Полевые транзисторы – Цифровая техника

May 15, 2015 by admin Комментировать »

Полевые транзисторы — это полупроводниковые приборы, сопротивление канала которых изменяется в широких пределах под воздействием приложенного к управляющему выводу (затвору) напряжения. Таким образом, полевые транзисторы, в отличие от биполярных, управляются не током, а напряжением. Ток же, текущий через управляющий вывод (ток утечки затвора Ι^)Ρ крайне мал, и у современных полевых транзисторов его смело можно приравнять к нулю.

В зависимости от строения своих «внутренностей» полевые транзисторы делятся на две группы: с управляющим р-п-переходом (т. е. изоляция затвора выполнена в виде р-п-перехода) и с изолированным затвором (затвор изолирован не полупроводниковым диэлектриком). Кроме того, транзисторы с изолированным затвором бывают со встроенным или индуцированным каналом.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (рис. 1.15). Транзистор, изображенный на нем, называется п-канальным, и среди биполярных транзисторов ему соответствует транзистор структуры п-р-п. Вывод эмиттера у биполярных транзисторов, у полевых называется истоком, база — затвором и коллектор — стоком. На этом сходство этих двух классов полупроводниковых приборов оканчиваются, дальше начинаются одни различия.

Области стока и истока у полевых транзисторов изготавливают из сильно легированных полупроводников, т. е. из тех, у которых очень большой избыток основных носителей тока — электронов для η-проводника и дырок — для р. На рисунках эту самую «сильную легированность» обозначают значком «+» после обозначения типа полупроводника (п+, р+). Канал полевого транзистора изготавливается из полупроводника того же типа, что и области стока и истока (вернее, наоборот, области стока и истока изготавливаются путем сильного легирования — внесения добавок (примесей) — в «выступающие» концы канала, тип проводимости при этом не изменяется), а затвор (у транзисторов с управляющим р-п-переходом) — из полупроводника противоположного типа.

Так как области стока и истока сильно легированы, то между η-каналом и p-выводом затвора (здесь и дальше будут рассматриваться только п-канальные полевые транзисторы; принцип действия р-канальных транзисторов тот же,

Рис. 1.15. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом (п-канал): а — строение; б — упрощенная схема строения; в — вольт-амперная характеристика только все напряжения поменять на противоположные) возникает область пространственного заряда, обедненная носителями тока. У диодов этой области существует потенциальный барьер; отличаются они тем, что «потенциальный барьер» у полевых транзисторов равен нескольким вольтам против 0,6 В у диодов. Поэтому «смешивать» эти две области нельзя.

Из-за того, что ширина этой области довольно значительна, а толщина канала велика (чем он тоньше, тем лучше), то область пространственного заряда частично перекрывает канал (аналогия — водопроводные краны), сопротивление канала имеет некоторое значение (как и у резисторов, оно измеряется в омах и подчиняется закону Ома) и через нагрузку течет некоторый ток. Допустим, что в этот момент напряжение на затворе равно напряжению на истоке. Тогда ток, текущий через канал, будет называться начальным током стока (Ic „„„). При уменьшении сопротивления нагрузки (напряжение на затворе остается неизменным относительно истока) из-за некоторого конечного сопротивления канала концентрация дырок в нем увеличивается, дырки притягиваются обедненным слоем (областью пространственного заряда — она находится между затвором и каналом) и его толщина увеличивается. Так как дырки «попадают» в канал через вывод стока, то их концентрация в стоковой области больше, чем в истоковой, и обедненный слой расширяется в основном возле вывода стока. Расширившийся, обедненный носителями тока слой «перекрывает» канал, и его сопротивление увеличивается. При этом отношении RH ■ R канала остается практически неизменным, т. е. при фиксированном относительно стока напряжение на затворе, ток, протекающий через транзистор, не зависит от сопротивления нагрузки (точнее, зависит — при уменьшении сопротивления нагрузки он очень незначительно увеличивается) Благодаря этому эффекту полевые транзисторы нашли широкое распространение в генераторах тока, выходной ток которых не зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки. Подробнее о применении генераторов тока речь будет идти чуть дальше.

Подключим теперь к стоку транзистора нагрузку с фиксированным сопротивлением (например, светодиод с последовательно включенным токоограничивающим резистором сопротивлением 1…2 кОм), исток транзистора соединим с общим проводом, а «свободный» конец нашей нагрузки подключим к положительному выводу источника питания (9…12 В) с фиксированным (т. е. неизменным! напряжением. Вывод затвора никуда подключать не будем Светодиод загорится на полную яркость, т. е. толщина канала минимальна. Взяв вывод затвора пальцами одной руки и коснувшись пальцами другой руки плюсового вывода источника питания, можно заметить, что яркость свечения светодиода очень незначительно увеличилась (для большего удобства в разрыв провода, идущего от нагрузки транзистора (светодиода с резистором), можно включить миллиамперметр с пределом 20 мА). Это начальный ток стока 1С И11 увеличился до максимального 1ГМ„ (см. график).

Теперь возьмем батарейку напряжением о ..9 В (ее можно заменить электролитическим конденсатором емкостью более 100 мкФ, заряженным до такого напряжения), возьмем батарейку (конденсатор) пальцами за отрицательный вывод, «торчащий» положительный вывод соединим с истоком транзистора (общим проводом), а пальцами другой руки коснемся вывода затвора транзистора. Яркость свечения светодиода и ток через миллиамперметр резко уменьшатся, возможно, они уменьшатся до нуля. После того как мы уберем палец с вывода затвора, яркость светодиода начнет плавно (при исправном транзисторе) увеличиваться.

Когда мы коснулись пальцем вывода затвора, в его p-область через пальцы начали инжектировать электроны. Так как в p-области основные носители тока — дырки, то в ней электроны начинают активно рекомбинировать с дырками. В результате этого в p-области создается недостаток дырок, которые для восстановления справедливости притягиваются через область пространственного заряда из η-канала. По в канале дырок мало (в нем основные носители тока — электроны), поэтому к обедненному слою под затвором они могут попасть только через вывод стока. Но для того чтобы в стоковой области канала концентрация дырок увеличилась, нужно, чтобы напряжение на стоке относительно общего провода увеличилось. Так как сопротивление нагрузки неизменно, то увеличить напряжение на стоке можно только одним способом — увеличить сопротивление канала. Что транзистор и делает. В результате область пространственного заряда расширяется и перекрывает значительную часть канала транзистора. Но канал сужается не до бесконечности, а до того значения, при котором поток электронов, текущих в затвор, уравновешивается потоком дырок истока.

Если подать на затвор еще большее отрицательное напряжение, то канал перекроется совсем, так как сток не сможет обеспечить область пространственного заряда необходимыми ей дырками. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом отсечки, а то минимальное (по модулю) напряжение, которое нужно при этом подать на затвор, называется напряжением отсечки.

Если продолжать увеличивать (точнее, уменьшать относительно истока) напряжение на затворе, то скорость не основных носителей тока для затвора (т. е. электронов) будет увеличиваться сильнее, чем толщина обедненного слоя, и при некотором (около 20 В) напряжении на затворе они смогут беспрепятственно пролетать через область пространственного заряда в канал, для которого они являются основными носителями тока. Произойдет пробой затвора. Чаще всего пробивается переход затвор—исток, так как там область пространственного заряда тоньше, дырок в η-затворе нет и быть не может. В связи с тем что площадь затвора невелика, а токоограничивающие резисторы цепи затвора «современными» проектировщиками-разработчиками воспринимается как дурной тон, то чаще всего пробой затвора заканчивается для транзистора плачевно — наступает тепловой пробой и транзистор выходит из строя. Для пробоя полевого транзистора достаточно ничтожного тока, лишь бы напряжение было довольно велико, поэтому полевьш транзисторы, в отличие от биполярных, «пробиваются» даже статическим электричеством, которое человек практически не чувствует. Вот почему при работе с полевыми транзисторами обязательно заземление инструмента, благодаря ему статические заряды перетекают в землю, а не в транзистор.

После того как мы убрали палец от затвора, яркость светодиода начала плавно нарастать до практически максимального значения. Это связано с током утечки затвора. Идеальных р-п-переходов не существует, поэтому избыточные не основные носители (электроны) постепенно из затвора перетекают в п-канал (дрейфовый ток не основных носителей), а вместе с ними, для восстановления равновесия, в канал из обедненного слоя перетекает такое же количество дырок. Толщина обедненного слоя уменьшается, а толщина канала и ток, протекающий через него, увеличивается. Так будет продолжаться до тех пор, пока область пространственного заряда не исчезнет совсем (при большом сопротивлении источник сигнала); напряжение на затворе при этом повысится до 0,7 В относительно истока.

Если заряженный отрицательно затвор резко соединить с истоком, то избыточные электроны резко перетекут в исток, также резко увеличится величина канала, что вызовет резкое нарастание тока в нагрузке. Так как область пространственного заряда (т. е. электростатическое поле) практически не инерционна, то скорость включения/выключения полевых транзисторов в десятки раз больше аналогичного параметра у биполярных транзисторов.

Ток утечки затвора у современных кремниевых транзисторов крайне мал. Для большего удобства расчетов обычно указывают не ток утечки, а сопротивление изоляции затвора. У транзисторов управляющим р-п-переходом оно примерно равно 109 Ом, т e. 1 ГОм (1000 МОм). Это очень большая величина, поэтому в большинстве схем ее можно не учитывать.

Рассмотренная выше схема включения полевого транзистора называется схемой с общим истоком (ОИ) Транзисторы с управляющим p-η переходом по такой схеме включаются очень редко, так как она требует двухполярного (т е положительного относительно истока для нагрузки и отрицательного для затвора) источника питания На таких транзисторах по такой схеме обычно собирают только генераторы тока

Наиболее распространенная и самая простая схема генератора тока нарисована на рис 1 16 Резистор R1 создает некоторое падение напряжения на истоке транзистора, т е благодаря ему на затворе транзистора поддерживается отрицательная, чуть-чуть закрывающее транзистор напряжения Поэтому через нагрузку течет некоторый ток, меньше начального тока стока

Допустим, что сопротивление нагрузки (RH) резко уменьшилось Увеличится ток, текущий по цепи от «+U» к общему проводу, н, так как сопротивление рези стора R1 неизменно, падение напряжения на нем увеличивается, т. е. напряжение на затворе относительно истока уменьшается. Это вызовет увеличение сопротивления канала, напряжение на истоке уменьшится, из-за этого сопротивление канала снова уменьшится, напряжение на истоке увеличится, но уже слабее, чем в прошлый раз…

Такие автоколебания будут продолжаться до тех пор, пока ток нагрузки не станет примерно таким же, каким он был раньше — до уменьшения сопротивления нагрузки.

При увеличении сопротивления нагрузки все вышеописанные процессы повторятся, только сопротивление канала будет не увеличиваться, а уменьшаться.

Автоколебание нагрузки возникает только в том случае, если сопротивление нагрузки очень резко изменится, настолько резко, что транзистор не успеет его «отследить». Столь резкие изменения тока даже в цифровой электронике случаются очень редко, поэтому на них можно «закрыть глаза» и для простоты считать, что никаких автоколебаний нет, а сопротивление канала изменяется точно в такт сопротивлением нагрузки. Тем более что их длительность из-за огромного быстродействия транзисторов с управляющим р-п-переходом столь мала, что они практически ни на что не влияют.

Генератор тока можно представить в виде резистора (на рис. 1.16 обведен в рамку), ток через который не зависит от приложенного к его выводам напряжения. Поэтому на основе генераторов тока можно делать стабилизаторы напряжения, напряжение на выходе которых слабо зависит от входного. Обычно стабилизаторы напряжения делают на основе стабилитрона, который подключен к шине питания через токоограничивающий резистор (рис. 1.17, а). Напряжение пробоя (напряжение стабилизации) стабилитрона от протекающего через него ток зависит очень слабо, но все-таки зависит. Поэтому при увеличении напряжения питания ток через него возрастает (так как падение напряжения на резисторе увеличивается), и напряжение стабилизации также незначительно увеличивается.

Рис, 1.17. Стабилизаторы напряжения: а — простейший; б — с генератором тока; в — мощный стабилизатор с генератором тока

В схеме на рис. 1.17, б питание на стабилитрон подается не через резистор, а через генератор тока. Протекающий через него ток очень слабо зависит от напряжения питания, поэтому напряжение стабилизации стабилитрона практически не зависит от напряжения питания и всегда остается почти неизменным.

Эту схему можно сделать более мощной, добавив к ней эмиттерный повторитель (рис. 1.17, в). Напряжение на эмиттере транзистора будет на 0,6…1 В (в зависимости от тока нагрузки) меньше напряжения на базе. Сопротивление резистора (100 Ом) указано для получения тока через стабилитрон, равного 4…6 мА (если полевой транзистор серии КП307Б). Если этот транзистор закоротить, то ток ограничится на уровне 1с вач (см. график на рис. 1.15), если его сопротивление бесконечно, то ток нагрузки равен нулю.

Иногда нужно получить стабилизированный ток, больший начального тока стока имеющегося у нас полевого транзистора. Для этого нужно подыскать более мощный транзистор. Но можно этого не делать, а поставить на выходе генератора тока на полевом транзисторе повторитель на биполярном транзисторе (рис. 1.18). В этой схеме ток в канал полевого транзистора течет от источника питания через прямосмещенный эмиттерный переход биполярного. Он зависит от падения напряжения на резисторе R1, и чем меньше падение на нем напряжения, тем меньше сопротивление канала полевого транзистора и тем больший ток течет через эмиттер в сток. То есть максимальный ток, который может «выдать» такой генератор тока, зависит от сопротивления резистора, и при R1 = 0 он равен 1с Н1ч · h2|S. При бесконечном сопротивлении резистора R1 он равен нулю.

Рис. 1.18. Мощный генератор тока с усилителем на биполярном транзисторе

Проверить исправность генератора тока очень просто: нужно один из его выводов, соблюдая полярность, соединить с плюсовой или нулевой шиной, а на второй вывод через миллиамперметр подавать напряжение разной амплитуды (если от аккумулятора — то 2, 4, 6, 8 В и т. д.). Ток на индикаторе измерительного прибора при этом в идеале вообще не должен изменяться, но идеальных транзисторов не существует, поэтому при увеличении напряжения стабилизируемый ток будет очень незначительно увеличиваться.

В электронике транзисторы с управляющим р-п-переходом включают в основном по схеме с общим стоком (ОС) (рис. 1.19). Несмотря на то что эта схема очень похожа на генератор тока, называется она «повторитель напряжения» и работает аналогично каскаду с ОК на биполярном транзисторе. Основное отличие каскада с ОС в отличие от каскада с ОК — очень большой коэффициент усиления по току.

Резистор R1, включенный в цепь затвора, нужен для поддержания нулевого потенциала на этом выводе. Его сопротивление может быть любым, но нужно помнить, что входное сопротивление каскада численно равно сопротивлению этого резистора (так как сопротивление затвора практически бесконечное). От

Рис. 1.19. Усилитель тока на полевом транзисторе (схема с ОС)

сопротивления резистора R2 зависит выходное сопротивление каскада. Напряжение на истоке транзистора относительно общего провода стабилизировано и равно 1,7…2,3 В (транзистор КП307Б) при сопротивлении резистора R2 от4,7 до 1000 кОм. То есть такой транзистор можно использовать в качестве микромощного стабилизатора напряжения (ток стабилизации — от 0 до 2 мА; у стабилитронов — от 3 до 15 мА). Напряжение на истоке транзистора, включенного по схеме с ОС, практически не зависит от напряжения питанин и сопротивления нагрузки; оно зависит только от напряжения на затворе. Благодаря этим особенностям такие каскады незаменимы в высококачествен ных усилителях с питанием от нестабилизированного источника. Их единствен ный недостаток — коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.

Если напряжение на затворе транзистора несколько увеличится, то обедненный слой сузится и сопротивление канала транзистора уменьшится. Увеличится напряжение на истоке транзистора (выводах резистора R2), оно будет увеличиваться (и, следовательно, напряжение на затворе относительно истока будет уменьшаться) до тех пор, пока напряжение на истоке относительно затвора не станет таким же, каким было прежде, т. е. если напряжение на затворе увеличить на 1 В, на истоке оно также увеличиться на 1 В. При уменьшении напряжения на затворе напряжение на истоке также уменьшится.

Но это справедливо только при использовании идеального транзистора. При увеличении напряжения на истоке ток через резистор R2 увеличивается (так как его сопротивление неизменно) и рабочая точка транзистора несколько смещается. Поэтому при увеличении напряжения на затворе на 1 В напряжение на истоке увеличится примерно на 0,97…0,98 В. Поэтому коэффициент усиления по напряжению (Ки = UBU>: U,x) несколько меньше единицы. Но это ерунда — напряжение можно усилить биполярным транзистором (схема с ОЭ). У всех полупроводниковых приборов есть один справочный параметр, который нужно учитывать только при изготовлении маломощных предварительных усилителей — коэффициент шума. Шумы возникают по разным причинам: из-за того, что пролет отдельных носителей заряда через потенциальный барьер происходит в случайные моменты времени (дробовой шум — самый «главный» шум: его амплитуда среди всех остальных шумов максимальна. Если вы включите приемник, не настроенный на радиостанцию, на полную громкость, то вы услышите именно его), менее «значителен» диффузионный шум (возникающий из-за столкновения электронов с кристаллической решеткой полупроводника) и генерационно-рекомбинационный шум, который вообще можно не учитывать. Так вот. У полевых транзисторов р-п-перехода между стоком и истоком нет (канал — однородный по всей длине полупроводник), следовательно, нет и дробового шума. Поэтому полевые транзисторы при прочих равных параметрах обладают наименьшим коэффициентом шума. В особенности это относится к транзисторам с управляющим р-п-переходом. Поэтому в предварительных (самых первых) каскадах усиления целесообразно ставить именно такие транзисторы — ведь если там поставить сильношумящий, то потом его шумы будут усиливать все последующие каскады и сигнал на выходе получится очень сильно искаженным.

Еще одна особенность усилителя, изображенного на рис. 1.19, — постоянная составляющая на его затворе равна нулю. Этот факт очень часто сильно облегчает проектирование устройства, делая ненужным разделительный конденсатор С1, емкость которого нужно рассчитывать по сложным формулам.

Как уже, наверное, заметили читатели, толщина канала транзистора на рис. 1.15 при некотором напряжении на затворе возле вывода стока меньше, чем возле истока. Связано это с тем, что положительный потенциал, который «растягивает» обедненный слой, в стоковой области канала больше, чем в истоковой. Поэтому при «полузакрытом» канале ток, протекающий через единицу площади сечения канала, возле стока гораздо больший, чем возле истока. Это может привести к локальному перегреву канала и выхода транзистора из строя при сравнительно небольшом токе. Это можно сравнить с водопроводным краном. в котором массивный вентиль, перекрывающий поток воды, заменен пластинкой металла, толщиной с лезвие безопасной бритвы. Мощный поток воды попросту сломает такой «вентиль».

Чтобы такая «беда» не случалась с полевыми транзисторами, вывод затвора Делают Наклонным (рис. 1.20) с таким расчетом, чтобы при напряжении на затворе, близком напряжению отсечки, плоскость области пространственного заряда была параллельна плоскости канала. Больше всего «шансов» перегореть у канала — при его минимальной толщине. При большой толщине на «непараллельность» обедненного слоя можно не обращать внимания.

У обычного, «несовершенного» транзистора (рис. 1.15) выводы стока и истока абсолютнб равнозначны, их смело можно менять местами. Но если «спутать» эти выводы у транзистора, изображенного на рис. 1.20, то из-за несимметричности обедненного слоя (эта несимметричность будет выражена еще ярче, чем у транзистора на рис. 1.15) его канал перегорит даже при очень небольшом протекающем через него токе. Поэтому, чтобы при случайной ошибке не вывести транзистор из строя, параллельно его выводам стока и истока подключают обратно смещенный защитный диод. При правильном подключении выводов этот диод закрыт обратным напряжением и не влияет на работу транзистора. Но при неправильном — диод открывается, падение напряжения на канале транзистора благодаря ему не превышает 0,6.,.1 В и ток через канал не достигает опасной для транзистора величены.

Единственный недостаток защитного диода — из-за него несколько увеличиваются шумы транзистора. Поэтому в некоторых специализированных транзисторах (все транзисторы изготавливаются по структуре на рис. 1.20) этого диода нет. Но такие транзисторы довольно редки и с ними очень трудно работать.

Рис. 1.20. «Настоящая» структурная схема полевого η-канального транзистора с управляющим р-п-переходом

Большинство транзисторов с управляющим р-п-переходом — маломощные и мощных во всех смыслах этого слова среди них нет. Связано это с нескольки ми причинами: во-первых, ими трудно управлять (нужно двуполярное напряжение), а во-вторых, технология их изготовления очень сложна. Но свято место пусто не бывает, и разработчики полевых транзисторов «придумали» новые группы транзисторов — с изолированным затвором. В зависимости от вида канала они бывают с встроенным или индуцированным каналом. Рассмотрим вначале последнюю разновидность транзисторов. Для уменьшения объема текста рассматриваться будут только самые дешевые и наиболее распространенные η-канальные транзисторы. Для р-канальных транзисторов полярности всех напряжений, указанных на рисунках, нужно изменить.

Структурная схема полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом (транзистор обогащенного типа) нарисована на рис. 1.21. Выводы у всех полевых транзисторов (исток, сток, затвор, подложка) называются одинаково. Основное отличие транзисторов с изолированным затвором от транзисторов с управляющим р-п-переходом — слой изоляции между затвором и каналом, благодаря которой на затвор можно подавать напряжение любой полярности. Разность потенциалов между затвором и истоком при этом не должна превышать 20 В — напряжения пробоя изоляции.

При напряжении на затворе, меньшем или равном нулю (схема с ОИ), канала нет (верхняя линия на рис. 1.21, с) и ток через выводы сток-исток равен нулю. При увеличении напряжения на затворе относительно вывода истока потенциал на затворе увеличивается и так как слой диэлектрика очень тонок, то в область канала начинают притягиваться отрицательно заряженные электроны (разноименные заряды притягиваются, а одноименные — отталкиваются). Так как для p-области, в которой формируется канал, электроны являются не основными носителями тока и их там очень мало, то для того, чтобы транзистор смог работать, вывод от p-области (подложку) соединяют с тем выводом, напряжение на котором минимально, т. е. с истоком. Во многих современных транзисторах эти соединения выполнены внутри транзистора, и наружу «торчит» только вывод истока.

При некотором положительном напряжении на затворе относительно истока (напряжение отсечки — Ц,и отс) к подзатворной области притягивается так много электронов, что они начинают частично замыкать выводы стока и истока. Так как для η-области электроны, скопившиеся в области канала, — основные

Рис. 1.21. Полевой транзистор с изолированным затвором (индуцированный канал): а — «внутренности»; б — вольт-амперная характеристика; в — схема включения носители тока, то через канал и соответственно нагрузку транзистора начинает течь некоторый ток. При дальнейшем увеличении напряжения на затворе п-области стока и истока перекрываются полностью и наступает режим насыщения (а напряжение на затворе в это время равно U3HH3C). Через нагрузку течет максимальный ток. Если напряжение на затворе увеличить еще сильнее, к области канала притянется еще больше электронов, но ток через нагрузку не изменится, так как площадь сечения стоковой и истоковой областей, в отличие от площади сечения канала, неизменна. А через единицу площади может протечь только некоторый, точно известный, максимальный ток.

При некотором очень большом напряжении на затворе относительно подложки (т. е. вывода истока) — обычно более 20 В — электроны притягиваются затвором 1ак сильно, что начинают «протыкать» диэлектрик. Наступает пробой затвора. К сожалению, этот процесс, даже если ограничивать ток, необратим (так как достаточно одному-единственному электрону «проткнуть» диэлектрик, чтобы в образовавшуюся «дырку» хлынули другие электроны, постепенно расширяя этот «проход»), поэтому во избежание порчи транзистора напряжение питания управляющей затвором схемы не должно превышать 20 В. Обычно его ограничивают на уровне 9…12 В.

Основное отличие транзисторов с индуцированным каналом от всех остальных полевых транзисторов — при нулевом напряжении на затворе канала нет и ток через выводы сток-исток равен нулю. Возникает канал при подаче на затвор положительного напряжения — напряжение такой же полярности приложено и к выводу стока. То есть для управления транзистором нужен однополярный источник питания. Напряжение U31) стс для большинства транзисторов равно 2…3 В, а разность UJHHIC– UJ(torc не превышает 3 В. Из-за столь небольшой разности управляющих напряжений транзисторы с индуцированным каналом в линейных усилителях мощности (предварительные усилители) практически никогда не используются. Но благодаря столь низкой разности управляющих напряжений такие транзисторы незаменимы в цифровых устройствах, когда нужно, чтобы транзистор был или полностью закрыт (RCH —» оо), или полностью открыт (RCH —» 0). А так как такие требования предъявляются в основном только к мощным усилителям, то маломощные транзисторы с индуцированным каналом очень редки, в основном такие транзисторы рассчитаны на большой протекающий через канал ток.

До сих пор, рассматривая полевые транзисторы, мы предполагали что их паразитные межэлектродные емкости равны нулю. У маломощных транзи сторов эти емкости не велики, поэтому в большинстве случаев и можно не учитывать. Но у мощных транзисторов они значительны и в зависимости от максимально допустимого тока через канал, могут достигать тысяч пикофарад

Внутренняя схема транзистора с изолированным затвором, на котором ука заны все паразитные емкости, приведена на рис. 1.22 Самая «главная емкость (т. е. самая максимальная) — емкость перехода затвор—исток (С311) Емкость затвор—сток Сзс примерно в 7 раз меньше емкости Сзи, а емкость Сси в 2 раза меньше Сзи. Емкости Сзи и Сзс иногда объединяют в одну емкость за твор-подложка Сзп. Как видно из рис. 1.21, чем больше площадь канала т е чем больше максимальный ток через него (чем меньше его сопротивление), тем больше емкость Сзп, так как емкость конденсатора возрастает при увеличении площади его пластин.

Рис. 1.22. Паразитные емкости и сопротивления у полевого транзистора

При работе устройства на низких частотах (менее 50 Гц) эти паразитные емкости можно не учитывать — их емкостное сопротивление очень велико. Но при увеличении частоты управляющего затвором сигнала емкостное сопротивление переходов уменьшается и на частотах выше 5…10 кГц его уже нужно учитывать, так как оно снижается до единиц… десятков килоом. На частотах выше нескольких сотен килогерц входное сопротивление транзистора снижается так сильно, что оно становится меньше, чем у биполярных такой же мощности. Кстати, у биполярных транзисторов переходы также обладают некоторой емкостью, но из-за особенностей их структурной схемы она в десятки раз меньше, чем у полевых с такими же максимально допустимыми параметрами. Поэтому мощные полевые транзисторы с изолированным затвором выгодно использовать только на частотах до 100…300 кГц. Правда, существуют более высокочастотные транзисторы с уменьшенными емкостями, но они редки и стоят очень дорого.

На рис. 1.22 также указаны два сопротивлениясопротивление утечки затвора (из-за не идеальности диэлектрика) Ryi и сопротивление канала (^си) в открытом состоянии. Сопротивление изоляции затвора RyT у современных транзисторов огромно — более 1015 Ом. Представить себе это число очень трудно, скажу только, что у такого хорошего диэлектрика, как бумага, сопротивление в сотни раз меньше, поэтому, экспериментируя с транзистором, его вывода затвора можно касаться не пальцем, а куском картона или полоской бумаги, если паразитные емкости транзистора невелики, то он на такую «замену пальца» никак не среагирует. Если же емкости значительны, то придется попросту слишком долго ждать, пока они зарядятся/разрядятся.

Кстати, такое сопротивление утечки RyT (1015 Ом) не предел. У некоторых современных микросхем памяти, у которых используется именно этот эффект, — у транзисторов с заряженным затвором сопротивление канала меньше, чем с незаряженным, — время сохранения заряда на затворе превышает 10 лет. Такое время гарантируется фирмой-изготовителем. По некоторым неофициальным данным, заряд на затворе сохраняется более 400 лет. Сопротивление утечки затвора у такого транзистора представить очень трудно — «утекают» примерно один-два электрона в сутки.

Один из важнейших параметров мощного полевого транзистора — сопротивление канала в открытом состоянии (RCH). От этого сопротивления напрямую зависит максимально допустимый протекающий ток — падение напряжения на канале не должно превышать 1 В, т. е.

Вообще у всех полевых транзисторов канала имеет некоторое конечное минимальное сопротивление, но у маломощных, включенных по схеме с ОС, действует обратная связь по напряжению и току, поэтому этим сопротивлением можно пренебречь. У маломощных полевых транзисторов есть только один важный параметр, характеризующий их усиление, — крутизна характеристики S — отношение приращения тока в нагрузке к приращению вызвавшего это напряжения на затворе, у транзистора, включенного по схеме с общим стоком:

>

Измеряется крутизна характеристики в амперах на вольт (у маломощных транзисторов — в миллиамперах на вольт). У мощных транзисторов этот параметр не имеет смысла хотя бы потому, что такие транзисторы по схеме с ОС никто не включает. Правда, в некоторых «отсталых» справочниках вместо сопротивления сток-исток для мощных транзисторов указывают крутизну характеристики. От такой «замены» только вред.

Мощные транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом включаются только по схеме с ОН (рис. 1.23). При напряжении на затворе меньше 2,5 В ток нагрузки равен нулю, и напряжение на стоке транзистора равно напряжению питания. При увеличении напряжения на затворе транзистор открывается, и при напряжении на этом выводе более 6 В он открыт полностью, а падение напряжения на канале равно

где— напряжение на верхнем по схеме выводе нагрузки относительно истока.

Рис. 1.23. Усилитель тока на п-канальном полевом транзисторе с индуцированным каналом (значения управляющего напряжения — приблизительны)

Так как падение напряжения на канале транзистора при плавном увеличении напряжения на затворе также плавно уменьшается, то транзистор во время переключения может сильно перегреваться (так же, как и биполярные транзисторы — см. выше). Чтобы этого не происходило, напряжение на затворе должно резко измениться. Длительность времени переключения транзистора должна быть в 10…100 раз меньше длительности пребывания его во включенном или выключенном состоянии, т. е. емкостное сопротивление перехода затвор—исток на максимальной частоте переключений должно быть в

10..        . 100 раз больше выходного сопротивления источника сигнала. В противном случае при большом токе нагрузки транзистор будет сильно греться и для него понадобится довольно массивный радиатор — теплоотвод. Входная емкость транзистора зависит от максимально допустимого через канал тока (примерно по 40…70 пФ на каждый ампер). Более точные цифры можно узнать из справочника или экспериментально — с помощью пробника или измерителя емкости.

Транзисторы со встроенным каналом (рис. 1.24) по функционированию практически ничем не отличаются от транзисторов с управляющим р-п-переходом, поэтому схемы их включения ничем не отличаются. Основные отличия полевых транзисторов со встроенным каналом: большее сопротивление изоляции, допускается подача на затвор’ положительного относительно истока напряжения, больший коэффициент шумов и не очень сложное устройство «внутренностей», позволяющее создавать довольно мощные транзисторы. Все остальные характеристики у этих двух видов транзисторов совпадают.

Один из самых главных параметров полевых транзисторов, как, впрочем, и большинства остальных электронных приборов, — максимально допустимое на-

Рис. 1.24. Полевой транзистор с изолированным затвором (встроенный канал): а — внутренности; б — вольт-амперная характеристика; в — схема включения пряжение между электродами. Максимально допустимое напряжение затвор-исток для большинства полевых транзисторов не превышает 10…20 В, максимальное напряжение сток-исток, в зависимости от типа транзистора, может быть от 20 до 1000 В (определяется по справочникам). Превышать эти напряжения нельзя.

В связи с очень большим сопротивлением изоляции затвора все полевые транзисторы подстерегает опасность пробоя так называемым статическим электричеством. Статическое электричество возникает из-за трения сухих неэлектропроводных материалов — наверняка все видели искры, которые возникают при снимании свитера из синтетических тканей. Статическое электричество на поверхности сухих предметов — диэлектриков есть всегда, и возникающие изредка искры говорят только о том, что сила тока этого самого электричества превысила некоторую предельную величину. Напряжение статического электричества может составлять десятки тысяч вольт, и оно не «бьет» нас только потому, что его ток очень небольшой. Как уже говорилось выше, для пробоя изоляции затвора полевого транзистора нужен ничтожный ток и напряжение выше 20 В. И то и другое у статического электричества «имеется». Поэтому при работе с полевыми транзисторами и микросхемами на их основе нужно соблюдать повышенную осторожность. Наиболее чувствительны к статическому электричеству маломощные транзисторы с изолированным затвором, транзисторы с управляющим р-п-переходом чувствительны слабее. Мощные полевые транзисторы из-за значительной емкости затвора практически нечувствительны к нему, но осторожность Все равно нужно соблюдать. В чем именно заключается эта осторожность, подробнее будет рассказываться в третьей части этой книги.

Для того чтобы самостоятельно разработать схему какого-нибудь устройства, состоящего из неизвестных вам доселе элементов, с ними (элементами) нужно «всласть набаловаться» на простеньком макете простейшего устройства, в котором такие приборы используются. Только на макете вы сможете полностью разобраться в принципе действия какого-нибудь прибора, фрагмента схемы или целого устройства. У русских есть замечательная пословица: лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. К электронике эта пословица имеет самое непосредственное отношение: электроника — практическая наука, и если вы будете знать только теорию (т. е. все то, что описано выше, — про диффузию электронов в межбазовую область потенциального барьера), то на практике, когда вы возьмете паяльник в руки, ваша схема, которая по теории обязана работать, откажется «пахать». И все потому, что вы не заметили маленькую приписку, набранную мелким шифром в конце теоретического материала. К сожалению, полностью описать свойства и функции какого-нибудь предмета невозможно — часть описания автор опускает по незнанию, часть потому, что он считает, что «это должны знать все — даже младенцы», часть «вырезает» редакция издательства, пытаясь тем самым уменьшить объем материала…

Но на самом деле в радиолюбительской электронике сложных деталей нет, все очень поосто и работает по примитивным алгоритмам. Главное, понять, как именно оно работает. А после того как вы это поймете, с этим элементом у вас уже никогда не возникнет никаких проблем.

В то же время из-за того, что электроника — практическая наука, знать теорию совершенно необязательно. Я, к примеру, знаю только две формулы — закон Ома и как определяется коэффициент h2, транзисторов. И это не мешает мне быть автором многочисленных статей и вот этой книги.

Поэтому талантливый радиолюбитель-электронщик, который знает больше некоторых профессоров-теоретиков и при этом, кроме школы, больше ничего не оканчивал, чем-то похож на мартышку с очками из одноименной басни Н. Крылова — он будет «крутить» неизвестную ему деталь до тех пор, пока полностью не разберется, что это такое и как она работает. А теория только подтолкнет его к правильному пути.

Поэтому я за то, чтобы все те схемы, которые напечатаны в этой книге, читатели по мере своих финансово-материальных возможностей самостоятельно собирали, хотя бы для того, чтобы убедиться, что схема в самом деле работает. Это как с осьминогом, про которого я упоминал в начале этой книги. Возможно, благодаря описанию вы смогли понять, что он из себя представляет. Но после того как вы подержите осьминога в руках, попытаетесь связать из его восьми щупалец один большой узел, ваши знания о его строении пополнятся так сильно, что вы сможете «обламывать» довольно серьезных профессоров, которые осьминога видели только на картинках. Поэтому не нужно лениться и экономить электроэнергию. Лень — двигатель прогресса, но ленивые люди даже не попытаются сдвинуть прогресс с места.

Для того чтобы лучше понять функционирование и принцип действия полевых транзисторов, предлагаю поиграть в такую «игру»: допустим, у нас есть три транзистора (дешевых отечественных) — КП307, КП305 и КР1014КТ1. Про них нам неизвестно ничего. Наша задача — определить тип, структуру и цоколевку (разводку выводов) каждого из них.

Из дополнительного оборудования нам понадобится источник питания напряжением 9…12 В, мультиметр (если у вас его нет — обязательно купите: радиолюбитель без мультиметра то же самое, что автолюбитель без машины), светодиод с резистором на 1…4,7 кОм и батарейка 9 В (ее можно заменить электролитическим конденсатором емкостью более 100 мкФ, заряженным до напряжения 9…12 В).

Как выглядят эти транзисторы, видно из рис. 1.25. Транзистор КР1014КТ1 изготавливается в «микросхемном» восьминогом корпусе, но от этого из транзистора в микросхему он не «превратился».

Начнем с транзистора типа КП307 (или КПЗОЗ). Для начала нужно с помощью мультиметра (цифровой диапазон — измерение параметров диодов) «прозвонить» его, чтобы примерно понять устройство «внутренностей». Удобнее всего при прозвонке одним щупом мультиметра держать транзистор за какой-нибудь вывод (например, вывод 1 — рис. 1.25), а вторым щупом поочередно касаться выводов 2, 3, 4. Потом первым щупом берем транзистор за вывод 2, а вторым касаемся выводов 3, 4, 1 и т. д., пока не «перепробуем» все комбинации. При этом нужно запоминать показания на индикаторе (падение напряжения между выводами) при каждой комбинации. Чтобы было проще, падения напряжения нужно классифицировать на 3 группы: «мало» — от 0 до 500, «р-п-переход»

Рис. 1.25. Форма корпуса некоторых полевых транзисторов

Рис. 1.26. Простейший пробник для проверки полупроводниковых приборов

(500…1100 — чем меньше, тем больше максимальный допустимый ток через переход), и «много» — больше 1100. Вначале будет сложно, поэтому, чтобы не запутаться, их лучше записывать на бумаге.

Во время прозвонки замечаем, что между выводами 1 и 2 транзистора падение напряжения равно примерно по 115 при любой полярности «прозвоночных» напряжений (на красном щупе мультиметра положительное, относительно черного щупа, напряжение). Для р-п-перехода это слишком мало. Следовательно, это или неисправный («пробитый») р-п-переход, или канал. Так как мы проверяем полевой транзистор, то, скорее всего, верно второе предположение. Далее мы замечаем, что, когда мы касаемся третьего вывода (рис. 1.25) транзистора красным щупом, между ним и выводами 1, 2 канал прозванивается очень маломощный р-п-переход (падение напряжения на нем более 1000 мВ). Значит, третий вывод — это затвор, а сам транзистор — с управляющим р-п-переходом. Так как «затворный диод» прозванивается только тогда, когда вывода затвора мы касаемся красным щупом мультиметра, следовательно, затвор «сделан» из полупроводника р-п-перехода, т. е. транзистор — п-канальный.

Вывод транзистора по отношению ко всем остальным выводам не прозванивается. В то же время он соединен с металлическим корпусом транзистора. Поэтому, скорее всего, он соединен с подложкой, так как у транзистора с управляющим р-п-переходом подложка отделена от канала не электропроводным обедненным слоем (см. рис. 1 15).

Теперь нам остаюсь только определить, где вывод истока, а где — стока. Для этого понадобится смоделировать схему включения транзистора (рис 1 26) — эти выводы можно отключить только на макете. Транзистор лучше всего включать по схеме с общим истоком. Так как транзистор — п-канальный, то общий провод отрицательный вывод источника питания.

Вначале с нижним (общим) Проводом соединяем вывод 1 транзистора, а с верхним (светодиодом) вывод 2. Светодиод должен ярко загореться. Соединяем положительный вывод второй батарейки (или конденсатора 0 с общим проводом, касаемся пальцем одной руки отрицательного вывода батарейки, а пальцем второй руки касаемся вывода 3 транзистора. Светодиод погаснет, а после того, как мы отпустим затвор, через несколько секунд плавно «разгорается» (так как светодиод не горит как лампочка, а светится: при свечении тепло не выделяется, поэтому КПД светодиода гораздо выше, чем у лампочки) до максимальной яркости Это плавно разряжалась емкость затвора через сопротивление утечки. Следовательно мы правильно включили транзистор.

Но для того чтобы убедиться в этом на все 100%, нужно провести контрольный опыт: поменять провода, подходящие к выводам канала (выводы 1 и 2), местами. Светодиод ярко «загорится», и, подавая на затвор отрицательное относительно истока напряжение (таким же образом, как и раньше), мы вызовем погасание светодиода, и после отпускания затвора он «разгорится» так же плавно, как и раньше. То есть эта схема включения тоже «правильная».

Объяснит^ такую двойственность можно только одним образом: у этого транзистора (КП307) затвор выполнен так, как показано на рис. 1.15, и толщина канала по всей его длине равномерна. Поэтому транзистору все равно, какой ид его выводов (1 или 2) канала сделать стоком, а какой — истоком. Но все-таки лучше истоком «делать» вывод 1.

Теперь попробуем «проверить» транзистор КП305. Канал у этого транзистора, похоже, находится между выводами 1 и 2 (падение напряжения — 45 мВ), а вывод 4 — корпус — подложка. Вывод 2 не прозванивается никак, значит, скорее всего, это затвор (предполагается, что все транзисторы исправны).

При этом можно заметить одну особенность: если держать черным щупом за один из выводов 1 или 3, а красным вначале коснуться вывода 2, а потом второго вывода канала, то его сопротивление окажется почти в 2 раза меньше — падение напряжения будет составлять 26 мВ вместо 45 мВ, и со временем оно будет увеличиваться до 45 мВ (цифры приблизительны, и для разных транзисторов даже из одной партии они разные).

Объяснить это можно только так. У цифрового мультиметра в режиме измерения падения напряжения на переходах диодов (р-п-переходах) напряжение на разомкнутых щупах составляет примерно 2,7 В. Когда мы черным щупом держим вывод от канала, а красным касаемся вывода затвора, то мы заряжаем затвор-канал и толщина канала увеличивается, а его сопротивление — уменьшается. После того как мы коснемся красным щупом до второго вывода канала, падение напряжения на нем станет меньше. В это время затвор начнет разряжаться через сопротивление утечки и падение напряжения на канале станет увеличиваться. Если же в это время подуть на транзистор, то его затвор разрядится практически мгновенно — сопротивление влажного воздуха в тысячи раз меньше сопротивления сухого, к тому же водяной пар дыхания начнет конденсироваться на холодном корпусе транзистора (надеюсь, эффект «запотевания» холодных предметов известен всем).

Давайте теперь попытаемся зарядить затвор отрицательным потенциалом — для этого возьмемся красным щупом за один из выводов канала, а черным вначале коснемся затвора, а потом второго вывода канала. При этом мы заметим любопытную картину: когда красным щупом мы держим транзистор за вывод 1, то сопротивление канала при отрицательно заряженном затворе огромно, по крайней мере, падение напряжения на нем более 1999 мВ; когда красным щупом мы держим транзистор за вывод 3, то падение напряжения на нем меньше и составляет около 1200 мВ. Следовательно, «правильная» первая схема включения. Так как транзистор закрывается при отрицательном напряжении на затворе, то он п-канальный. Затвор никак не прозванивается по отношению ко всем остальным выводам, значит, транзистор с изолированным затвором. А так как при напряжении на затворе, близком к нулю, его канал имеет некоторое очень небольшое сопротивление, то этот транзистор со встроенным каналом.

Учитывая то, что транзистор п-канальный, а также то, что при «правильном» включении на его выводе 1 должен быть положительный потенциал, мож- rto сделать вывод, что вывод 1 — это сток, а вывод 3 — исток. Теперь можно убедиться в правильности этого предположения, а также узнать о наличии или отсутствии защищающих канал диодов, подключив транзистор к схеме на рис. 1.26 и выполняя над затвором те же самые манипуляции, что и с предыдущим транзистором (КП307). Оказывается, что защитных диодов у этогр транзистора нет и ему так же. как и КП307, безразлична полярность напряжения на затворе. Но все-таки лучше «плюс» подавать на вывод 1.

Эти два типа транзисторов являются маломощными малошумящими, рассчитанными на работу с сигналом, ток которого в десятки раз меньше максимально допустимого тока стока. Поэтому защитных диодов, которые сильно шумят, в них нет. В более мощных транзисторах, в которых шумы отодвигаются на второе место после надежности прибора, защитные диоды устанавливаются всегда.

Теперь у нас остался только транзистор КР1014КТ1. После предварительной проверки с помощью мультиметра приходим к выводу, что его выводы 1, 8, 2, 3, 6, 7, 4, 5 соединены друг с другом (т. е. у транзистора только три вывода, а не все восемь, что не может не радовать), а также, что между выводами 2 и 4 включен довольно мощный диод (падение напряжения на нем — около 500 мВ). В качестве изоляции затвора столь мощный диод использоваться не может в принципе, следовательно, он служит для защиты канала от подачи обратного напряжения. То есть выводы 2 и 4 микросхемы — выводы канала, следовательно, вывод 1 (методом исключения) — вывод затвора.

Для проверки этого предположения подключаем транзистор-микросхему к схеме, изображенной на рис. 1.26. Обнаруживаем, что, когда с общим проводом соединен вывод 2 микросхемы, а со светодиодом — вывод 4, светодиод ярко светится независимо от напряжения на затворе (вывод 1). Если же выводы канала поменять местами, то при нулевом напряжении на затворе светодиод не светится. а при напряжении на нем, близком к напряжению питания, светится с максимальной яркостью Следовательно, «правильной» является последняя схема; так как яркость светодиода увеличивается при увеличении напряжения на затворе, то транзистор η канальный, а у такого транзистора напряжение на истоке меньше, чем на стоке, т е вывод 4 — исток, а вывод 2 корпуса — сток. Так как сопротивление затвора огромно и не «прозванивается» мультиметром, то этот транзистор с изолированным затвором. А из того, что при нулевом (т. е. таком же, как и на истоке) напряжении на затворе ток через нагрузку не идет, можно сделать вывод, что этот транзистор с индуцированным каналом.

Примерно таким же образом можно проверять и биполярные транзисторы. При этом нужно помнить, что биполярные транзисторы — это почти два диода (рис. 1.9), поэтому и прозваниваются» они, как диоды (одним щупом нужно держать транзистор за вывод базы а вторым поочередно касаться выводов коллектора и эмиттера) Если цоколевка транзистора неизвестна, то вначале нужно найти вывод базы (так как только по отношению к базе оба других перехода транзистора могут быть открытыми), падение напряжения на коллекторном переходе на 2…20 мВ меньше, чем на эмиттерном. Если за базу вы держитесь красным щупом мультиметра и при этом оба транзисторных перехода открыты (при касании черным щупом и к коллектору, и к эмиттеру через эти переходы течет некоторый ток и на индикаторе «выскакивает» число, меньшее 1000), то этот транзистор структуры π-ρ-n, в противном случае (если за базу вы держитесь черным щупом), транзистор структуры р-п-р.

Рис. 1.27. Защитные диоды и резисторы внутри мощных транзисторов

По падению напряжения на коллекторном переходе можно сделать вывод о мощности транзистора. Если оно меньше 600 мВ — транзистор мощный, и чем меньше это число, тем он мощнее.

При падении напряжения на коллекторном переходе в пределах 600…700 мВ — транзистор средней мощности, если оно больше 700 — маломощный.

Так же как и у полевых, у некоторых биполярных транзисторов средний мощности и у большинства мощных транзисторов переход коллектор—эмиттер замкнут обратносмещенным защитным диодом (рис. 1.27), а у некоторых высоковольтных транзисторов (UKB > 800 В) между выводами базы и эмиттера включен резистор сопротивлением

40..        .100 Ом (к такому транзистору относится КТ872). При прозвонке транзисторов это нужно учитывать.

При прозвонке транзисторов, а также печатных плат с припаянными деталями очень удобно пользоваться одной особенностью цифрового мультиметра: при измерении сопротивления максимальное напряжение на его щупах не превышает 0,2 В. А р-п-переходы кремниевых полупроводников открываются при напряжении, большем 0,6 В. Поэтому в режиме измерения сопротивления цифровым мультиметром р-п-переходы деталей, припаянных к плате, не открываются, и в этом режиме цифровой мультиметр, в отличие от стрелочного, измеряет только сопротивление. У стрелочного мультиметра в таком режиме напряжение на щупах достаточно для открывания р-п-переходов.

Для того чтобы цифровым мультиметром можно было проверить р-п-переходы, в него введен специальный диапазон. Обозначается он маленьким диодом на шкале прибора; рабочее напряжение на щупах в этом режиме равно 0…2 В (точнее, 0…2000 мВ), а ток через щупы не превышает 1 мА. Столь низким током невозможно пробить ни одного, даже самого маломощного полупроводника, с которым приходится сталкиваться радиолюбителю. Поэтому предварительное приблизительное определение цоколевки транзисторов и микросхем нужно производить именно с помощью мультиметра.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты