Полевые транзисторы. Типы полевых транзисторов гораздо более разнообразны, чем биполярных (к полевым, кстати, и принадлежал самый первый прототип транзистора

Типы полевых транзисторов гораздо более разнообразны, чем биполярных (к полевым, кстати, и принадлежал самый первый прототип транзистора, изобретенный Шокли еще в 1946 году). Только основных разновидностей существует более десятка, но всем им присущи общие черты, которые мы сейчас кратко и рассмотрим.

Простейший полевой транзистор с p‑n ‑переходом показан на рис. 6.10, а – в данном случае с «‑каналом. Аналогичные базе, коллектору и эмиттеру выводы называются здесь затвор, сток и исток . Если потенциал затвора равен потенциалу истока (т. е. имеется в виду аналог замыкания цепи база‑эмиттер у биполярного), то, в отличие от биполярного, полевой транзистор с p‑n ‑переходом открыт. Но есть и еще одно существенное отличие – если биполярный транзистор при полном открывании имеет почти нулевое сопротивление цепи коллектор‑эмиттер, то полевой в этих условиях работает довольно стабильным источником тока – ток в цепи истока почти не зависит от напряжения на стоке. Сама величина тока зависит от конкретного экземпляра транзистора и называется начальным током стока . Запереть его удается подачей отрицательного (порядка 7‑10 В) напряжения на затвор относительно истока, а в промежутке полевик с n ‑каналом находится в активном режиме, когда ток стока зависит от напряжения на затворе.

Уникальной особенностью полевого транзистора является то, что в рабочем режиме он фактически не потребляет тока по входу затвора – достаточно иметь соответствующий потенциал, ведь диод затвор‑исток в рабочем режиме смещен в обратном направлении, и ток через него определяется только токами утечки, которые равны нано‑ и микроамперам, как говорилось ранее! В этом отношении полевой транзистор аналогичен электронной лампе. А если мы сместим этот переход в положительном направлении (когда потенциал затвора превысит потенциал истока, и диод затвор‑исток откроется), то полевой транзистор с p‑n ‑переходом уже перестанет работать как транзистор.

Рис. 6.10. Полевые транзисторы:

_{а – включение полевого транзистора с p‑n ‑переходом и n ‑каналом;б – полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) в режиме ключа;в – внутренняя структура IGВТ‑транзистора}

В различных типах полевых транзисторов с изолированным затвором (так называемых МОП‑транзисторах , от «металл‑окисел‑полупроводник» или, по‑английски, MOS, иначе их называют MOSFET), последний вообще изолирован от цепи сток‑исток тонким слоем окисла кремния SiO₂, и там в принципе нет и не может быть никакого тока через цепь затвора. Правда, когда на затвор подается переменное напряжение или короткий импульс, в дело вступает конденсатор, образованный затвором и истоком. Как следует из главы 5 , перезаряд этого конденсатора (его емкость может составлять десятки пикофарад) может приводить к значительному реактивному току в цепи затвора. На подобных транзисторах построены практически все современные логические микросхемы, отличающиеся практически нулевым потреблением тока в статическом режиме (см. главу 15 ).

Старые образцы MOSFET‑транзисторов с «‑каналом (например, отечественные КПЗ05, КПЗ13) требовали для полного запирания небольшого отрицательного смещения на затворе относительно истока (порядка 0,5–0,8 В). Современные MOSFET‑транзисторы (рис. 6.10, б ) управляются аналогично биполярному в схеме с общим эмиттером – при нулевом напряжении на затворе относительно истока транзистор заперт, при положительном напряжении порядка 8‑20 В – полностью открыт, причем в открытом состоянии он представляет собой крайне малое сопротивление – у некоторых типов менее 0,01 Ом. Такие транзисторы выпускаются на мощности от единиц до сотен ватт и используются, например, для управления шаговыми двигателями или в импульсных источниках питания.

Вообще полевики гораздо ближе к той модели транзистора, когда промежуток коллектор‑эмиттер или сток‑исток представляются как управляемое сопротивление – у полевых транзисторов это действительно сопротивление. Условно говоря, со схемотехнической точки зрения биполярные транзисторы являются приборами для усиления тока, а полевые – для усиления напряжения.

Приведенные нами примеры не исчерпывают разнообразия типов полевых транзисторов. Например, так называемые IGBT‑транзисторы (Insulated Gate Bipolar Transistors , биполярный транзистор с изолированным затвором), появившиеся в 1980‑е годы, объединяют в себе полевую и биполярную структуры, отчего управляющий электрод в них зовется, как и в полевых, затвором , а два других аналогично биполярным: коллектором и эмиттером . На самом деле IGBT‑транзистор представляет собой довольно сложную полупроводниковую структуру (рис. 6.10, в ), с положительной обратной связью между разнополярными «обычными» транзисторами и с управлением от полевого (ср. со структурой однопереходного транзистора на рис. 10.3).

IGBT‑транзисторы используются в качестве мощных ключей: десятки‑сотни ампер при напряжениях более 1000 вольт. Управляются они положительным напряжением на затворе относительно эмиттера, причем у некоторых типов насыщение наступает уже при подаче 2,7–4 В на затвор, и такие транзисторы могут управляться непосредственно от логических схем. Платой за такую роскошь является довольно высокое напряжение насыщения между коллектором и эмиттером, характерное для биполярных транзисторов: от 1 В для относительно маломощных приборов (единицы ампер) до 2–3 В для более мощных (десятки и сотни ампер).

Выбор транзисторов

В заключение главы приведем критерии подбора биполярных и полевых транзисторов для конкретной схемы. Сейчас мы оставляем за скобками частотные характеристики транзисторов – будем считать, что достаточно выбрать прибор с рабочей частотой, примерно в 10 раз превышающей самые высокие частоты в схеме.

* * *