Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №5 - Федорочев
Линейная зависимость крутизны ПТ от управляющего напряжения обеспечивает более сильное подавление перекрёстных помех и нелинейных искажений во входных каскадах радиоприёмных устройств. ПТ имеют преимущество и в качестве сопротивления, управляемого напряжением в устройствах регулирования уровня сигнала (компрессорах, цепях АРУ). Применение ПТ в синхронных выпрямителях (СВ) позволяет получить КПД до 0.962 и выше. В ряде случаев ПТ не боятся перегрузки, т. к. имеют естественное ограничение тока.
Несомненны и преимущества ПТ и в качестве ключей высоковольтных преобразователей, в отличии от биполярных транзисторов, применение которых ограничено "вторичным пробоем". Явление "вторичного пробоя" обусловлено концентрацией тока в пределах малых областей активной структуры транзистора. Распределение теплоты в кристалле является неравномерным и зависит от плотности тока и приложенного напряжения. При больших напряжениях коллектора ток стягивается в узкую область, что приводит к существенному изменению активной площади р-n перехода, в результате чего увеличивается тепловое сопротивление. Если игнорировать это явление, то уже при относительно небольших мощностях может произойти сильное сужение тока в структуре и резкое повышение её температуры в области прохождения тока до температуры плавления, что вызывает разрушение транзистора. Генераторы тока на ПТ предельно просты, (см. раздел 3)
По принципу действия и технологии изготовления ПТ можно разделить на 2 группы:
— ПТ с управляющим р-n переходом и барьером Шотки;
— ПТ с изолированным затвором со структурой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП — транзистор), иногда его называют МОП — транзистором (металл — окисел — полупроводник).
В свою очередь ПТ с изолированным затвором подразделяются на:
— с индуцированным каналом (обогащённого типа);
— со встроенным каналом (обеднённого типа).
В настоящее время выпускается большое количество ПТ разного типа:
— канал проводимости обогащённого типа;
— канал проводимости обеднённого типа;
— переход PN;
— переход NP;
— Р-канал на подложке;
— N-канал на подложке;
— затвор изолированный.
Облегчить задачу выбора ПТ в зависимости от их конструкции и технологии изготовления поможет таблица, в которой приведены характерные структуры ПТ, их режимы работы и полярность напряжений на электродах транзисторов относительно истока:
Ниже показаны условные графические обозначения ПТ с изолированной подложкой и подложкой, имеющей электрическое соединение с истоком, соответственно (соединение внутри символа показывают без точки):
Статические стоко-затворные характеристики основных трёх типов ПТ:
Характерной особенностью ПТ с управляющим р-n переходом, а также с изолированным затвором и встроенным каналом является наличие начального тока стока Iс нач при отсутствии управляющего сигнала на затворе и при условии Uси. нас <= Uси = const,
где Uси. нас — напряжение "сток-исток" на границе области насыщения.
В ПТ с управляющим р-n переходом управляющая цепь отделена от канала обратно
— смещённым р-n переходом (поляризованном в направлении запирания рn- или nр-переходом), при этом канал расположен в объёме полупроводника и существует при нулевом напряжении на затворе, т. е. является встроенным каналом.
В силу конструктивных особенностей транзисторов с управляющим р-n переходом они обычно работают в режиме обеднения проводящего канала, т. е. при подаче запирающего напряжения на затвор. При этом электропроводность канала ПТ уменьшается и не превышает Iс.нач, таким образом проводимость достигается инвертированием электрического поля:
Применение металлического затвора создаёт с полупроводником канала выпрямляющий контакт (диод Шотки) и позволяет существенно уменьшить размеры структуры. Использование арсенида галлия, имеющего в два раза большую скорость движения носителей заряда, чем в кремнии, а также очень мелкое залегание в толще кристалла управляющего барьера Шотки (в сравнении с управляющим р-n переходом), позволяющее получить малую ёмкость Сзс, резко повышает диапазон рабочих частот транзистора.
Входная вольт — амперная характеристика ПТ с управляющим р-n переходом и каналом n-типа показаны на рисунке:
Её можно представить как состоящую из двух частей:
— область нарастания или "омическая" область;
— область насыщения.
В первой области канал "сток-исток" ведёт себя как резистор, управляемый напряжением "затвор — исток" (см. ниже). В области насыщения, напротив, ток стока практически не зависит от напряжения на затворе, благодаря чему ПТ приобретает свойства усилительного элемента.
Напряжение отсечки определяют с помощью вольтметра при Iст = 10 мкА, плавно перемещая движок резистора из нижнего положения в верхнее:
В МДП транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом при отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком практически отсутствует (т. е. нормально закрытый прибор). Транзисторы с индуцированным каналом работают в режиме обогащения. При подаче на затвор транзистора с индуцированным каналом некоторого порогового напряжения Uзи пор и более, совпадающего по знаку со знаком основных носителей, на поверхности полупроводника индуцируется заряд противоположного знака, т. е. тип проводимости приповерхностного слоя полупроводника инвертируется и происходит формирование проводящего канала, сопровождающегося ростом тока стока:
Конструктивным вариантом ПТ является двухзатворный транзистор — МДП-тетрод:
Прибор можно представить в виде двух последовательно соединённых (каскодное включение) транзисторов:
Управляющим является первый затвор. Второй затвор, действуя как электростатический экран, уменьшает проходную ёмкость прибора (эффект Миллера). Возможность работы на более высоких частотах — основное преимущество тетрода по сравнению с МДП — транзистором. Кроме того, тетрод существенно упрощает конструирование смесительных устройств.
Примерами промышленных образцов являются транзисторы КП306 и КП350 — МДП-тетроды со встроенным (индуцированным) каналом n-типа и двумя затворами, предназначенные для высокочастотных каскадов радиоприёмных устройств. При необходимости второй затвор (как экранирующую сетку пентода) мржно использовать в качестве второго управляющего электрода, например, в схеме преобразователя (смесителя) частоты.
Мощные V-МДП-транзисторы являются быстроразвивающимся классом твёрдотельных приборов. Вид передаточной характеристики транзисторов с вертикальным V-обратным каналом (КП909, КП911, КП912, КП913,КП922 и др.) отличается от аналогичной для приборов с горизонтальным каналом (КП901, КП902, КП904, КП905, КП908 и др.) наличием отчётливо заметного Загиба не только в верхней, но и в нижней части кривой Iс (Uзи) при Uси = const. Передаточные характеристики отечественных V-МДП-транзисторов почти симметричны относительно точки перегиба (Us, Is). В качестве примера показана передаточная характеристика транзистора КП913 при Uси = 60 В:
Благодаря автоматическому ограничению тока стока и относительно малому (до 20 %) разбросу крутизны, эти транзисторы можно включать параллельно с достаточно равномерным
