Компютри, бизнес, наука, технологии и общество
Полеви транзистори
Полевите транзистори са активни полупроводникови прибори, чиято работа се основава на управление на електрическото съпротивление на слой от полупроводников материал, посредством напречно електрическо поле. Полупроводниковият слой, чието съпротивление се модулира чрез промяна на сечението му, се нарича канал. Проводимостта на канала се определя само от един тип токоносители – основните за използвания полупроводник. Затова полевите транзистори се наричат още униполярни.
Електрическото поле се създава от метален електрод, разположен над канала, който се нарича гейт (управляващ електрод, затвор, G).
Електродът, от който основните токоносители влизат в канала, се нарича сорс – S (исток, катод). Електродът, през който основните токоносители излизат от канала, се нарича дрейн – D (сток, анод).
Патент на устройство, аналогично на полевия транзистор е направен още през 1930 г, от американския учен Дж. Лилиенфийлд. Това е станало много преди появата на биполярния транзистор. Обаче, поради ограничените възможности на технологията, полевите транзистори са разработени доста по-късно. През 1952 г. Шокли разработва и публикува теорията на полевия транзистор с PN-преход. През 1955 г. Дейси и Рос изработват първите екземпляри от германий на тези транзистори и изследват техните характеристики. През 1960 г. Аталла и Кант разработват структурата метал-окис-полупроводник, която стои в основата на MOS транзистора. Тук проводимостта на канала се изменя под действие на напрежение, приложено към метален електрод, изолиран с тънък слой окис от полупроводника.
В литературата на английски език, полевите транзистори са известни под съкращението FET (Field Effect Transistors). Понастоящем се произвеждат най-различни видове полеви транзистори с много добри качества, както във вид на дискретни елементи, така и в интегрални схеми.
Най-широко разпространение са получили полевите транзистори с управляващ PN-преход (Junction Field-Effect Transistor, JFET), при които изолацията между гейта и канала се осъществява чрез обеднения слой на обратно поляризиран PN-преход и МOS транзисторите (Metal-Oxyde-Semi-conductor, MOSFET), гейтьт на които е изолиран от канала с диелектрик (най-често се използва SiO2).
Класификация на полевите транзистори, според някои от най-често използваните критерии за класифициране е дадена на фиг.1.
Управлението на тока в изходната верига на JFET транзистори се осъществява чрез входно напрежение. Входният им ток е изключително малък, респективно входното им съпротивление е извънредно голямо. Следователно параметрите и характеристиките на тези транзистори съществено се отличават от параметрите и характеристиките на биполярните транзистори. Основните предимства на полевите транзистори пред биполярните са:
- много голямото входно съпротивление;
- ниското ниво на собствени шумове;
- широк температурен диапазон на работа – от -200 до +200°С;
- използват се и като управляеми съпротивления;
- наличието на термостабилна точка, което позволява конструиране на стъпала с висока температурна стабилност;
- устойчивост на параметрите им към въздействието на различни видове йонизиращи лъчения;
- управляват се със сигнал с малка мощност и осигуряват значително усилване по мощност;
- съществува голямо разнообразие на структури, което позволява реализацията на многобройни схеми и функции;
- изработват се по познатите технологии и поради малкия си обем върху подложката (особено при MOS транзисторите) чрез тях се изграждат големите и свръхголемите интегрални схеми в техниката.
Основните недостатъци на полевите транзистори са:
- по-малко бързодействие в сравнение с биполярните;
- малка стръмност на характристиките;
- малка устойчивост на статични електричества при MOS транзисторите, факт изискващ електростатична защита на външните входове;
- противоположна полярност на напреженията UDS и UGS при полевите транзистори с РN-преход.
Структура на полевия транзистор с PN преход
Напрежението на дрейна спрямо сорса UDS трябва да е положително, а напрежението на гейта спрямо сорса UGS – отрицателно. По този начин PN-преходът гейт – подложка е поляризиран в обратна посока, като широчината на обеднения слой зависи от приложеното напрежение. С нарастване на отрицателното напрежение на гейта широчината на обеднения слой нараства, дебелината на канала намалява, съпротивлението му нараства и токът през канала намалява. Съществува такава стойност на гейтовото напрежение, при която обеднената област на управляващия PN-преход, запушва изцяло канала. Това напрежение се нарича прагово напрежение UT и е основен параметър на полевите транзистори и зависи само от конструкцията на прибора. Типичната му стойност е от порядъка на няколко волта. Токът ID при UGS = UT е много малък, но не е равен на нула, тъй като винаги има ток на утечка между дрейна и сорса, дължащ се на обратния ток на преходите и тока по повърхността на кристала.
Токът във входната верига е равен на обратния ток на управлявания PN-преход и е много малък (10-10 ÷ 10-11А). Полевият транзистор се управлява с напрежение за разлика от биполярния, който се управлява с ток. Поради малкия входен ток усилването по мощност е голямо.
От конструкцията и начина на действие се вижда, че сорсът и дрейнът са обратими, но се препоръчва при работа да се спазват местата им, както са дадени в справочниците, защото в някои случаи корпусът е свързан със сорса и размяната им би повишила паразитните капацитета.
Транзисторите с P-канал се отличават по обратната полярност на захранващите източници и обратните посоки на токовете.
Чрез отрицателното напрежение UGS задаваме началното сечение на канала. Тъй като UGS < UT, каналът не е прищипан . За да протече дрейнов ток ID се подава „+“ на дрейна и „-“ на сорса. Електроните под влияние на електричното поле, създадено от напрежението UGS тръгват от сорса, преминават през канала, достигат до дрейна и в изходната верига протича дрейнов ток ID. Токът, протичащ през канала на транзистора създава пад на напрежение UK, който нараства от сорса към дрейна, защото съпротивлението на канала нараства от сорса към дрейна. Поляризиращо напрежение във всяка точка на прехода гейт-подложка UPN е равно на сумата от подаденото напрежение UGS и напрежението, породено в канала UK. Следователно напрежението, поляризиращо обратно управляващия PN-преход UPN нараства от сорса към дрейна. Това води до нарастване на обемните заряди и намаляване сечението на канала.
При UDS > UDSAT се увеличава областа на прищипване на обемните заряди и слабото нарастване на ID в пентодна област се обяснява с намаляване на дължината на канала, а оттам и неговото съпротивление. Прищипването на канала в пентоден режим е вследствие на увеличаване на тока през канала и не води до запушване на транзистора. Образува се надлъжно електрично поле в областта на прищипване, което ускорява токоносителите в канала. Насищането в пентоден режим е вследствие не само на напрежителния пад в канала, а и вследствие на намаляване на подвижността на токоносителите в канала под действие на силното поле.
При различни по стойности отрицателни напрежения на гейта провеждащият канал има различни начални сечения и изходните характеритики са отместени една спрямо друга. Максимален дрейнов ток IDmax се получава при нулево напрежение на гейта.
При големи напрежения на дрейна в управляващия PN преход възниква пробив. Той е обусловен от лавинното умножаване на токоносителите, протичащо обикновено в прехода близо до дрейна. Пробивното напрежение зависи от напрежението UGS.
Предавателните (преходните) характеристики представляват зависимостта на дрейновия ток ID от напрежението гейт – copс UGS при различни постоянни напрежения на дрейна UDS
Влияние на температурата. Температурната зависимост на дрейновия ток е обусловена от противоположното влияние на температурата върху подвижността на токоиосителите в канала и контактната потенциална разлика на управляващия PN-преход.
С повишаване на температурата подвижността на токоносителите в канала намалява, съпротивлението му нараства и ID намалява. От друга страна, при повишаване на температурата контактната потенциална разлика на управляващия PN-преход намалява, широчината на обеднената област намалява, сечението на канала се увеличава и ID нараства. При подходящ избор на постояннотоковия режим двете влияния взаимно се компенсират и дрейновият ток не зависи от температурата, т.е. полевите транзистори с PN-преход притежават термостабилна точка.
Температурната стабилност на полевите транзистори е най-добра при протичане на малки токове през тях. За нормален режим на работа полевият транзистор има отрицателен температурен коефициент на дрейновия ток, по-малък от положителния температурен коефициент на колекторния ток при биполярния транзистор.
Температурата влияе и върху обратния ток през управляващия PN-преход IGSS. При увеличаване на температурата този ток нараства и при температури над 50÷60 0С не бива да се пренебрегва.
Полевите транзистори работят безотказно в широк температурен диапазон (от -200 до +200 0C), като при ниски температури някои техни параметри се подобряват.
Максимално допустими параметри
Стойностите на някои параметри на РN-полевия транзистора не трябва да бъдат превишавани поради риск от повреда. Това са:
- максимално допустимо напрежение между гейта и сорса – UGSmax;
- максимално допустимо напрежение между дрейна и сорса – UDSmax;
- максимално допустима мощност, разсейвана от транзистора – Рmax;
Максимално допустимите напрежения се избират близки, но по-малки от съответните пробивни напрежения.
Максималната мощност на полевия транзистор Pmax е онази, при която температурата на преходите достига своята максимално допустима стойност Tjmax. При силициевите транзистори Tjmax е около 200°С.
Максималната мощност зависи и от температурата на околната среда Та. Максимално допустимите параметри на транзистора са дадени в справочниците обикновено при Та = 25°С. Маломощните PN-транзистори имат най-често Pmax = 200÷300 mW, а при средномощните тя е 0,5÷1W. Съществуват и мощни РN-транзистори с Рmах =2÷10 W
Еквивалентни схеми на PN транзисторите
Явленията и особеностите в конструкцията на полевия транзистор с .РN преход могат да се отразят в еквивалентна схема. Колкото е по-подробна еквивалентната схема, толкова е по-голяма точността на модела, но едновременно с това се усложняват уравненията, описващи работата на транзистора. В зависимост от изискванията за точност се използва една или друга еквивалентна схема, на чиято база се прави съответния математически модел. Усилвателните свойства на транзистора са отразени чрез зависимия генератор на ток SUGS. Тъй като токът на гейта на полевия транзистор е пренебрежимо малък, активните съпротивления RGD и RGS са много големи (от 100 до 1000 MΩ) и често в еквивалентната схема се отразяват като прекъсване на веригата. Стойностите им са температурно зависими.
В еквивалентната схема са пренебрегнати съпротивленията дрейн – канал (RD) и сорс – канал (RS), които не зависят от приложеното напрежение, а само от конструкцията на транзистора. При някои конструкции те могат да достигнат до значителни стойности (до 100Ω), и да повлияят на параметрите и работата на транзистора.
Схеми на свързване
В зависимост от общия електрод за входната и изходната верига, полевият транзистор с РN- преход може да бъде свързан в три основни схеми – общ copc (OS), общ дрейн (OD), общ гейт (OG). Всяка от тези схеми намира приложение и има своите особености, предимства и недостатъци, но общото и за трите е, че управляващият участък е гейт-сорс, а управляваният ток протича между дрейна и сорса.
Най-широко разпространение в практиката е намерила схема OS (аналогична на схема ОЕ при биполярния транзистор). Тази схема се характеризира с голямо входно съпротивление, много голям коефициент на усилване по ток, по напрежение и по мощност. При нея изходният сигнал е противофазен на входния.
Схемата OD (аналогична на схема ОС при биполярния транзистор) не усилва по напрежение, но усилва по ток и по мощност. Има голямо входно съпротивление и малко изходно. Това обуславя използването на схемата като буфер.
Схемата ОС (аналогична на схема ОB при биполярния транзистор) има малко входно съпротивление, малък коефициент на усилване по ток и по мощност. При ниски честоти се използва рядко. Схемата има много добри честотни свойства.
Постояннотоково захранване на PN транзисторите
За да усилва полезния сигнал (малките променливите токове и напрежения, подадени на входа), полевият транзистор трябва да бъде поставен в подходящ постояннотоков режим. Съвкупността от тези постоянни токове и напрежения се нарича работна точка на транзистора. Изборът на работна точка определя входното съпротивление, коефициента на усилване, изходното съпротивление, изкривяванията и други параметри на транзистора. Характеристиките на полевия транзистор, както и уравненията му са нелинейни, но за малките сигнали те могат да се разглеждат като линейни. Работната точка трябва да се намира в линейната зона на характеристиките на полевия транзистор. Това може да бъде постигнато чрез подходяща поляризация.
На практика постояннотоковият режим на транзистора се осигурява с помощта на един единствен източник на напрежение в комбинация с няколко резистора, защото използването на два източника на напрежение (фиг.4 и фиг.5) не е икономично.
Не е желателно прилагането на положително напрежение UGS на N-канален полеви транзистор и отрицателно UGS на P-канален транзистор. В този случай дрейновият ток ID не може да се управлява, тъй като преходът гейт-сорс ще бъде поляризиран в права посока.
Най-често използваната схема за задаване на постояннотоковия режим на полевия транзистор с РN-преход се нарича схема с автоматично преднапрежение. При нея във веригата на сорса е включен резисторът RS, а гейтът е свързан към маса с резистора RG. Tокът през гейта е много малък и създава пренебрежимо малък пад на напрежението върхуRG. Този пад е стотици пъти по-малък от пада върху RS и може да се пренебрегне.
В резултат на това сорсът е с по-положителен потенциал спрямо маса. Потенциалът на гейта практически е близък до този на масата. Резисторът RG фиксира отрицателния потенциал на гейта. В противен случай той ще е плаващ. Резисторът RS не само създава необходимото отрицателно напрежение на гейта, но има и температурно стабилизираща роля. Например, ако по някаква причина ID0 нарастне, падът на напрежение върху RS се увеличава и работната точка се мести към по-малък дрейнов ток. Аналогични са явленията при намаляване на ID0. От резистора RD зависят координатите на работната точка.
За изчисляване на координатите на работната точка се използват уравнения. След изчисляване на координатите на UDS0 и UGS0 се проверява възприетият режим и ако той се окаже неподходящ, изчисленията се повтарят за друг режим. Най-често резисторът RD и E са подбрани така, че транзисторът да работи в пентоден режим. Пентодният режим осигурява: максимална стръмност за гейтовата характеристика, голямо изходно съпротивление и най-голямо усилване по напрежение. За да работи полевият транзистор в пентоден режим, приложеното напрежение трябва да бъде по-голямо по абсолютна стойност от праговото напрежение на транзистора
Полевият транзистор като усилвател
Постояннотоковият режим и при двете стъпала е зададен чрез схемата с автоматично преднапрежение, разгледана в т. 8. Кондензаторът CS служи да се премахне отрицателната обратна връзка за променливата съставка на тока, което би довело до намаляване на коефициента на усилване. Поради отсъствието на постоянен входен ток на гейта, представените стъпала имат много голямо входно съпротивление. Такива усилватели са необходими когато се работи с високоомни източници на сигнал, срещащи се в измервателните схеми.
Особености на стъпало общ сорс и сравнение със стъпало ОЕ. Разгледани са двете стъпала OS и. ОЕ, поставени при еднакви условия, т.е. имат едно и също захранващо напрежение (например Е=10 V) и еднакви токове в изходната верига, осигуряващи работната точка на транзисторите (например ID0 = IC0 = 1mA). При анализа на двете схеми могат да се направят следните изводи.
Коефициетът на усилване по напрежение на стъпалото с полевия транзистор (KUos ≈ -s(RD||rT), s = 2mA/V при ID0 =1mA) е около 20 пъти по-малък от този на стъпало с биполярен транзистор (KUOE ≈ -s(Rc ||rT ), s = 40 mA/V при IC0 = 1mA)
Kuos < KUOE.
Това се дължи на по-малката стръмност s на полевия транзистор в сравнение с тази на биполярния, което е сериозен недостатък на полевия транзистор с PN-преход. И при двете схеми изходният сигнал е в противофаза на входния
Коефициентът на усилване пoток на стъпалото OS е много по-голям от този на стъпалото ОЕ
КIOS >> КIOE.
Коефициентът на усилване по мощност на стъпалото OS е много по-голям от този на стъпалото ОЕ
KPOS >> KPOE.
Входното съпротивление на стъпалото OS е много по-голямо от това на стъпалото ОЕ
RВХОS >> RВХОЕ.
Следователно, основното предимство на полевите транзистори с PN-преход е нищожната мощност необходима за управлението им.
В заключение може да се каже, че в усилвателите, стъпалото общ сорс, реализирано с полеви транзистор с PN-преход се предпочита пред стъпало общ емитер (с биполярен транзистор), само ако е необходимо да се използват уникалните входни параметри на полевия транзистор (изключително високото входно съпротивление и незначителния входен ток).
Особености на стъпало общ дрейн (OD) и сравнение със стъпало общ колектор (OC). Тази схема се нарича още сорсов повторител, тъй като няма обръщане на фазата. Тя е предпочитана пред стъпалото общ колектор (емитерен повторител) когато се използва като буфер тъй като има много голямо входно съпротивление и малко изходно. Сравнението на двете усилвателни стъпала (OD и OC ) показва, че при еднакъв електрически режим:
- коефициентът на усилване по напрежение и при двете схеми е по-ма лък от единица;
- коефициентите на усилване по ток и по мощност при стъпало общ дрейн са по-големи от тези при стъпало общ колектор;
- изходното съпротивление на стъпалото общ дрейн е по-малко от това на стъпало общ сорс, но е по-голямо в сравнение със стъпало общ колектор (стъпалото общ сорс се предпочита, когато RC >5kΩ, а стъпалото общ колектор се предпочита при RC<5 kΩ).
Сорсовият повторител с полеви транзистор намира приложение във входните стъпала на осцилографите и другите измервателни прибори. Често високото входно съпротивление е неотменна особеност на източниците на сигнал, например при кондензаторните микрофони, pH-метрите, електродите за снемане на сигнали от живи обекти в медицината и др. Във всички тези случаи полевият транзистор има предимство (в дискретно изпълнение или в състава на интегралните схеми) и пренебрежимо малкият му входен ток е приоритетен пред неговата малка стръмност. Това прави сорсовия повторител (и даже усилвателите с общ сорс) предпочитан заместник на емитерния повторител с биполярен транзистор.
Полевият транзистор като регулируемо съпротивление
Полевият транзистор се използва и като регулируемо съпротивление, управлявано чрез напрежението UGS. Това съпротивление е симетрично, поради взаимозаменяемостта на сорса и дрейна. Следователно, напрежението UDS може да бъде както положително, така и отрицателно. Неговата стойност трябва да бъде достатъчно малка, за да бъдат използвани линейните части (триодната област) на изходните характеристики.
Генератори на ток с полеви транзистор с РN-преход
Полевият транзистор често се използва и като генератор на ток, особено в интегралните схеми (в частност, в ОУ), а понякога и в схемите с дискретни елементи.
От изходните характеристики на полевия транзистор се вижда, че токът ID ще бъде постоянен при напрежения UDS > 2 V. Тази схема се предпочита, паради своята простота (двуполюсник, генериращ ток). За да се увеличи изходното съпротивление на транзистора и да се подобрят параметрите на схемата се включва резисторът RT.
Съществуват серийни „диодни стабилизатори на ток“ (ДСТ), с ниска себестойност, съставени от няколко еднакви полеви транзистора с PN-пpexoд, свързани последователно, при които гейтът е свързан накъсо с дрейна.
Подобни статии
| This entry was posted by Информация EU on 06.07.2010 at 9:38, and is filed under Технически науки. Follow any responses to this post through RSS 2.0. You can leave a response or trackback from your own site. |