Полевые транзисторы

 

Полевой транзистор является потенциальным прибором. Чтобы перевести его из открытого состояния в закрытое и наоборот, нужно приложить к затвору относительно истока напряжение. При этом ток в цепи затвора протекает только в моменты коммутации, для поддержания открытого состояния транзистору ток не нужен – управление осуществляется электрическим полем (рис.1.9 а).

По сравнению с биполярными полевые транзисторы MOSFET имеют ряд преимуществ.

Поскольку они управляются электрическим полем, то схемы управления значительно проще и мощность схем управления значительно меньше.

В полевых транзисторах отсутствует так называемая инжекция неосновных носителей в базовую область, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.

Полевой транзистор является термоустойчивым прибором, так как рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведёт к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока.

В полевом транзисторе отсутствует вторичный пробой. Это преимущество позволяет эффективнее использовать транзистор по параметру передаваемой мощности.

К недостаткам полевых транзисторов следует отнести наличие активного сопротивления в открытом состоянии, которое невелико у транзисторов с допустимым напряжением не более 200-300 В, и значительно увеличивается при больших напряжениях “сток-исток”.

До настоящего времени технологически не удаётся изготовить мощный полевой транзистор без некоторых паразитных элементов, одним из которых является внутренний паразитный биполярный транзистор.

Для обеспечения нормальной работы полевого транзистора необходимо принять меры к исключению паразитного транзистора. Для этого на стадии изготовления транзистора подложка подключается к истоку технологической проводящей перемычкой. При этом исключается опасность неконтролируемого поведения паразитного транзистора, но появляется паразитный диод, основой которого служит переход “база-коллектор” паразитного транзистора.

Как и биполярный транзистор полевой транзистор имеет паразитные межэлектродные ёмкости, влияющие на процессы переключения (рис.1.9 б). Наличие паразитных ёмкостей , и в составе полевого транзистора приводит к тому, что за счёт эффекта Миллера входная ёмкость транзистора равна:

 

,

 

где – коэффициент усиления каскада;

S – крутизна стоковой характеристики транзистора.

Чтобы гарантировано открыть транзистор, необходимо зарядить его входную ёмкость до напряжения 12-15 В. При включении транзистора (рис.1.10) вначале происходит заряд ёмкости (транзистор при этом закрыт) до некоторого порогового напряжения, составляющего 2…5 В. Время, затрачиваемое на этот процесс, называется временем задержки включения . При достижении порогового уровня транзистор открывается и вследствие эффекта Миллера входная ёмкость увеличивается до значения , скорость открытия транзистора замедляется. Процесс открывания транзистора характеризуется временем нарастания .

При выключении транзистора процессы протекают в обратном порядке. Напряжение уменьшается до порогового значения за время задержки выключения , затем вследствие эффекта Миллера процесс выключения замедляется и напряжение изменяется от нуля до за время спада .

Часто в справочной литературе указываются суммарные времена: и . Для современных MOSFET транзисторов эти времена составляют десятки-сотни наносекунд.

В результате процесса включения импульс тока стока задерживается относительно импульса управления на время , а выключение транзистора растягивается на время . Время коммутации напрямую связано с величиной тепловых потерь на полупроводниковом приборе, которые ухудшают КПД схемы и требуют увеличения габаритов охлаждающих радиаторов.

При коммутации токов, величина которых выше предельного тока одиночного транзистора, включаются параллельно несколько транзисторов, рассчитанных на меньшие токи. Для параллельного соединения полевые транзисторы должны иметь близкие значения порогового напряжения. Транзисторы одного типа имеют очень близкие значения порогового напряжения, поэтому транзисторы разных типов запрещается соединять параллельно. Для равномерного прогрева линейки транзисторов их нужно устанавливать на общий радиатор, по возможности ближе друг к другу. Схема управления параллельно соединёнными транзисторами должна обеспечить расчётное время коммутации. При непосредственном соединении затворов при выключении транзисторы, оказывая влияние друг на друга через затворы, будут произвольно открываться и закрываться, не подчиняясь сигналу управления. Для исключения этого явления в цепи затворов включаются одинаковые резисторы сопротивлением десятки-сотни Ом.

Величина тока, которую должна обеспечить схема управления, определяется из условия действия напряжения управления на параллельно соединённые затворные резисторы.