Полевые транзисторы

Широкое распространение получили полевые транзисторы, появившиеся несколько позже биполярных (в 1952 г. Их предложил американский учёный Шокли). Иначе они называются упиполярными, так как ток в них создаётся носителями одного знака – электронами или дырками (в отличие от биполярных). Ещё одно название этих транзисторов – канальные – связано с тем, что ток протекает в определённой области полупроводника, называемой каналом. Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление. Существует несколько разновидностей полевых транзисторов, отличающихся структурой и способом изоляции входной управляющей цепи от токонесущего канала ( c управляющим р – n переходом и с изолированным затвором). Кроме того, все разновидности полевых транзисторов могут использовать в качестве носителей электроны – n – канальные и дырки – р – канальные.

Принцип устройства, работы и включение транзистора с управляющим р-n переходом показаны на рис. 5.11. Пластинка из полупроводника, напри -

Рисунок 5.11. Схема включения полевого транзистора с управляющим p – n переходом.

мер n – типа имеет на противоположных концах выводы, с помощью которых она включена в выходную (управляемую) цепь. Эта цепь питается от источника Ес и в неё включена нагрузка Rн. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей – в нашем примере это электронный ток. Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода, представляющего собой область

с другим типом электропроводности – в нашем случае это р-область. Источник питания Ез создаёт на единственном р-n переходе данного транзистора обратное (запирающее ) напряжение. Напряжение другой полярности, т.е. прямое напряжение на р-n переход не подают, так как тогда входное сопротивление будет очень малым. Во входную цепь включают и источник усиливаемого сигнала Uвх.

Физические процессы происходят в полевом транзисторе следующим образом. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на р-n переходе, и от этого изменяется толщина запирающего (обеднённого ) слоя, ограниченного на рис. 5.11 пунктирными линиями. Соответственно этому изменяется площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. Эта область называется каналом – в нашем примере это n-канал.

Электрод, из которого вытекают в канал основные носители заряда называется истоком ( И ). Из канала носители заряда проходят к электроду, называемым стоком ( С ). Исток и сток по своим функциям аналогичны эмиттеру и коллектору биполярного транзистора. Управляющий электрод, предназначенный для регулирования площади поперечного сечения канала, называется затвором ( З ) и выполняет функции базы биполярного транзистора.

Если увеличить напряжение затвора Uз-и, то запирающий слой p – n перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Следовательно, его сопротивление постоянному току Rо возрастает и ток стока iс становится меньше. При некотором напряжении затвор - исток Uз-и, называемым напряжением отсечки, сечение канала станет равным нулю и ток стока станет весьма малым ( практически его можно считать равным нулю ). При Uз-и = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление Rо наименьшее ( несколько сотен Ом ), и ток стока получается наибольшим (рис. 5.12). Для того, чтобы

Рисунок 5.12. Передаточные ( управляющие, стоко – затворные ) – а) и выходные ( стоковые) – б) характеристики полевого транзистора с управляющим p – n переходом и n-каналом.

входное напряжение возможно более эффективно управляло выходным током, материал основного полупроводника, в котором создан канал, должен быть высокоомным, т.е. с низкой концентрацией примеси. Тогда запирающий слой в нём получается большей толщины. Поскольку вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку ( к напряжению затвора добавляется падение напряжения на распределённом по длине сопротивлению канала ), то ближе к стоку обратное напряжение p – n перехода увеличивается и толщина запирающего слоя получается больше. Управляющее действие затвора хорошо иллюстрируют передаточные характеристики транзистора ( рис. 5.12 – а), каждая из которых снята при постоянном напряжении сток – исток ( uс-и ). Увеличение напряжения стока ведёт к росту выходного тока, т.е. к смещению характеристики влево. Кроме того, поскольку с увеличением управляющего напряжения на затворе выходной ток ( ток стока) уменьшается, то говорят, что такие транзисторы работают в режиме обеднения канала.

На рис. 5.12 – б приведены выходные ( стоковые ) характеристики полевого транзистора Iс = f ( Uс-и ) при Uз-и = const. Они показывают, что с увеличением напряжения на стоке ток стока сначала растёт довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышении напряжения на стоке ток должен увеличиваться, но так как одновременно увеличивается обратное напряжение на p – n переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается, его сопротивление растёт, и за счёт этого ток стока должен уменьшаться. Таким образом, имеют место два взаимно противоположных воздействия на ток, который в результате остаётся почти постоянным.

При подаче большего по абсолютному значению отрицательного напряжения на затвор ток стока уменьшается и выходная характеристика проходит ниже.

Повышение напряжения стока в конце концов приводит к электрическому пробою p – n перехода, и ток стока начинает лавинообразно нарастать, что показано на рисунке пунктирными линиями.

Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором.У них металлический затвор отделён от полупроводникового канала слоем диэлектрика. В связи с этим такие транзисторы называют МДП – транзисторами ( ибо их структура металл – диэлектрик – полупроводник ). Поскольку в качестве диэлектрика зачастую используется оксид кремния SiO₂ , их называют ещё МОП – транзисторами (металл – окисел – полупроводник ). На рис. 5.13 – а показан принцип действия полевого транзистора с изолированным затвором.

Рисунок 5.13. Принцип устройства МДП транзистора с встроенным ( а ) и индуцированным ( б ) n-каналами.

Основанием служит кремниевая пластина с электропроводностью р - типа. В ней созданы две области с электропроводностью n+ -типа с повышенной проводимостью – области истока и стока. Между ними имеется тонкий приповерхностный слой полупроводника, образующий канал с проводимостью n-типа. От областей стока и истока, а также от затвора сделаны выводы. Металлический затвор в таком типе полевого транзистора отделён от канала тонким слоем диэлектрика. Кристалл МДП транзистора обычно соединён с истоком, и его потенциал, также, как и потенциал истока принимается за нулевой. Прибор с такой структурой называют транзистором с встроенным ( собственным ) каналом, и работает он следующим образом.

Если при нулевом напряжении затвора приложить напряжение между стоком и истоком ( плюсом к стоку относительно истока ), то через канал потечёт ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдёт, так как один из p – n переходов будет находиться под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, а следовательно, и относительно кристалла, в канале создаётся поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области истока и стока и в кристалл. Канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается и ток стока (выходной ток ) уменьшается. Такой режим транзистора называется режимом обеднения.

Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей стока и истока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны; проводимость канала увеличится, ток стока возрастёт. Этот режим называется режимом обогащения. Передаточная характеристика ( стоко – затворная ) МДП транзистора приведённая на рис. 5.14 – а, наглядно показывает, что такой транзистор работает как в режиме

Рисунок 5.14. Передаточные характеристики МДП транзистора: а) – со встроенным каналом, б) – с индуцированным каналом.

обеднения, так и в режиме обогащения в зависимости от знака напряжения на затворе. При определённом отрицательном напряжении канал настолько обедняется электронами, что ток стока становится почти равным нулю. Это напряжение на затворе называется напряжением отсечки.

Если взять кристалл ( его иногда называют подложкой ) с электронной проводимостью, то канал должен быть р-типа и полярность источников напряжения надо изменить на противоположную.

Другим типом является транзистор с индуцированным каналом (рис. 5.13 – б) . От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определённой полярности и величины, превышающей некоторого значения, называемого пороговым напряжением Uз.пор При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n+ -типа расположен только кристалл р-типа и на одном из р – n+ -переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и из р-области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение Uз.пор , то в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличится, что превысит концентрацию дырок, и в этом случае произойдёт так называемая инверсия типа электропроводности, т.е. образуется канал n-типа и транзистор начнёт проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом такой транзистор работает только в режиме обогащения, что и подтверждается его передаточной характеристикой, изображённой на рис.5.14 – б. Если подложку выполнить из полупроводника n-типа, то получится транзистор с индуцированным каналом р-типа.

Выходные статические характеристики МДП транзисторов с встроенным и индуцированным каналами подобны аналогичным характеристикам полевого транзистора с управляющим р – n переходом. Входные характеристики всех типов полевых транзисторов не имеют смысла, ибо ток во входной цепи ( цепи затвора ) практически отсутствует при всех рабочих значениях входного напряжения.

Тиристоры

Тиристоры – это многопереходные ( три и больше р – n перехода ), предназначенные для переключения тока в управляемой цепи. Их функции отражены в названии которое происходит от греческого слова thyra ( тира ), означающего «дверь», «окно». Принципиальное отличие тиристоров от транзисторов в ключевом режиме состоит в том, что они имеют два устойчивых состояния и остаются во включенном, например, состоянии и после воздействия управляющего сигнала, в то время как для поддержания транзисторного ключа в любом из состояний требуется наличие соответствующего управляющего сигнала. В результате тиристорные ключи потребляют значительно меньшую мощность по цепям управления, чем транзисторные. Существует несколько типов мнгопереходных приборов, объединяемых иногда общим названием «тиристоры».

На рис. 5.15 приведено схематическое изображение тиристоров, имеющих р– n – р – n структуру: с двумя выводами – диодные тиристоры или динисторы (рис. 5.15 – а), с тремя – триодные тиристоры или тринисторы ( рис. 5.15 – в),

Рисунок 5.15. Схематическое изображение тиристоров: а) – динистор; б) – динистор, представленный двумя транзисторами; в) – тринистор.

Крайние переходы П1 и П3 называют эмиттерными, а средний П2 – коллекторным ( соответственно области р1 и n2 называют эмиттерами, а области n1 и р2 – базами ). Электроды от крайних областей называют эмиттерными, а от одной из средних областей – базовым или управляющим. Вывод, от которого прямой ток течёт во внешнюю цепь, называют катодом, а к которому течёт ток из цепи – анодом. (Внешний источник подключается плюсом к аноду и минусом – к катоду – как это показано на рис.5.15).

Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из двух транзисторов Т1 и Т2, типа n – p – n и p – n – p, соединённых так, как показано на рис. 5.15 – б). Получается, что переходы П1 и П3 являются эмиттерными переходами, переход П2 работает в обоих транзисторах в качестве коллекторного перехода. Область базы Б1 транзистора Т1 одновременно является коллекторной областью К2 транзистора Т2, а область базы Б2 транзистора Т2 одновременно служит коллекторной областью К1 транзистора Т1. Соответственно этому коллекторный ток первого транзистора Iк1 является током базы второго транзистора Iб2, а ток коллектора второго транзистора Iк2 представляет собой ток базы Iб1 первого транзистора.

Физические процессы в тиристоре можно представить себе следующим образом. Если бы был только один переход П2, работающий при обратном напряжении, то существовал бы лишь небольшой обратный ток неосновных носителей, которых мало. Но, как известно, в транзисторе может быть получен большой коллекторный ток, являющийся тем не менее обратным током коллекторного перехода, если в базу транзистора со стороны эмиттерного перехода инжектируются в большом количестве неосновные носители. Чем больше прямое напряжение на эмиттерном переходе, тем больше этих носителей приходит к коллекторному переходу , тем больше становится ток коллектора. Напряжение на коллекторном переходе, наоборот, становится меньше, так как при большом токе уменьшается сопротивление коллекторного перехода и возрастает падение напряжения на нагрузке, включённой в цепь коллектора. Так, например, в схемах переключения транзистор переводится в открытое состояние ( в режим насыщения ) путём подачи на его эмиттерный переход соответствующего прямого напряжения. При этом ток коллектора достигает максимального значения, а напряжение между коллектором и базой снижается до десятых долей вольта.

Нечто подобное происходит и в тиристоре. Через переходы П1 и П3, работающие в прямом направлении, в области, примыкающей к переходу П2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода П2.

Изменение тока тиристора, при увеличении приложенного к нему напряжения, иллюстрирует его вольт – амперная характеристика, представленная на рис. 5.16. Сначала ток невелик и растёт медленно, что соответствует участку ОА характеристики. В этом режиме тиристор можно считать закрытым ( «запертым», так как ток через него практически отсутствует ). На сопротивление коллекторного перехода П2 влияют два взаимно противоположных процесса. С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивлении, так как по влиянием обратного напряжения основные носители уходят в разные стороны от границы, т.е. переход П2 всё больше обедняется основными носителями.

Рисунок 5.16. Вольт – амперная характеристика диодного тиристора.

Но, с другой стороны, повышение прямых напряжений на эмиттерных переходах П1 П3 усиливает инжекцию носителей, которые подходят к переходу П2, обогащают его и уменьшают его сопротивление. До точки А перевес имеет первый процесс и сопротивление растёт, но всё медленнее и медленнее, так как всё большее влияние оказывает второй процесс.

Около точки А при некотором напряжении, ( десятки или сотни вольт ), называемом напряжением включения Uвкл ( когда производная от прямого тока по напряжению станет равной нулю ), влияние обоих процессов уравновешивается, а затем, малейшее повышение подводимого напряжения создаст перевес второго процесса и сопротивление перехода П2 начинает уменьшаться и возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Этот процесс можно объяснить следующим образом.

Ток резко, скачком возрастает ( участок АБ на характеристике ), так как увеличение напряжения на П1 и П3 уменьшает сопротивление П2 и напряжение на нём, за счёт чего ещё больше возрастают напряжения на П1 и П3, а это, в свою очередь, приводит к ещё большему возрастанию тока и уменьшению сопротивления П2 и т.д. – возникает внутренняя положительная обратная связь. В результате такого процесса устанавливается режим, напоминающий режим насыщения транзистора: большой ток при малом напряжении ( участок БВ ). Ток в этом режиме, когда прибор открыт, определяется главным образом сопротивлением нагрузки Rн, включённой последовательно с прибором.

В открытом состоянии вследствие накопления больших зарядов около перехода П2 напряжение на нём прямое, что характерно для коллекторного перехода в режиме насыщения. Поэтому полное напряжение на тиристоре складывается из трёх небольших прямых напряжений на переходах и четырёх также небольших падений напряжения на сопротивлениях р- и n-областей. Так как каждое из этих напряжений составляет доли вольта, то общее напряжение на открытом тиристоре обычно не превышает нескольких вольт и, следовательно, тиристор в этом состоянии имеет малое сопротивление. За счёт возникновения большого тока почти всё напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки Rн.

Рассмотренный процесс переключения тиристора весьма просто объяснить математически, анализируя схему замещения динистора, представленного в виде двух транзисторов с разной структурой – рис. 5.17. Эта схема легко по -

Рисунок 5.17. Эквивалентная схема диодного тиристора.

лучается, если мысленно разделить динистор по пунктирной линии как это показано на рис. 5.15 – а) и представить структуру динистора двумя транзисторами показанными на рис.5. 15 – б). Из рассмотрения эквивалентной схемы на рис 5.17 видно, что ток тирис-

стора I является током первого эмиттера Iэ1 или током второго эмиттера Iэ2. Иначе ток I можно рассматривать как сумму коллекторных токов Iк1 и Iк2, равных соответственно α₁Iэ1 и α₂ Iэ2, где α₁ и α₂ – коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов Т1 и Т2. Кроме того в состав тока I ещё входит начальный ток коллекторного перехода Iко. Таким образом, можно записать I = α₁Iэ1 + α₂ Iэ2 + Iко или ( учитывая, что Iэ1 = Iэ2 = I )

I = α₁I + α₂ I + Iко. (5.3 )

Решая это уравнение относительно I, находим I = Iко/ 1 – (α₁ + α₂ ) ( 5.4 ).

Проанализируем полученное выражение. При малых токах α₁ и α₂ значительно меньше единицы и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответствии с формулой ( 5.4 ) ток I получается сравнительно небольшим. С увеличением тока величины α₁ и α₂ растут, и это приводит к возрастанию тока I. При некотором токе, являющимся током включения Iвкл, сумма α₁ + α₂ становится равной единице и ток I возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки. Именно такое стремление тока I неограниченно возрастать указывает на скачкообразное нарастание тока, т.е. на отпирание тиристора.

Диодный тиристор характеризуется максимальным допустимым значением прямого тока Imax ( точка В на рис. 5.16 ), при котором на приборе будет небольшое напряжение Uоткр. Если же уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом удерживающим током Iуд ( точка Б ), ток резко уменьшается, а напряжение резко повышается, т.е. прибор скачком переходит обратно в закрытое состояние, соответствующее участку характеристики 0А. При обратном напряжении на тиристоре характеристика получается такой же , как для обратного тока обычных диодов, поскольку переходы П1 и П3 будут под обратным напряжением.

Если от одной из базовых областей сделан вывод, то получается управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или тринистором ( рис. 5.15 – в ). Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение Uвкл. Чем больше ток через такой управляющий переход Iу, тем ниже Uвкл.

Рисунок 5.18. Вольт – амперные характеристики триодного тиристора.

Эти основные свойства триодного тиристора наглядно отражаются его вольт – амперными характеристиками, приведёнными на рис. 5.18 для различных токов управления Iу. Чем больше этот ток, тем сильнее инжекция носителей от соответствую -

щего эмиттера к среднему коллекторному переходу и тем меньше требуется напряжение на тиристоре, для того чтобы начался процесс отпирания прибора. Наиболее высокое Uвкл требуется при отсутствии тока управляющего электрода, когда триодный тиристор превращается в диодный. И наоборот, при значительном токе Iу характеристика триодного тиристора приближается к характеристике прямого тока обычного диода. Рассмотренный тиристор называют тиристором с управлением по катоду, так как управляющим электродом служит базовая область р, ближайшая к катодной области n. Существуют тиристоры, управляемые по аноду, у которых управляющим электродом является вывод от прианодной базовой области.

На рис. 5.18 изображена структура ( а ) и вольт – амперная характеристи -

Рисунок 5.18. Структура ( а ) и вольт амперная характеристика симметричного тиристора ( симистора ).

ка ещё одного типа многопереходного прибора – симметричного тиристора или симистора ( б ). Такие приборы имеют структуру n – p – n – p – n или p – n – p – n – p, которые открываются при любой полярности напряжения и проводят ток в оба направления.

Из рисунка видно, что при полярности напряжения, показанной знаками «+» и « - » без скобок, работает левая половина прибора ( направление движения электронов показано стрелками ). При смене полярности, показанной знаками в скобках, ток идёт через правую половину прибора в обратном направлении. Роль симметричного тиристора могут выполнять два диодных тиристора, включённые параллельно и встречно друг другу. Управляемые симметричные тиристоры имеют выводы от соответствующих базовых областей.