Александр Кораблев
В статье кратко описано устройство полевых транзисторов с управляемым p-n-переходом и приведены схемы их использования. Статья предназначена для ознакомления с транзисторами, а не для подробного изучения их особенностей и схемотехники.
Введение
Идея создания полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (JFET) принадлежит американским инженерам Джорджу Дейси (George Clement Dacey) и Йену Россу (Ian Munro Ross). В 1953 г. они создали лабораторный образец такого транзистора, однако технологические проблемы производства смогли преодолеть только в 1960 г. — наверное, с этой даты и следует отсчитывать начало внедрения в практику полевых транзисторов с p-n-переходом.
Рис. 1. Схематическое изображение транзисторов с управляющим p-n-переходом
Существуют два типа транзисторов с управляющим p-n-переходом: с p-каналом и n-каналом. Их схематическое изображение показано на рис. 1, а на рис. 2 представлено упрощенное изображение конструкции n-канального транзистора. В областях, прилегающих к стоку и истоку транзистора, посредством дополнительного легирования созданы повышенные концентрации электронов, что уменьшает сопротивление канала в открытом состоянии.
Рис. 2. Упрощенная конструкция транзистора с управляющим p-n-переходом
Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (JFET)
Рис. 3. Принцип работы полевого транзистора на примере n-канального транзистора
Принцип работы полевого транзистора на примере n-канального транзистора иллюстрируется рис. 3. При управляющем напряжении затвор-исток UЗИ = 0 канал находится в проводящем состоянии, основные носители (электроны) обозначены на рис. 3 точками. По мере увеличения напряжения сток-исток UСИ будет возрастать и ток стока I C через канал, транзистор работает в омической области.
Дальнейшее увеличение напряжения сток-исток UСИ приводит к уменьшению свободных электронов, возникает обедненный слой. Область обедненного слоя наиболее велика вблизи стока, поскольку к стоку подключено питающее напряжение и напряженность поля там наиболее высока. Появление обедненного слоя приводит к сужению проводящего канала, поэтому при дальнейшем возрастании напряжения ток увеличивается незначительно, транзистор переходит в область насыщения. Обе области, насыщения и омическая, показаны на вольт-амперной характеристике слева на рис. 3.
Если прикладывать к затвору отрицательное напряжение UЗИ, область p-n-перехода расширяется в сторону канала, что приводит к сужению проводящего канала и уменьшению тока через него. При дальнейшем увеличении абсолютного значения напряжения затвора канал полностью перекрывается, проводимость прекращается, транзистор переходит в режим отсечки. Напряжение UЗИ, при котором наступает режим отсечки, называется напряжением отсечки UОТС.
Рис. 4. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p-n-переходом при различных управляющих напряжениях UЗИ
На рис. 4 показаны вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p-n-переходом при различных управляющих напряжениях UЗИ и соблюдении соотношений:
|UЗИ4| > |UЗИ3| > |UЗИ2| >|UЗИ1| > 0 В. (1)
Ток стока при управляющем напряжении затвор-исток UЗИ = 0 называется начальным током стока IC0. В большинстве случаев вольт-амперная характеристика полевого транзистора с p-n-переходом хорошо описывается выражением:
IC = IC0 ∙ [1 – (UЗИ/UОТС)]2. (2)
Усиление полевого транзистора характеризуется крутизной GM, которая определяется из формулы (3) с учетом соотношения (2):
GM = dIC/dUЗИ = –2IC0 ∙ [(UОТС – ( U ЗИ)/ UОТС2]. (3)
В справочных данных обычно значение крутизны полевого транзистора указывают при UЗИ = 0. В этом случае выражение (3) принимает следующий вид:
GM = –2IC0 / UОТС. (4)
Преимуществом полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом является высокое входное сопротивление, ток обратно смещенного p-n-перехода очень мал и не превышает нескольких микроампер, но следует учитывать, что при возрастании температуры на 10 °С ток затвора удваивается.
К достоинствам полевого транзистора с управляющим p-n-переходом также относятся отличные частотные свойства. Полевые транзисторы униполярны, в них отсутствуют неосновные носители, а следовательно, и процесс рассасывания неосновных носителей, который заметно ухудшает частотные свойства биполярных транзисторов.
Рис. 5. Схемы включения полевых транзисторов с p-n-переходом: а) с общим истоком; б) с общим затвором; в) с общим стоком
Существуют три схемы включения полевых транзисторов. Все они изображены на рис. 5. Часто используется схема с общим истоком (рис. 5а), которая позволяет усилить мощность сигнала. Схема с общим затвором (рис. 5б) имеет низкое входное сопротивление и не усиливает сигнал, поэтому она применяется редко. Схема с общим стоком или истоковый повторитель (рис. 5в) имеет большое входное сопротивление, но коэффициент усиления напряжения практически равен 1.
Применение полевых транзисторов с p-n-переходом (JFET)
В инженерной практике полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом чаще всего применяют в аналоговых трактах совместно с операционными усилителями или в силовых схемах в качестве ключей. Вкратце рассмотрим несколько примеров применения полевых транзисторов с p-n-переходом в практических схемах.
На рис. 6 показана схема фотодиодного усилителя. Полевой транзистор с p-n-переходом используется здесь в качестве повторителя: он изолирует фотодиод от транзистора, поэтому емкость фотодиода приблизительно равная 3000 пФ «отрезается» от инвертирующего входа операционного усилителя, за счет чего заметно возрастает полоса пропускания.
Коэффициент передачи шума в рассматриваемой схеме определяется выражением:
КШ = 1 + СВХ/СВЫХ. (5)
За счет уменьшения входной емкости использование полевого транзистора позволяет также снизить шум схемы. Кроме того, полевой транзистор увеличивает входное сопротивление схемы, следовательно, уменьшает коэффициент усиления входного смещения, который определяется выражением:
КУСМ = 1 + RОС/RВХ. (6)
Рис. 6. Схема фотодиодного усилителя
Недостаток схемы (рис. 6) заключается в том, что к фотодиоду прикладывается отрицательное напряжение, из-за чего возрастает его темновой ток, который к тому же зависит от температуры. Если пользователей интересует только переменная составляющая сигнала фотодиода, указанным недостатком можно пренебречь. Если же важна и постоянная составляющая сигнала, следует воспользоваться улучшенной схемой фотодиодного усилителя (рис. 7). В этой схеме используются два согласованных полевых транзистора в одном корпусе. Нижний транзистор является источником тока, величина тока задается сопротивлением R2 в цепи истока и выбирается таким образом, чтобы потенциал катода фотодиода был близок к нулю. Для более точной подстройки нулевого смещения можно добавить потенциометры R4 и R6.
Рис. 7. Улучшенная схема фотодиодного усилителя
Полевые транзисторы с p-n-переходом удобно использовать в качестве переменных сопротивлений, управляемых напряжением в схемах усилителя с управляемым коэффициентом усиления, или аттенюаторов. Последний вариант изображен на рис. 8. В этой схеме использован n-канальный полевой транзистор, на его затвор подается напряжение с потенциометра VR1, таким образом задается коэффициент ослабления. Возможно и иное решение, например, в качестве управляющего напряжения вместо потенциометра VR1 можно использовать пульсирующее напряжение, в этом случае мы получим простой и экономичный модулятор.
Рис. 8. Схема аттенюатора
Благодаря использованию карбида кремния (SiC) удалось получить полупроводниковые приборы с широкой запрещенной зоной, а следовательно, с повышенным нормируемым рабочим напряжением, что позволило применять их в силовых преобразователях. Сегодня производятся полевые транзисторы с нормируемым напряжением вплоть до 1700 В.
Рис. 9. Каскод c SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом
В силовых преобразователях с полевыми SiC-транзисторами с управляемым p-n-переходом последние строятся по хорошо известной еще с ламповых времен схеме каскода (рис. 9). В этой схеме к относительно дорогостоящему высоковольтному SiC-транзистору добавлен обычный низковольтный недорогой кремниевый MOSFET стоимостью «пятачок на пучок». На этом же рисунке можно видеть описание режимов работы каскода.
Рис. 10. Схема суперкаскода с SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом
Увеличения нормируемого рабочего напряжения можно достичь с помощью последовательного включения нескольких полевых SiC-транзисторов с p-n-переходом. На рис. 10 показана образованная таким методом схема суперкаскода с нормируемым напряжением 6500 В. В схеме суперкаскода последовательно соединены пять полевых SiC транзисторов с управляемым p-n-переходом с рабочим напряжением 1700 В.