б), тринистор с управлением по катоду не запираемый в) и запираемый1 д). тринистор управляемый по аноду не запираемый г) и запираемый е), симист

2.6.Силовые электронные ключи

В силовой электронике для переключения больших мощностей могут быть использованы все из рассмотренных типов полупроводниковых приборов. Рассмотрим преимущества и недостатки каждого из них.

Рис.2.20. Классификация тиристоров.

Биполярный транзистор. Достоинством ключей на биполярных транзисторах являются низкое падение напряжения во включенном состоянии при больших значениях коммутируемого напряжения. Основной недостаток – большие потри в цепях управления (токовое управление)

Полевой транзистор. В силовых цепях коммутации нашли применения полевые транзисторы с индуцированным каналом (MOSFET). При напряжении ниже 500 В они практически вытеснили биполярные транзисторы из за меньших потерь на управление, большего коэффициента усиления по току и возможности работы на более высоких частотах. Основной недостаток МОSFET – большие потери мощности от протекания силового тока, что определяется особенностью статической ВАХ (потери пропорциональны квадрату тока).

Тиристоры. Обладают большим, по сравнению с транзисторами, коэффициентом усиления по мощность, но более узким диапазоном рабочих частот.

IGBT транзистор (Insulated Gate Bipolar Transistor). Это гибрид полевого и биполярного транзисторов, сочетающий достоинства приборов обеих типов. Это, подобно биполярному транзистору, низкие потери мощности в силовой цепи во включенном состоянии и способность коммутировать напряжения в сотни вольт (до 1200В), и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора. Рабочие токи прибора достигают сотен ампер при рабочих частотах в десятки килогерц.

а)

б)

Рис. 2.21 Структура а) и условное графическое обозначение IGBT транзистора

На рисунке 2.21 приведен структурный эквивалент IGBT транзистора и его условное графическое обозначение. Как видно из рисунка, структура IGBT транзистора включает цепь, аналогичную приведенной на рис. 2.17 в) для тиристора. То есть в приборе существует цепь положительной обратной связи, которая может инициировать самопроизвольное его включение. Наличие такой цепи приводит к необходимости ограничения максимального значения скорости изменения коллекторного напряжения ( ), и, следовательно, максимальной рабочей частоты прибора. Поэтому по быстродействию силовые IGBT транзисторы пока уступают MOSFET транзисторам, но превосходят биполярные.