Шапка

3.1 Введение

Полевые транзисторы ( FET ) похожи на биполярные _1 , обсуждавшиеся в Части _2 . Грубо говоря, это аналогичные по назначению приборы, которые можно назвать устройствами с зарядовым управлением . В обоих случаях ( рис. 3.1 ) речь идёт о компонентах с тремя выводами, проводимость между двумя их которых зависит от наличия носителей заряда, а число последних управляется третьим регулирующим электродом.

Рис. 3.1   n-канальный МОП транзистор и его npn аналог

Теперь чем они отличаются. В биполярных транзисторах переход коллектор-база смещён в обратном направлении и через него в нормальных условиях ток не течёт. Прямое смещение перехода база-эмиттер напряжением, на ∼0.6V большим [* для npn ] , чем «контактный барьерный потенциал», позволяет электронам проникать в область базы. Там они сразу начинают притягиваться к коллектору [* электрон - отрицательный носитель, а направление тока совпадает с движением «положительных» зарядов, т.е. в данном случае это направление от коллектора к эмиттеру ] . В результате появляется некоторый ток базы из «неосновных носителей». Появление неосновных носителей в области базы инициирует появление тока коллектор-эмиттер [* «основные носители» начинают двигаться под действием электрического поля между коллектором и эмиттером по ставшему проводящим каналу ] . Ток коллектора пропорционален интенсивности появления неосновных носителей в области базы. Он описывается экспоненциальной функцией \(V_{BE}\) - уравнением Эберса-Молла. Биполярный транзистор можно рассматривать в качестве усилителя тока с примерно постоянным коэффициентом усиления тока \(β\) или как транскондуктивный прибор ( напряжение база-эмиттер управляет током коллектора ).

В полевых транзисторах проводимость в канале управляется электрическим полем , на что намекает название. Поле создаётся потенциалом на управляющем переходе - затворе . Здесь нет прямо смещённого перехода, поэтому затвор ( «gate» ) не потребляет ток. Возможно, данное обстоятельство - наиболее важное свойство полевых транзисторов. Эти приборы бывают двух полярностей: n-канальные МОП транзисторы ( проводимость создаётся электронами ) и p-канальные ( с дырочной проводимостью ). n-канальные являются аналогами npn , а p-канальные - аналогом pnp . Ещё пара сбивающих с толку параметров: тип затвора ( отсюда деление на «полевые с p-n переходом» - JFET и «МОП транзисторы» - MOSFET ) и вид легирования ( приводящий к появлению обогащённых и обеднённых приборов ). Все эти различия вскоре будут разъяснены.

Во-первых, преимущества и перспективы. Отсутствие тока затвора - наиболее важная характеристика. Получающийся в результате высокий входной импеданс, спокойно уходящий выше 10 14Ω , совершенно необходим для многих задач. Но, даже если это не требуется, высокий импеданс превращает разработку в простое и увлекательное занятие. В аналоговых ключах и усилителях заменять полевые транзисторы нечем. Полевые транзисторы можно использовать отдельно или в комбинации с биполярными, создавая сложные схемы. В Части _4 будет показано, насколько хорош может быть результат - почти идеальный ( и очень удобный в использовании ) операционный усилитель , а в Частях 10 , 11 , 12 , 13 и 14 будет показано, сколь революционное воздействие оказала технология полевых транзисторов на цифровую электронику. Т.к. малосигнальные полевые транзисторы занимают совсем немного места, они очень удобны для создания сверхбольших интегральных схем ( VLSI ) - процессоров, памяти и специализированных кристаллов, типа используемых в сотовых телефонах, телевизорах и т.п. устройствах. На противоположном конце надёжные сильноточные ( 50 A и более ) полевые ключи вытесняют биполярные транзисторы во многих приложениях, часто позволяя упростить схему и одновременно улучшить её характеристики.

3.1.1 Параметры полевых транзисторов

Новички часто впадают в ступор, увидев полный набор возможных видов полевых транзисторов. Их разнообразие определяется сочетанием полярностей ( n- и p-канальные ), типа изоляции затвора ( с p-n переходом или оксидным изолятором - МОП ) и типом легирования канала ( обогащённый и обеднённый ). Из восьми возможных сочетаний физически реализуются только шесть, а реально делаются пять. Их этих пяти наибольшее значение имеют четыре типа.

Ситуация станет яснее, если рассмотрение начнётся с одного типа в точности так же, как происходило знакомство с npn транзисторами. Освоившись с полевыми транзисторами, можно будет познакомиться и с их фамильным деревом.

3.1.1.A Вольтамперные характеристики полевых транзисторов

Будем изучать n-канальный МОП транзистор в обогащённом режиме, который похож на npn транзистор ( рис. 3.2 ). При нормальной работе сток ( «Drain» ) более положительный, чем исток ( «Source» ). Ток от стока к истоку течёт, только когда затвор ( «Gate» ) положительнее стока. Как только затвор оказывается смещён подобным образом ( «прямое смещение» ), по каналу между стоком и истоком начинает течь ток, причём весь ток со стока попадает в исток. На рис. 3.2 показано, как меняется ток стока \(I_D\) в зависимости от напряжения сток-исток \(V_{DS}\) для нескольких фиксированных значений затвор-исток \(V_{GS}\) . Для сравнения показано аналогичное семейство кривых для зависимости \(I_C\) от \(V_{BE}\) в биполярном npn транзисторе. Сильное сходство картинок для n-канального МОП и npn транзисторов хорошо заметно.

Рис. 3.2   Результаты измерения вольтамперных характеристик транзисторов. (A) VM0106 - n-канальный МОП, аналогичный популярному 2N7000. Показана зависимость \(I_D\) от \(V_{DS}\) при различных уровнях \(V_{GS}\) . (B) 2N3904 биполярный npn . Показана зависимость \(I_C\) от \(V_{CE}\) при различных уровнях \(V_{BE}\)

Подобно биполярному полевой транзистор имеет большой динамический импеданс тока стока [* для малого сигнала ] и обеспечивает почти постоянную его величину для \(V_{DS}\) , превышающего пару вольт. Из-за неудачного выбора термина данный режим называется «насыщение» полевого транзистора, хотя правильнее было бы уточнять «токовое насыщение». Он соответствует «активному» режиму биполярного транзистора [* см. AoE2 Приложение G ] . Так же, как в биполярном транзисторе, большее управляющее напряжение затвор-исток соответствует большему току стока. Как и биполярный транзистор, полевой не является идеальным транскондуктивным прибором ( не обеспечивает постоянного тока стока для постоянного напряжения затвор-исток [* или изменения напряжения сток-исток ] ). В биполярном транзисторе идеальную зависимость Эберса-Молла портит эффект Эрли ( §2.3.2.D и ##§X2.8 ), а в полевом проблемы создаёт конечное сопротивление стока \(r_o\) ( которое чаще обозначают 1/\(g_{os}\) , см. §3.3.2 и ##§X3.4 ).

До настоящего момента полевой транзистор довольно похоже копировал биполярный. Разберём его поведение подробнее. Для начала, в нормальном диапазоне токов с повышением напряжения на затворе ( \(V_{GS}\) ) токовое насыщение стока увеличивается довольно медленно. Реакция примерно пропорциональна \((V_{GS}-V_{th})^2\) , где \(V_{th}\) - пороговое напряжение на затворе, при котором появляется ток стока. Для транзистора на рис. 3.2 \(V_{th}\)≈1.63 V . Сравните эту мягкую квадратичную зависимость с экспоненциальным соотношением Эберса-Молла. Во-вторых, постоянный ток затвора равен нулю , поэтому полевой транзистор не может иметь усиления по току ( оно должно было бы быть бесконечным ). Полевой транзистор - транскондуктивный прибор, в котором напряжение затвор-исток задаёт ток стока, подобно тому, как \(V_{BE}\) в биполярных моделях определяет \(I_C\) ( соотношение Эберса-Молла ). Здесь самое время вспомнить, что крутизна \(g_m\) является отношением \(i_D/v_{GS}\) ( строчные буквы указывают на «малосигнальную природу» параметров ), т.е. \(i_D/v_{GS}=δI_D/δV_{GS}\) . В-третьих, вывод затвора МОП транзистора и в самом деле изолирован от канала сток-исток, поэтому, в отличие от биполярных и ПТ с p-n переходом, в МОП приборах затвор допускает подачу сигнала ±10V без каких-либо негативных последствий, подобных прямой проводимости перехода затвор-канал. Наконец, полевой транзистор отличается от биполярного в так называемой линейной области ( в области низких значений \(V_{DS}\) ), где он достаточно близок к резистору даже в области отрицательных значений \(V_{DS}\) . Полевой транзистор может быть полезен именно в этом качестве, потому что сопротивление сток-исток изменяется под влиянием напряжения затвор-исток.

3.1.1.B Два примера

Полевым транзисторам есть чем удивлять, но, прежде чем погружаться в детали, разберём две переключательные схемы. На рис. 3.3 показана схема, выполняющая ту же функцию, что и схема 2.5 на насыщающемся биполярном ключе. Вариант на полевом транзисторе оказался проще, потому что в нём не приходится заботиться о задании правильного тока базы, учитывающего наихудшее сочетание низкой \(β\) и низкого сопротивления нити лампы, и о неизвестной избыточной рассеиваемой мощности. Вместо этого надо подать полный размах питания на удобный высокоомный вывод затвора. Пока сопротивление канала открытого транзистора мало по сравнению с нагрузкой, напряжение на стоке [* средняя точка делителя \(R_{LOAD}/R_{ON}\) ] будет близко к земле. Обычная величина сопротивления канала \(R_{ON}\)<0.1Ω , чего в данной схеме вполне достаточно.

Рис. 3.3   Мощный ключ на МОП транзисторе

На лабораторном занятии данная схема была собрана с последовательным резистором в затворе. Для номинала 10 MΩ «бета» составила бы 100'000 . Ещё интереснее то, что ток через лампу продолжает течь даже при появлении разрыва в цепи затвора. Ёмкость затвора продолжала сохранять заряд, обеспечивая проводимость канала сток-исток до завершения часового занятия _2 . Такое поведение предполагает, что ток в цепи затвора заметно меньше пикоампера .

На рис. 3.4 показан «аналоговый ключ» _3 . Такую схему нельзя собрать на биполярных транзисторах. Идея заключается в переключении сопротивления канала между состояниями разрыва ( обратное смещение затвора ) и короткого замыкания ( прямое смещение затвора ). Схема позволяет блокировать или пропускать аналоговый сигнал и будет активно разбираться чуть позже. Чтобы выполнять данную задачу в разомкнутом состоянии затвор должен удерживаться на более отрицательном уровне, чем самый низкий уровень сигнала в канале, а в замкнутом должен быть на несколько вольт больше максимальной величины сигнала. Биполярные транзисторы для этой задачи не подходят, потому что база потребляет ток и образует p-n переходы с коллектором и эмиттером, работая ограничителем сигнала. МОП транзистор чудесно упрощает схему, требуя просто постоянный уровень на затворе - фактически никуда не подключённом выводе _4 .

Рис. 3.4   Аналоговый ( сигнальный ) ключ на МОП транзисторе

3.1.2 Типы полевых транзисторов

3.1.2.A n- и p-канальные

Теперь фамильное дерево. Во-первых, полевые транзисторы, подобно биполярным, бывают двух полярностей. Зеркальным вариантом для нашего n-канального транзистора будет p-канальный. Его поведение симметрично и похоже на работу pnp приборов: «сток» отрицательнее «истока» , а ток в канале появляется, когда потенциал «затвора» опускается ни пару вольт ниже потенциала «истока». Симметрия не идеальна, потому что носителями заряда в p-канальных приборах являются «дырки», которые, в отличие от электронов не такие подвижные и имеют меньший срок жизни _5 . В итоге имеем более высокое пороговое напряжение затвора, более высокое сопротивление канала \(R_{ON}\) и меньший ток насыщения _6

3.1.2.B МОП транзисторы и приборы с p-n переходом

В МОП транзисторах ( они же MOSFET , отечественное наименование МДП ) затвор отделён от проводящего канала слоем двуокиси кремния \(SiO_2\) ( стекла ) выращенного над каналом ( рис. 3.5 ). Затвор, который может быть металлическим или из легированного кремния, полностью изолирован от цепи сток-исток ( сопротивление изоляции >10 14Ω ). Воздействие на проводимость канала идёт с помощью одного только электрического поля. МОП транзисторы иногда называют «полевыми транзисторами с изолированным затвором» ( IGFET ). [* Есть ещё IGBT , см. §3.5.7.A ] . Изоляция достаточно тонкая и обычно не превышает длины волны света. В типовом МОП транзисторе она выдерживает напряжения ±20 V , для малосигнальных вариантов и дискретных, и интегральных диапазон поменьше. Допустимость обеих полярностей сигнала на затворе и отсутствие тока управления очень упрощает использование МОП транзисторов. Но тонкая изоляция канала легко повреждается статическим электричеством. Убить МОП транзистор можно буквально в одно касание.

Рис. 3.5   n-Канальный «плоскостной» МОП транзистор

Схемные символы для МОП транзисторов показаны на рис. 3.6 . Дополнительный вывод называется «подложка» ( «body» или «substrate» ) - он идёт от пластины кремния, на которой формируется транзистор. Подложка образует с каналом p-n переход, поэтому на неё нужно подавать запирающее напряжение. Подложку можно подключать к истоку или к потенциалу более отрицательному, нежели исток n-канального прибора ( более положительному для p-канального ). Подложку часто не указывают [* а отвод от неё физически отсутствует у подавляющего большинства выпускаемых транзисторов ] . Часто можно встретить на схемах симметричный символ [* верхняя пара ] , не позволяющий понять, где сток, а где исток. Хуже того, часто забывают и стрелку, что не позволяет отличить n-канальный прибор от p-канального. В книге чаще всего используется нижняя пара схемных символов, хотя они не самые употребимые, но зато просты и однозначны _7 .

Рис. 3.6   Схемные символы МОП транзисторов

В полевых транзисторах с p-n переходом ( JFET ) затвор образует диодное соединение с проводящим каналом. Важным следствием такой конструкции является появление тока затвора, если на затвор подан потенциал, смещающий переход в проводящее состояние . Диодная проводимость возникает, когда потенциал затвора в n-канальном транзисторе достигает +0.6 V относительно канала ( истока ). Таким образом, при нормальной работе переход затвор-канал ( исток ) должен быть смещён в обратном направлении, когда тока затвора нет ( исключая утечку запертого диода ). Схемные символы полевых транзисторов с p-n переходом показаны на рис. 3.7 . И вновь стоит предпочесть символы с несимметричным изображением затвора, чтобы чётко указать исток. ( Здесь надо заметить, что малосигнальные интегральные МОП транзисторы и транзисторы с p-n переходом имеют симметричную конструкцию [* т.е. кто положительнее, тот и «сток» ( для n-канальных ) ] , чего нельзя сказать о мощных МОП транзисторах. Последние не симметричны физически и имеют разные межэлектродные ёмкости и пробивные напряжения ).

Рис. 3.7   Схемные символы для полевых транзисторов с p-n переходом. (A) n-канальные, (B) p-канальные

3.1.2.C Обогащённые, обеднённые

n-канальные транзисторы, с которых началась эта часть, находятся в непроводящем состоянии при нулевом ( или отрицательном ) смещении на затворе и переходят в проводящее состояние, когда затвор смещается в положительную область относительно истока. Такие транзисторы называются обогащёнными ( «enhancement» ). Другим вариантом будет n-канальный прибор с таким легированием области затвора, при котором канал находится в проводящем состоянии даже при нулевом смещении. В таких транзисторах затвор надо смещать на несколько вольт в отрицательную область, чтобы выключить ток стока. Такой режим называется обеднённым ( «depletion» ). МОП транзисторы можно делать под любой из режимов, потому что изолированный затвор может иметь любую полярность относительно канала. Приборы с p-n переходом работают только при обратном смещении диода затвор-канал, т.е. бывают только обеднёнными.

Рис. 3.8   Функция передачи ( зависимость \(I_D\) от \(V_{GS}\) ) для МОП приборов ( в обогащённом режиме ) и транзисторов с p-n переходом ( обеднённый режим ). См. также результаты измерений на рис. 3.9 и 3.19

График зависимости тока канала от управляющего напряжения при постоянном напряжении на стоке ( рис. 3.8 и 3.9 ) поможет понять, в чём между ними разница. Обогащённые приборы не проводят ток, пока затвор не сместится в положительную область относительно истока ( для n-канальных вариантов ). [* Иначе говоря, в обогащённых ток надо ВКЛЮЧАТЬ, это – «нормально закрытый» прибор ] . Обеднённые экземпляры при нулевом напряжении затвор-исток пропускают близкий к максимальному ток стока. [* Т.е. ток в них надо ВЫКЛЮЧАТЬ, это «нормально открытый» прибор ] . В некотором роде деление на две категории выглядит несколько искусственно, т.к. оба графика отличаются только сдвигом по оси \(V_{GS}\) . Можно создать транзистор, функция передачи которого ляжет между двух графиков с рис. 3.8 . Но, несмотря на кажущуюся условность, разница между этими двумя типами приборов сильно влияет на схемотехнику.

Рис. 3.9   Внесём немного конкретики в набросок 3.8 . Результаты измерения зависимости \(I_D\) от \(V_{GS}\) для некоторой выборки n-канальных полевых транзисторов

Подчеркнём ещё раз, что транзисторы с p-n переходом относятся к обеднённым и что на их затвор нельзя подавать потенциал, превышающий напряжение на истоке более чем на 0.5V ( для n-канальных ). В противном случае переход затвор-канал сместится в проводящее состояние. МОП транзисторы могут быть и обогащёнными, и обеднёнными, но основная масса моделей относится к обогащённым с редкими вкраплениями обеднённых приборов _8 . Большую часть времени придётся работать с:

  1. обеднёнными типами в виде моделей с p-n переходом и
  2. с обогащёнными типами в виде МОП транзисторов.

Обе категории могут быть и n- и p-канальными.

3.1.3 Общие характеристики полевых транзисторов

Фамильное дерево ( рис. 3.10 ) и карта полярностей ( рис. 3.11 ) помогут разобраться с вопросом. Разные приборы ( включая npn и pnp транзисторы ) распределены по квадрантам карты в зависимости от полярности входных и выходных напряжений в активном режиме для схемы с общим истоком или эмиттером. Помнить характеристики всех пяти видов полевых транзисторов не требуется, все они очень похожи.

Рис. 3.10   Фамильное дерево полевых транзисторов

Во-первых, полевой транзистор с заземлённым истоком включается ( начинает проводить ток ), если напряжение на затворе меняется в направлении «правильного» напряжения на стоке. Это условие выполняется для всех пяти типов полевых и всех биполярных транзисторов. Например, n-канальный ПТ с p-n переходом ( который относится к обеднённым ) использует положительный источник для стока, как и все прочие приборы n-типа. Значит, управляющее напряжение, идущее в положительном направлении открывает транзистор сильнее. Особенностью обеднённых приборов является отрицательный потенциал на затворе, нужный для выключения тока стока, а обогащённые модели выключаются нулевым напряжением на затворе.

Рис. 3.11   «Карта полярностей» транзисторов

Во-вторых, из-за практически симметричной структуры стока и истока , любой из этих выводов может служить истоком ( исключение: мощные МОП транзисторы, в которых подложка соединена с истоком ). При разборе схемы или при расчётах надо помнить, что стоком будет терминал, потенциал которого сильнее уходит в «активную» зону. Пример. Предположим, полевой транзистор используется для замыкания на землю линии, в которой может присутствовать сигнал обеих полярностей. Обычно внешняя линия подключается к выводу стока. Если ключ - n-канальный обогащённый МОП транзистор [* «активный» уровень - положительный ] , а на стоке в состоянии ВЫКЛЮЧЕНО имеется отрицательный потенциал, то при расчётах управляющего напряжения на затворе сигнальный вывод следует считать «истоком». Таким образом, для гарантированного выключения требуется подать на затвор более отрицательное напряжение, чем самый отрицательный уровень сигнала, а вовсе не потенциал земли.

Разобраться со всеми этими головоломными сведениями поможет рис. 3.12 . И вновь, разница между обеднённым и обогащённым типом - это всего лишь смещение графика вдоль оси \(V_{GS}\) . Т.е., когда потенциал затвора равен потенциалу истока, через один течёт максимальный ток, а через другой - нет тока вовсе. n-канальные и p-канальные модели отличаются друг от друга так же, как и npn от pnp транзисторы.

Рис. 3.12   Важные параметры полевых транзисторов

Самые важные параметры - ток насыщения ( «saturation current» ) и напряжение отсечки ( «cutoff voltage» ) - на рис. 3.12 маркируются стандартными обозначениями. Для ПТ с p-n переходом ток при замкнутом на исток затворе обозначается \(I_{DSS}\) и близок к максимально возможному. \(I_{DSS}\) означает «ток от стока к истоку при затворе замкнутом на исток» ( «Drain to Source with the gate Shorted to the source» ). Подобные обозначения ( две первые буквы - имена выводов, а третья - условия измерения ) будут встречаться в книге и дальше. Для обогащённого МОП транзистора аналогичный параметр обозначается \(I_{D(ON)}\) и измеряется при некотором положительном [* для n-канальных моделей ] смещении затвора, а «\(I_{DSS}\)» для любого обогащённого транзистора будет нулевым.

Для ПТ с p-n переходом напряжение затвор-исток, при котором ток стока близок к нулевому _9 называется «напряжение отсечки» \(V_{GS(OFF)}\) ( «gate-source cutoff voltage» ) или \(V_P\) ( «pinch-off voltage» ). Типовые значения лежат в диапазоне –1...–5V ( для p-канальных знак меняется ). Для обогащённых МОП транзисторов этот параметр не указывается 10 . Вместо него в справочных данных приводится пороговое напряжение затвор-исток ( «gate-source threshold voltage» ) \(V_{GS}(th)\) , при котором начинающийся ток стока достигает некоторого небольшого случайного выбранного значения ( обычно 0.25 mA ). \(V_{GS}(th)\) обычно попадает в диапазон 0.5–5V , естественно в «прямом» ( открывающем ) направлении. [* Можете глянуть схему его измерения на рис. 4.40 ]

В полярностях полевых транзисторов легко запутаться. Скажем, у n-канального ПТ сток положительнее, чем исток, напряжение на затворе может быть как положительным, так и отрицательным, а пороговое напряжение отрицательное для обеднённых моделей и положительное для обогащённых. Чтобы дополнительно запутать новичков [* что вполне удаётся ] , ток в канале может быть направлен в противоположную сторону ( от истока к стоку ). Всё то же [* с учётом изменения всех знаков ] можно сказать и о p-канальных приборах. Чтобы минимизировать неоднозначность, условимся, что в любых примерах речь идёт о n-канальных транзисторах, если прямо не сказано обратное. Кроме того, учитывая, что МОП транзисторы в массе относятся к обогащённым, а ПТ с p-n переходом бывают исключительно обеднёнными, специальное упоминание данного факта также опускается.

3.1.4.Параметры стока

На рис. 3.2 было показано семейство кривых зависимости \(I_D\) от \(V_{DS}\) , снятое для VN0106 - n-канального обогащённого МОП транзистора 11 . Там же было отмечено, что полевые транзисторы на большей части своей характеристики ведут себя как хорошие транскондуктивные приборы, т.е. \(I_D\) практически постоянен при заданном \(V_{GS}\) . Исключением является лишь область малых падений сток-исток \(V_{DS}\) , где ПТ похож на резистор ( \(I_D\) пропорционален \(V_{DS}\) ). В обоих случаях поведение определяется напряжением затвор-исток и может быть описано аналогом уравнения Эберса-Молла для полевых транзисторов. Рассмотрим две эти области чуть подробнее ( эта важная тема вновь будет разбираться в §3.3 и Части X3 ).

Схематично картина показана на рис. 3.13 . В обеих областях ток стока зависит от разницы между напряжением затвор-исток и напряжением отсечки \((V_{GS}-V_{th})\) . Линейная область, где ток стока примерно пропорционален \(V_{DS}\) , простирается до напряжения \(V_{DS(SAT)}\) , после которого ток становится практически постоянным. Наклон графика в линейной области [* номинал «резистора», вернее, проводимость ]   \(I_D/V_{DS}\) пропорционален смещению затвора \((V_{GS}-V_{th})\) . Более того, напряжение на стоке, при котором происходит переход в область насыщения \(V_{DS(SAT)}\) , примерно равна \((V_{GS}-V_{th})\) , что делает ток насыщения \(I_{D(SAT)}\) пропорциональным \((V_{GS}-V_{th})^2\) , т.е. задаёт квадратичную зависимость, упомянутую ранее. Приведём универсальные формулы для тока стока:

линейная область ( «linear region» ) \[ I_D = 2Κ\Bigg[(V_{GS} - V_{th})V_{DS} - \frac{V_{DS}^2}{2}\Bigg] \qquad [3.1] \]

насыщение ( «saturation region» ) \[ I_D = Κ(V_{GS} - V_{th})^2 \qquad \qquad \qquad \qquad [3.2] \]

Рис. 3.13   Линейная область и насыщение на характеристике полевого транзистора

Если обозначить разницу \((V_{GS}-V_{th})\) термином «воздействие на затвор» , то можно отметить следующие важные обстоятельства.

  1. Сопротивление в линейной области обратно пропорционально воздействию на затвор.
  2. Линейная область простирается до напряжения сток-исток примерно равного воздействию на затвор.
  3. Ток насыщения стока пропорционален квадрату воздействия на затвор.

Все эти выводы предполагают, что подложка соединена с истоком. Отметим, что линейная область не особо линейна из-за члена \(V_{DS}^2\) . Позднее будет показана красивая схема, компенсирующая этот недостаток.

Масштабный коэффициент \(Κ\) зависит от технологических параметров: геометрии кристалла, диэлектрической проницаемости изолирующего оксида и подвижности носителей заряда 12 . Его температурная зависимость выражается соотношением \(Κ∝T^{-3/2}\) . Такая температурная характеристика вызывает снижение \(I_D\) при увеличении температуры. Но \(V_{th}\) тоже немного зависит от температуры ( 2...5 mV/°C ). Итоговое влияние температуры показывает график 3.14 .

Рис. 3.14   «Пороговое напряжение» \(V_{th}\) получается экстраполяцией графика «квадратного корня из \(I_D\)» до точки «нулевого тока» стока [* снизу кривая тока загибается влево, поэтому при \(V_{th}\) на затворе ток стока на самом деле не нулевой, см. самый нижний график на рис. 3.51 ] . Ток насыщения в режиме большого тока имеет отрицательный температурный коэффициент

При больших напряжениях на затворе отрицательный температурный коэффициент параметра \(Κ\) приводит к уменьшению тока с увеличением температуры. Как следствие, ПТ одного типа, работающие в режиме большого тока можно запараллеливать без токовыравнивающих балластных резисторов, которые необходимы для биполярных моделей ( см. §3.6.3 [* и сюда гляньте §2.4.4 ] ) 13 . Тот же отрицательный коэффициент защищает от теплового разгона отдельных зон перехода ( этот эффект называют «захватом тока» - «current hogging» ), который серьёзно уменьшает область безопасной работы мощных биполярных транзисторов, см. «вторичный пробой» и «SOA» в Части _9   [* §9.4.2 и рис. 3.95 ] .

При небольших токах стока, где доминирует температурные параметры \(V_{th}\) , \(I_D\) имеет положительный коэффициент. Точка с нулевым температурным коэффициентом попадает в зону между этими областями, и данный факт активно используется в операционных усилителях на ПТ для уменьшения температурного дрейфа.

3.1.4.A Подпороговая область

Уравнение, описывающее ток насыщения не подходит для режима очень малых токов стока, который называется «подпороговым» ( «subthreshold» ) и имеет две особенности.

  1. Напряжение на затворе не дотягивает до открытия канала.
  2. Ток в канале вызывается тепловым движением носителей заряда. Такой ток экспоненциально зависит ( с некоторым коэффициентом ) от разницы \((V_{GS}-V_{th})\) .

Измерения некоторых МОП транзисторов в диапазоне шести порядков тока ( 1 nA...1 mA ) позволило построить график зависимости \(I_D\) от \(V_{GS}\) , который почти точно повторяет график экспоненты ( рис. 3.15 ). Выше подпороговой области кривая переходит к нормальной «квадратичной» зависимости. Для n-канального МОП транзистора VN01 фирмы Supertex ( похож на популярный 2N7000 ) была проверена группа из 20 образцов ( четыре производителя, разброс дат - два года ) с построением графика разброса, чтобы дать представление о его величине и характере ( см. §3.1.5 ). Отметим несколько худшие параметры \(V_{th}\) и \(I_{D(ON)}\) комплементарного VP01 ( похож на популярный BS250 ).

Рис. 3.15   Результаты измерения тока насыщения в зависимости от напряжения затвор-исток. Для VN01 предельный разброс по отдельным экземплярам отмечен пунктиром, а сплошной линией показана медиана группы из 20 МОП транзисторов

ПТ c p-n переходом ведут себя так же, что видно по графику на рис. 3.16 ( \(V_{GS}\) ограничен потенциалом прямого смещения перехода ). Квадратичная область ( \(I_D∝(V_{GS}-V_{th})^2\) ) лучше видна на графике квадратного корня из тока стока по напряжению на затворе, см. рис. 3.14 и 3.51   [* для квадратичной зависимости должна быть прямая линия ] .

Рис. 3.16   Данные измерений для пяти порядков тока стока от напряжения на затворе для 2N5457 - n-канального ПТ с p-n переходом. В подпороговой области ток стока растёт экспоненциально, напоминая биполярные приборы, и почти с тем же коэффициентом пропорциональности \(V_T=kT/q\)≈25.3 mV при комнатной температуре. При высоких токах зависимость становится квадратичной ( расчётная кривая сдвинута на 10% для наглядности )

3.1.5 Производственный разброс характеристик

Прежде чем переходить к схемам, взглянем на параметры полевых транзисторов и их производственный разброс между однотипными образцами, чтобы лучше представлять имеющиеся возможности. К сожалению, многие параметры имеют заметно больший допуск, чем у биполярных моделей, о чём следует помнить разработчику. Скажем, типичный n-канальный МОП 2N7000 имеет \(V_{GS}(th)\) для \(I_D\)=1 mA в диапазоне 0.8–3V , а аналогичный параметр у биполярного npn транзистора \(V_{BE}\) при токе \(I_C\)=1 mA меняется от 0.63 до 0.83 V . Вот величины и диапазон изменений, на которые можно ориентироваться.

FET Characteristics: Manufacturing Spread

Characteristic Available Range Spread IDSS, ID(ON) 1 mA to 500 A x5 RDS(ON) 0.001Q to 10k x5 gm @ 1 mA 500-3000 jiS x5 Vp (JFETs) 0.5-10 V 5 V VGS(th) (MOSFETs) 0.5-5 V 2 V BVDS(OFF) 6-1000V BVGS(OFF) 6-125V

\(R_{DS(ON)}\) - сопротивление сток-исток в линейной области, т.е. с малым \(V_{DS}\) , когда полевой транзистор полностью открыт. В таком режиме затвор у ПТ с p-n переходом замкнут на исток, а в МОП приборах имеет сильное «прямое» смещение ( обычно указывается 10 V ). \(I_{DSS}\) и \(I_{D(ON)}\) - ток стока в области насыщения, т.е. при большом напряжении \(V_{DS}\) , но с тем же сигналом на затворе. \(V_P\) - пороговое напряжение отсечки для ПТ с p-n переходом, \(V_{GS}(th)\) - напряжение на затворе МОП транзистора, при котором фиксируется заданный ток, \(BV\) - напряжение пробоя. Легко заметить, что ПТ с p-n переходом, в котором затвор замкнут на исток, может служить неплохим источником тока, но предсказать величину этого тока с разумной точностью невозможно. Столь же велик разброс \(V_{GS}\) и в МОП транзисторах в аналогичном включении. Сравните ситуацию с предсказуемым \(V_{BE}\)≈0.6V биполярных приборов. Рис. 3.17 показывает проблему в графическом виде. Для построения гистограммы было измерено \(V_{GS}\) при токе стока 1 mA у недорогих ( $0.1 ) популярных транзисторов 2N5457/58/59, раскиданных по сериям по величине \(I_{DSS}\) , ( по 100 шт. каждого типа ). Для каждой группы обнаружился разброс порядка 1V . Цифру можно сравнить с результатами биполярных транзисторов ( рис. 8.44 ). Там разброс не превышает 10...20 mV .

Рис. 3.17   При получении данных с 300 образцов пальцы были стёрты почти до костей. \(V_{GS}\) для популярных транзисторов 2N5457/58/59 ( \(V_{DS}\)=5V , \(I_D\)=1 mA, по 100 шт. каждого типа ). Сравните с данными для биполярных моделей на рис. 8.44

3.1.5.A Согласование характеристик

Итак, полевые транзисторы уступают биполярным в предсказуемости \(V_{GS}\) , т.е. одинаковые приборы имеют большую разницу напряжений на затворе при заданном токе стока \(I_D\) . Экземпляры с большим технологическим разбросом будут иметь больше смещения ( небаланс ) в дифференциальном включении. Например, пара из двух случайно взятых типичных биполярных транзисторов покажет разницу \(V_{BE}\) около 25 mV при одинаковом токе коллектора. Аналогичный параметр у МОП приборов по официальным справочным данным будет различаться на 1...2V (!) 14 . Но у полевых транзисторов есть очень привлекательные свойства, поэтому имеет смысл приложить некоторые усилия для снижения величины смещения в единой согласованной паре. Производители кремния используют разные приёмы. В их числе встречно-гребенчатая конструкция ( два устройства делаются на едином куске кремния ) и конфигурации, компенсирующие температурные градиенты ( рис. 3.18 ).

Рис. 3.18   Приёмы согласования транзисторов. (A) Встречно-гребенчатая конструкция ( с разрешения Linear Integrated Systems ). (B) Метод компенсации температурных градиентов [* и на кристалле, и на печатной плате ]

Результат впечатляет. Хоть полевые транзисторы и не могут тягаться с биполярными по точности согласования \(V_{GS}\) , их параметры соответствуют большей части задач. Например, лучше всего согласованные пары ПТ 15 имели смещение 0.5 mV и температурный коэффициент 5 μV/°C max, а лучшие биполярные 25 μV и 0.3 μV/°C max, т.е, в 20 раз лучше.

Операционные усилители ( дифференциальные усилители с большим коэффициентом передачи, см. Часть _4 ) выпускают в обоих исполнениях. Можно взять биполярную модель, чтобы получить бОльшую точность за счёт лучшего согласования \(V_{BE}\) входных транзисторов. Вариант на ПТ - стандартный выбор в задачах, требующих высокого входного импеданса, т.к. затворы ток не потребляют. Скажем, недорогие LF411/12 на ПТ с p-n переходом, которые в Части _4   выбраны в качестве универсальных ОУ для всего, имеют типичный входной ток ( утечки ) 50 pA при цене $0.60. Популярный МОП TLC272 стоит столько же, а его ток всего 1 pA . Для сравнения обычный биполярный LM324 имеет типичный ток смещения 45'000 pA ( 45 nA ) 16 .

3.1.6 Базовые схемы на полевых транзисторах

Пришло время познакомиться со схемами на полевых транзисторах. Обычно можно найти способ переделки имеющейся схемы под ПТ, но такая модификация не будет иметь каких-либо преимуществ перед исходной. В данной части будут разбираться примеры, использующие уникальные свойства полевых транзисторов, т.е. такие конструкции, которые лучше работают с полевыми транзисторами, или которые вообще нельзя собрать на биполярных приборах. В такой ситуации полезнее будет сгруппировать схемы на ПТ по категориям. Ниже приводится список наиболее важных задач, как их видят авторы.

Высокий импеданс/низкий ток
Буферы или усилители для устройств, в которых входной ток и импеданс биполярных транзисторов является основным лимитирующим фактором. Хотя собрать такие схемы на дискретных транзисторах вполне возможно , общепринятой практикой является использование интегральных схем на ПТ. Некоторые из таких ИМС используют полевые транзисторы только в качестве входных буферных элементов для биполярной схемы, другие строятся исключительно на полевых приборах. Когда микросхемы на полевых транзисторах не дотягивают по параметрам, гибридные варианты - дискретные ПТ на входе биполярного операционного усилителя могут решить задачу.
Аналоговые ключи
Как уже отмечалось в §3.1.1.B МОП транзисторы отлично работают в качестве аналоговых ключей, управляемых напряжением. Здесь также правильнее будет использовать специализированные интегральные «аналоговые ключи», а не собирать схему на дискретных компонентах.
Цифровая логика
МОП транзисторы занимают нишу микропроцессоров, памяти, СБИС и большей части цифровой логики. Все микропотребляющие цифровые микросхемы и устройства делаются исключительно на ПТ. Дальше будет показано, в чём состоит преимущество полевых транзисторов перед биполярными.
Силовые ключи
Полевые транзисторы предпочтительнее биполярных при работе с серьёзными нагрузками, что показал пример на рис. 3.3 . В таких задачах используются мощные дискретные полупроводники.
Переменные резисторы, источники тока
В линейной области вольтамперной характеристики ПТ ведут себя как резисторы, управляемые напряжением. В области насыщения ПТ похожи на управляемые источники тока.
Общие вопросы замены биполярных транзисторов полевыми
Полевые транзисторы можно использовать в генераторах, усилителях, регуляторах и множестве радиочастотных схем вместо биполярных моделей. Здесь ПТ не гарантируют получение более высоких параметров. Иногда они лучше, иногда нет, но возможность замены стоит учитывать.

Давайте взглянем на все эти варианты, но в несколько ином порядке.

1 Их называют BJT - “bipolar junction transistors”, а полевые - FET - “Field-effect transistors”. <-

2 Ёмкость затвора «помнит», какое напряжение было подано на неё последним, что позволяет оставлять прибор включённым, выключенным или полуоткрытым без дополнительных воздействий и даже с просто плавающим выводом затвора. <-

3 Называемый также «линейным ключом» . <-

4 Стоит отметить, что такое рассмотрение данной схемы грешит чрезмерным упрощением: оно игнорирует воздействие ёмкости затвор-канал, изменение \(R_{ON}\) под действием сигнала и другие эффекты. Все эти особенности аналоговых ключей будут рассмотрены позднее. <-

5 Это параметры полупроводника, прямо влияющие на характеристики транзисторов. <-

6 В случае так называемых «комплементарных пар» ( n- и p-канальные транзисторы со сходными параметрами токов и напряжений ). p-канальные приборы имеют обычно большую площадь, чтобы походить по характеристикам на n-канального напарника. В справочных данных бОльшая площадь отражается в виде увеличенной ёмкости p-канального транзистора. <-

7 Разработчики логики предпочитают рисовать вторую пару снизу, а инженеры, работающие с мощными МОП транзисторами - вторую сверху. <-

8 В виде «двухзатворных» n-канальных GaAs полевых каскодных транзисторов для радиочастотных применений и нескольких мощных высоковольтных обеднённых МОП моделей, таких как транзисторы фирмы Supertex: LND150 с плоскостной структурой или DN3435 с вертикальной. Есть модели ещё у шести других производителей. <-

9 Обычно выбирается 10 nA . Принцип измерения напряжения отсечки описан в §4.3.4 . <-

10 Для указания идеализированного в такой же степени «напряжения отсечки затвор-исток» МОП транзисторов будет использоваться обозначение \(V_{th}\) , которое будет пояснено позднее. В электронной литературе в этом качестве используется обозначение \(V_T\) – «напряжение переключения» ( “threshold voltage” ). Но авторы предпочитают дистанцироваться от \(V_T\) – «температурного напряжения» ( “thermal voltage” ) из уравнения Эберса-Молла \(V_T≈kT/q\)≈25 mV. Кроме того, не надо путать \(V_{th}\) и \(V_{GS}(th)\) . \(V_{th}\) получается при экстраполяции графика зависимости \(\sqrt{I_D}\) от \(V_{GS}\) [* см. нижний график на рис. 3.51 ] . Оно не приводится в справочных данных, но весьма удобно. И наоборот, \(V_{GS}(th)\) - достаточно бесполезная величина, которая приводится во всех справочных данных. <-

11 VN0106 не больно-то распространён. Он похож на очень популярный 2N7000 или BS170 ( в TO-92 ) и на 2N7002, BSS138 и MMBF170 ( в поверхностных корпусах ). <-

12 В этом выражении обычно используют символ «\(k\)». Авторы предпочитают \(Κ\) , чтобы исключить интерференцию с постоянной Больцмана, которая фигурирует в уравнении Эберса-Молла для биполярных транзисторов. SPICE модели ПТ с p-n переходом называют этот параметр «\(β\)» , а \(V_{th}\) обозначают как «VTO». <-

13 Требуется соблюдать осторожность, особенно при использовании обычных «вертикальных» мощных транзисторов в линейном режиме, где они работают с токами стока, не попадающими в область с отрицательным температурным коэффициентом, см. §3.5.1.B и §3.6.3 . В задачах такого рода ( например, в звуковых усилителях мощности ) популярны «плоскостные» типы МОП транзисторов из-за стабилизирующего отрицательного температурного коэффициента. <-

14 На практике обнаруживается гораздо лучшее согласование в одной партии транзисторов. Иногда оно доходит до 50 mV или около того. С другой стороны типичный разброс в одной партии составляет несколько сотен милливольт, см. рис. 3.41 . Если для какой-то задачи, например, для параллельного включения важна степень согласованности, транзисторы придётся отбирать. <-

15 К сожалению, эти компоненты более недоступны. Но искусство согласования транзисторов живо и активно используется при проектировании операционных усилителей на ПТ с p-n переходом, для которых рекорды смещения и температурного коэффициента равны 0.1 mV и 1 μV/°C . У биполярных ОУ цифры на порядок лучше 0.01 mV и 0.1 μV/°C . <-

16 Сторонники биполярных приборов сообщат о возможностях «супербета» моделей в комбинации со схемой компенсации входных токов [* см. упражнение 2.30 ] , позволяющие достичь уровней 25 pA . А затем укажут на экспоненциальную зависимость входного тока полевых транзисторов ( который на самом деле ток утечки ) от температуры, в то время как входной ток биполярных транзисторов - настоящий ток смещения - очень стабилен и даже чуть снижается ( см. рис. 3.48 ). На что любители ПТ скромно заметят, что ОУ с входным каскадом на МОП транзисторах LMC6042 имеет типовое значение входного тока 2 фемтоампера , т.е. 0.000'002 nA ! <-

Previous part:

Next part: