Как работает полевой транзистор

14.11.16

[Домашняя]

 

Многие начинающие радиолюбители избегают применения в своих конструкциях полевых транзисторов (ПТ). Поясним их работу. Если у биполярных транзисторов («би» - два) электрический ток образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярностей, то в полевых транзисторах током между двумя электродами управляет электрическое поле, создаваемое напряжением на третьем электроде. Отсюда и название этого транзистора - полевой. Исток и сток - это электроды, между которыми протекает управляемый ток. При этом название электродов соответствует назначению: исток - из которого выходят (истекают) носители заряда, управляющий электрод называют затвором. Каналом называют токопроводящий участок полупроводникового материала между стоком и истоком, поэтому ПТ называют также и ка­нальными. Изменение напряжения на затворе ПТ (относительно истока) приводит к изменению сопротивления канала,  естественно, изменяется и ток через него. В зависимости от типа носителей заряда различают ПТ с n-каналом или р-каналом. Для n-канала ток обусловлен движением электронов, для р-канала - движением дырок. Из-за этой особенности ПТ называют еще униполярными. Слово обозначает то, что в ПТ ток образован только носителями одного знака; это и есть основное отличие ПТ от биполярных. ПТ изготовляют в основном из кремния, более высокочастотные - из арсенида галлия. Поскольку управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением, то и входные токи ПТ очень малы, поэтому параметры и характеристики ПТ существенно отличаются от биполярных транзисторов. Вот лишь несколько преимуществ ПТ по сравнению с биполярными: высокое входное сопротивление по постоянному току на низких и высоких частотах, а значит, и высокий КПД по цепям управления; очень хорошая развязка входных и выходных цепей (малая проходная емкость); высокое быстродействие; высокая температурная стабильность. В настоящее время выпускают большое количество разнообразных типов ПТ. По технологии изготовления и принципу действия ПТ подразделяют на две группы: 1 - ПТ с управляющим р-n-переходом и барьером Шапки (ГТГУП); 2 - ПТ с изолированным затвором (ПТИЗ). Последние имеют некоторые технологически особенности по сравнению с ПТУП. В электрическом отношении в ПТИЗ затвор отделен от канала слоем диэлектрика. Такой ПТ состоит из пластины полупроводника (подложки), в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности (на этих областях нанесены электроды - исток и сток). Поэтому ПТИЗ часто называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). МДП (МОП) - транзисторы подразделяют на ПТ с индуцированным каналом (ПТИК) и со встроенным каналом (ПТВК). В ПТИК заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном напряжении на затворе относительно истока (отрицательного для р-канала и положительного для n-канала). Это напряжение называют пороговым (Uз.и. порог), т.е. ПТИК нормально находятся в закрытом состоянии (ток стока отсутствует), например, мощные ПТ типа КП922 с каналом n-типа. У этих транзисторов пороговое напряжение положительное (относительно истока) и находится в пределах 2-8 В. Практически все экземпляры, которые я использовал, имели намного меньший диапазон - от 4 до 6 В, что, безусловно, намного удобнее при использовании ПТ в различных схемах. На сток транзистора с р-каналом подают отрицательный по отношению к истоку потенциал, а с n-каналом - положительный. Хорошо запоминается это по направлению стрелок в графическом изображении ПТ. Когда направление стрелок указывает во внутрь транзистора, то это означает n-тип (плюс питания подают на сток), и наоборот, если стрелка указывает от центра кружка, то это р-тип (на стоке должен быть минус пи­тающего напряжения).

Рассмотрим графическое обозначение ПТ (рис.1), где а - с управляющим p-n-переходом и р-каналом; б - с управляющим p-n-переходом и n-каналом; в - с изолированным затвором обедненного типа и с р-каналом;   г - с изолированным затвором обедненного типа и с n-каналом; д - с изолированным затвором обогащенного типа и с р-каналом; е - с изолированным затвором обогащенного типа и с n-каналом; ж - МДП-тетрод с каналом n-типа (технологическое соединение подложки с истоком; 3 - затвор; С - сток; И - исток; П - подложка).

МДП-тетрод (рис.1, ж) можно представить в виде двух последовательно соединенных МДП-транзисторов, как это и по­казано на рис.2. Управляющим является первый затвор, второй затвор называют экранным. Действуя как электростатический экран, второй затвор уменьшает проходную емкость прибора. А уменьшение емкости повышает коэффициент устойчивого усиления усилительного каскада на высоких частотах. Кроме того, двухзатворный прибор позволяет существенно упростить конструирование смесительных схем. Основное отличие МОП-транзисторов от ПТ с p-n-переходом состоит в том, что они могут хорошо работать лишь при запирающем напряжении затвора (режим обеднения). У ПТ с р-n-переходом изменение полярности напряжения смещения на затворе приводит к отпиранию перехода и резкому снижению входного сопротивления транзистора (например, КП103, КП303 и др.). К сожалению, в радиолюбительской литературе не делают различия между особенностями МОП-транзисторов и ПТ с р-n-переходом. Поэтому при использовании МОП-транзисторов необходимо учитывать ряд факторов и более строго подходить к их режимам работы. При этом следует вспомнить о преимуществах МОП-транзисторов перед ПТ с p-n-переходом. Например, наличие изолированного затвора позволяет увеличить входное сопротивление, по крайней мере, в 1000 раз(!) по сравнению с входным сопротивлением ПТ с p-n-переходом, доведя его до ... 1012 Ом. Емкости затвора истока становятся значительно меньше и обычно не превышают 1-2 пФ. Предельная частота МОП-транзисторов может достигать 700-1000 МГц, т.е., по крайней мере, в 10 раз выше, чем у обычных ПТУП. Одной из характерных особенностей МОП - транзисторов, впрочем, так же, как и подавляющего большинства ПТ с р-n-переходом, является их симметричность, т.е. взаимозаменяемость выводов (элек­тродов). Это означает, что выводы истока и стока без ухудшения усилительных свойств этих ПТ можно включать таким образом, что исток будет стоком и наоборот. Такое включение ПТ называют инверсным. Для понимания принципа действия ПТУП обратимся к рис. 3., на котором изображены проходные вольтамперные характеристики (ВАХ) ПТУП с каналом n - и р-типов проводимости, т.е. зависимость тока стока Iс от напряжения на затворе (Uз.и) при неизмененном напряжении на стоке (Uc.и=const).

Зная некоторые теоретические особенности работы ПТ, можно смело «внедряться» в любые схемы. Из рис.3 видно, что ПТУП работают в режиме обеднения (уменьшение тока стока от максимальной величины - справочный Iс. нач - до минимальной, независимо от типа проводимости. Выходные ВАХ ПТ изображены на рис.4, из которого видно, что в семействе этих характеристик можно выделить три области: 1 - линейную (изменение тока стока пропорционально изменению напряжения на стоке; 1 - насыщения (ток стока слабо зависит от напряжения на стоке); 3 - пробоя (ток стока резко возрастает при малых изменениях напряжения на стоке). Поэтому следует избегать использования ПТ в режимах, близких к области пробоя во избежание выхода из строя ПТ, так, для отличных усилительных свойств ПТ рабочая точка должна находиться посредине наиболее протяженного участка линейной характеристики усиления ПТ. В предвари­тельных каскадах усилительный каскад работает в классе "А" как наиболее линейном. В выходных каскадах это реали­зовать также можно, правда, со значительным ухудшением КПД. Выходные (стоковые) ВАХ большинства ПТ подобны, поэтому остановимся на сток -  затворных характеристиках ПТИК (рис.5) и ПТВК (рис.6).

Существенное отличие характеристик ПТВК (рис.6) обусловлено его способностью работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения, поскольку ток стока такого ПТ не равен нулю при нулевом (относительно истока) напряжении на затворе. Проще говоря, током стока ПТВК можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. У МДП-транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на ВАХ, а значит, и на параметры ПТ. Поэтому подложку иногда технологически соединяют с корпусом прибора, как это сделано, например, в ПТ типа КП301, 304,305, а в КП306 подложка соединена не с корпусом, а с истоком.

Таблица 1

Тип полевого транзистора

Канал

Подложка

Режим

Uзи

Uзи.отс.(Uз.н. порог)

Uси

Uпи

С управляющим р-n переходом

n

p

p

n

Обедненный Обедненный

<0

>0

<0

>0

>0

<0

<0

>0

МДП-транзистор с индуцированным каналом (с изолированным затвором обогащенного типа)

n

р

р

n

Обогащенный Обогащенный

Обедненный

>0

<0

<0

 

>0

<0

<0

>0

<0

>0

<0

>0

МДП-транзистор   со   встроенным

каналом ( с изолированным затвором обедненного типа)

р

n

Обогащенный

Обедненный Обогащенный

 

>0

>0

<0

>0

<0

<0

>0

В табл.1 приведены структура ПТ, режимы работы и полярность напряжений на электродах относительно истока. Для ПТВК так же, как и для ПТУП, характерно наличие начального тока стока (Iс.нач) при отсутствии управляющего напряже­ния на затворе. Из всех ПТ только ПТИК при нулевом напряжении на затворе не проводят тока. Рассмотрим основные параметры ПТ. Крутизной вольтамперной характеристики называют отношение изменения тока стока (Iс) к вызвавшему его изменению напряжения затвора (Uз), измеряемое в миллиамперах на вольт (мА/В),

S = ∆|с/∆Uз.

Этот параметр аналогичен крутизне радиоламп. Вот почему в качественном отношении лишь ПТ обладают многими позитивными усилительными свойствами, схожими с ламповыми схемами. При правильном выборе режимов работы ПТ ведет себя как ламповый триод. Зная, что крутизна ПТ зависит от напряжения затвора (она максимальна при нулевом смещении ПТ) для ПТУП, можно добиваться наибольшего усиления слабых сигналов именно в таком режиме ПТ, не опасаясь появления больших искажений в усиливаемом сигнале. Современные ПТ имеют крутизну от десятых долей до десятков и сотен миллиампер или даже ампер на вольт... Так, если у ПТ типа КП901 S>30 мА/В, то у КП904 S>250 мА/В, а в упомянутых КП922  S > 1 А/В! Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большой крутизне соответствуют и большие токи стока. Поэтому на практике обычно выбирают такой ток стока, при котором, с одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой - обеспечивается необходимая экономичность каскада в расходе тока (КПД каскада). Частотные свойства ПТ подобно биполярному характеризуются значением предельной частоты. ПТ аналогично биполярным подразделяют на НЧ, СЧ, ВЧ и СВЧ. Поэтому для получения требуемого устойчивого усиления ПТ на ВЧ (правило то же, что и в случае использования биполярного транзистора) запас по частоте (fпред (гранич)) должен быть в 10-20 раз больше, чем рабочая частота ПТ. Необходимо, однако, отметить, что верхняя граница эффективного усиления мощных ПТ выше, чем у биполярных (у первых меньшая проходная емкость, да и входная тоже). Частотные свойства ПТ определяются постоянной времени RC-цепи затвора (где R - входное сопротивление ПТ). Поскольку входная емкость (С11 и) у ПТ с р-n - переходом велика (десятки пикофарад), их применяют (где еще сохраняется большое входное сопротивление) лишь на частотах, не превышающих сотен килогерц - единиц мегагерц. Скорость переключения у ПТ первостепенно важна в различных импульсных и высокочастотных схемах, напри­мер источниках питания с преобразованием на высоких частотах и т.п. Скорость переключения УПТ опять же зависит от постоянной времени RC-цепи затвора (R в основном определяют схемные номиналы резисторов для подачи смещения ПТ и др., емкость С11 и емкость монтажа). Поскольку параметр СП и у ПТИЗ значительно меньший по величине, чем у ПТБШ, то и частотные свойства у МДП-транзисторов значительно лучше. Технология производства ПТ не стоит на месте, и уже есть много разработок арсенид-галлиевых ПТИЗ. Например, "частотный" потолок для ПТ АП325А2 около 8 ГГц, а для 3П330А2 – 25ГГц. Граничная частота ПТ определяется по формуле frp =159S/C11и, frp - в МГц; S- крутизна ПТ в мА/В; СП и – емкость между затвором и стоком (при коротком замыкании по переменному току выходной цели, пФ). Что же касается шумов, то МДП - транзисторы в полосе звуковых частот 20—20000 Гц имеют в среднем шум в 10 раз (!) больший, чем ПТУП. Именно этот факт ограничивает их использование в первых каскадах малошумящих УНЧ. Из-за повышенного уровня этих НЧ шумов в первых каскадах УНЧ используют ПТУП, например КП307Е или КП303Д и т.п. Кроме того, последние приходится еще, и подбирать по наименьшему шуму на самых низких частотах. При этом наилучшие результаты (минимум шума) дают экземпляры ПТ с максимальным отношением крутизны к току затвора (ток утечки). На высоких частотах (KB, УКВ, ДМВ) выигрыш по шумам дают экземпляры ПТ с максимальным отношением крутизны к емкости С11 и (на ВЧ зависимость шумового параметра носит более сложный характер из-за комплексного характера крутизны). ПТ вследствие униполярное ™ знака используемых носителей заряда обладают значительно большей стабильностью параметров, чем любые кремниевые или германиевые биполярные транзисторы. При повышении температуры со­противление канала увеличивается, что приводит к некоторому уменьшению тока стока, одновременно происходит расширение канала, вызывающее увеличение тока стока. При постоянном напряжении сток-исток повышение тем­пературы на ГС в среднем вызывает уменьшение тока стока на 0,7% [1], таким образом, ПТ обладают свойством температурной стабилизации режимов работы. Если определенным образом подобрать смещение на затворе, то оба противоположных процесса будут компенсировать друг друга, при этом ток стока будет оставаться практически неизменным при изменении температуры в широких пределах. Для ПТ с малым и средним напряжением отсечки такой режим возможен при напряжении на затворе, на 0,5 В меньшем напряжения отсечки ПТ (Uoтc). При увеличении напряжения на затворе > 0,5 В ток стока снижается с ростом температуры, при уменьшении (< 0,5 В) ток стока будет увеличиваться. Напряжение смещения, при котором ток стока близок к нулю (обычно измеряют Uoтc для Iс = 10 мкА), называется напряжением отсечки (Uoтc). Схема установки для снятия ВАХ ПТ изображена на рис.7.

По этой схеме можно измерять параметры транзисторов КП103, КП302, КП303, КП305, КП307, КП901, КП922 и др. В ука­занном на схеме положении переключателей SA1 и SA2 схема пригодна для измерения ПТУП и ПТИЗ (ПТВК и ПТИК). Для испытания таких мощных ПТ, как КП904, 912, 922 нужен хороший (с регулировкой от нуля до 60 В с током в 5 А) стабилизированный источник питания (БП2). Если же испытывают лишь маломощные ПТ, то в схему необходимо включить еще один потенциометр, аналогично резистору R1 для регулировки питающего напряжения (в разрыв (Rзащ и SA2). Для испытания мощных ПТ полезно включить в цепь затвора ПТ еще дополнительный микроамперметр, ибо многие ПТ имеют завышенный ток затвора (утечки). Особенно это касается экземпляров ПТ, длительно лежавших без применения. Об утечках. ПТ могут иметь утечки по затвору (т.е. затвор-исток, затвор-сток), вернее, иметь ток затвора в 10-1000 раз (!) больший, чем указано в технических условиях на ПТ. Опытным путем установлено, что в процессе эксплуатации у ПТ с такими повреждениями дальнейшего ухудшения параметров не наблюдалось. Правило использования ПТ с такими дефектами достаточно простое: с большими утечками ПТ используют в сильноточных и менее критичных к отношению сигнал/шум местах схем. А более качественные экземпляры устанавливают во входных цепях усилителей и там, где необходима повышенная температурная стабильность работы конструкции. Так, большинство экземпляров КП901 не обнаруживают тока затвора при Iс < 100 мА, но из 50 шт. могло быть 10~20 экземпляров ПТ с током затвора 10 мкА и более. Эти транзисторы устанавливают в согласующие каскады (токовые усилители - истоковые повторители и т.п.), и они годами работают без каких-либо капризов ... Температура оказывает влияние, как на ток утечки затвора, так и на крутизну, и напряжение отсечки. При комнатной температуре ток утечки затвора (1з) очень мал, поэтому на НЧ входное сопротивление ПТ не менее 50 МОм. Каждые 50° увеличения температуры дают прирост Iз в 10 раз, естественно, во столько же раз падает входное сопротивление ПТ. Даже для температуры +120°С Iз < 1 мкА, что еще раз подтверждает великолепное превосходство ПТ над биполярными в сравнении входных сопротивлений. Даже в таких тяжелых условиях Rвx ПТ в тысячи раз превышает Rвx биполярных транзисторов. Но, как показывает практика, в любительских условиях использование ПТ обычно не приводит к температурным "проблемам" в схемах конструкций. Сравнение влияния температуры на параметры полевых и биполярных транзисторов свидетельствует о том, что в ряде случаев они противоположны по знаку и при совместном использовании тех и других транзисторов могут друг друга компенсировать. Например, при повышении температуры ток коллектора биполярных транзисторов увеличивается, а ток стока ПТ уменьшается. Рациональное совмещение транзисторов обоих типов позволяет создавать высокостабильные полупроводниковые устройства, отличающиеся простотой и стабильностью. Увеличить крутизну у ПТ можно добав­лением биполярного транзистора, как это показано на рис.8,а,б. Увеличение крутизны ПТ происходит потому, что для тока базы биполярного транзистора используется ток стока или ток истока ПТ. Этот ток усиливается в h21э раз (рис.8,а) или в h21э+1 (рис.8,б).

В результате реальная крутизна ПТ увеличивается в h21э, и становится равной S1 = Sh21э. По таким схемам можно собирать широкополосные кабельные усилители, например, для повышения чувствительности измерительных приборов. Одна из таких практических схем изображена на рис 9.

Схема этого кабельного усилителя работоспособна в диапазоне частот 50 - 250 МГц. Конструктивно схема выполнена без печатного монтажа в металлическом корпусе цилиндрической формы от старого (ненужного) делителя. Усилитель рассчитан на нагрузку 50 Ом, его входная емкость определяется С1 и VT1 и, конечно же, емкостью монтажа. Схема очень эффективна при снятии АЧХ в устройствах ВЧ. Для уменьшения Свх последовательно с конденсатором С1 включают до­бавочный, например, самодельный конденсатор с емкостью в несколько десятых долей пикофарады. При этом достигается минимальная входная емкость щупа-усилителя за счет создания емкостного делителя (Сдоп + С1). Для кабеля с волновым сопротивлением, равным 75 Ом, необходимо лишь увеличить сопротивление резистора R5 до 75 Ом. Питание усилителя стабилизировано. В быту может пригодиться искатель скрытой электропроводки, его легко можно собрать па схеме рис.8. При этом роль резистора нагрузки (Rн) играют высокоомные головные телефоны, например Тон-2. Датчиком такого искателя служит небольшой отрезок изолированного провода, длину этого отрезка подбирают экспериментально, для повышения чувствительности искателя провод-антенну скручивают в виде спирали. Конденсатор С1 из схемы можно изъять, а для схемы рис.8,6 может понадобиться ввести дополнительный резистор от единиц до десятков килоом, в зависимости от параметров примененных транзисторов. Резистор R1 необходимо выбирать как можно большего со­противления, увеличение этого резистора повышает чувствительность искателя (расстояния до электропроводки). При измерении параметров ПТ, например, по схеме рис.7, необходимо исключать возможности самовозбуждений ПТ. ПТ так же, как и любые другие ВЧ транзисторы, способны самовозбуждаться на ВЧ при подключении к ним длинных соединительных проводов. Полезно включать в измерительные установки RC-цепи, например к затвору (рис.7) ПТ под­ключен резистор в несколько сотен ом, находящийся вблизи колодки-разъема для подключения испытуемого ПТ. Не следует и забывать о правилах эксплуатации, особенно МДП ПТ. Толщина диэлектрических слоев у большинства ПТ находится в пределах 0,1 - 0,25 мкм, что неизбежно повышает чувствительность этих приборов к электрическим перегрузкам. Так, для МДП структур ПТ опасными уже являются напряжения в 50 В (!), а для ПТУП - 250 В. Если пайка таких ПТ, как КП901 и КП904 паяльником 42 В не выводит их (обычно) из строя, то маломощные МОП ПТ необходимо паять 12-вольтовым паяльником. Заряды статического электричества способны накапливаться на теле человека, оборудовании, мебели. Закон накапливания зависит от многих факторов, но величина статических зарядов может достигать "убивающих" все типы ПТ - в 2-3 кВ [2]. В результате воздействия статического электричества возрастают утечки ПТ. Такие ПТ, как КП305 или КП301, выходят из строя "мгновенно" при случайном соприкосновении с телом человека. Поэтому на руке должен быть браслет (сопротивление между телом человека и землей < 1 МОм), все предметы, на­капливающие заряды на рабочем месте необходимо "разряжать" любым доступным методом. Паять МДП-транзисторы следует лишь с короткозамкнутыми выводами (очень удобно с этой целью использовать алюминиевую фольгу от различных упаковок, например, шоколада). Помогает монтажнику использование хлопчатобумажной одежды. И еще. После монтажа все места пайки и корпусы ПТ необходимо тщательно промыть техническим спиртом. Во время пайки необходимо соблюдать простое правило. Пайку начинают с вывода, соединенного с корпусом ПТ, выпаивают этот вывод последним (т.е. в обратном порядке).

Радиоаматор №8 1999г стр. 22

Домашняя

Дата последнего изменения этого узла 14.11.2016