Полевой транзистор

Полупроводниковые устройства, работа которых основана на принципах изменения сопротивления полупроводника поперечным электрическим полем, получили название полевые транзисторы.
полевой транзистор

Они бывают двух видов: с управляющим p-n-переходом и со структурой металл-диэлектрик-полупроводник, рассмотрим оба этих типа более подробно

Паяльник с керамическим жалом с регулятором температуры и мощности

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET

В нем область полупроводника N-типа образует канал между облостями P-типа. Электроды, подсоединяемые к концам N, получили название сток и исток. Полупроводники P-типа соединяются между собой и образуют один электрод – затвор. Вблизи выводов стока и истока располагаются области повышенного легирования с повышенной концентрацией электронов N. Это увеличивает проводимость канала. Кроме этого, наличие таких областей, снижает эффект появления паразитических PN-переходов в случае использования проводников из трехвалентного алюминия.

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET

Обозначения электродов сток и исток достаточно условны. Если взять любой полевой транзистор, не подсоединенный к какой-либо цепи, то совсем нет разницы какой вывод корпуса сток, а какой исток. Имя электрода определяется его расположения в схеме.

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

Напряжение на затворе Uзи = 0. Подсоединим источник питания плюсом к стоку, минус к истоку. Затвор также подключим на общий. Начнем плавно увеличивать напряжение на стоке Uси. Пока оно мало, ширина канала наибольшая. В таком виде полевой транзистор выглядит как обычный проводник. Чем выше уровень напряжения Uси, тем выше ток через канал между стоком и истоком Iси. Это состояние иногда именуют омической областью.

С увеличением Uси, в областях N-типа плавно снижается количество электронов – образуется обедненный слой. Он растет несимметрично, сильнее со стороны стока, т.к туда подсоединен источник питания. В результате канал становится уже и при последующем повышении напряжения Uси, ток Iси будет увеличиваться на очень малые значения. Это состояние получило название режим насыщения.

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

Uзи < 0. Когда полевик находится в режиме насыщения, канал достаточно узкий. Можно подать напряжение отрицательной полярности на затвор Uзи, для того чтобы еще больше сузить канал и уменьшить Iси. Если и дальше понижать уровень Uзи, канал будет уменьшаться, пока полностью не перекроется, и движение тока не остановится. Уровень Uзи, при котором ток останавливается, называется напряжение отсечки (Uотс).

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом при отрицательной полярности

Для усиления сигнала приборы типа JFET применяют в режиме насыщения, так как в нем при изменение Uзи сильно меняется значение протекающего тока. Параметр усилительной способности JFET – это крутизна стоко-затворной характеристики. Обозначается gm или S, и измеряется в mA/V.

Зависимость тока от напряжения на затворе
Преимущества и недостатки полевого транзистора JFET

Высокое входное сопротивление. Одно из главных достоинств полевых транзисторов, это очень большое входное сопротивление Rвх (Rin). Причем у их собратьев с изолированным затвором MOSFET, Rin сопротивление еще выш. Благодаря этому свойству, они практически не потребляют ток у источников сигнала, который требуется усилить. Например в схеме широкополосного антенного усилителя

Но к сожалению у JFET по сравнению с биполярными транзисторами очень низкий коэффициент усиления по напряжению. Если построить усилитель только с использованием JFET, можно получить Ku около 20. Поэтому в схема усилителей часто используются оба типа полупроводниковых приборов.

Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Это другая разновидность униполярных транзистор, затвор которых электрически изолирован от проводящего канала полупроводника небольшим слоем диэлектрика.

В соответствии со своим внутренним устройством, полевой транзистор с изолированным затвором называется МОП (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Зарубежное название – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы бывают двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом. В каждом из них присутствуют транзисторы с N и P-каналом. Их Их обозначение показано на рисунке ниже.

Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET обозначение на схемах

На основании полупроводника с электропроводностью P-типа сделаны две зоны с повышенной электропроводностью N-типа. Все это покрыто слоем диэлектрика, из диоксида кремния SiO2. Сквозь диэлектрический слой пропущены металлические выводы из областей N типа, сток и исток. Над диэлектриком располагается металлическая область затвора. В некоторых случаях от подложки делают вывод, который соединяют с истоком

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом
Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подсоединим источник любой полярности между стоком и истоком. В данном случае электрический ток не потечет, т.к между областями N находиться зона P, не пропускающая электроны. Если подать на затвор плюс от источника питания, а минус (общий) на исток, то напряжение Uзи, создаст электрическое поле. Оно будет выпихивать дырки из зоны P в направлении подложки. В результате под затвором концентрация дырок стремительно падает, и их место захватывают электроны. Когда Uзи достигнет своего максимального уровня, концентрация электронов превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком образуется узкий канал с электропроводностью N-типа, по которому течет ток. Чем выше напряжение на затворе транзистора, тем больше ширина канала и, следовательно, выше сила тока. Такой режим работы называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

В первоначальный момент ток Iси увеличивается прямопропорционально росту напряжения Uси. Этот участок получил название омическая область (на нем все подчиняется закону Ома). Затем, когда ширина канала достигает почти максимальных значений, ток Iси практически не увеличивается. Этот участок называют активной областью

Вольт-амперные характеристики МДП-транзистора

Когда Uси превышает свой порог (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника безвозратно разрушается, и он сгорает.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Основным отличием от выше описанных, является наличие между стоком и истоком проводящего канала. Подключим к нему Uси любой полярности. При Uзи = 0. В результате через встроенный канал потечет ток Iси.

Подключим к затвору минус, а к истоку плюс. В канале появится поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из канала в направлении подложки. Количество электронов в канале снижается, его сопротивление растет, и ток Iси падает. При повышении уровня отрицательного напряжения, снижается сила тока. Такое состояние работы называется режимом обеднения.

Вольт-амперные характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом

Если поменять полярность источника питания, электрическое поле будет наоборот притягивать к себе электроны из зоны стока, истока и подложки. Ширина канала увеличивается, его проводимость растет, как и ток. Прибор входит в режим обогащения. Таким образом МДП-транзистор со встроенным каналом могут работать в двух режимах - в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными

Плюсы: Очень высокое входное сопротивлению, Усиление по току намного выше, чем у биполярных. Значительно лучше уровень помехоустойчивости и надежности работы, выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более больших частотах, чем биполярные.

Минусы: Структура полевых транзисторов разрушаться при более низкой температуре, чем структура биполярных. При изготовлении мощных МОП, в их структуре появляется «паразитный» биполярный транзистор. Для его нейтрализации, подложку закорачивают с истоком. Большим минусом полевых транзисторов является их огромная чувствительность к статическому электричеству. Т.к изоляционный слой диэлектрика тонкий, и даже невысокого напряжения достаточно, чтоб его разрушить

Hexfet транзисторы

Принцип работы Hexfet транзисторов базируется на весьма оригинальном техническом решении. Их структура представляет собой тысячи МОП ячеек соединенных параллельно. Ячеистые структуры образуют шестиугольник, поэтому их и назвали HEXFET. Под увеличением внутренней структуры мощного HEXFET транзистора его кристалл выглядит вот так.

Hexfet транзистор под увеличением

Получается, что Hexfet, эта супер микросборка, в которой соединены тысячи отдельных полевых транзисторов. В целом они создают один мощный, способный пропускать через себя огромные токи и при этом практически не оказывать сопротивления.

MOSFET, сделанные по технологии параллельных каналов HEXFET обладают очень низким сопротивлением открытого канала, но широкое распространение они получили только в высокочастотных сильноточных схемах. В силовой электронике в основном используются транзисторы на основе IGBT.

Основные параметры полевых транзисторов

VDSS (Drain-to-Source Voltage) – напряжение между стоком и истоком. При подборе транзистора всегда помните о рекомендуемом 20% запасе.

ID (Continuous Drain Current) непрерывный ток стока. Всегда приводится при постоянной величине уровня напряжения затвор-исток (например, VGS=10V). В справочнике, обычно указывается максимально возможный ток.

RDS(on) (Static Drain-to-Source On-Resistance) – сопротивление сток-исток открытого канала. С ростом температуры кристалла сопротивление открытого канала увеличивается.

PD (Power Dissipation) – мощность рассеивания транзистора в ваттах.

VGS (Gate-to-Source Voltage) – напряжение насыщения затвора-истока. С его ростом увеличения тока через канал не происходит. Т.е, это максимальное напряжение.

VGS(th) (Gate Threshold Voltage) – пороговое напряжение срабатывания транзистора. При нем происходит открытие проводящего канала и через него начинает идти ток между выводами истока и стока. Если между выводами приложить напряжение меньше VGS(th), то транзистор не откроется.