Полевые транзисторы

Полевым транзистором называют прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим с при­ложением напряжения между затвором и истоком, В полевом транзисторе носители заряда одного знака (электроны или дырки) проходят по полупроводниковому каналу.

Канал — это область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители заряда уходят из канала, — стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, носит название затвора.

Полевые транзисторы изготовляют из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с каналами р- и n-типов. Классификация и условное обозначение полевых транзисторов приведены в табл. 2,6.

Рассмотрим типы полевых транзисторов.

Полевой транзистор с затвором в виде р-п-перехода — полупроводниковый прибор, в котором проводи­мостью канала можно управлять, подавая напряжение на закрытый p-n-переход. Структурная схема и схема включения полевого транзис­тора с каналом га-типа и затвором в виде p-n-перехода приведены на рис. а, б.

В транзисторе с каналом n -типа основными носителями заряда в ка­нале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока Iс. Между затвором и истоком приложено напряжение, за­пирающее р- n -переход, образованный n -областью канала и р-областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с каналом n -типа по­лярности приложенных напряжений следующие: Uси > 0, Uзи < 0. В транзисторе с каналом р-типа основными носителями заряда в канале являются дырки, которые движутся в направлении по­нижения потенциала, поэтому Uси <0, a Uзи> 0.

Вольтамперные характеристики полевого транзистора с каналом n-типа:

а – выходные; б - переходная

Полевой транзистор с изолированным зат­вор о м— полупроводниковый прибор, в котором для дальнейшего уменьшения тока утечки затвора Iз между металлическим затвором и каналом находится тонкий слой диэлектрика, обычно окись кремния, а p-n-переход отсутствует. Такие полевые транзисторы часто называют МОП-транзисторами (структура металл—окисел—полупроводник) или МДП-транзисторами (структура металл—диэлектрик—полупро­водник).

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов о изолиро­ванным затвором в основном аналогичны их характеристикам с затво­ром в виде р- n -перехода. В то же время изолированный затвор позво­ляет работать в области положительных напряжений на затворе Uзи> 0. в которой происходит расширение канала и увеличение тока стока Iс.

Основными параметрами полевых транзисторов, используемых для анализа транзисторных схем, являются крутизна переходной харак­теристики

и дифференциальное сопротивление стока (канала)на участке насыще­ния

В качестве предельно допустимых параметров нормируются: максимально допустимые напряжения Uси max и Uзи max; максималь­но допустимая мощность стока Pс max; максимально допустимый ток втока Iс mах. Параметры полевых транзисторов приведены в табл. 2.7.

Полевые транзисторы являются низкочастотными приборами и мо­гут работать на частотах до нескольких мегагерц. Полевые транзисторы применяют в усилительных каскадах с высоким входным сопротив­лением, ключевых и логических схемах.

Тиристором называют электропреобразовательный полу­проводниковый прибор с тремя или более p-n-переходами, в вольт-ам­перной характеристике которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления и который используется для пере­ключения. Материалом для изготовления тиристоров служит крем­ний. Классификация и условное обозначение тиристоров приведены в табл. 2.8.

Простейшим тиристором с двумя выводами является диодный тиристор (динистор). Триод-ный тиристор (тринистор) имеет дополнительно третий управ­ляющий электрод.

Диодный и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя р-я-переходами П₁, П₂ и П₃ (Рис- 2.20).

Напряжение питания подается на тиристор таким образом, что переходы П₁ и П₃ открыты, а переход П₂ закрыт. Сопротивления от­крытых переходов незначительны, поэтому почти все напряжение питания U_ПР приложено к закрытому переходу П₂, имеющему высокое сопротивление. Следовательно, ток тиристора мал.

При повышении напряжения U_ПР (что достигается увеличением э. д. с. источника питания Е) ток тиристора увеличивается незначи­тельно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критиче­скому значению, равному напряжению включения U_BKJI (рис. 2.21).

После этого происходит лавинообразное увеличение числа носите­лей заряда за счет лавинного умножения носителей в переходе П₂ движущимися электронами и дырками. С увеличением числа носите­лей заряда ток в переходе быстро нарастает. Напряжение на резисторе R воз­растает, напряжение на тиристоре падает, происходит переключение тиристора. После переключения напряжение на тиристоре снижается до значения порядка 0,5—1 В. При дальнейшем увеличении э. д. с. источника питания Е или уменьшении сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком вольт-амперной характеристики. При уменьшении тока восстанавливается высокое сопротивление перехода П₂ (нисходящая ветвь характеристики, рис. 2.21). Время восстановления сопротивления этого перехода после снятия напряжения питания обычно составляет 10—30 мкс.

Напряжение U_BKЛ, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей .заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу П₂. Эти добавочные носители заряда увеличивают число актов ионизации атомов в переходе, в связи с чем напряжение включения U_BKЛ уменьшается.

Добавочные носители заряда в триодном тиристоре, представленном на рис , вводятся в р₂-слой вспомогательной цепью, питае­мой от независимого источника напряжения U_у. Как снижается напря­жение включения при росте тока управления, показывает семейство кривых на рис. Из этого рисунка видно, что при подаче на тиристор обратного напряжения возникает небольшой ток, так как в этом случае закрыты переходы П₁ и П₂. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше Uoбр max.

В отличие от рассмотренных несимметричных тиристоров в симмет­ричных диодных и триодных тиристорах обратная ветвь вольт-амперной характеристики совпадает с прямой ветвью. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением специальных пятислойных структур с четырьмя р-n-переходами.

Промышленностью выпускаются тиристоры на токи 1—2000 А и напряжения включения 100—4000 В.

Тиристоры применяют в управляемых выпрямителях и инверторах.