Параметры полевого транзистора

Биполярные транзисторы

Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух типов — электроны и дырки.

Биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р — n перехода. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p — n — р. У транзистора структуры n — p — n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними — область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

а б

Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p-n-p и n-p-n.

Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область — эмиттером, вторую крайнюю область — коллектором. Это три электрода транзистора.

Существуют сплавной и диффузионно — сплавной способы изготовления транзисторов.

Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показана на (рис. 2). Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу — ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света.

Рис. 2 Устройство и конструкция сплавного транзистора

структуры p — n — p.

Коллектором диффузионно — сплавного транзистора служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 — правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 — левый) эмиттерную область. В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р — n перехода, образующие транзистор структуры р — n — р.

Рис. 3 Устройство и конструкция

диффузионно – сплавного транзистора структуры p — n — p.

Режимы работы биполярного транзистора.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора:

  1. Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток

  2. Режим насыщения – оба p-n перехода открыты

  3. Активный режим – эмиттерный p-n переход (ЭП) открыт, а коллекторный p-n переход (КП) закрыт

  4. Инверсный – эмиттерный p-n переход (ЭП) закрыт, а коллекторный p-n переход (КП) открыт

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. Эффективное управление транзистором осуществляется только в активном режиме:

При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ. Так как внешнее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы. База выполнена из p-полупроводника, поэтому электроны являются для неё неосновными носителями заряда.

Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы. Однако базу обычно выполняют очень тонкой из p-проводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с её дырками, образуя базовый ток Iб. Большинство же электронов вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую коллекторного тока Iк.

Отношение токов коллектора и эмиттера характеризует коэффициент передачи тока

.

Усилительные свойства транзистора вытекают из его технологического исполнения и принципа действия.

Усилительные свойства транзистора оценивают обычно по величине так называемого статического коэффициента передачи тока. который обозначается h21э (или β). Этот коэффициент показывает, во сколько раз изменение тока коллектора больше вызвавшего его изменения тока базы. У большинства исправных транзисторов величина h21э составляет от 10—12 до 200—300.

Управляющее свойство транзистора заключается в том, что большим током коллектора можно управлять достаточно маленьким током базы. Причем в активном режиме малое изменение тока базы прямо пропорционально большому изменению тока коллектора:

Биполярные и полевые транзисторы — в чем различие

Ток или поле

Большинству людей, так или иначе сталкивающемуся с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.

Ток и поле — различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.

Полевые транзисторы быстрее

Какие транзисторы лучше полевые или биполярные? Достоинство полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, налицо: полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивлением по постоянному току, и даже управление на высокой частоте не приводит к значительным затратам энергии.

Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.

Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.

Разная реакция на нагрев

Если биполярный транзистор в процессе работы устройства нагревается, то ток коллектор-эмиттер увеличивается, то есть температурный коэффициент сопротивления у биполярных транзисторов отрицательный.

У полевых же все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный, то есть с ростом температуры растет и сопротивление канала, то есть ток сток-исток уменьшается. Это обстоятельство дает полевым транзистором еще одно преимущество перед биполярными: полевые транзисторы можно без опаски соединять параллельно, и не потребуются выравнивающие резисторы в цепах их стоков, поскольку в соответствии с ростом нагрузки станет автоматически расти и сопротивление каналов.

Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах (смотрите — Почему в современных инверторах используются транзисторы, а не тиристры).

А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.

Сферы применения тех и других транзисторов

Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.

Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.

Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители, их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.

Полевые побеждают

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.

Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.

В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры.

Смотрите также: Виды транзисторов и их особенности

Андрей Повный

Различия полевых транзисторов и биполярных.

От биполярного транзистора и в том числе от однопереходного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением р-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора отделен от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в р-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов. Значительным недостатком по сравнению с биполярным транзистором является очень низкий коэффициент усиления по напряжению.

Статические характеристики

Выходные статические характеристики полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на стоке относительно истока при различных постоянных напряжениях на затворе. Рассмотрим вначале характер одной зависимости

при.

Напряжение на затворе относительно истока будет равно нулю только в том случае, если затвор закорочен с истоком. Характеристика выходит из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала и сопротивлениям иприлегающих к каналу областей полупроводникового кристалла с тем же типом электропроводности. Статическое сопротивление канала определяется его длиной и поперечным сечением, зависящим от толщины р-n-перехода (или р-n-переходов).

Рис. 6 Выходные статические характеристики

Первая часть характеристики, которую называют крутой частью, сублинейна, т. е. ток стока растет замедленно с ростом напряжения на стоке. Объясняется эта нелинейность характеристики увеличением толщины р-n-перехода затвора около стока, так как с увеличением напряжения на стоке растет по абсолютному значению обратное напряжение на р-n-переходе затвора. Ток стока, проходя по каналу, создает его неэквипотенциальность. Таким образом, наибольшая толщина р-n-перехода и соответственно наименьшее поперечное сечение канала получаются со стороны стока.

Другой физической причиной, приводящей к сублинейности выходной характеристики, является уменьшение подвижности носителей заряда в канале при увеличении в нем напряженности электрического поля.

При некотором напряжении на стоке —напряжении насыщения— происходит перекрытие канала из-за увеличения толщины р-n-перехода затвора. Ток стока при дальнейшем увеличении напряжения на стоке почти не растет.

При напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и при напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения, ток стока называют начальным током стока. Часть характеристики, соответствующую насыщению тока стока, называютпологой областью. Следует учитывать условность понятия «перекрытие» канала при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе относительно истока, так как перекрытие канала при указанных условиях является следствием увеличения тока стока. Таким образом, можно считать, что в результате увеличения тока стока или напряжения на стоке автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала со стороны стокового электрода.

При дальнейшем увеличении напряжения на стоке увеличивается длина перекрытой части канала и растет статическое сопротивление канала. Если бы длина перекрытой части канала увеличивалась пропорционально напряжению на стоке, то ток стока не изменялся бы при напряжениях на стоке, превышающих напряжение насыщения. Однако длина перекрытой части канала увеличивается из-за увеличения толщины р-n-перехода с ростом напряжения на стоке, а толщина р-n-перехода пропорциональна либо корню квадратному, либо корню кубическому из напряжения. Поэтому в пологой части характеристики наблюдается некоторое увеличение тока стока при увеличении напряжения на стоке.

Теперь рассмотрим смещение и изменение статических характеристик с изменением напряжения на затворе. При подаче на затвор напряжения такой полярности относительно истока, которая соответствует обратному смещению р-n-перехода затвора, и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Поэтому начальные участки выходных статических характеристик при напряжениях на затворе, отличных от нуля, имеют другой наклон, соответствующий большим начальным статическим сопротивлениям канала.

При больших напряжениях на стоке может возникнуть пробой p-n-перехода затвора. Обратное напряжение на р-n-переходе затвора изменяется вдоль длины канала, достигая максимального значения у стокового конца канала. Напряжение, приложенное к р-n-переходу затвора в этом месте, является суммой напряжений на стоке и на затворе. Таким образом, пробой полевого транзистора может происходить при разных напряжениях на стоке в зависимости от напряжения на затворе. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше напряжение на стоке, при котором произойдет пробой р-n-перехода затвора. Полевые транзисторы делают обычно на основе кремния. Поэтому пробой таких транзисторов имеет лавинный характер.

Статические характеристики передачи(рис. 7) полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке (). Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, что соответствует пологим частям выходных статических характеристик, то наибольший интерес представляет зависимость тока насыщения от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

Рис. 7 Передаточная характеристика

Напряжение между затвором и истоком полевого транзистора с управляющим переходом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки полевого транзистора которое зависит от концентрации доноров в канале и акцепторов в затворе, а также технологической толщины канала.

При рассмотрении статических характеристик полевого транзистора были отмечены его основные статические параметры. По статической характеристике передачи можно определить еще один основной параметр полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства, — крутизну характеристики полевого транзистора S, которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком: .

С ростом отрицательного напряжения на затворе значение крутизны характеристики транзистора будет уменьшаться, т.к. при увеличении отрицательного напряжения на затворе будет увеличиваться ОПЗ перехода затвора и уменьшаться толщина проводящего канала. Вблизи напряжения отсечки толщина канала вместе с током стока уменьшается до нуля, сопротивление канала возрастает и крутизна падает до нуля.

Влияние степени легирования и размера областей на напряжение отсечки и крутизну:

Напряжение отсечки будет расти с ростом степени легирования канала транзистора, потому что чем больше число доноров в ОПЗ, тем труднее удалить из канала подвижные электроны. Аналогично с толщиной, необходимо большее напряжение, чтоб удалить все электроны в подложку из толстого канала. Увеличение ширины канала и степени легирования приведёт к росту крутизны транзистора, потому что при прочих равных условиях, рост числа электронов и размеров области приведёт к уменьшению сопротивления и, следовательно, обеспечит больший ток стока при том же напряжении на затворе. Следовательно, крутизна увеличится. Существенно, что толщина канала одинаково увеличивает крутизну и напряжение отсечки. Ширина канала увеличивает только крутизну, но не влияет на напряжение отсечки.