Полевые транзисторы

Полевой транзистор - о чём  говорит это название? Транзистор — значит, каким-то образом позволяет усиливать сигнал. Точнее, с помощью слабого сигнала на входе управлять гораздо более мощным током на выходе. Полевой - определяет принцип действия: управление происходит с помощью электрического поля.

Полевые транзисторы бывают нескольких типов. Мы начнём знакомство с наиболее близкого по конструкции к биполярному транзистору, а именно:

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Прежде, чем начать, сделаю важное замечание. Устройство полевых транзисторов - довольно сложная тема. Поэтому, предполагается, что читатель  ориентируется в свойствах полупроводников, а также знаком с принципом работы полупроводникового диода и биполярного транзистора. А теперь, в путь!

Давайте возьмём и сделаем из биполярного транзистора полевой:

Итак, здесь у нас появился канал, соединяющий исток и сток (аналоги эмиттера и коллектора). Хоть это и полу-, но всё же проводник, сопротивление у него небольшое. Значит, если к затвору (управляющему электроду) не приложен никакой потенциал, ток через полевой транзистор всё равно будет течь. Обратите внимание, здесь ток создаётся носителями одного типа, в данном примере, дырками. Поэтому полевые транзисторы иногда ещё называют униполярными. В отличие от биполярных, в которых в создании тока всегда участвуют оба типа зарядов.

Теперь посмотрим, что будет, если на затвор подать положительное (относительно истока) напряжение. Это будет запирающее напряжение. Как мы видели в полупроводниковых диодах, такое напряжение оттягивает носители зарядов от зоны p-n-перехода. Это значит, что в p-канале расширяется область, обеднённая зарядами, его сопротивление растёт. Это похоже на то, как в трубу вставили заслонку, которая перекрыла часть сечения трубы и поток воды уменьшился.

На рисунке обеднённая зарядами область заштрихована зелёным. Она неравномерная, расширяется к стоку потому, что кроме потенциала затвора на распределение зарядов ещё влияет потенциал исток-сток.

Если к затвору приложить достаточно большое напряжение, можно вообще вытолкнуть из канала практически все дырки. Ток через канал прекратится. Это называется режимом отсечки.

Далее мы ещё поговорим об особенностях и преимуществах полевых транзисторов, а пока обратим внимание на один ключевой момент. Ток затвора очень мал. Ведь, по сути, это диод, включенный в обратной полярности, в котором ток могут создавать случайные неосновные носители, которых очень мало.

В биполярном транзисторе управление шло током: чем больше ток через эмиттерный переход, чем больше зарядов попадает в область базы, тем больше их захватывается коллектором и создаёт коллекторный ток. В полевом же транзисторе управление идёт не током, а напряжением: чем больше потенциал, тем больше сопротивление канала.

То есть, напряжение на затворе может меняться значительно, а ток  затвора при этом меняется очень слабо. Это означает высокое входное сопротивление. Если у биполярного транзистора входное сопротивление измеряется килоомами, то в данном типе полевых транзисторов оно составляет десятки и сотни мегаом.

Разумеется, можно сделать и «зеркальный» полевой транзистор с управляющим p-n переходом: с каналом n-типа и зоной p на затворе. Принцип работы будет тот же самый, только знаки напряжений поменяются на противоположные.

Да, англоязычное обозначение этого типа транзисторов - JFET (Junction-Field-Effect-Transistor). И раз уж заговорили об английском, приведём название выводов: G-gate-затвор, D-drain-сток, S-source-исток

Ну а мы переходим к следующему классу приборов:

Полевой транзистор с изолированным затвором

У полевого транзистора этого типа основу кристалла составляет слабо легированная зона n. Она называется подложкой. В ней созданы сильнолегированные зоны p (то есть там много основных носителей заряда) и тонкий канал между ними. А затвор вообще изолирован — он отделён от канала тонким слоем диэлектрика. Структура затвора дала название этому виду транзисторов:  МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Ещё их иногда называют МОП (металл-окисел-полупроводник), поскольку в качестве диэлектрика обычно используется слой диоксида кремния. Ну а по-английски это MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

Если предыдущий тип полевых транзисторов работал только при запирающих напряжениях на затворе, то МОП-транзисторы могут работать и при положительном и при отрицательном смещении.

Если приложить к затвору «плюс», он начнёт выталкивать из канала основные носители заряда (которыми, как мы помним, в зоне p являются дырки), тем самым повышая его сопротивление. Это режим обеднения. И, наоборот, минус на затворе притянет в канал некоторое дополнительное количество положительных зарядов из подложки, сопротивление канала уменьшится. Это режим обогащения .

Вы вправе спросить: откуда же в подложке положительные заряды (дырки), если она сделана из полупроводника типа n, с электронной проводимостью? Да, положительные заряды не являются основными в подложке. Но, как уже говорилось, она легирована слабо, и поэтому неосновных зарядов там достаточное количество, чтобы обогатить канал.

Прибор, который мы сейчас рассматриваем, называется МОП-транзистором со встроенным каналом. Но, оказывается, «физический» канал можно совсем убрать. В этом случае мы получим транзистор с индуцированным каналом.

Как же в этом случае идёт ток? Принцип тот же: минус на затворе притянет неосновные носители, положительно заряженные дырки. Так что они образуют небольшую область с положительной проводимостью — то есть «виртуальный» канал, который соединит исток и сток. И то, что их притянуло поле, перпендикулярное направлению канала, не мешает им двигаться вдоль канала, создавая электрический ток. Это как красивая витрина притягивает случайных прохожих, но не мешает им двигаться вдоль витрины.

Отметим, что входное сопротивление МОП-транзисторов ещё на несколько порядков выше, чем транзисторов с управляющим p-n-переходом, так как затвор физически отделён слоем диэлектрика, и токи затвора ничтожны.

Обозначение на схемах

Мы кратко разобрали основные типы полевых транзисторов. Зная их устройство, уже не запутаешься в обозначениях на схемах. Несколько простых правил:

• Затвор рисуется напротив истока
• Стрелка указывает направление от зоны p к зоне n (как и в биполярных транзисторах).
• Если у нас полевой транзистор с управляющим p-n переходом, стрелка рисуется на затворе. Если же это МОП-транзистор, у него рисуется четвёртый вывод между истоком и стоком, это подложка, и уже на ней рисуется стрелка. Кстати, иногда вывод от подложки действительно выводят наружу как 4ю ногу транзистора, в этом случае на рисунке соответствующая линия будет выходить за границы корпуса.
• Иногда подложка соединяется с истоком, это тоже показывается графически.
• Изолированный затвор на рисунке изображается отделённым от истока и стока.
• Индуцированный канал рисуется пунктирной линией, а встроенный канал — сплошной.

Несколько примеров (кликните для увеличения):

Паразитный диод

В полевых транзисторах МОП-типа, в силу конструкции, возникает одна неприятная штука. А именно — незапланированный биполярный транзистор. Посмотрим ещё раз на рисунок:

Получается, что подложка — это база, а сток и исток — это коллектор и эмиттер биполярного транзистора. Этот паразитный транзистор может вносить существенные искажения в работу прибора. Например, открываться в тот момент, когда полевой транзистор должен быть закрыт (если упрощённо, вследствие внутренних паразитных ёмкостей возникает ток в эмиттерном переходе, который открывает транзистор). Борются с этим явлением таким образом: соединяют исток и подложку, тем самым замыкая эмиттерный переход. Остаётся один коллекторный p-n-переход, то есть диод.

Диод включён в обратном направлении между истоком и стоком, поэтому он не мешает работать транзистору в стандартном режиме, когда ток течет от истока к стоку. А вот обратный ток, от стока к истоку, для этого диода будет прямой, то есть потечёт через паразитный диод. Поэтому, на схемах важно не путать исток и сток, хотя конструктивно эти области очень похожи. Наличие диода иногда отображают на схеме:

Впрочем, сейчас инженеры научились регулировать параметры этого диода и даже вовсе от него избавляться (вернее, задействовать другие механизмы, устраняющие недостатки этого диода), но эта тема уже выходит за рамки данной статьи.

Отличие полевых транзисторов от биполярных

Подведём итог, перечислим отличия полевых транзисторов, имеющих значение для схемотехники.

• Высокое входное сопротивление. Об этом уже говорилось, и это одно из самых важных преимуществ полевых транзисторов. Это упрощает согласование каскадов. Например, полевой транзистор можно напрямую подключать к микросхеме, которая не способна выдать большие токи и поэтому «не потянет» биполярный транзистор. Или, хорошо использовать полевой транзистор на входе УВЧ: своим высоким входным сопротивлением он не снизит добротность колебательного контура, не внесёт заметных искажений в его работу. Ну и в целом: меньше ток — меньше потребляемая мощность.
• Скорость переключения у полевых транзисторов выше, чем у биполярных, так как они не расходуют время на то, чтобы накопленные в области базы заряды рассосались. Впрочем, современные технологии позволяют делать и биполярные высокочастотники.
• Полевые транзисторы менее шумные. В биполярных транзисторах «шумит» процесс инжекции зарядов, а полевых он отсутствует.
• Чувствительность к статическому напряжению. Это относится к минусам полевого транзистора. В силу конструкции затвор очень нежен, статическое электричество легко его пробивает. Поэтому, рекомендуют даже связывать выводы транзистора проволокой, которая снимается только после монтажа. А также, пользоваться заземлённым паяльником и антистатическим ковриком.
• Повышенная теплоустойчивость. У биполярного транзистора с повышением температуры ток растёт (т. к. усиливается процесс инжекции зарядов из базы), что приводит к дальнейшему нагреву транзистора. Начинается цепная реакция, которая может привести к саморазогреву и выходу транзистора из строя. У полевого транзистора всё наоборот: с ростом температуры сопротивление канала растёт, поэтому он является как бы саморегулируемым: если температура поднимается, ток падает и температура снижается обратно.
• Возможность параллельного включения для повышения мощности. Это важное следствие из предыдущей особенности, теплоустойчивости.  Если запараллелить биполярные транзисторы, из-за малейшего случайного дисбаланса один из них начнёт греться и неизбежно сгорит. А полярные саморегулирются и потому могут работать сообща.  Это часто используют в конструкции в инверторов, где необходимо управлять весьма большими токами и один транзистор не справляется.

На этом завершаем первое знакомство с полевыми транзисторами. Вопросы и примечания можно оставить ниже, в комментариях.