Для чего нужен полевой транзистор

Полевой транзистор

Полевой транзистор – электрический полупроводниковый прибор, выходной ток которого управляется полем, следовательно, напряжением, одного знака. Формирующий сигнал подается на затвор, регулирует проводимость канала n или p-типа. В отличие от биполярных транзисторов, где сигнал переменной полярности. Вторым признаком назовем формирование тока исключительно основными носителями (одного знака).

Классификация полевых транзисторов

Начнём классификацией. Разновидности полевых транзисторов многочисленны, каждая работает сообразно алгоритму:

1. Тип проводимости канала: n или р. Фактор определяет полярность управляющего напряжения.
2. По структуре. С р-n-переходом сплавные, диффузионные, МДП (МОП), с барьером Шоттки, тонкопленочные.
3. Число электродов – 3 или 4. В последнем случае подложка рассматривается обособленным субъектом, позволяя управлять протеканием тока по каналу (помимо затвора).
4. Материал проводника. Сегодня распространены кремний, германий, арсенид галлия. Материал полупроводника маркируется условным обозначением буквами (К, Г, А) или (в изделиях военной промышленности) цифрами (1, 2, 3).
5. Класс применения не входит в маркировку, указывается справочниками, дающими сведения, что полевой транзистор часто входит в состав усилителей, радиоприемных устройств. В мировой практике встречается деление по применяемости на следующие 5 групп: усилители высокой, низкой частоты, постоянного тока, модуляторы, ключевые.

Помимо общей классификации придумана специализированная, определяющая принципы работы. Различают:

1. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом.
2. Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
3. Полевые транзисторы с изолированным затвором:

• С встроенным каналом.
• С индуцированным каналом.

В литературе дополнительно упорядочивают структуры следующим образом: применять обозначение МОП нецелесообразно, конструкции на оксидах считают частным случаем МДП (металл, диэлектрик, полупроводник). Барьер Шоттки (МеП) следует отдельно выделять, поскольку это иная структура. Напоминает свойствами p-n-переход. Добавим, что конструктивно в состав транзистора способны входить одновременно диэлектрик (нитрид кремния), оксид (четырехвалентный кремния), как это случилось с КП305. Такие технические решения используются людьми, ищущими методы получения уникальных свойств изделия, удешевления.

Среди зарубежных аббревиатур для полевых транзисторов зарезервировано сочетание FET, иногда обозначает тип управления – с p-n-переходом. В последнем случае наравне с этим встретим JFET. Слова-синонимы. За рубежом принято отделять оксидные (MOSFET, MOS, MOST – синонимы), нитридные (MNS, MNSFET) полевые транзисторы. Наличие барьера Шоттки маркируется SBGT. По-видимому, материал значение, отечественная литература значение факта замалчивает.

Электроды полевых транзисторов на схемах обозначаются: D (drain) – сток, S (source) – исток, G (gate) – затвор. Подложку принято именовать substrate.

Устройство полевого транзистора

Управляющий электрод полевого транзистора называется затвором. Канал образован полупроводником произвольного типа проводимости. Сообразно полярность управляющего напряжения положительная или отрицательная. Поле соответствующего знака вытесняет свободные носители, пока перешеек под электродом затвора не опустеет вовсе. Достигается путем воздействия поля либо на p-n-переход, либо на однородный полупроводник. Ток становится равным нулю. Так работает полевой транзистор.

Ток протекает от истока к стоку, новичков традиционно мучает вопрос различения двух указанных электродов. Отсутствует разница, в каком направлении движутся заряды. Полевой транзистор обратим. Униполярность носителей заряда объясняет малый уровень шумов. Поэтому в технике полевые транзисторы занимают доминирующую позицию.

Ключевой особенностью приборов назовем большое входное сопротивление, в особенности, переменному току. Очевидный факт, проистекающий из управления обратно смещённым p-n-переходом (переходом Шоттки), либо емкости технологического конденсатора в районе изолированного затвора.

Подложки часто выступает нелегированный полупроводник. Для полевых транзисторов с затвором Шоттки – арсенид галлия. В чистом виде неплохой изолятор, к которому в составе изделия предъявляются требования:

1. Отсутствие негативных явлений на стыке с каналом, истоком, стоком: светочувствительность, паразитное управление по подложке, гистерезис параметров.
2. Термостабильность в процессе технологических циклов изготовления изделия: устойчивость к отжигу, эпитаксии. Отсутствие диффузии примесей в активные слои, вызванной этим деградации.
3. Минимум примесей. Требование тесно связано с предыдущим.
4. Качественная кристаллическая решетка, минимум дефектов.

Сложно создать значительной толщины слой, отвечающий перечню условий. Поэтому добавляется пятое требование, заключающееся в возможности постепенного наращивания подложки до нужных размеров.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и МеП

В этом случае тип проводимости материала затвора отличается от используемого каналом. На практике встретите разные улучшения. Затвор составлен пятью областями, утопленными в канале. Меньшим напряжением удается управлять протеканием тока. Означая увеличение коэффициента усиления.

В схемах используется обратное смещение p-n-перехода, чем сильнее, тем уже канал для протекания тока. При некотором значении напряжения транзистор запирается. Прямое смещение опасно использовать по той причине, что мощная управляемая цепь может повлиять на контур затвора. Если переход открыт, потечет большой ток, либо приложится высокое напряжение. Нормальный режим обеспечивается правильным подбором полярности и других характеристик источника питания, выбором рабочей точки транзистора.

Однако в некоторых случаях намеренно используются прямые токи затвора. Примечательно, что этот режим могут использовать те МДП-транзисторы, где подложка образует с каналом p-n-переход. Движущийся заряд истока делится между затвором и стоком. Можно найти область, где получается значительный коэффициент усиления по току. Управляется режим затвором. При росте тока iз (до 100 мкА) параметры схемы резко ухудшаются.

Аналогичное включение используется схемой так называемого затворного частотного детектора. Конструкция эксплуатирует выпрямительные свойства p-n-перехода между затвором и каналом. Прямое смещение мало или вовсе нулевое. Прибор по-прежнему управляется током затвора. В цепи стока получается значительное усиление сигнала. Выпрямленное напряжение для затвора является запирающим, изменяется по входному закону. Одновременно с детектированием достигается усиление сигнала. Напряжение цепи стока содержит компоненты:

• Постоянная составляющая. Никак не используется.
• Сигнал с частотой несущей. Заводится на землю путем использования фильтрующих емкостей.
• Сигнал с частотой модулирующего сигнала. Обрабатывается для извлечения заложенной информации.

Недостатком затворного частотного детектора считают большой коэффициент нелинейных искажений. Причем результаты одинаково плохи для слабых (квадратичная зависимость рабочей характеристики) и сильных (выход в режим отсечки) сигналов. Несколько лучшие демонстрирует фазовый детектор на двухзатворном транзисторе. На один управляющий электрод подают опорный сигнал, на стоке образуется информационная составляющая, усиленная полевым транзистором.

Несмотря на большие линейные искажения эффект находит применение. Например, в избирательных усилителях мощности, дозировано пропускающих узкий спектр частот. Гармоники фильтруются, не оказывают большого влияния на итоговое качество работы схемы.

Транзисторы металл-полупроводник (МеП) с барьером Шоттки почти не отличаются от имеющих p-n-переход. По крайней мере, когда дело касается принципов работы. Но благодаря особым качествам перехода металл-полупроводник, изделия способны работать на повышенной частоте (десятки ГГц, граничные частоты в районе 100 ГГц). Одновременно МеП структура проще в реализации, когда дело касается производства и технологических процессов. Частотные характеристики определяются временем заряда затвора и подвижностью носителей (для GaAs свыше 10000 кв. см/В с).

МДП-транзисторы

В МДП-структурах затвор надежно изолирован от канала, управление происходит полностью за счет воздействия поля. Изоляция ведётся за счет оксида кремния или нитрида. Именно эти покрытия проще нанести на поверхности кристалла. Примечательно, что в этом случае также имеются переходы металл-полупроводник в районе истока и стока, как и в любом полярном транзисторе. Об этом факте забывают многие авторы, либо упоминают вскользь путем применения загадочного словосочетания омические контакты.

В теме про диод Шоттки поднимался этот вопрос. Не всегда на стыке металла и полупроводника возникает барьер. В некоторых случаях контакт омический. Это зависит по большей части от особенностей технологической обработки и геометрических размеров. Технические характеристики реальных приборов сильно зависят от различных дефектов оксидного (нитридного) слоя. Вот некоторые:

1. Несовершенство кристаллической решетки в поверхностной области обусловлено разорванными связями на границе смены материалов. Влияние оказывают как свободные атомы полупроводника, там и примесей наподобие кислорода, который имеется в любом случае. Например, при использовании методов эпитаксии. В результате появляются энергетические уровни, лежащие в глубине запрещенной зоны.
2. На границе оксида и полупроводника (толщиной 3 нм) образуется избыточный заряд, природа которого на сегодняшний день еще не объяснена. Предположительно, роль играют положительные свободные места (дырки) дефектных атомов самого полупроводника и кислорода.
3. Дрейф ионизированных атомов натрия, калия и других щелочных металлов происходит при низких напряжениях на электроде. Это увеличивает заряд, скопившийся на границе слоев. Для блокировки этого эффекта в оксиде кремния используют окись фосфора (ангидрид).

Объемный положительный заряд в оксиде влияет на значение порогового напряжения, при котором отпирается канал. Параметр обусловливает скорость переключения и определяет ток утечки (ниже порога). Вдобавок, на срабатывание влияют материал затвора, толщина оксидного слоя, концентрация примесей. Таким образом, результат опять сводится к технологии. Чтобы получить заданный режим, подбирают материалы, геометрические размеры, процесс изготовления с пониженными температурами. Отдельные приемы позволят также уменьшить количество дефектов, что благоприятно сказывается на снижении паразитного заряда.

• alt=»Как проверить транзистор мультиметром» width=»120″ height=»120″ />Как проверить транзистор мультиметром
• alt=»Биполярный транзистор» width=»120″ height=»120″ />Биполярный транзистор
• alt=»Диод Шоттки» width=»120″ height=»120″ />Диод Шоттки
• alt=»Полупроводниковый диод» width=»120″ height=»120″ />Полупроводниковый диод

Полевой транзистор. Принцип работы и примеры использования.

Давненько не было на сайте статей по электронике и схемотехнике, поэтому сегодня положим начало циклу статей, посвященному устройству и работе полевого транзистора в различных схемах. И целью этой, стартовой статьи является понять что это за транзисторы такие, зачем они нужны и как работают.

Как и биполярный, полевой транзистор имеет три вывода, соответственно, три электрода. И проводимость между двумя из этих электродов зависит от того, какое напряжение приложено к третьему. В этом, по большому счету, и заключается суть работы полевиков 🙂

Полевые транзисторы, опять же как и их биполярные коллеги, бывают разных полярностей — n-типа и p-типа, а точнее n-канальные и p-канальные. Более того, есть еще и другие типы ПТ, но о подробной классификации мы поговорим позднее.

Давайте пока ограничимся рассмотрением, например, n-канального полевика, и для начала посмотрим на его обозначение на принципиальных схемах.

Схема полевого транзистора.

Слева изображен n-канальный полевой транзистор и его электроды, а справа, соответственно, его биполярный n-p-n «аналог». Казалось бы, устройства практически полностью идентичны друг другу — в чем же разница? А вот в чем…

Само название ПТ нам говорит о том, что его работой управляет электрическое поле, которое создается приложенным к затвору напряжением (как вы помните, в БТ выходной ток управлялся током базы). В случае же ПТ через затвор и вовсе не течет никакой ток и в этом то, пожалуй, и заключается главная особенность этого устройства. Давайте разберемся чуть подробнее. Ток затвора отсутствует, следовательно, полное входное сопротивление транзистора невероятно велико (действительно, R = frac , а I , то есть ток, у нас стремится к нулю). И это свойство полевика имеет огромное значение.

Из всего этого следует, что полевой транзистор нельзя рассматривать как устройство, усиливающее ток, поскольку на входе тока, как мы выяснили, нет совсем. Давайте рассмотрим, как же он все-таки работает.

Итак, напоминаю, что мы остановили свой выбор на рассмотрении n-канального полевого транзистора. Когда это устройство работает в нормальном режиме сток имеет положительный потенциал относительно истока (для p-канального, естественно, все наоборот). Ток же от стока и истоку не будет протекать до тех пор, пока к затвору не будет приложено положительное относительно истока напряжение. То есть как только мы подаем на затвор напряжение, превышающее потенциал истока, от стока к истоку начинает протекать ток. Меняя напряжение U_ <зи>(напряжение затвор-исток) мы можем управлять величиной этого тока.

Давайте для лучшего понимания посмотрим на выходные характеристики (зависимость тока стока от напряжения сток-исток):

Видим, что при напряжениях сток-исток выше 1-2 В, ток стока остается практически неизменным. Эта область характеристик ПТ называется областью насыщения. С большой точностью полевой транзистор позволяет получить неизменный ток стока при постоянном значении напряжения затвор-исток. Как видим из графика — чем больше значение U_ <зи>, тем больше становится величина тока стока. Кроме того, можно сказать, что ток стока прямо пропорционален квадрату разности напряжений ( U_<зи>-U_ <п>). Здесь U_ <п>— это пороговое напряжение. Что это такое? А это такое напряжение затвора, при котором начинает протекать ток стока. Для данного графика пороговое значение напряжение затвор-исток составляет примерно 1.6 В.

Ключ на полевом транзисторе.

Теперь давайте рассмотрим небольшой пример. Разберемся, как работает схема ключа на полевике:

Схема проста до безобразия, кроме самого ПТ в ней практически ничего нет 🙂

Резистор здесь условно изображает нагрузку, пусть она рассчитана на потребление тока 100 мА и напряжение 5В. При таком положении переключателя, как на рисунке, потенциал затвора равен потенциалу земли и равен потенциалу истока. А это значит, что полевик «выключен» и ток стока отсутствует.

Чтобы «включить» полевой транзистор необходимо, чтобы потенциал затвора превышал потенциал истока, что достигается переключением S1. В этом случае от стока к истоку начинает протекать ток стока, а из-за того, что транзистор имеет сопротивление довольно-таки маленькое по сравнению с нагрузкой, то потенциал стока станет близок к потенциалу земли, а напряжение на нагрузке составит практически 5 вольт. Смотрите сами почему так получается. Сопротивление нагрузки и выходное сопротивление транзистора представляют из себя обычный делитель напряжения, тогда значение напряжения на нагрузке:

А учитывая, что R_т у нас намного меньше, чем R_н , мы и получаем, что почти все 5 вольт окажутся на нагрузке.

Эта схема очень напоминает ключ на биполярном транзисторе (про него шла речь вот тут — ссылка). Но тут есть очень важный момент. Как вы помните, при проектировании ключа на БТ необходимо заботиться о том, чтобы обеспечить необходимый ток базы, но при этом исключить избыточные затраты энергии. Ключ на ПТ избавляет нас от этих проблем, поскольку через затвор не течет никакого тока. И мы просто подаем на него полное входное напряжение и все 🙂

Думаю, на этом сегодня закончим, а в следующей статье подробно рассмотрим, какие бывают типы полевиков и чем они отличаются друг от друга.

Полевой транзистор

Полевые транзисторы — специальный класс транзисторов, которые могут использоваться в качестве выключателей, регуляторов тока или усилителей. Полевой транзистор, отличается от обычного транзистора тем, что ток в нем двигается не пересекая P-N перехода. Величиной тока можно управлять путем регулировки затворного потенциала, подаваемого через этот переход. Существует две основные разновидности полевых транзисторов: полевые транзисторы с затвором на основе перехода и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевой транзистор

Полевой транзистор с затвором на основе перехода

Полевой транзистор с затвором на основе перехода состоит из канальной области (канала) и затвора. Когда он работает, то ток протекает через канал от клеммы истока к клемме стока.

Канал изготовлен из материала n-типа, а затвор — из материала p-типа. Полевые транзисторы с затвором на основе перехода подобного типа называются полевыми транзисторами с затвором на основе перехода с каналом n-типа. На блок-схеме, показанной на рисунке ниже материал p-типа присоединен с обеих сторон к каналу. Однако во многих транзисторах с каналом n-типа этот материал p-типа бывает обернут вокруг канала сплошным кольцом, образуя, тем самым единый, неразрывный p-n переход. Принципы работы данного прибора в основном те же самые, несмотря на методы, использованные в его конструкции.

Схема полевого транзистора с затвором на основе перехода

Потенциал на затворе определяет проводимость на пути от истока до стока указанного транзистора. Затворный потенциал полевого транзистор с затвором на основе перехода, всегда имеет обратное смещение, чтобы снижать до минимума ток, протекающий через переход. Когда переход имеет обратное смещение, то током, протекающим по каналу, можно управлять с помощью изменения размеров обедненной области. Большие значения потенциала обратного смещения вызывают расширение обедненной области, что ограничивает ток, протекающий по каналу. И наоборот, с помощью уменьшения потенциала обратного смещения, и, тем самым, сокращения размеров обеденной области, создается возможность для протекания большего тока от истока к стоку. Состояние обратного смещения гарантирует, что никакой ток не течет самостоятельно через p-n переход.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются от полевых транзисторов с затвором на основе перехода как по своей конструкции, так и по принципу работы. Обычно в полевых транзисторах с изолированным затвором, как это видно из их названия, затвор изолируется от основного корпуса транзистора тонким слоем окиси металла или каким-нибудь другим изолирующим материалом. Транзисторы этого типа, в которых в качестве изолятора использована окись металла, часто называют полевыми транзисторами со структурой металл-оксид-полупроводник.

Изоляция затвора в этих транзисторах от их основной части обеспечивает им двойное преимущество по сравнению с полевыми транзисторами с затвором на основе перехода. Одно из этих преимуществ заключается в том, что подобная изоляция предотвращает движение тока через затвор независимо от полярности, подаваемого на затвор потенциала. А это, в свою очередь, создает второе преимущество, которое состоит в том, что эти транзисторы могут действовать постоянно, независимо от того подается ли на затвор положительный или отрицательный потенциал.