Рис3.5. Схемные обозначения полевых транзисторов

Теоретическое введение

Транзистор – полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигнала. Различают кремниевые и германиевые транзисторы. Они бывают p-n-p и n-p-n типа. На рис.3.1 и 3.2 показаны их условные обозначения.

Коллектор

База

Эмиттер

Рис.3.1. n-p-n – транзистор и его диодная эквивалентная схема

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим n- или р- слоем.

Электрод, связанный с ним, называется базой (Б). Два других электрода – эмиттером (Э) и коллектором (К). Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения.

База

Коллектор

Эмиттер

Рис.3.2. p-n-p – транзистор и его диодная эквивалентная схема

Обычно переход эмиттер–базы смещен в прямом направлении, а переход база–коллектор – в обратном. Поэтому источники напряжения должны быть включены как показано на рис.3.3 и 3.4.

I_к<0

U_кэ<0

I_б<0

U_бэ<0

Рис.3.3. Полярность включения n-p-n - транзистора

Из диодной эквивалентной схемы транзистора вытекает простейший способ его проверки: транзистор должен вести себя, по крайней мере, как два диода, т.е. при изменении сопротивления перехода база-эмиттер в одном направлении мы получаем сравнительно небольшое значение сопротивления. Меняя местами щупы омметра (т.е., меняя полярность их приложения к выводам транзистора), мы получим гораздо большее значение сопротивления.

То же самое относится и к переходу база-коллектор. Основная особенность транзистора состоит в том, что коллективный ток I_К является кратным базовому току I_Б. Их отношение В = называется коэффициентом усиления по току.

I_б>0

I_к>0

U_бэ>0

U_кэ>0

Рис.3.4. Полярность включения p-n-p – транзистора

Режим транзистора подробно описывается с помощью семейства его характеристик. Ниже рассматриваются p-n-p транзисторы. Для p-n-p транзистора знаки напряжений и токов следует изменить на противоположные.

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые элементы, которые в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем, т.е. практически без затрат мощности управляющего сигнала.

Различают шесть различных типов полевых транзисторов. Их условные обозначения показаны на рис.3.5.

Управляющим электродом является затвор (З). Он позволяет управлять величиной сопротивления между стоком (С) и истоком (И). Управляющим напряжением является напряжение U_ЗИ. Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т.е. их свойства не изменяются, если электроды С и И поменять местами. В транзисторах с управляющим переходом затвор отделен от канала СИ n-p- или p-n- переходом. При правильной полярности напряжения U_ЗИ диод, образуемый переходом затвор-канал, запирается и изолирует затвор от канала; при противоположной полярности он отпирается.

У полевых транзисторов с изолированным затвором, или МОП-транзисторов, затвор отделен от канала СИ тонким слоем SiO₂. При таком исполнении транзистора

ток через затвор не будет протекать при любой полярности напряжений на затворе.

Полевой транзистор

Полевой транзистор с управляющим p-n - переходом

МОП - транзистор

МОП-транзистор обогащенного типа

МОП-транзистор обедненного типа

p – канальный

n – канальный

p – канальный

n – канальный

p – канальный

Рис3.5. Схемные обозначения полевых транзисторов

Реальные токи затворов полевых транзисторов с управляющим переходом составляют от 1пА до 1 нА, а для МОП-транзисторов – в среднем меньше в 10 раз. Входные сопротивления для транзисторов с управляющим переходом составляют от 10¹⁰ до 10¹³ Ом, а для МОП-транзисторов – от 10¹³ до 10¹⁵ Ом.

Аналогично делению биполярных транзисторов на p-n-p и n-p-n – транзисторы полевые транзисторы делятся на p -канальные и n -канальные. У n -канальных полевых транзисторов ток канала становится тем меньше, чем сильнее падает потенциал затвора. У p -канальных - наоборот. Ниже в основном будут рассматриваться n -канальные транзисторы. Замена n- канальных транзисторов на p -канальные возможна, если поменять знак напряжения питания, а также соответственно изменить полярность включения используемых в схеме диодов и электрических конденсаторов.

Рассмотрим подробнее работу и устройство полевого транзистора с управляющим p-n-p переходом и каналом типа n. Он изготавливается из кристалла типа n, на котором с двух противоположных сторон размещены области типа p, выполненные методом диффузии, как показано на рис.3.6.

Рис.3.6. Схематическое устройство полевого транзистора с управляющим p-n-p переходом и каналом типа n:

а) устройство с каналом типа n между истоком и стоком;

б) устройство с отрицательным потенциалом относительно подложки

типа n;

в) устройство, где затвор соединен со стоком.

В подобном устройстве образуется канал типа n между входным зажимом – истоком и выходным зажимом – стоком. Этот канал расположен между двумя областями p, образующими управляющий электрод или затвор рис.3.6.а). Если на затвор подать отрицательный потенциал относительно подложки типа n рис. 3.6. б), то переходы окажутся смещенными в обратном направлении и в них, как в любом p - n-p – переходе, образуются обедненные слои. При увеличении отрицательного смещения обедненные слои расширяются вглубь канала и, в конце концов, могут сомкнуться между собой. В этом случае сопротивление между истоком и стоком будет бесконечно большим. На рисунке 3.6. в) затвор соединен со стоком, а источник напряжения присоединен таким образом, что сток относительно затвора имеет положительный потенциал. Переходы в этом случае также смещены в обратном направлении, но благодаря градиенту между стоком и истоком и резистивной природе подложки одна сторона оказывается смещенной в большей степени, чем другая и, следовательно, обедненный слой с этой стороны будет иметь большую толщину. Повышение напряжения между стоком и истоком U_СИ сначала вызывает увеличение градиента потенциала. В результате обедненный слой расширяется, сопротивление между стоком и истоком возрастает и появляется тенденция к ограничению тока. В конце концов, повышение напряжения не вызывает больше увеличение тока I_С. Напряжение между стоком и истоком, при котором начинается ограничение тока, называют напряжением насыщения U_СИ. Характеристики, описывающие такую зависимость I_С от U_СИ, приводятся ниже в тексте.

Через полевые транзисторы с управляющим переходом при напряжении U_ЗИ=0 протекает наибольший ток стока. Такие транзисторы называют нормально открытыми. Аналогичные свойства имеют МОП-транзисторы обедненного типа, наоборот, МОП-транзисторы запираются при величинах U_ЗИ близких к нулю. Их называют нормально закрытыми. Ток стока протекает через n-канальные МОП-транзисторы обогащенного типа тогда, когда U_ЗИ превышает некоторое положительное значение. Существуют также МОП-транзисторы, промежуточные между транзисторами обедненного и обогащенного типов, в том числе и такие, через которые при U_ЗИ=0 протекает некоторый средний ток канала.

У n -канальных полевых транзисторов к выводу истока необходимо приложить более отрицательный потенциал, чем к выводу стока. В симметричном n-канальном транзисторе любой из выводов канала, к которому подведен более низкий потенциал, может служить в качестве вывода истока.

В МОП-транзисторах часто делают четвертый вывод от так называемой подложки. Этот электрод, как и затвор также может выполнять управляющие функции, но он отделен от канала только p-n – переходом. Управляющие свойства подожки обычно не используются, а ее вывод соединяют с выводом истока. Если же требуется два управляющих электрода, то используют так называемые МОП-тетроды или двухзатворные МОП-транзисторы, имеющие два равноценных затвора.

Для исследования свойств транзистора приложим входное напряжение U sub(БЭ) и измерим выходной ток I_К как функцию выходного напряжения U_КЭ. Путём ступенчатого повышения входного напряжения получим семейство выходных характеристик (рис.3.7).

Особенностью транзистора является тот факт, что коллекторный ток мало изменяется после достижения U_КЭ определенного значения.

Рис. 3.7. Передаточная характеристика Рис. 3.8. Семейство выходных характеристик

Этой особенностью обладает электронная лампа пентод. Напряжения, при котором характеристика имеет изгиб, называется напряжением насыщения.

Другой особенностью является то, что малого изменения входного напряжения оказывается достаточно для того, чтобы вызвать относительно большое изменение коллекторного тока. Это видно на передаточной характеристике, изображенной на рис.3.7, которая представляет собой зависимость I_КС от U sub(БЭ); при этом U_КЭ варьируется как параметр. Известно, что передаточная характеристика транзистора, как и диода, имеет вид экспоненциальной функции, однако, в отличие от диода поправочный коэффициент в этом случае с большой точностью равен единице.

Тогда

(3.1.)

Так что I_К больше обратного тока I_S.

(Напомним, для диода где I_S – теоретический обратный ток, U_Т= – термический потенциал. При комнатной температуре:

U_Т= = = мВ (3.2.)

Часто транзистор можно рассматривать как линейный усилитель. Это справедливо в рабочей точке I_КА, U_КЭА, в окрестности которой осуществляется управление малым сигналом. При расчете схем характеристика заменяется касательной в рабочей точке. Увеличение тангенса угла наклона касательной означает увеличение дифференциального параметра (параметра малого сигнала).

Изменение коллекторного тока I_К в зависимости от U_К характеризуется крутизной S:

(3.3.)

Эту величину можно рассчитывать, основываясь на предыдущей формуле:

(3.4.)

Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств каждого транзистора. Поэтому для ее определения не требуется измерений.

Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор – эмиттер характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением:

(3.5.)

Из рис. 3.9 видно, что при увеличении коллекторного тока оно уменьшается, т.к. наклон характеристики увеличивается. С высокой точностью сопротивление r обратно пропорционально I_К, т.е.

r = (3.6.)

Коэффициент U называется напряжением Эрли. Его можно определить, измерив r. Тогда несложно рассчитать выходное сопротивление для любого коллекторного тока. Типовое значение U находится в пределах 80-200 В для n-p-n -транзисторов и 40-150 В для p-n-p – транзисторов.

В отличие от электронной лампы входной ток транзистора не равен нулю. Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения вводят дифференциальное входное сопротивление:

(3.7.)

Его можно определить по входной характеристике I_Б=f(U_БЭ), приведенной на рис.3.9. Эта характеристика, как и передаточная характеристика (рис.3.7) описывается экспоненциальной функцией.

Рис.3.9. Входная характеристика

Таким образом, коллекторный ток пропорционален базовому току. Коэффициент пропорциональности B= называют коэффициентом статического усиления по току. Однако пропорциональность имеет место только в ограниченной области тока, так как В зависит от I_K. Эта зависимость показана на рис.3.10.

Рис.3.10. Типовые зависимости коэффициентов статистического и динамического усиления по току от коллекторного тока для маломощного транзистора

Дифференциальный коэффициент усиления по току в рабочей точке определяется выражением:

(3.8.)

Зависимость этой величины от I_K тоже представлена на рисунке 3.10. У мощных транзисторов максимум коэффициента усиления соответствует диапазону токов, измеряемых в амперах, а абсолютное его значение значительно ниже, чем у маломощных транзисторов. Зная и крутизне, можно рассчитать входное сопротивление r_БЭ:

(3.9.)

В координатах рис. 3.10 можно изобразить семейство кривых с U_КЭ в качестве параметра. Однако, зависимость от U_КЭ так незначительна, что кривые практически совпадают. При малых сигналах эта зависимость характеризуется коэффициентом обратной передачи по напряжению и обратной крутизной:

; (3.10)

При малых коллекторных токах коэффициент обратной передачи по напряжению положителен, при больших – отрицателен. Абсолютное значение его не превышает 10. Поэтому влиянием обратной передачи практически можно пренебречь. При высоких частотах обратную передачу все же приходится учитывать. Ее же следует принимать во внимание при рассмотрении влияния емкости коллектор – база (эффект Мюллера).

Необходимо отметить, что транзистор характеризуется рядом предельных параметров, таких как максимальное напряжение коллектор – эмиттер, обратное напряжение коллектор – база, максимальная мощность рассеяния (т.е. произведение тока по напряжению), т.е. мощность, которая в транзисторе преобразуется в тепло.

Эти (и ряд других) параметры указываются в паспорте на транзистор. За превышение этих параметров приходится расплачиваться новым транзистором.

На рис.3.11 и 3.12 представлено семейство характеристик типового полевого транзистора с управляющим p-n -переходом в области малых сигналов.

Рис. 3.11. Передаточная характеристика n-канального полевого транзистора с управляющим p-n -переходом

Можно заметить, что качественно эти характеристики подобны характеристикам биполярного транзистора. При этом сток соответствует коллектору, исток – эмиттеру, а затвор – базе биполярного транзистора.

Рис.3.12. Семейство выходных характеристик n -канального полевого транзистора с

управляющим p-n -переходом

Характеристики полевого транзистора отличаются от соответствующих характеристик n-p-n -транзистора рабочим диапазоном напряжения затвор – исток. Напряжение, при котором ток стока I_C принимает минимальное значение, называется пороговым напряжением U_Р.

При величинах напряжения U_ЗИ, больших U_Р, передаточная характеристика транзистора, представленная на рис.3.11 описывается уравнением

(3.11)

где I_CS – ток стока при U_ЗИ=0. На практике эта величина тока для полевого транзистора с управляющим p-n -переходом является предельной, так как положительных напряжений затвор – исток стараются избегать, чтобы не потерять преимуществ, обеспечиваемых малым током затвора.

Из этого выражения видно, что ток стока при U_ЗИ=U_Р должен ровняться нулю. Фактически это равенство выполняется лишь приближенно. Поэтому правильнее было бы определить значение U_ЗИ, при котором величина тока становится равной нескольким микроамперам. Полученное таким образом значение не всегда будет удовлетворять выражению для I_C, поэтому удобнее вычислять I_C как функцию U_ЗИ и экстраполировать полученную прямую линию до значения тока I_C =0.

Это выражение можно использовать также и для описания передаточных характеристик МОП-транзисторов, как нормально открытых, так и нормально закрытых, если учесть знаки величин U_ЗИ и U_Р. Для нормально закрытых МОП-транзисторов в качестве величины используется ток стока при U_CS=2U_Р. Смысл этого становится ясным при сравнении передаточных характеристик МОП-транзисторов обогащенного и обедненного типа на рис. 3.13 и 3.14. Напряжение затвор-исток для МОП-транзисторов может повышаться до величины напряжения пробоя оксидного слоя, составляющего около 50 В, поэтому ток стока таких транзисторов может значительно превышать величину I_C_И.

Рис.3.13. Передаточная характеристика нормально открытого n -канального полевого транзистора

Рис.3.14. Передаточная характеристика нормально закрытого полевого транзистора

По передаточной характеристике транзистора может быть определен такой его параметр, как крутизна:

(3.12)

Дифференцированием выражения для I_C можно определить крутизну:

. (3.13)

Особый интерес представляет значение крутизны при I_C=I_CS, обозначенное через S_S. Для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом это максимальное значение крутизны. Из этого выражения для S находим:

. (3.14)

Теперь по легко определяемым опытным путём параметрам S_S и I_CS можно просто получить напряжение отсечки. Типовые значения параметров маломощного полевого транзистора составляют:

I_CS = mA (3.15.)

В (3.16.)

mA/В (3.17)

Можно отметить, что при равных токах стока полевого транзистора и коллектора биполярного транзисторов крутизна полевого транзистора существенно ниже, чем биполярного.

На рис.3.12 представлены выходные характеристики полевого транзистора – графики зависимости между I_C и U_C_И при различных фиксированных значениях U_ЗИ. Характеристики имеют одинаковый вид как для нормально открытых, так и для нормально закрытых полевых транзисторов. При малых значениях U_C_И ток I_C возрастает приблизительно пропорционально U_C_И. Полевой транзистор в этой области режимов эквивалентен оммическому сопротивлению, величина которого может управляться напряжением U_C_И. При напряжениях ниже точек перегиба

U_К =U_ЗИ – U_Р (3.18)

семейство выходных характеристик описывается выражением (с использованием выражений для S и S_S).

(3.19)

Эта зона семейства выходных характеристик называется начальной зоной.

Зона семейств выходных характеристик, находящихся за точками перегиба, называется зоной сжатия. В этой зоне ток стока зависит только от напряжения U_ЗИ и очень незначительно от U_C_И, что соответствует выражению для I_C. Остаточная зависимость тока от напряжения U_C_И характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением

(3.20.)

Как и у биполярных транзисторов, дифференциальное выходное сопротивление снижается при увеличении тока стока I_C, причем приблизительно обратно пропорционально величине .

Предельные электрические параметры полевых транзисторов в целом такие же, как и у биполярных транзисторов. У МОП-транзистора следует обращать особое внимание на предельно допустимое напряжение на затворе транзистора, лежащее в пределах 50-100 В. При превышении этого напряжения может произойти пробой оксидного слоя затвора, и транзистор будет необратимо поврежден. Особенно опасны статистические заряды, которые могут привести к пробою транзистора даже при касании его рукой. Поэтому при пайке полевого транзистора следует заземлить паяльник, транзистор и самого монтажника.

Электрические схемы

U₁

R₁

R₃

U₂

R₄

R₂