Полевые транзисторы. 
Основы электротехники, микроэлектроники и управления в 2 т. Том 2

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, ток которого управляется электрическим полем и который предназначен для усиления электрических сигналов.

В полевых, или униполярных транзисторах в отличие от биполярных ток определяется движением только основных носителей заряда одного типа — электронов или дырок.

Носители заряда перемещаются по каналу от электрода, называемого истоком, к электроду, называемому стоком

Рис. 6.8. Структура (а) и схема включения (б) полевого транзистора с затвором в виде р-п перехода и каналом л-типа: 1,2- области канала и затвора соответственно; 3, 4, 5 — выводы истока, стока и затвора соответственно; 3 — затвор; И — исток; С — сток; Ucn ~ напряжение между затвором и истоком и между стоком и истоком соответственно.

(рис. 6.8). С помощью третьего электрода — затвора — создаётся поперечное направлению движения носителей заряда управляющее электрическое поле, позволяющее управлять электрическим сопротивлением канала, а следовательно, и током в канале.

Полевые транзисторы изготавливают из кремния и в зависимости от проводимости исходного материала подразделяют на транзисторы с p-каналом и «-каналом.

По типу управления током канала полевые транзисторы подразделяются на два типа: с управляющим р-п переходом и с изолированным затвором.

Структура и схема включения полевого транзистора с «- каналом и управляющим р-п переходом показаны на рис. 6.8.

В транзисторе с «-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток истока 1с. Между затвором и истоком приложено обратное напряжение, запирающее р-п переход, образованный «-областью канала и p-областью затвора.

Таким образом, в полевом транзисторе с «-каналом полярности приложенных напряжений следующие: Uch>0, Узи<0 (см. рис. 6.8, б). В транзисторе с p-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: Ucm0.

Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с «-каналом. Транзисторы с p-каналом работают аналогично.

Рис. 6.9. Изменение поперечного сечения канала в полевом транзисторе при и_си~ 0 (а) и при 11_Си*0 (б).

На рис. 6.9. показано, как происходит изменение поперечного сечения канала при подаче напряжений между электродами транзистора. При подаче запирающего напряжения на р-п переход между затвором и каналом (рис. 6.9, а) на границах канала возникает равномерный слой, обозначенный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению ширины проводящего канала.

Напряжение, приложенное между стоком и истоком Уси^О (рис. 6.9, б) приводит к появлению неравномерного обеднённого слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку. Наименьшая площадь поперечного сечения расположена вблизи стока.

Толщина обедненного слоя и, следовательно, площадь поперечного сечения канала будут определяться действием двух напряжении Ucn и 11зц. При этом минимальная площадь поперечного сечения канала определяется их суммой. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания, обеднённые слои смыкаются, и электрическая проводимость канала резко падает.

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора приведены на рис. 6.10. Здесь зависимости тока стока /_с от напряжения Пси при постоянном напряжении на затворе {Узя определяют выходные или стоковые, характеристики полевого транзистора (рис. 6.10, а).

На начальном участке характеристик 11си + |(/зя| < U_3an,

Рис. 6.10. Выходные (а) и передаточная (б) вольт-амперные характеристики полевого транзистора ток стока Ic возрастает с увеличением UqhПри повышении напряжения сток-исток до 11си ⁼ ?4т — изи происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока 1с прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение Ози между затвором и истоком приводит к меньшим значениям напряжения Ucn и тока 1с, при которых происходит перекрытие канала. Область насыщения справа от пунктирной линии (рис. 6.10, а) является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора.

Дальнейшее увеличение напряжения Пси приводит к пробою р-п перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя (резкое увеличение тока 1с). По выходным характеристикам 1с — /(Т/ся)может быть построена передаточная характеристика 1с ~ /(Изи) (рис. 6.10, б). На участке насыщения (Uaf=5-15) она практически не зависит от напряжения Uси. Входная характеристика полевого транзистора (зависимость тока утечки затвора 1з от напряжения затвор-исток 11зи) обычно не используется, так как при 1/зи⁰ р-п переход между затвором и каналом закрыт и ток затвора очень мал (/з=10 -10‘⁹ А), поэтому им можно пренебречь.

В настоящее время широкое распространение получили полевые транзисторы, в которых металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика. Такие тран;

Рис. 6.11. Условные обозначения МДП-транзистора (a), IGBTтранзистора (б) и характеристики IGBT-транзистора (в).

зисторы называют МДП-трапзисторами (металл — диэлектрик — полупроводник), или МОП-транзисторами (металл — оксид — полупроводник). Их входное сопротивление достигает значения 10¹⁵ Ом, т. е. ток затвора на несколько порядков ниже тока полевых транзисторов с управляющим р-n переходом.

Преимущество полевого транзистора перед биполярным транзистором заключается в том, что у полевого транзистора очень большое входное сопротивление, т. е. цепь управления такого прибора практически не потребляет электрической мощности в стационарном режиме, что повышает экономичность преобразователя.

Условное обозначение МДП-транзистора представлено на рис. 6.11, а.

1GВТ-транзистор (Insolated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором) (рис. 6.11, б). Это наиболее широко применяемый тип ключевых управляемых приборов. Он представляет собой комбинацию полевого транзистора по входу и биполярного транзистора по выходу, что позволяет получить электрический ключ на достаточно большие токи при затрате малых мощностей по цепи управления. Выходные характеристики IGBT-транзистора приведены на рис. 6.11, в — это зависимость тока коллектора i_K от напряжения коллектора и_к при различных значениях напряжениях на затворе и₃.