ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы — активные приборы

Полевые транзисторы — активные полупроводниковые приборы, управляемые электрическим полем. Они имеют тонкую область полупроводника (канал) с контактами истока и стока, покрытую затвором, расположенным очень близко от канала. Поперечное поле затвора управляет проводимостью канала.

Если затвор с каналом образуют р-n переход, то приборы называются полевыми транзисторами с управляющим р-n переходом. При изменении напряжения на р-n переходе меняются его ширина, толщина и проводимость канала. Последняя максимальна, когда напряжение на р-n переходе равно нулю или смещает его в прямом направлении. Это, однако, ведет к резкому росту тока затвора, поэтому у обычных ПТ нежелательно. Можно сказать, что это явление соответствует биполярному режиму работы ПТ, который стал использоваться в специальных приборах (они описаны в конце этой главы).

Другой, ныне наиболее распространенный, класс приборов имеет структуру «металл-диэлектрик-полупроводник», и потому относящиеся к нему приборы именуются МДП-транзисторами. Они имеют металлический или поликристаллический затвор, отделенный от канала очень тонким слоем диэлектрика. Поле затвора индуцирует основные носители в канале. Такие приборы называют МДП-транзисторами с индуцированным каналом. Нормально они закрыты и открываются, если напряжение затвор-исток превышает некоторый пороговый уровень Uq.

Обозначение мощных полевых транзисторов с управляющим р-n переходом (а), индуцированным (б) и встроенным (в) каналами

Рисунок 10.1 - Обозначение мощных полевых транзисторов с управляющим р-n переходом (а), индуцированным (б) и встроенным (в) каналами

Современная технология изготовления МДП-транзисторов позволяет создать канал, заведомо проводящий ток при нулевом напряжении на затворе. Приборы этого типа называются МДП-транзисторами со встроенным каналом. Они нормально открыты и управляются (ток стока увеличивается или уменьшается) напряжением на затворе различной полярности.

В зависимости от типа проводимости канальной области ПТ могут быть п

- или p-канальными. Это находит отражение в обозначениях полевых транзисторов (рисунок 10.1), которые как бы копируют структуру приборов того или иного класса. Напряжение на стоке n-канальных ПТ положительное, а р-канальных — отрицательное. Далее выводы затвора, стока и истока мы будем обозначать соответственно как «3», «С» и «И».

Будучи трехэлектродными приборами, ПТ характеризуются прежде всего семейством выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ), т. е. зависимостью тока стока 1си от напряжений сток-исток Uch и затвор-исток Изи: 1с = f(UcH, изи). Для малых приращений меняющегося ic стока можно записать

die =^-du3H+-^- = Sdu3lf +

L дизи диси Ri

Параметр S = dic/du3ii ic изиназывается крутизной транзистора, а Ri = диси/д1с ~Д иси/А *с— внутренним сопротивлением. Эти параметры зависят от постоянной составляющей тока стока (т.е. от положения рабочей точки) и, разумеется, от мощности приборов. Так, если у маломощных приборов крутизна S редко превышает 10 мА/B, то у мощных она достигает 10 A/В. Эти параметры по смыслу аналогичны параметрам электронных ламп. Более того, вид характеристик в рабочих областях напоминает вид аналогичных характеристик электронных ламп.

Маломощные полевые транзисторы хорошо известны и по ним есть множество книг. Внешне они ничем не отличаются от биполярных транзисторов. Разве что есть приборы с двумя затворами, которые имеют 4 рабочих вывода. Они применяются в смесителях радиоприемников и в так называемых каскадных схемах.

Иное дело мощные полевые транзисторы. Их большие токи и рабочие напряжения неизбежно придают им новое качество — переводят в класс мощных приборов, области применения которых неизмеримо шире, чем у маломощных приборов. Это промышленная электроника, преобразовательная техника, энергетика, транспорт, бытовая электроника и т. д. Поэтому далее речь идет, в основном, о мощных полевых транзисторах. В отечественной литературе маломощными принято считать приборы с допустимой рассеиваемой мощностью до 0,3 Вт, средней мощности — транзисторы с рассеиваемой мощностью от 0,3 до 3 Вт и мощными — с рассеиваемой мощностью более 3 Вт. Однако такие границы весьма условны и вряд ли есть смысл строго придерживаться их. Достаточно условны и границы между низковольтными (Uch макс до 50 В) и высоковольтными (Uch макс свыше 50 В) приборами.

Семейство выходных ВАХ полевых транзисторов (рисунок 10.2) содержит характерные почти вертикальные (крутые) и почти горизонтальные (пологие) участки. Рассмотренные выше параметры S и/?/ обычно указывают для пологих участков, что характерно для работы ПТ в усилительных режимах.

Зс

Семейство ВАХ мощного МДП-транзистора с линией нагрузки стокового резистора

Рисунок 10.2 -Семейство ВАХ мощного МДП-транзистора с линией нагрузки стокового резистора

В ключевых схемах ПТ управляется двумя уровнями напряжения Пзи: при одном (например, нулевом для МДП ПТ с индуцированным каналом или слегка отрицательном) он закрыт, а при другом — открыт. В открытом состоянии рабочая точка обычно находится на крутом участке ВАХ для заданного Изи = Изи вкл • При этом прибор между выводами стока и истока имеет сопротивление во включенном состоянии Ren вкл=Пси остДс вкл- В выключенном состоянии прибор характеризуется остаточным током 1С ост при заданных Ucoct и Пзи= 0.

Наконец, все типы мощных ПТ имеют междуэлектродные емкости: входную Сзи (или Сц), проходную Сзс (или Сп) и выходную Сси (или С22)- Эти емкости в основном определяют быстродействие приборов. У ВЧ- и СВЧ-транзисторов (особенно арсенид-галлиевых) приходится учитывать отдельные составляющие этих емкостей и паразитные индуктивности конструкции.

У маломощных полевых транзисторов междуэлектродные емкости самой их структуры составляли ничтожную часть общей емкости. Большую часть составляли емкости монтажа и элементов конструкции приборов. Поэтому быстродействие приборов было далеким от теоретического. Совсем иначе обстоит дело с мощными приборами. У них емкости структуры доминируют над внешними паразитными емкостями, так что быстродействие приборов определяется его теоретическим пределом по скорости переключения тока стока.

Из общих особенностей мощных ПТ можно отметить:

  • - размещение на одном кристалле сотен и даже тысяч элементарных структур либо разветвленную геометрию элементарной структуры с целью увеличения S и 1с макс-
  • - введение в область стока высокоомной области с целью повышения рабочих напряжений;
  • - монтаж приборов в корпуса, обеспечивающие хороший теплоотвод при рассеиваемых мощностях до десятков-сотен ватт;
  • - малые габаритные размеры и массу (во многие тысячи раз меньшие, чем у ламп сопоставимой мощности), большой срок службы, отсутствие нити накала;
  • - некритичность к токовым перегрузкам.

Достоинствами мощных ПТ являются:

  • - ничтожная мощность управления в статическом режиме и малые токи затвора;
  • - высокая скорость переключения, резко снижающая динамические потери в ключевых схемах;
  • - отсутствие теплового пробоя и слабая подверженность вторичному пробою (что, в частности, связано с отрицательным температурным коэффициентом изменения тока стока);
  • - самоограничение тока стока, препятствующее токовым перегрузкам;
  • - повышенная линейность в усилительных режимах, снижающая уровень интермодуляционных искажений;
  • - отсутствие явления накопления избыточных носителей в структуре и их медленного рассасывания.

К недостаткам мощных ПТ можно отнести: выход из строя при электрических перегрузках по напряжению (даже кратковременных); повышенные по сравнению с биполярными транзисторами остаточные напряжения, что увеличивает потери в статическом режиме; худшая радиационная стойкость; более высокая, чем у биполярных транзисторов, стоимость.

Эти недостатки успешно устраняются. Так, для защиты транзисторов от перегрузок по напряжению (в основном по цепи затвора) в них встраиваются защитные кремниевые стабилитроны. Если первые типы мощных полевых транзисторов боялись даже прикосновения рукой к выводу затвора (электростатический заряд тела человека мог вызвать пробой затвора), то нынешние приборы с защитой затвора с помощью стабилитрона уже не боятся таких ситуаций.

Сопротивление транзисторов в открытом состоянии снижено до сотых долей Ома и порою оказывается меньше, чем аналогичное сопротивление у мощных биполярных транзисторов. Радиационная стойкость повышается технологическими способами, а стоимость приборов непрерывно снижается по мере увеличения объема выпуска. Темпы роста сбыта мощных ПТ за рубежом достигают 50% в год и в несколько раз превышают темпы роста сбыта мощных биполярных транзисторов.

Отмеченные достоинства мощных ПТ открывают обширные возможности применения их в усилителях мощности НЧ, ВЧ и СВЧ, радиопередающих устройствах, импульсных и переключающих схемах (в том числе нано- и субнаносекундного диапазона), преобразователях электрической энергии, источниках электропитания с высоким КПД, в генераторах накачки лазерных излучателей и т. д.

Конструктивно мощные ПТ выполняются в стандартных корпусах для полупроводниковых приборов, рассеивающих мощности от нескольких до сотен ватт. Как правило, они устанавливаются на массивных теплоотводящих радиаторах.

За рубежом мощные ПТ являются быстро развивающимся классом активных приборов. В настоящее время число их типов достигает многих тысяч. Выпуск мощных ПТ налажен рядом крупных фирм.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >