Полевые (униполярные) транзисторы

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал, и управляемым электрическим полем.

Полевой транзистор в отличие от биполярного называют униполярным, так как его работа основана на использовании только основных носителей заряда – либо электронов, либо дырок. Поэтому в полевых транзисторах отсутствуют изменения (накопления и рассасывания) объемного заряда неосновных носителей, оказывающие заметное влияние на быстродействие биполярных транзисторов. Основным способом движения носителей заряда, образующих ток полевого транзистора, является их дреф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором создается ток полевого транзистора, называют каналом.

Полевой транзистор – полупроводниковый усилительный прибор, которым управляет не ток (как в биполярном транзисторе), а напряжение (электрическое поле, отсюда и название – полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала, в результате изменяется выходной ток транзистора. Управление же электрическим полем предполагает отсутствие статического тока, что уменьшает мощность для управления транзистором.

Классификация

Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим n–p–переходом и со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП – транзисторы).

Различают шесть различных типов транзисторов (рис. 20).

а) б) в)

Рис. 20. Схемные обозначения полевых транзисторов:
с управляющим p–n–переходом (а); МОП с встроенным каналом (обедненного типа) (б); МОП с индуцированным каналом (обогащенного типа) (в)

Управляющим электродом транзистора является затвор G. Он позволяет управлять величиной сопротивления между стоком D и истоком S. Управляющим напряжением является напряжение U_GS. Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т.е. их свойства не изменяются, если их электроды D и G поменять местами. У полевых транзисторов с изолированным затвором или МОП – транзисторов затвор отделен тонким слоем SiO₂. При таком исполнении транзисторов ток через затвор не будет протекать при любой полярности на затворе. Реальные токи затворов полевых транзисторов составляют для МОП – транзисторов от 1·10^─10А до 1·10^─13 нА. Входное сопротивление у МОП – транзисторов от 10¹⁰ до 10¹³ Ом.

Аналогично делению биполярных транзисторов на n–p–n и p–n–p–тран­зис­торы полевые делятся на n-канальные и р-канальные. У n-канальных полевых транзисторов ток канала становится тем меньше, чем сильнее падает потенциал затвора (открывается отрицательным напряжением). У р-канальных полевых транзисторов явление обратное. Через полевые МОП – транзисторы обедненного типа при напряжении U_GS = 0 протекает наибольший ток стока. Такие транзисторы называют нормально открытыми. Наоборот, МОП – транзисторы обогащенного типа запираются при величинах U_GS, близких к нулю (открываются положительным напряжением). Их называют нормально закрытыми.

Наибольшее применение получили полевые МОП – транзисторы обогащенного типа, биполярным аналогом которых является n–p–n–транзистор.

Рис. 21

В нормальном режиме сток (или соответствующий ему коллектор) имеет положительный потенциал истока (эмиттера).

Ток истока отсутствует, пока на затвор (базу) не будет подано положительное напряжение по отношению к истоку.

Ток стока зависит от U_ЗИ – I_C, величины, на которую напряжение затвор – исток превышает пороговое напряжение (или напряжение отсечки). Линейная область, в которой ток стока приблизительно пропорционален U_ЗИ, достигает напряжения U_{ЗИ НАС}, после чего ток стока почти не изменяется. Крутизна наклона линейного участка I_C / U_ЗИ пропорциональна напряжению смещения,
U_ЗИ–U_П. При напряжении стока U_{СИ НАС} кривая «выходит на насыщение», равное U_ЗИ–U_П, в результате ток насыщения I_C.НАС становится в зависимости U_ЗИ–I_C пропорционален (U_ЗИ –U_П)² – квадратичный закон. Для определения тока стока МОП – транзистора n-канального обогащенного типа имеем:

I_С = 2k[(U_СИ – U_П)U_СИ – 0,5 ] – линейный участок,

I_C = k(U_ЗИ – U_П)² – участок насыщения, где k – коэффициент пропорциональности.

По анализу выходной характеристики можно сформулировать:

а) удельное сопротивление МОП – транзистора в линейной области пропорционально напряжению возбуждения;

б) линейный участок простирается до напряжения возбуждения;

в) ток насыщения стока пропорционален напряжению возбуждения в квадрате.

IGBT транзисторы

Получил распространение прибор IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в котором удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с изолированным затвором n-канальным обогащенного типа и дополнительных биполярных транзисторов n–p–n и p–n–p типов проводимостей (рис. 22).

Рис. 22

Технологически транзистор IGBT получают из транзистора MOSFET посредством добавления одного биполярного транзистора структуры p–n–p, благодаря которому и появились замечательные возможности этого силового прибора. Образовавшаяся структура из транзисторов VT1 и VT2 имеет внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора VT2 влияет на ток базы VT1 и наоборот. Коэффициенты передачи транзисторов, соответственно, равны α₁ и α₂. Ток стока полевого транзистора:

I_C = I_Э(1 – α₁ – α₂).

Поскольку ток стока можно определить через крутизну S, напряжение на затворе I_C = SU_Э определим ток IGBT

I_C = I_Э = SU_Э / [1-(α₁ +α₂)] = S_ЭU_Э,

где S_Э = S / [1 – (α₁ + α₂)] – эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором.

I_C = I_Э(1 – α₁ – α₂).

Рис. 23. Условное схематическое обозначение транзистора IGBT (а)
и его область безопасной работы (б)