Пользователь
0,0
рейтинг
29 ноября 2011 в 16:51

Полевые транзисторы. For dummies

Введение


А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход. Что нам на это скажут официальные источники?
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом



Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором


Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:


Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов


  1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
  2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
  3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
  4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
  5. Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
  6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.


Схемы включения



Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения


Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения. И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:
  • высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
  • высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
  • поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
  • высокая температурная стабильность;
  • малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
  • малое потребление мощности.

Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

Список источников:
ru.wikipedia.org
dssp.petrsu.ru
zpostbox.narod.ru
electrono.ru
radio.cybernet.name

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4435883
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4436509
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4441531

Рекомендую почитать:
«Основы на пальцах», автор DI HALT (за наводку спасибо AlexeiKozlov)
@AveNat
карма
179,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (25)

  • +3
    позвольте с вами немного не согласиться с пунктами

    * высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
    * высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);

    в реальной жизни все не так просто. Снаружи затвор будет для нас обкладкой конденсатора. И для смены полянам нужно будет куда то девать заряд. И уже допустим в применении в импульсных блоках питания на частотах порядка 200кГц ток управления транзистором могут достигать нескольких ампер пиками длительностью порядка 5.0 × 10-7 секунды
    • 0
      Вы правы. Я пропустила в статье фразу «по сравнению с биполярными». Исправила.
  • +1
    ни в статье ни в тегах не увидел слова «мосфеты»
    • 0
      Добавила. По правде сказать, сама в первый раз эту аббревиатуру услышала.
  • +1
    Небольшое дополнение. Из-за особенностей конструкции МОП-транзистора, а именно, из-за соединения истока с подложкой, образуется т.н. встроенный диод — p-n-переход между стоком и истоком. Часто этот диод рисуют на схемах:

    По этой причине большинство МОП-транзисторов могут нормально работать только при прямой полярности напряжения сток-исток. При обратной полярности встроенный диод открывается и пропускает весь ток через себя.
    • 0
      Если сравнивать их с биполярниками это будет их отличием, если же сравнивать с тем ради чего они созданы, это скорее их плюс…
      • 0
        Иногда напрягает :(
  • –1
    Вообще главный минус всех этих тем, это отсуствие описания диагностики при поломке элемента.
    • 0
      Для меня главный минус этих тем в том, что я хочу все это знать, но видать умом не вышел, хотя с радостью напаял бы чего-нибудь.
      • +2
        Боюсь, дело тут не только в вас, но и в авторах. И это печально.
        • 0
          Спасибо огромное за весь цикл статей! Это очень нужно для многих.
    • 0
      Вообще, говорят, что в электронике только два вида возможных проблем: есть контакт там, где его быть не должно, или нет контакта там, где он должен быть. Надо просто вникнуть в алгоритм работы схемы, сравнить с действительностью и найти отличие.

      Конкретно по транзисторам: МДП должен прозваниваться как диод, а биполярный — как два встречных диода, подключенных к базе. Если это не так, то у вас с ним проблемы.
  • 0
    Был бы автор девушкой, я бы в него влюбился… Конечно местами цитаты из учебника, но именно те которые несут смысл… Прекраснейшая статья…
    • +1
      Был бы автор девушкой, я бы в него влюбился…
      Дык это… автор — девушка.
      • +1
        Более того, замужняя девушка ^_~
        • 0
          Не знал.

          Теперь точно влюбился ^_^
  • +2
    Еще главный минус, этих статей в том, что они о графиках, а не о смысле.
    самое удачное объяснение есть у DIHALT на его сайте.
    • 0
      Спасибо за наводку! Очень здорово написано :D Особенно мне понравилось:
      Обозначение транзисторов или камень преткновения всех студентов. Как запомнить тип биполярного транзистора по его условной схеме? Представь что стрелочка это направление твоего движения на машине… Если едем в стенку то дружный вопль «Писец Нам Писец
      • 0
        plug'n'play
    • +2
      Поддерживаю. DiHALT и WildCat — это лучшее, что у нас сейчас в стране есть по электронике. Они несут невероятно полезные знания в массы.
  • 0
    В отличия полевых транзисторов от биполярных добавил бы следующее: у биполярных транзисторов температурный коэффициент сопротивления коллектор-эмиттер отрицательный (т. е. с ростом температуры сопротивление уменьшается и ток коллектор — эмиттер растет). У полевых транзисторов все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный (с ростом температуры сопротивление растет, и ток сток-исток уменьшается). Важное следствие из этого факта — если биполярные транзисторы нельзя просто так включать параллельно (с целью умощнения), без токовыравнивающих резисторов в цепи эмиттера, то с полевыми все намного проще — благодаря автобалансировке тока сток-исток при изменении нагрузки/нагрева — их можно свободно включать параллельно без выравнивающих резисторов. Это связано с температурными свойствами p-n перехода и простого полупроводника p- или n-типа. По этой причине у полевых транзисторов гораздо реже случается необратимый выходной тепловой пробой, чем у биполярных.

    Сейчас полевые транзисторы гораздо шире используются в производстве микросхем (особенно цифровых), чем биполярные, поскольку позволяют делать схемы с практически нулевым статическим током потребления. Аналоговые микросхемы тоже практически всегда делаются на полевых транзисторах (за исключением свервысокочастотных), потому что позволяют получить лучшую линейность усилительной характеристики, по сравнению со схемами на биполярных транзисторах, в широком диапазоне питающих, входных и выходных напряжений. В частности, стало возможным делать reel-to-reel схемы, у которых максимальный размах от пика до пика входных и выходных сигналов одинаков, и почти совпадает с уровнем питающего напряжения. Это позволяет очень просто соединять выход одной усилительной схемы со входом другой, без специальных цепей ограничения напряжения (резисторных делителей).
    • 0
      >без специальных цепей ограничения напряжения (резисторных делителей)

      я бы не назвал делитель напряжения на резисторе — ограничителем напряжения, он его делит от не ограничивает. Ограничителем можно назвать операционный усилитель который на выходе не когда не даст больше своего напряжения питания, а на вход может выдержать приличные перегрузки (от конкретной модели зависит)
  • 0
    Я использую полевой транзистор в качестве изменяющегося сопротивления между выводами сток-исток, которое изменяется в зависимости от амплитуды сигнала на затворе.

    Есть ли смысл в направлении сток/исток при использовании схемы с общим затвором в этом случае? Нужно ли думать о защите транзистора если один из выводов сток или исток переключается на другие цепи.

  • 0
    Заметил, что почти все статьи и учебники по электронике имеют свой непередаваемый стиль.

    Спасибо за статью, наверное, одна из лучших в рунете по полевым транзисторам.
  • 0
    Объясните пожалуйста:
    Как вообще может возникнуть обратное напряжение Затвор-Исток? Я так понимаю в схеме с одним источником питания разница потенциалов З-И может быть либо 0, либо положительная (рассматриваем полевой транзистор с каналом n-типа). Пусть питание схемы 5В, И подключён к земле. Соответственно на З я могу подать напряжение 0...5 В, отрицательное же не могу.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.