Униполярные транзисторы
Униполярные или полевые транзисторы – это электронные приборы, регулирование тока в которых производится электрическим полем, перпендикулярным направлению тока. Т.е. простейший полевой транзистор состоит из затвора (gate), стока (drain) и истока (source), расположенных на подложке (нет названия на английском языке), как показано на рисунке 1.46 а);б).
а) б)
Рисунок 1.46 – Полевые транзисторы с изолированным затвором а); с p-n-переходом б).
Между истоком и стоком расположен канал, по которому перемещаются носители(электроны или дырки), так как носители только одного типа, то транзисторы называются униполярными. Первыми были разработаны транзисторы с p-n-переходами (рисунок 1.46, б)), условное изображение приведено на рисунке 1.47, а),б).
Стрелка направленная к подложке означает транзистор с каналом n-типа, от подложки – p-типа. Нижние электроды – исток, верхние – сток, электроды со стрелками – затвор. Полевые транзисторы управляются напряжением на затворе – в отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током в цепи базы. Напряжение управления прикладывается между затвором и истоком. На рисунке 1.47, в) изображена типовая входная характеристика полевого транзистора с p-n-переходом и каналом n-типа. Она удивительно похожа на аналогичную характеристику старой техники – электронной лампы.
а) б)
в) г)
Рисунок 1.47 – Условные изображения полевых транзисторов с каналом n-типа а); p-типа б); входная характеристика транзистора с каналом n-типа в); простейшая схема каскада на полевом транзисторе г)
Точка А соответствует режиму ожидания в линейной области, сигнал может быть точечным или иметь протяженность симметрично относительно точки А, но не превышать положение точки 1, т.к. при переходе границы вертикальной оси p-n-переход открывается, транзистор теряет управляющие свойства, прибор может быть поврежден. Точки В и С соответствуют режимам ожидания В и С, это значит, что в режимах ожидания на затворах должны быть выставлены напряжения относительно истоков, соответствующие уровням точек А, В, С. Для импульсного режима предельные границы импульсов определяются точками D и 1. Простейшая схема на полевом транзисторе для усиления в активной области изображена на рисунке 1.47, г). Новые элементы здесь по сравнению с каскадом на биполярном транзисторе рисунка 1.40 – резисторы Rи, Rз. Известны различные способы подачи напряжения смещения, соответствующего точке А на графике рисунка 1.47,в). Один из них – способ автосмещения. Он состоит в том, что ток, протекающий через транзистор, создает на Rи напряжение уровня точки А полярностью плюс сверху, минус снизу, и этот минус поступает через Rз на затвор. Режим ожидания установлен.
Впоследствии были разработаны униполярные транзисторы с изолированным затвором (рисунок 1.46, а)).
Их условные изображения, характеристики и простейшие каскады приведены на рисунках 1.48 и 1.49.
а) б)
в) г)
Рисунок 1.48 – Условные изображения а); б); входная характеристика в) и простейшая схема каскада на униполярном транзисторе с легированным каналом n-типа г)
а) б)
в) г)
Рисунок 1.49 – Условные изображения а);б); входная характеристика в); простейшая схема каскада на униполярном транзисторе с индуцированным каналом n-типа, г)
То, что между затвором и подложкой имеется изоляция, изображено на рисунках 1.48 а), б) и 1.49 а), б) разделением (зазором) между затвором и подложкой, которая имеет вывод со стрелкой к подложке – канал n-типа, от подложки – р-типа. Из внешнего вида характеристики 1.48, в) следует, что рабочая точка А может располагаться на вертикальной оси и транзистор работает как в направлении обогащения носителями (в сторону точки 1), так и обеднения (в направлении точек В,С). Кстати, т.к. изоляция между затвором и подложкой тонкая, следует избегать её пробоя статическим электричеством. Для предотвращения пробоя руки натирают антистатиком, на запястье надевают металлические браслеты от которых идут проводники к заземлению. Те же меры необходимо применять по отношению к микросхемам, в том числе, если в них записана программа, например, контроллеры. Паять необходимо маломощными паяльниками, запитывающимися пониженным напряжением (5 В) через разделительные трансформаторы с хорошей изоляцией между обмотками.
В истоковой цепи рисунка 1.48, г) нет резистора потому, что на рисунке 1.48, в) рабочая точка расположена на вертикальной оси при Uз=0, но для термостабилизации иногда включают Rи. При этом образуется отрицательная обратная связь, термостабилизирующая каскад.
У транзисторов с индуцированным каналом (рисунок 1.49) подложку изображают в виде штриховой линии, входная характеристика имеет зону нечувствительности U30 от десятых долей вольта, до нескольких вольт, расположена в первом квадранте, на схеме рисунка 1.49,г) смещение создается делителем Rз1 и Rз2, в цепи истока включен термостабилизирующий резистор Rи.
Подобно биполярным транзисторам полевые транзисторы могут быть включены по схемам с общим истоком ОИ, общим затвором ОЗ и общим стоком ОС. Свойства подобны свойствам каскадов на биполярных транзисторах.
В первых разработках униполярные транзисторы уступали по качественным показателям биполярным. Впоследствии они намного превзошли биполярные. Отдельные разработки транзисторов, например, IGBT содержат комбинацию из полевых и биполярных элементов.
Типовое семейство выходных характеристик униполярных транзисторов изображено на рисунке 1.50.
Рисунок 1.50 – Выходные характеристики униполярного транзистора
У униполярного транзистора нет состояния насыщения, как это имеет место у биполярного транзистора потому что один тип неосновных носителей. Если у биполярных транзисторов почти горизонтальные базовые характеристики соответствовали активной, управляемой (линейной) области, то для униполярных транзисторов аналогичная область называется насыщением, однако здесь совсем не то насыщение, что было у биполярных транзисторов, просто имеет место одно и тоже слово для разных понятий, так бывает. У биполярного транзистора была линия (область) насыщения, а у униполярного транзистора на этом же месте линейная область. В остальном рисунок 1.42 для биполярных транзисторов подобен униполярным транзисторам.
Уточненный вид входных характеристик униполярных транзисторов в области начала координат изображен на рисунке 1.51.
Рисунок 1.51 – Выходные характеристики униполярного транзистора в области начала координат
Из рисунка видно, что и в III квадранте транзистор сохраняет управляемость, но худшего качества, так как конструкция его ориентирована на первый квадрант. Кроме того характеристики транзистора проходят через начало координат, следовательно, остаточных параметров, как у биполярного транзистора, здесь нет, поэтому в виде электронных ключей (эквивалентов замыкающихся и размыкающихся контактов механических ключей) униполярные транзисторы предпочтительнее в сравнении с биполярными.
MOSFET-транзисторы – (metal – oxide – semiconductor – transistor – металл-изоляция-полупроводник-транзистор) – это разновидность полевых (FET) транзисторов.
Конструкция полевого транзистора, изображенная на рисунке 1.52, а), содержит, например, две области n (сток, исток) и канал - область p, получается подобие биполярного транзистора, то есть полевой транзистор VT1 нагружен паразитным биполярным транзистором VT2, существенно ухудшающим общие частотные, усилительные и коммутационные свойства.
Было предложено в процессе производства, в конструкции, соединить накоротко подложку и исток, таким образом переход база-эмиттер закорачивался, что существенно улучшало общие свойства, тем не менее остался переход коллектор-база в виде диода VD, (рисунок 1.52, в), который ухудшает свойства униполярного транзистора. Но в ключевых схемах диод нужен для защиты униполярных транзисторов от ЭДС самоиндукции, поэтому этот тип транзисторов наиболее часто используют в импульсных ключевых режимах.
а) б) в)
Рисунок 1.52 – Конструкция полевого транзистора а); паразитный VT2 транзистор в конструкции униполярного транзистора б); MOSFET – транзистор в)
Резистор R1 – эквивалент внутреннего сопротивления транзистора. Делать мощные транзисторы однокристальными нецелесообразно, так как при больших размерах площадей увеличивается технологический брак производства. Поэтому в мощных приборах вводят множество маломощных транзисторов, объединенных параллельным включением. Наиболее известными и общеупотребительными на многие годы стали прямоугольные ячейки SIPMOS Siemens и TMOS Motorola, а также гексагональные структуры XEXFET – International Rectifier – рисунок 1.53, а),б).
а) б)
Рисунок 1.53 – Прямоугольные ячейки а); гексагональные ячейки б)
Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными:
· большая устойчивость к токовым перегрузкам;
· меньшая мощность в цепях управления, так как затворы изолированы, токов почти нет;
· скорость переключения полевых транзисторов выше, так как отсутствует накопление зарядов неосновных носителей;
· при повышении температуры из-за однородности полупроводника напряжение на ячейке (транзисторе) в открытом состоянии нарастает (положительный ТКН), поэтому можно параллельно объединять множество транзисторов для увеличения мощности. У биполярных структур отрицательный ТКН (из-за разнородности), при параллельном соединении происходит перегрузка транзисторов с меньшим падением напряжения, они выгорают.
Однако у полевых транзисторов есть и недостатки:
· напряжение открытого состояния полевого транзистора почти в несколько раз больше, чем у биполярного, особенно для высоковольтных транзисторов, следовательно возрастают потери мощности;
· оказалось, что из-за положительного тока сопротивление открытого канала практически удваивается при температуре +1500С, в то время, как биполярные транзисторы имеют аналогичную температуру +2000 С.