Польові транзистори з керуючимр-ппереходом

 

Конструкція та принцип дії ПТ з керуючим р-п переходом пояснюєть­ся на моделі, наведеній на мал. 2.18.

 

У такого ПТ канал протікання струму являє собою шар НП, на­приклад, п-типу, вміщений між двома р-п переходами. Канал має контакти із зовнішніми електрода­ми. Електрод, від якого починають рух носії заряду (у даному разі - електрони), називається витоком В, а електрод, до якого вони руха­ються - стоком С.

НП шари р-типу, що створюють із n-шаром два р-n переходи, виконані з більш високою концентрацією основних носіїв, ніж n-шар. Обидва р-шари електрично з'єднані і мають зовнішній електрод, що називається затвором 3.

Вихідна напруга підмикається між стоком і витоком (Uсв) а вхідна напруга (керуюча) - між витоком та затвором (Uзв ), причому на за­твор подається зворотна щодо витоку напруга.

Принцип дії такого ПТ полягає у тому, що зі змінами вхідної напруги змінюється ширина р-п переходів, які являють собою ділянки НП, збіднені носіями зарядів (запірний шар). Оскільки р-шар має більшу концентрацію домішки, зміна ширини р-п перевів відбувається го­ловним чином за рахунок більш високоомного n-шару. При цьому змінюється переріз струмопровідного каналу, а отже і його провідність і відповідно вихідний струм Ic приладу.

Особливість цього транзистора полягає у тому, що на провідність каналу впливає як керуюча напруга Uзв, д, так і напруга Uсв.

	Малюнок 2.19 – Вплив напруг на провідність каналу ПТ з керуючим р-п переходом: а) при UCB = 0; б) при UЗВ = 0

 

На мал. 2.19,а зовнішню напругу прикладено лише у вхідному колі транзистора. Зміна напруги призводить до зміни провідності каналу за рахунок зміни на однакову величину його перерізу вздовж усього кана­лу. Та оскільки Ucв=0, вихідний струм Ic=0.

Мал. 2.19,б ілюструє зміну перерізу каналу під впливом лише напруги Uсв(Uзв=0). Коли Св.> 0, через канал протікає струм. Внаслідок цього виникає спад напруги, що зростає у напрямку стоку.

Сумарний спад напруги ділянки стік-витік дорівнює Uсв. Відповідно, потенціали точок каналу вздовж нього неоднакові: зростають у напрямку стоку від нуля до Uсв. Потенціал точок р-області відносно витоку визначається по­тенціалом затвора відносно витоку і у даному випадку дорівнює нулю. У зв'язку із зазначеним зворотна напруга, прикладена до р-п пере­ходів, зростає у напрямку витік-стік і р-п переходи розширюються у напрямку стоку. Це явище призводить до зменшення перерізу каналу. Підвищення напруги Uсв викликає збільшення спаду напруги у каналі і подальше зменшення його перерізу, а отже, і провідності каналу. При певному значенні Uсв межі обох р-п переходів змикаються і опір каналу стає великим.

Очевидно, що за сумарної дії Uсв та Uзв вмикання р-п переходів відбувається швидше. При цьому у приладі діє автоматична система керування, що забезпечує протікання фіксованого значення Iс-струм через канал не залежить від Uсв (відповідає режиму насичення). Аналогічно працюють транзистори з каналом p-типу, лише полярність напруг повинна бути зворотною.

На мал. 2.20 наведені умовні позначення ПТ з керуючим р-п переходом.

Роботу зазначених транзисторів визначають сім'ї ВАХ двох видів: сто­кові і стік-затворні ( мал.2.21).

 

Малюнок 2.20 – Умовні позначення ПТ з керуючим р-п переходом: а) з каналом п-типу; б) з каналом р-типу.

Малюнок 2.21 – Стокові ВАХ ПТ з керуючим р-п переходом

Стокові (вихідні) ха­рактеристики, показують залежність струму стоку від на

 

пруги стік-витік за фіксованої напруги за­твор-витік:

 

 

(2.16)

 

На ділянці 1 (Oа) має­мо велику залежність Iс від вихідної напруги Uсв. Це неробоча ділянка для випадку використання приладу у якості підсилюючого елементу. Тут його використовують як керований резистор. На ділянці 2 (ав) зажність вихідного струму від вихідної напруги мала - маємо насичення. Це робоча ділянка у режимі підсилення.

Ділянка 3 відповідає пробою приладу.

У точці а відбувається змикання р-п переходів (напруга Uвса)- причому, чим вища напруга Uзв (абсолютна величина), тим швидше зми­каються р-п переходи. Напруга на затворі, за якою струм вихідного кола Ic=0, називається напругою запирання або напругою відтинання Uзво. Числове значення Uзво д дорівнює Uсв у точці а ВАХ транзистора.

 

 

2.5.3 СІТ-транзистори

 

У середині 70-х років минулого століття багаторічні дослідження (Япо­нія, США) завершились створенням ПТ із статичною індукцією: СІТ-транзистора. Цей транзистор, будучи по суті ПТ з керуючим р-п пере­ходом, є твердотільним аналогом електронновакуумної лампи - тріо­да, у якої вихідна характеристика при нульовому значенні сигналу керу­вання за формою нагадує характеристику переходу з ростом від'єм­ного значення напруги керування характеристики зсуваються вправо.

На відміну від площинної горизонтальної конструкції ПТ з керую­чим p-n переходом, СІТ-транзистор має вертикальну конструкцію. Наприклад, p-шари затвору вводяться в п-шар вертикально. Таке виконання забезпечує приладу роботу при напругах до 2000 В й частотах до 500 кГц. А розміщення на одному кристалі великого числа елементарних транзисторів з наступним їх паралельним з'єднанням забезпечує робочі струми до 500 А - це вже є силовим електронним приладом!

Крім роботи в режимі ПТ, цей транзистор може працювати і в режимі біполярного транзистора, коли на затвор подається додатне зміщення. При цьому падіння напруги на приладі у відкритому стані зменшується. Умовне позначення СІТ-транзистора наведене на мал. 2.23.

 

 

 

Малюнок 2.22 – Умовне позначення СІТ транзистора

 

 

2.5.4 МДН-транзистори

 

На відміну від ПТ з керуючим р-п переходом, у яких затвор має без­посередній електричний контакт із суміжною областю струмопровідного каналу, у МДН-транзисторів затвор, що являє собою, наприклад, алю­мінієву плівку (А1), ізольований від зазначеної області шаром діелект­рика. Тому МДН-транзистори відносять до класу ПТ з ізольованим затвором (рис.2.23). Наявність діелектрика забезпечує високий вхідний опір цих транзисторів (10¹²-10¹⁴Ом).

 

Малюнок 2.23 – Конструкція МОН – транзистора з індуктивним каналом

 

 

Частіше у якості діелектрика ви­користовують оксид кремнію (SiO2,) і тоді ПТ називають МОН-транзистором (метал - окисид - НП). Такі транзистори бувають із вбудованим і індукованим каналами. Останні більш розповсюджені.

При Uзв=0 або від'ємному, Ic=0 (два р-п переходи увімкнені назустріч). При позитивній напрузі на затворі відносно витоку поверх­невий шар на межі НП з діелектриком збагачується електронами, які притягуються з глибини р-шару (де вони є завдяки тепловій генерації вільних носіїв заряду) до затвору: виникає явище інверсії НП у примежовій зоні, коли р-шар стає п-шаром. Таким чином, між зонами n-шарів наводиться (індукується) канал, по якому може протікати струм від стоку до витоку.

Вихідні ВАХ ПТ з ізольованим затвором подібні до ВАХ ПТ з керу­ючим р-п переходом, тільки характеристики проходять вище зі збільшенням напруги Uзв

Умовні позначення МДН-транзисторів наведені на мал. 2.24.

 

Малюнок 2.24 – Умовні позначення МДН-транзисторів з каналами: вбудованим п-типу (а); вбудованим р-типу (б); індуктивним п-типу (в); індуктивним р-типу(г)

 

 

ПТ широко використовують як дискретні компоненти електронних пристроїв, а також у складі інтегральних мікросхем.

 

 

2.5.5 Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ)

 

Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ, англійською: IGBT – insulated gate bipolar transistor) з'явилися у 80-х роках мину­лого століття і тепер інтенсивно використовуються в якості силових приладів, витісняючи у багатьох застосуваннях тиристори.

Структура, умовне позначення та еквівалентна схема БТІЗ наве­дені на мал. 2.25.

Він являє собою складну багатошарову структуру, ство­рення якої стало можливим з розвитком інтегральної технології: це вже фактично, інтегральна мікросхема.

Малюнок 2.25 – Структура (а), умовне позначення (б) та еквівалентна схема (в) БТІЗ

 

 

БТІЗ поєднує властивості МОН-транзистора щодо керування з вла­стивостями біполярного транзистора в силовому колі.

Такі транзистори виконуються для напруги до 1200 В при частоті до 100 кГц та сил струму до 2000 А, що забезпечується паралельним з'єднанням великого числа елементарних транзисторів на одному кри­сталі. Вони продукуються у вигляді модулів, у яких міститься від одного до трьох транзисторів, що дозво­ляє зменшити габарити електронних пристроїв.

У поєднанні з широкою номенклатурою керуючих пристроїв у мікро-виконанні БТІЗ в наш час якнайширше застосовують у пристроях енер­гетичної електроніки.