Полевые транзисторы. Основные типы. Характеристики
Полевые транзисторы во многом похожи на обычные биполярные транзисторы. Они представляют собой усилительное устройство, имеющее 3 вывода, и могут иметь любую полярность. Один из выводов (затвор) предназначен для управления током, который протекает между двумя другими выводами (истоком и стоком). Этот транзистор обладает, однако, одним особым свойством: через затвор ток не протекает, за исключением токов утечки. Это значит, что входные сопротивления могут быть очень большими, их предельные значения связаны лишь с наличием емкостей или утечек.
При использовании полевых транзисторов нет необходимости заботиться о величине тока, протекающего через базу, что было совершенно обязательно при разработке схем на биполярных транзисторах. На практике входные токи имеют порядок пикоампер. К настоящему времени полевые транзисторы зарекомендовали себя как надежные устройства, способные выполнять разнообразные функции. Их предельно допустимые напряжения и токи сравнимы с соответствующими напряжениями и токами биполярных транзисторов.
В большинстве устройств на основе транзисторов (согласованные пары, дифференциальные и операционные усилители, компараторы, токовые ключи и усилители, радиочастотные усилители, цифровые схемы) используют полевые транзисторы и зачастую они обладают лучшими характеристиками. Более того, микропроцессоры и запоминающие устройства (а также другие крупные устройства цифровой электроники) строятся исключительно на основе полевых транзисторов.
Полевые транзисторы названы так, чтобы подчеркнуть их отличие от биполярных. В расширенном толковании, однако, они имеют много общего, так что их можно определить как приборы, управляемые зарядом. В обоих случаях мы имеем прибор с тремя выводами, в котором проводимость между двумя электродами зависит от наличия носителей заряда, которое в свою очередь регулируется напряжением, приложенным к третьему управляющему электроду.
Отличия от биполярных транзисторов
В биполярном n‑p‑n ‑транзисторе переход коллектор‑база смещен в обратном направлении и обычно ток через него не течет. Подача на переход база‑эмиттер напряжения около 0,6В преодолевает «потенциальный барьер» диода, приводя к поступлению электронов в область базы, где они испытывают сильное притяжение со стороны коллектора. Хотя при этом через базу будет протекать некоторый ток, большинство такого рода «неосновных носителей» захватывается коллектором. Результатом является коллекторный ток, управляемый (меньшим по величине) током базы.
Биполярный транзистор можно рассматривать как усилитель тока (с коэффициентом усиления h21Э) или как прибор‑преобразователь проводимости (Эберс‑Молл). В полевом транзисторе, как следует из его названия, проводимостью канала управляет электрическое поле, создаваемое приложенным к затвору напряжением. Здесь нет прямосмещенных р‑n ‑переходов, так что ток через затвор не течет и это, возможно, – наиболее важное преимущество полевых перед биполярными транзисторами.
Посмотрим на полевой транзистор поближе. Прежде всего, свыше нормального диапазона ток насыщения стока растет довольно умеренно при увеличении напряжения затвора (UЗИ). Фактически он пропорционален (UЗИ ‑ Uth)2, где Uth ‑ «пороговое напряжение затвора», при котором начинает протекать ток стока.
Во‑вторых, постоянный ток затвора равен нулю, так что мы не должны смотреть на полевой транзистор как на устройство, усиливающее ток (усиление было бы равно бесконечности). Вместо этого необходимо рассматривать полевой транзистор как устройство, характеризуемое крутизной – программирование тока стока напряжением затвор‑исток. Крутизна gm есть просто отношение тока стока к напряжению исток/сток iС /uСИ.
В‑третьих, у МОП‑транзистора затвор действительно изолирован от канала сток‑исток. Поэтому, в отличие от биполярных транзисторов, можно подавать на него положительное (или отрицательное) напряжение до 10 В и более, не заботясь о диодной проводимости.
И наконец, полевой транзистор отличается от биполярного транзистора в так называемой линейной области графика. Здесь его поведение довольно точно соответствует поведению резистора, даже при отрицательном UСИ. Это очень полезное свойство, поскольку, сопротивление сток‑исток программируется напряжением затвор‑исток.
Возможности полевых транзисторов различного типа
Наиболее важной характеристикой полевого транзистора является отсутствие тока затвора. Получаемое, вследствие, высокое входное полное сопротивление (оно может быть больше 1014 Ом) существенно во многих применениях и в любом случае упрощает проектирование схем. В качестве аналоговых переключателей и усилителей со сверхвысоким входным полным сопротивлением полевые транзисторы не имеют себе равных. Сами по себе или в сочетании с биполярными транзисторами они легко встраиваются в интегральные схемы.
Различают дискретные полевые транзисторы и интегральные, которые изготавливают при производстве микросхем. Интегральные вместе с другими элементами схемы выполняются на общей полупроводниковой подложке, от которой делается четвертый вывод, обозначаемый символом B. Так как на малой площади в интегральной микросхеме может быть размещено большее число слаботочных полевых транзисторов, то они особенно полезны для создания больших интегральных микросхем, таких как микропроцессоры и устройства памяти. Дискретные полевые транзисторы предназначены для монтажа на печатных платах и имеют собственный корпус.
Плюс к тому наличие мощных полевых транзисторов (30 А или более) позволяет заменить биполярные транзисторы во многих применениях, зачастую получая более простые схемы с улучшенными параметрами.
Как уже было сказано полевой транзистор является полупроводниковым схемным элементом с тремя выводами, которые называются затвором (Gate, G), истоком (Source, S) и стоком (Drain, D).
Полевые транзисторы бывают двух полярностей: n ‑канальные (с проводимостью за счет электронов) и р ‑канальные (с дырочной проводимостью). Эти полярности аналогичны уже известным нам n‑p‑n и p‑n‑p ‑транзисторам биполярного типа. Однако разнообразие полевых транзисторов этим не ограничивается, что может приводить к путанице. Во‑первых, полевые транзисторы могут изготавливаться с затворами двух различных типов. В результате мы имеем полевые транзисторы с p‑n ‑переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором, так называемые МОП‑транзисторы. Во‑вторых – двумя типами легирования канала, что дает полевой транзистор обогащенного и обедненного типа.
В качестве общего ознакомления, посмотрите варианты существующих полевых транзисторов (боюсь, что это не самый полный список):
MOSFET — (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) использует изолятор обычно SiO2 между затвором и каналом.
JFET — полевой транзисторе с управляющим p-n переходом
MESFET — (Metal–Semiconductor Field-Effect Transistor) разновидность p-n перехода JFET с барьером Schottky; используются с GaAs и др. III-V полупроводниками.
ISFET — ion-sensitive field-effect transistor – ионно-чувствительный полевой транзистор.
ChemFET — chemical field-effect transistor — МОСФЕТ транзисторы, заряд на затворе которых определяется химическими процессами.
EOSFET — electrolyte-oxide-semiconductor field effect transistor вместо металла в качестве затвора используется электролит.
CNTFET — Carbon nanotube field-effect transistor — полевой транзистор с углеродными нанотрубками.
DEPFET – полевой транзистор с полностью обедненной подложкой, используются как сенсоры, усилители и ячейки памяти одновременно. Может быть использован как датчик фотонов.
DGMOSFET — с двумя затворами.
DNAFET — специальный FET используемый как биосенсор, с затвором из 1-й ДНК молекулы чтобы определять соответствующую нить ДНК.
FREDFET — (Fast Reverse or Fast Recovery Epitaxial Diode FET) специальный полевой транзистор, разработанный для обеспечения сверхбыстрого закрытия встроенного диода (is a specialized FET designed to provide a very fast recovery (turn-off) of the body diode)
HEMT — (high electron mobility transistor) или HFET(heterostructure FET) полевой транзистор с высокой подвижностью зарядов, гетероструктурные (шестигранные) FET. Изолятор затвора формируется из полностью обедненного материала с большой шириной запрещенной зоны.
HIGFET — (heterostructure insulated gate field effect transisitor), гетероструктурные MISFET используются в основном в исследовательских целях.
MODFET — (Modulation-Doped Field Effect Transistor) использует квантовую структуру, сформированную градиентным легированием активной области.
NOMFET – (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor) — память на основе органических наночастиц.
OFET – (Organic Field-Effect Transistor) — канал из органического полупроводника.
GNRFET – (Field-Effect Transistor that uses a graphene nanoribbon for its channel). С каналом из графеновой пленки.
VFET – (Vertical Field-Effect Transistor), вертикальный полевой транзистор, полевой транзистор с вертикальной структурой, полевой транзистор с вертикальным каналом.
VeSFET — (Vertical-Slit Field-Effect Transistor) is a square-shaped junction-less FET with a narrow slit connecting the source and drain at opposite corners. Two gates occupy the other corners, and control the current through the slit… полевой транзистор квадратной формы, без перехода с близким расположением истока и стока на противоположных углах. Два других входа, занимающие другие углы — затворы, которые контролируют переход.
TFET — (Tunnel Field-Effect Transistor) — основан на эффекте тунеллирования … из полосы в полосу.
IGBT — (insulated-gate bipolar transistor) устройство для контроля мощности. Представляет из себя гибрид полевого транзистора с проводящим каналом, как у биполярного транзистора. Обычно используются для напряжений 200-3000V сток-исток. Мощные MOSFETs обычно используются до 200 V.
Входные характеристики полевых транзисторов
Рассмотрим вначале n ‑канальный МОП‑транзистор, биполярным аналогом которого является n‑p‑n – транзистор.
В нормальном режиме сток (или соответствующий ему коллектор) имеет положительный потенциал относительно истока (эмиттера). Ток от стока к истоку отсутствует, пока на затвор (базу) не будет подано положительное по отношению к истоку напряжение. В последнем случае затвор становится «прямосмещенным», и возникает ток стока, который весь проходит к истоку.
Подобно n‑p‑n ‑транзистору, полевой транзистор имеет большое приращение полного сопротивления стока. В результате чего, при напряжении UСИ свыше 1–2 В, ток стока почти не меняется. Подобно биполярному транзистору, чем больше смещение затвора полевого транзистора относительно истока, тем больше ток стока. В любом случае поведение полевого транзистора ближе к идеальным устройствам, по сравнению с биполярным. Согласно уравнению Эберса‑Молла у биполярных транзисторов должны быть превосходные характеристики выходной проводимости, но эти идеальные характеристики не достигаются из‑за эффекта Эрли.
Зеркальным отображением n ‑канального МОП‑транзистора является p ‑канальный МОП‑транзистор. Его характеристики симметричны и напоминают характеристики р‑n‑р – транзистора. Сток нормально имеет отрицательное смещение по отношению к истоку. Ток стока будет проходить, если на затвор подать отрицательное по отношению к истоку напряжение не менее одного‑двух вольт. Симметрия несовершенна, поскольку носителями являются не электроны, а дырки с меньшей «подвижностью» и «временем жизни неосновных носителей».
Отсюда следует, что p ‑канальные полевые транзисторы имеют обычно более плохие характеристики, а именно более высокое пороговое напряжение, более высокое Rвкл и меньший ток насыщения.
У МОП‑транзисторов (металл‑окисел‑полупроводник) затвор изолирован от проводящего канала тонким слоем SiO2 (стекла), наращенного на канал.
Затвор, который может быть металлическим или легированным полупроводником, действительно изолирован от цепи исток‑сток (характеристическое сопротивление > 1014 Ом) и действует на проводимость канала только своим электрическим полем. Отсюда название МОП‑транзистора — полевые транзисторы с изолированным затвором. Изолирующий слой довольно тонкий, обычно его толщина не превышает длины волны видимого света, и он может выдержать напряжение затвора до ±20 В и более. Управляющее напряжение воздействует на плотность носителей заряда в инверсионном слое под затвором. Этот слой образует проводящий канал между истоком и стоком и тем самым делает возможным протекание тока в канале.
МОП‑транзисторы просты в применении, поскольку на затвор можно подавать напряжение любой полярности относительно истока, и при этом через затвор не будет проходить никакой ток. Эти транзисторы, однако, в большой степени подвержены повреждениям от статического электричества, вы можете вывести из строя устройство на МОП‑транзисторах буквально одним прикосновением.
Символическое изображение МОП‑транзистора показано на рисунке
Здесь представлен дополнительный вывод, «тело» или «подложка» ‑ кусок кремния, на котором выполнен полевой транзистор. Так как подложка образует с каналом диодное соединение, напряжение на ней должно быть ниже напряжения проводимости. Она может быть соединена с истоком или с точкой схемы, в которой напряжение ниже (выше), чем у истока n ‑канального (р ‑канального) МОП‑транзистора. Обычно на схемах вывод подложки не показывается.
В полевом транзисторе с управляющим p-n переходом (JFET) управляющее напряжение влияет на протяженность запорного слоя в закрывающем направлении рабочего p-n перехода. Это приводит к изменению площади сечения и, следовательно, проводимости канала между стоком и истоком
Поскольку затвор не отделен от канала, p-n переход может быть смещен в прямом направлении.
Отсюда следствие, что в полевом транзисторе с p‑n‑переходом во избежание прохождения тока через затвор последний не должен быть смещен в прямом направлении относительно канала. Т.е. у n ‑канального полевого транзистора с p‑n ‑переходом диодная проводимость будет наблюдаться по мере того, как напряжение на затворе приближается к 0,6-4 В по отношению к концу канала с более отрицательным потенциалом (обычно это исток). Поэтому затвор работает смещенным в обратном направлении по отношению к каналу. И в цепи затвора нет никакого тока, кроме тока утечки.
Схемные изображения полевого транзистора с p‑n ‑переходом представлены на рисунке
Полевые транзисторы (как с p‑n ‑переходом, так и МОП‑транзисторы) почти симметричны, но обычно они изготавливаются таким образом, чтобы получить емкость между стоком и затвором меньше, чем емкость между истоком и затвором. Вследствие чего использовать сток в качестве выходного вывода предпочтительнее.
Обогащение, обеднение N ‑ канальный МОП‑транзистор не проводит ток при нулевом (или отрицательном) смещении затвора и начинает проводить, когда затвор положительно смещен относительно истока. Этот тип полевого транзистора известен как полевой транзистор обогащенного типа.
Имеется и другая возможность изготовления n ‑ канального полевого транзистора, когда полупроводник канала «легирован». В этом случае даже при нулевом смещении затвора имеется значительная проводимость канала, и на затвор должно быть подано обратное смещение в несколько вольт для отсечки тока стока. Такой полевой транзистор известен как транзистор обедненного типа.
МОП‑транзисторы могут быть изготовлены любой разновидности, поскольку здесь нет ограничения на полярность затвора. Однако полевые транзисторы с p‑n ‑переходом допускают лишь одну полярность смещения затвора, и поэтому их выпускают только обедненного типа.
График зависимости тока стока от напряжения затвор‑исток при фиксированном значении напряжения стока приведен на рисунке ниже.
МОП‑транзистор обогащенного типа не проводит ток, пока напряжение затвора не станет положительным (для n ‑канальных) по отношению к истоку. В то время как ток стока МОП‑транзистора обедненного типа будет близок к максимальному при напряжении затвора, равном напряжению истока. В некотором смысле такое разбиение на две категории является искусственным, поскольку два графика на рисунке выше отличаются только на сдвиг по оси UЗИ.
Полевые транзисторы с р‑n ‑переходом – это всегда приборы обедненного типа и смещение затвора относительно истока не должно быть больше приблизительно +0,5 В (для n ‑канала). Иначе появится проводимость в диодном переходе затвор‑канал. МОП‑транзисторы могут быть обогащенными или обедненными, но на практике редко можно встретить последние. Во всех практически встречающихся случаях мы имеем дело только с полевыми транзисторами с p‑n ‑ переходом обедненного типа, либо с обогащенными МОП‑транзисторами. И те и другие могут быть любой полярности, т. е. n ‑канальными или p ‑канальными.
Таким образом, можно выделить шесть основных типов полевых транзисторов. Их графические условные обозначения показаны ниже.
Вовсе не обязательно запоминать свойства каждого из представленных типов полевых транзисторов, поскольку они в основном одинаковы.
Во‑первых, при заземленном истоке полевой транзистор включается (переходит в проводящее состояние) путем смещения напряжения затвора в сторону напряжения питания стока. Это верно как для всех типов полевых транзисторов, так и для биполярных транзисторов. Например, для n ‑канального полевого транзистора с р‑n ‑переходом (который, разумеется, является обедненным) используется положительное напряжение питания стока, как и для всех n ‑канальных приборов. Таким образом, этот полевой транзистор включается положительным смещением затвора. Здесь есть тонкость, состоящая в том, что у приборов обедненного типа для получения нулевого тока стока затвор должен иметь обратное смещение. В то время как у приборов обогащенного типа достаточно для этой цели нулевого напряжения на затворе.
Во‑вторых, в связи с примерной симметрией истока и стока любой из этих выводов может работать как исток (исключение составляют мощные МОП‑транзисторы, у которых подложка внутри корпуса соединена с истоком). При изучении работы полевого транзистора, а также при расчетах, за исток принимается вывод, наиболее «удаленный» по напряжению от активного питания стока.
Например, допустим, что полевой транзистор используется для замыкания на землю некоторой линии, в которой присутствуют как положительные, так и отрицательные сигналы. Обычно такая линия подключается к стоку полевого транзистора. Если в качестве ключа взят n ‑канальный МОП‑транзистор обогащенного типа и если случится, что в выключенном состоянии напряжение на стоковом выводе будет отрицательным, то для подсчета отпирающего напряжения затвора этот вывод следует считать в действительности «истоком». Это означает, что для обеспечения надежного запирания ключа отрицательное напряжение на затворе должно быть не только уровня «земли», но и превышать (по абсолютной величине) наибольший отрицательный сигнал.
Характеристики, приведенные на рисунке ниже, помогут разобраться в этих запутанных вопросах.
Для полевого транзистора с p‑n ‑переходом напряжение затвор‑исток, при котором ток стока становится равен нулю, называется «напряжением отсечки» (Uотс) или «напряжением выключения» (UЗИ выкл). Типичное его значение лежит в диапазоне от –3 до –10 В (для p ‑канального прибора оно, разумеется, положительное).
Для обогащенного МОП‑транзистора аналогичная величина называется «пороговое напряжение», Uth (или UЗИ пор), – это напряжение перехода затвор‑исток, при котором начинает проходить ток стока. Типичная величина Uth составляет 0,5–5 В, разумеется, в «прямом» направлении.
Еще раз отметим, что разница между обогащенными и обедненными приборами выражается только в сдвиге вдоль оси UЗИ. Т. е. имеется ли большой ток стока или нет совсем никакого тока при напряжении затвора равном напряжению истока. Полевые n ‑канальные и p ‑канальные транзисторы симметричны друг другу в том же смысле, в каком являются таковыми биполярные n‑р‑n ‑ и p‑n‑p ‑транзисторы.
Для полевых транзисторов с p‑n ‑переходом величина тока стока при замкнутых накоротко затворе и истоке обозначается в спецификациях как IСИ нач (ток от стока к истоку при короткозамкнутых затворе и истоке). Величина IСИ нач близка к величине максимально допустимого тока стока.
Для обогащенных МОП‑транзисторов аналогичной спецификацией является IСИвкл, при некотором заданном напряжении прямого смещения затвора. IСИ нач у любого прибора с обогащением был бы равен нулю.
Выходные характеристики полевых транзисторов
Полевые транзисторы ведут себя как хорошие преобразователи проводимости (т. е. IC почти не изменяется при заданном UЗИ) практически во всем диапазоне изменения UСИ. Исключением являются его малые значения, где они проявляют себя как сопротивление (т. е. IС пропорционален UСИ). В обоих случаях приложенное к переходу затвор‑исток напряжение управляет поведением полевого транзистора, которое хорошо можно описать аналогом уравнения Эберса‑Молла для полевого транзистора. Посмотрим на эти две области более подробно.
В обеих областях ток стока зависит от UЗИ ‑ Uth, величины, на которую напряжение затвор‑исток превышает пороговое напряжение (или напряжение отсечки). Линейная область, в которой ток стока приблизительно пропорционален UЗИ, простирается до напряжения UЗИнас, после чего ток стока почти не изменяется. Крутизна наклона линейного участка, IС /UСИ, пропорциональна напряжению смещения, UЗИ ‑ Uth. Далее, напряжение стока UСИнас, при котором кривая «выходит на насыщение», равно UЗИ ‑ Uth, в результате чего ток насыщения, UСнас, становится пропорционален (UЗИ ‑ UП )2 – квадратичный закон, о котором мы упоминали ранее.
Итак, имеем универсальные формулы для определения тока стока полевого транзистора:
IС = 2k[(UСИ – Uth )UСИ – 0,5U2СИ ] (линейный участок)
IС = k[(UЗИ – Uth )2 (участок насыщения)
Если мы назовем (UЗИ–Uth) (величину, на которую напряжение затвор‑исток превышает порог) «напряжением возбуждения затвора», то можно сформулировать три важных результата из сказанного:
а) удельное сопротивление полевого транзистора в линейной области обратно пропорционально напряжению возбуждения
б) линейный участок простирается вплоть до напряжения, равного напряжению возбуждения
в) ток насыщения стока пропорционален напряжению возбуждения в квадрате.
Приведенные выражения предполагают, что подложка соединена с истоком. Обратите внимание на то, что «линейный участок» не является строго линейным, поскольку формула содержит нелинейный член U2СИ.
Масштабный коэффициент k зависит от таких параметров, как геометрия полевого транзистора, емкость слоя окисла и подвижность носителей. У этой постоянной отрицательный температурный коэффициент:
k ~ T ‑3/2.
Этот эффект сам по себе приводил бы к уменьшению IС с увеличением температуры. Однако это компенсируется тем, что Uth также в слабой степени зависит от температуры с коэффициентом 2–5 мВ/°С.
При больших токах стока убывание коэффициента к с ростом температуры влечет уменьшение тока стока! Как следствие этого, полевые транзисторы какого‑нибудь одного типа могут быть соединены параллельно без токовыравнивающих резисторов. В отличие от биполярных транзисторов, где «резисторный балласт» в цепях эмиттеров необходим. Этот же отрицательный температурный коэффициент предотвращает также тепловую гонку на локальном участке перехода (эффект, известный под названием «прогиб тока»). При малых токах стока (когда доминирует температурная зависимость Uth) IС растет с ростом температуры и точка перехода от возрастания к убыванию находится при некотором промежуточном значении тока стока. Этот эффект используется в операционных усилителях на полевых транзисторах для минимизации температурного дрейфа.
