ГЛАВА 14. Полевые (униполярные) транзисторы.
“Спец”: Полевыми транзисторами называются кристаллические полупроводниковые структуры, которые, в отличие от биполярных транзисторов, управляются электрическим полем. То есть, практически, без затраты мощности управляющего сигнала.
Вообще к настоящему времени известно около двух десятков различных видов полевых приборов. Основная масса их выполняется на основе кремния или арсенида галлия. Германиевые полевые приборы не применяются в силу ряда причин. Но для наших практических целей достаточно иметь представление о СЕМИ разновидностях полевых транзисторов (рис. 14.1). 
“Аматор”: А не многовато будет?
“С”: Да нет, в самый раз! Прежде всего, приведем схемные обозначения этих семи основных видов (см. рис. 14.1).
“Н”: А как работают эти транзисторы и почему необходимо столько различных типов?
“С”: Управляющий электрод всех типов полевых транзисторов (FET) называется ЗАТВОРОМ, обозначаемым как 3 или имеющим международное обозначение G. Он позволяет управлять величиной сопротивления между СТОКОМ С (или D) и ИСТОКОМ И (или S). Управляющим напряжением является, таким образом, Ugs (или Uзи ). Большинство полевых транзисторов являются симметричными, то есть их свойства не изменяются, если D и S поменять местами. В транзисторах с управляющими р—n-переходами затвор отделен от канала обратно смещенным р—п-переходом.
“А”: То есть первое различие от биполярных транзисторов в том, что у БТ управляющий р—n-переход ВСЕГДА включен в прямом направлении, а у ПТ (JFET)— всегда в обратном?
“ С”: Это действительно так. Но вот у полевых транзисторов с изолированным затвором, или МОП-транзисторов (MOSFET) затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика SiO2. У этих транзисторов ток через затвор невозможен при любой полярности управляющего напряжения.
“Н”: Но ведь любой реальный прибор всё равно характеризуется какими-то реальными токами?
“С”: Как водится! Так же это относится и к JFET, и к MOSFET. Например, реальные токи затворов JFET находятся в пределах от единиц наноампер до единиц пикоампер. У МОП-транзисторов (MOSFET) они меньше ещё натри порядка! Таким образом, полевые транзисторы характеризуются колоссальными величинами входных сопротивлений. Оно у них выше, чем у ПУЛов (приемно — усилительных ламп).
“А”: А какова физика работы, например JFET (полевого транзистора с управляющим р—п-переходом)?
“С”: JFET имеет управляющий канал проводимости в объеме полу проводника. Рассмотрим действие прибора, упрощенная конструкция которого показана на приведенном рис. 14.2. Данный прибор изготовлен из кремния, имеющего собственную проводимость n-типа (то есть донорную, с избытком электронов). На верхней и нижней плоскостях сформированы р—n-переходы, путем формировании в кремнии n-типа, областей р-типа (то есть акцепторных, с повышенной концентрацией дырок ). Если к затвору относительно истока прикладывается отрицательное напряжение (см. рис. 14.2), то вблизи р+ областей образуются зоны, обедненные электронами (зона Б). Толщина зоны зависит от величины абсолютного значения напряжения Uзи. При приближении этого напряжения к нулю толщина обедненного слоя уменьшается. Та часть структуры, которую не достигли обедненные слои (зоны) называется КАНАЛОМ, из-за чего полевые транзисторы называются также — КАНАЛЬНЫМИ
“А”: Кстати, проводимость канала определяется ОСНОВНЫМИ НОСИТЕЛЯМИ, то есть в данном случае мы можем говорить, что имеем дело с n-канальным прибором, проводимость которого определяется электронами.
“С”: Совершенно верно! Но имеются в виду и р-канальные приборы, проводимость которых имеет сугубо дырочный характер!
“Н”: А что в этом случае изменяется?
“А”: Прежде всего полярность подключения питания изменяется на противоположную! Естественно, меняется и производственная технология!
“С”: Всё так! Но обратимся снова к нашему рисунку! Как вы думаете, что произойдет, если напряжение Uзи будет возрастать?
“А”: Я полагаю, что наступит момент, когда обедненные слои Б1 и Б2 соприкоснутся!
“С”: Правильно, это и будет означать, что канал полевого транзистора окажется перекрытым, проводимость прибора станет очень малой или, что то же самое, сопротивление промежутка ИСТОК — СТОК значительно возрастет!
“Н”: Это напряжение, при котором происходит смыкание обедненных слоев, оно имеет какое-то свое название?
“С”: Безусловно! Это один из важнейших параметров полевого транзистора! И носит имя собственное — НАПРЯЖЕНИЕ ОТСЕЧКИ, обозначаемое как Uотс (или Upinch-off). Но, поскольку даже в этом случае всегда найдутся достаточно энергичные электроны, которые способны преодолеть даже перекрытый канал, то, естественно, довести величину тока до абсолютного нуля не удается! Впрочем, это никому и не нужно! Поэтому обычно считают, что U OTC достигается в том случае, когда ток через канал (или его еще называют ТОК СТОКА — Iст) уменьшается до 10 микроампер.
“Н”: А что произойдет, если U3И = 0?
“С”: В этом случае обедненный слой исчезает, проводимость канала становится максимальной и, следовательно, ток стока достигает максимальной величины. Этот ток называется ТОКОМ НАСЫЩЕНИЯ или током полностью открытого канала — Iсо .
“А”: Вот мы и получили два из трех основных параметров: Uотс и Iсо! Но вот как нам лучше и изящнее подойти к третьему параметру, а именно — КРУТИЗНЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ или S?
“С”: Я понимаю глубинный смысл твоего вопроса, дорогой Аматор! Тебя скорее всего, интересует не столько сам физический смысл этого параметра(ты великолепно знаешь, что это есть отношение D I/D U) сколько то, как проще всего определять этот важнейший параметр на практике! Нет?
“А”: Именно так, уважаемый Спец! Я просто подумал, Что современная технология производства полевых транзисторов дает значительный разброс параметров. Следовательно, для выбора оптимальных режимов каскадов, необходимо определять вышепоименованную тройку параметров для каждого конкретного образца транзистора, а это — хлопот не оберешься!
“С”: Все проще гораздо, в чем мы сейчас и убедимся! Рассмотрим ПЕРЕДАТОЧНУЮ (она же УПРАВЛЯЮЩАЯ) характеристику JFЕТ (рис. 14.3, а).
 
Любезный Аматор, прокомментируйте нам вид изображенной кривой!
“А”: Точка “А” соответствует моменту, когда Uзи = 0, а ток стока максимален и равен, в нашем случае 10 мА. То есть это и будет Iсо или ТОК НАСЫЩЕНИЯ Точка “С” соответствует моменту, когда U3И принимает такое значение, что ток стока примерно равен нулю! Иными словами, это и есть u otc. Согласно рисунку, в нашем случае его величина равна — (- 3 вольта). Но что такое точка “В”?
“Н”: Прошу прощения, но из этой характеристики я заключаю, что для представленной зависимости можно легко подсчитать крутизну S!
“А”: Сделай это...
“Н”: Охотно...
S =D I с/D Uзи = 2 мА/0,3 В = 7 мА/В;
“С”: Отлично, Незнайкин!... Но вернемся к точке “В”. Она получается, если, совместив линейку с точкой “А”, прочертить прямую, начало которой совпадает с ходом начального участка передаточной характеристики до ее пересечения с осью абсцисс (осью значений Uзи). Наиболее впечатляющим является тот факт, что ВСЕГДА, для любых типов и индексов маломощных JFET, расстояние от начала координат до точки “В” будет меньше расстояния от начала координат до точки “С” РОВНО В ДВА РАЗА!
“А”: Потрясающе! Но ведь это означает, что, зная UOTC, и разделив эту величину пополам, мы можем определить S?
“С”: Да, это так!
“А”: То есть нам достаточно измерить только ДВА параметра, чтобы знать все ТРИ!?
“С”: Но и это еще не все! Легко показать, что, измерив Uотс и Iсо , мы можем весьма точно зарисовать ВЕСЬ ход передаточной характеристики!
“Н”: А что это нам дает?
“С”: Очень многое! Обратимся еще раз к нашей кривой! Чтобы не загромождать предыдущий чертеж, изобразим ее еще раз. Я отметил еще одну точку — “Е”! Ну, кто мне расскажет, чем она так любопытна, что заслужила отдельный рисунок (рис. 14.3, б)
“А”: Если я правильно понял, то участок ЕА — это ПРЯМАЯ ЛИНИЯ, а участок ЕС — кривая. Ну и что из этого?
“С”: А из этого следует важнейшее для схемотехники полевых транзисторов следствие - ПРИ ПОСТРОЕНИИ ЛИНЕЙНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, необходимо так выбирать рабочую точку, чтобы она располагалась ПОСЕРЕДИНЕ участка АЕ, а именно в точке “Л”! Только в этом случае усилитель не будет вносить нелинейных искажений! При этом, участок АЕ носит название КВАДРАТИЧНОГО!
“А”: Получается, что имея uоtc и Iсо мы можем определить и координаты точки “Е”, которые в нашем случае соответствуют — 1 вольт и 4 мА.
“С”: Отсюда совсем уже просто определить координаты точки “Л”. А что нам поведает по этому поводу Незнайкин?
“Н”: Только то, что точка “Л” определяется величинами Uл = - 0,5 В и током Iл = 7 мА. А вот как обеспечить нужный режим для реальной схемы?
“С”: Достаточно просто, как мы сейчас сможем убедиться (рис. 14.4)... 
Я изобразил эту схемку, чтобы показать, как “загнать” JFET в точку “Л”, координаты которой нам так любезно сообщил Незнайкин. Прежде всего отметим, что: Uл — равно падению напряжения на Rн . Поскольку I. = 7 мА, то:
R _ = UH/IC = 0,5 В/7 мА = 72 Ом;
“Н”: Здорово!... И просто, поскольку из-за ничтожно малого тока затвора, падение напряжения на R 3 = 0. Ну, я полагаю, что уж теперь-то мы всё рассказали о передаточной характеристике j FET!
“С”: Ой, Незнайкин, снова спешишь! В таком случае как ты прокомментируешь вот такое семейство передаточных характеристик
(рис. 14.5)? 
“Н”: Если вы, Спец, сказали СЕМЕЙСТВО характеристик, то это значит, что здесь речь идет не о разных, а об одном и том же jFET, но при разных температурах?
“С”: Верно! Но самое удивительное не то, что имеется зависимость передаточной характеристики jFET от температуры, а то, что существует точка, вольтамперные координаты которой АБСОЛЮТНО не зависят от температуры окружающей среды!
“А”: А возможно определить координаты этой точки, не проводя реальных температурных испытаний для каждого конкретного транзистора?
“С”: Да, такая возможность имеется. Не прибегая к сложным расчетам, полезно запомнить следующее соотношение:
Uзи с = U отс - 0,63 В.
При этом у реальных jFET величина Iсс находится в пределах от 100 мкА до 500 мкА. Но и это еще не все!
“Н”: Да будет ли этому конец?
“С”: Точно такой же вопрос задал один прохожий путешественнику, когда они стояли у железнодорожного шлагбаума и ждали того момента, когда, наконец, закончит свое прохождение товарняк.
“А”: Интересно, и что же ответил путешественник?
“С”: Он ответил — никогда!
“А”: И чем он мотивировал подобный ответ?
“С”: Да тем обстоятельством, что на станции отправления к товарняку забыли прицепить последний вагон... А если без шуток, то jFET (впрочем как и MOSFET) допускает работу в режиме, который даже не рассматривается при анализе возможностей биполярного транзистора! А именно — в качестве управляемого сопротивления. При этом необязательно вообще подавать на сток какое-либо постоянное напряжение. Хотя и это не исключено! Но мы, пока что, не станем рассуждать на эту тему, а перейдем к семейству ВЫХОДНЫХ характеристик jFET.
“А”: А они что, сильно отличаются по внешнему виду от характеристик биполярного транзистора?
“С”: Да нет, я бы не сказал! А, впрочем, судите сами: Здесь представлено семейство выходных характеристик JFET, передаточную характеристику которого мы рассматривали раньше (рис. 14.6). 
“Н”: А пунктирная линия, обозначенная как Ucи нас — это напряжение насыщения сток — исток?
“С”: Ну конечно же! А вот теперь перейдем, наконец, к MOSFET!
“А”: Я встречал в справочниках по МОП-транзисторам такие термины, как ВСТРОЕННЫЙ КАНАЛ и ИНДУЦИРОВАННЫЙ КАНАЛ.
“С”: Вот о них-то и пойдет сейчас речь! Обратимся к следующему рисунку. Здесь изображен МОП-транзистор (MOSFET) ОБОГАЩЕННОГО типа, имеющий, так называемый, ИНДУЦИРОВАННЫЙ канал (рис. 14.7).
“А”: Означает ли это, что при равенстве потенциалов истока и затвора ток через транзистор протекать не будет?
“С”: Безусловно! Более того, даже подавая на затвор незначительное положительное (относительно истока) напряжение, мы эту ситуацию изменить не в состоянии! MOSFET — заперт! Но, как известно, электроникой занимаются очень настойчивые люди! Мы продолжаем повышать потенциал (см. рис 14.7б). Не торопясь, плавно... И в какой-то момент... появляется ток стока! Это означает, что некоторый положительный потенциал затвора через диэлектрик SiO 2 навел (или индуцировал) канал проводимости n-типа, по которому электроны “двинулись” от истока к стоку!
“А”: Напряжение, которое создает канал проводимости, должно превысить некоторую величину, называемую ПОРОГОВОЙ. Может изобразить это графически?
“С”: Что мы и сделаем (см. рис. 14.8)! Вот здесь представлена УПРАВЛЯЮЩАЯ или ПЕРЕДАТОЧНАЯ характеристика некоего MOSFET с индуцированным каналом, пороговое напряжение которого (U n) равно, примерно 2 вольта. Дальше, я полагаю, можно не продолжать?
“А”: Мне до сих пор попадались только р-канальные MOSFET.
“С”: Это действительно так. Наибольшее распространение получили именно р-канальные MOSFET с индуцированным каналом типа: КП301 и КП304. Для справки: их пороговые напряжения находятся в пределах 4— 5 вольт! Выходные характеристики подобны уже рассмотренным для JFET.
“Н”: Вы еще ничего не рассказали о назначении ПОДЛОЖКИ!
“С”: Действительно, МОП-приборы снабжены четвертым электродом, получившем наименование ПОДЛОЖКА. Этот электрод в схемах обычно заземляется, чтобы мог индицироваться канал проводимости. Вообще-то встречаются схемы, где подложка играет роль второго управляющего электрода. Варьирующего крутизну MOSFET. Но, к сожалению, только в сторону уменьшения...
“А”: Мы не рассмотрели еще MOSFET со ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ!
“С”: И совершенно напрасно, поскольку именно они в значительной степени “делают погоду” в схемотехнике радиоприемников! Добавим, что их возможности шире, чем у транзисторов с индуцированным каналом. Да вот, посмотрите на рис. 14.9. Здесь представлена передаточная характеристика МОП-транзистора со встроенным n-каналом типа КП305Д. 
“Н”: Выходит, что даже при U3И = 0 В обеспечивается ток стока равный приблизительно 5 мА!
“А”: Обрати внимание на точку “А”. Это и есть значение Uотс для рассматриваемого транзистора. В свою очередь точки “В” и “Д” определяют размах КВАДРАТИЧНОГО УЧАСТКА ХАРАКТЕРИСТИКИ MOSFET КП305Д. Это не передаточная характеристика, а просто мечта поэта.
“Н”: Меня немного смущает только один нюанс...
“С”: Я внимательно слушаю тебя, наш юный друг. Что за нюанс?
“Н”: Обычно, когда вы ранее упоминали, пусть вкратце, о конкретных типах транзисторов, то речь шла о типе транзистора, но не о его буквенном индексе... Но сейчас...
“С”: А ты наблюдательный человек, Незнайкин! Тебя смутило, почему я дал передаточную характеристику именно для КП305Д, а не просто для КП305?
“Н”: Да. Кстати, сколько вообще буквенных индексов у этого транзистора?
“С”: У КП305 — четыре буквенных индекса: Д; Е; Ж; И. Должен признать, Незнайкин, что ты задал очень важный вопрос. Поэтому, для ответа на него, я предлагаю вашему вниманию следующий рисунок. Ну как? Хорошо видна разница между буквенными индексами (см. рис. 14.10)? 
“А”: Еще как! Но ведь это, помимо всего прочего, означает, что для большинства конкретных применений транзисторы КП305, имеющие различные буквенные индексы НЕ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМЫ!
“С”: Отличный вывод! Да, для различных индексов существует РАЗЛИЧНАЯ сфера применений. Как правило, “жонглирование” индексами эти транзисторы, как и многие другие, не допускают! А вообще это очень неплохие MOSFET, предназначенные для применения в малошумящих УВЧ в частотном диапазоне до 250 МГц!
“А”: Поскольку семейство выходных характеристик каких-либо аномалий не имеет, стоит ли их рассматривать?
“С”: Это необязательно. Но вот что крайне важно, так это обсудить вопросы соблюдения правил безопасности при работе с MOSFET!
“Н”: Существует опасность для работающего с ними оператора?!
“С”: Напротив, именно для MOSFET! Дело в том, что в них затвор отделен от проводящего канала тонким слоем изолятора, например двуокиси кремния. Толщина этого слоя составляет, приблизительно, 100 нанометров. Для сравнения, длина волны зеленого света — 470 нанометров! Поэтому при напряжении на затворе относительно истока, например 20 вольт, средняя величина напряженности электрического поля составляет порядка ДВУХ МИЛЛИОНОВ ВОЛЬТ НА САНТИМЕТР! Определено, что средняя величина напряженности пробоя для кристалла кварца или кварцевого стекла равна , ПЯТЬ МИЛЛИОНОВ ВОЛЬТ НА САНТИМЕТР! Современная, притом весьма совершенная, технология производства MOSFET гарантирует длительную надежную работу приборов при максимальном U3И = 15 вольт!
“Н”: Но, если я правильно рассуждаю, в реальных схемах ведь и того не будет?
“С”: В схемах, конечно же, не будет! Но ведь MOSFET сначала нужно вынуть из упаковки, сформировать выводы, подготовить для установки в плату (или макет)...
“А”: А это делается руками и инструментом! На которых обычно накапливается заряд статического электричества, имеющий величину сотен или даже тысяч вольт! ч
“С”: Достаточно взять в руки MOSFET, как это электричество навсегда погубит транзистор! Ввиду электрического микропробоя слоя SiO r
“Н”: Ничего себе! А как же быть?
“С”: Смотри, вот новенький КП305! Обрати внимание, что на его выводы надето предохранительное кольцо, которое обеспечивает закоротку ВСЕХ четырех выводов транзистора, т.е. стока, истока, затвора, и подложки. Теперь смотри, я слегка сдвигаю колечко вниз. Затем беру небольшой кусочек неизолированного тонкого медного проводника, в качестве которого можно использовать одну из жил обыкновенного монтажного провода. Обматываю выводы MOSFET между корпусом транзистора и предохранительным кольцом... Затем удаляю кольцо...
“А”: Теперь можно спокойно, использовав руки и инструмент, запаять MOSFET в схему и только ПОСЛЕ ЭТОГО удалить проводок! Просто и без затей.
“С”: Я в своей практике использовал этот прием сотни раз! MOSFET остаются неповрежденными и работают хорошо и надежно долгие годы!
“А”: Но может случиться так, что в конкретной схеме нас не устроит даже крутизна, равная 10 мА/В?
“С”: Да сколько угодно! В схемотехнике радиоприемников это тоже случается. На сей случай , имеются мощные МОП-транзисторы (PMOS FET),крутизна которых значительно выше. Например, КП 902, КП 905 и т.д. Эти структуры имеют крутизну S порядка 100 мА/В!
“Н”: А в нашем радиоприемнике PMOS FET найдут применение?
“С”: Как сказал товарищ Саахов: “а вот там увидим, да?”
“А”: Ну, а что следует знать о шумовых свойствах JFET и MOSFET?
“С”: Вообще полевые транзисторы имеют значительно меньшие уровни шумов, чем биполярные. Хотя, в то же время, для них характерно НЕСКОЛЬКО шумовых факторов. Это, прежде всего, температурные (термические) шумы, источником которых является внутреннее сопротивление канала. Полезно запомнить, что эти шумы, при прочих равных условиях, тем меньше, ЧЕМ БОЛЬШЕ КРУТИЗНА S! Затем — дробовая составляющая входного шумового тока, которая пропорциональна току утечки затвора.
“А”: То есть, чем меньше утечка затвора, тем меньше и шум!
“С”: Один из путей ее уменьшения — понижение напряжения сток — затвор. Затем имеются еще, так называемые, МЕРЦАЮЩИЕ шумы вида 1/f. Они более характерны для MOSFET и менее характерны для JFET. Отсюда следует очень важный практический вывод: jFET самые малошумящие в низкочастотной области, a MOSFET по самой своей сути — высокочастотный прибор.
“А”: А может продолжим наш справочник, занеся в него технические характеристики и биполярных, и полевых транзисторов, которые предполагается использовать в нашем радиоприемнике?
“С”: Обязательно! Но они заслуживают того, чтобы завести для этой цели особое ПРИЛОЖЕНИЕ (см. Глава 30).
“А”: Да, но ведь, кроме того, в современных радиоприемниках широко применяются и микросхемы. А мы еще не говорили о них!
“С”: Дорогой Аматор! Мы еще о многом не говорили. Поэтому в нашу следующую встречу начнем именно с микросхем!
Но, как известно, делу — время, а потехе — час. Может так случится, что я недельки на две-три уеду в командировку. Поэтому, дорогой Незнайкин, я попросил Аматора заняться с тобой практической схемотехникой. Дружеский совет — отнесись к этому со всей серьезностью! А пока — до встречи!
|
