3.1. Полевой транзистор: устройство и характеристики

3.1.1Первое знакомство: n-канальный МОП-транзистор

Начнём с практики, а теорию добавим по ходу. Задача: включать от логического сигнала автомобильную лампу или светодиодную ленту. С биполярным транзистором пришлось бы считать ток базы с запасом на худший экземпляр. С МОП-транзистором схема ещё проще.

Затвор подключён к полному напряжению питания — и всё. В открытом состоянии ПТ ведёт себя как небольшое сопротивление, много меньше сопротивления нагрузки, и сток притягивается почти к земле; у типичного мощного МОП-транзистора $R_{вкл}$ меньше 0,2 Ом. Сравните с биполярным ключом (раздел 2.1): там приходится выбирать ток базы так, чтобы его хватило в худшем случае — при минимальном $h_{21Э}$ и при броске тока холодной нити, который в 5–10 раз больше рабочего, — и при этом не тратить зря мощность в цепи базы. У ПТ этой дилеммы нет.

Теперь посмотрим, что происходит внутри. n-канальный МОП-транзистор обогащённого типа — ближайший родственник n-p-n-транзистора. Сток в нормальном режиме положителен относительно истока, как коллектор относительно эмиттера. Пока затвор не поднят выше истока, тока между стоком и истоком нет; когда затвор «смещают вперёд», появляется ток стока, и он целиком выходит из истока — в затвор не попадает ничего.

Если снять семейство кривых $I_{С}(U_{СИ})$ при нескольких $U_{ЗИ}$ и положить рядом семейство $I_{К}(U_{КЭ})$ биполярного транзистора, сходство бросается в глаза. Оба прибора выше 1–2 В на выходе держат ток почти постоянным, то есть обладают большим дифференциальным выходным сопротивлением. ПТ даже ближе к идеальному источнику токаИсточник тока — устройство, ток которого почти не зависит от напряжения на нагрузке (бесконечное дифференциальное сопротивление); идеал — $Z_{вых}=\infty$., управляемому напряжением: у биполярного транзистора пологий участок портит эффект Эрли (раздел 2.3).

Различий четыре, и каждое важно в схемах.

1. Квадрат вместо экспоненты. На пологом участке ток растёт с напряжением затвора довольно плавно: $I_{С}\propto (U_{ЗИ}-U_{п}{)}^2$. Здесь $U_{п}$ — пороговое напряжениеПороговое напряжение $U_{п}$ — напряжение затвор — исток, при котором у обогащённого МОП-транзистора только начинает течь ток стока; типично 0,5–5 В., при котором ток стока только начинает появляться (у прибора на левом графике оно около 1,63 В). Экспонента Эберса — Молла куда круче.
2. Постоянного тока затвора нет. Значит, «коэффициент усиления по токуКоэффициент усиления по току $\beta =h_{21Э}=I_{К}/I_{Б}$ — во сколько раз ток коллектора больше тока базы; обычно 50–300 и сильно гуляет от экземпляра к экземпляру.» у ПТ лишён смысла. Его описывают крутизной: напряжение затвор–исток задаёт ток стока, а $g_m=i_{с}/u_{зи}$ (строчными буквами обозначены малые приращения). Это та же точка зрения, что и в модели Эберса — МоллаУравнение Эберса — Молла: $I_{К}=I_{нас}(e^{U_{БЭ}/U_T}-1)$ — ток коллектора задаётся напряжением база–эмиттер по экспоненте. для биполярного транзистора.
3. Затвор МОП-транзистора изолирован по-настоящему. На него можно подать ±10 В и больше любой полярности: никакой диод не откроется (с базой биполярного транзистора и с затвором ПТ с p-n-переходом так нельзя).
4. Линейная область. При малых $U_{СИ}$ ПТ — это резистор, и остаётся резистором даже при небольших отрицательных $U_{СИ}$. Величину этого сопротивления задаёт $U_{ЗИ}$ — свойство, которое мы не раз используем.

Электронный выключатель сигнала

Второй пример показывает то, чего биполярный транзистор не умеет вовсе. Нужно, скажем, по команде микроконтроллера подключать к входу АЦП то один, то другой аналоговый сигнал. ПТ ставят прямо в разрыв сигнальной цепи и переводят то в проводящее состояние (затвор смещён «вперёд»), то в непроводящее (затвор смещён обратно) — сигнал либо проходит, либо нет.

Условия работы простые:

• чтобы разомкнуть ключ, на затвор подают напряжение ниже самого отрицательного уровня сигнала;
• чтобы замкнуть — на несколько вольт выше самого положительного уровня.

Почему не биполярный транзистор? Его база потребляет ток и вместе с коллектором и эмиттером образует диоды, которые при сигналах разной полярности начинают проводить там, где не надо. Затвору МОП-транзистора ток не нужен, только напряжение. Картина, конечно, упрощённая: ёмкость между затвором и каналом и зависимость $R_{вкл}$ от уровня сигнала мы пока не учитываем — подробно ключи разобраны в разделе 3.3.

3.1.2Из чего выбирать: полярность, затвор, легирование

Как отделить затвор от канала

Есть два способа. Первый — положить между затвором и кремнием изолятор. Так устроен МОП-транзистор (металл — окисел — полупроводник): затвор из металла или сильно легированного поликремния, под ним — плёнка SiO₂, то есть стекло, выращенное прямо на кремнии. Сток и исток с затвором ничем не соединены (больше $10^{14}$ Ом), и на канал действует только поле. Отсюда второе название — ПТ с изолированным затвором.

Плёнка окисла тоньше длины волны видимого света, и всё же выдерживает на затворе ±20 В и больше, причём любой полярности: ток через неё не идёт. Обратная сторона — беззащитность перед статическим электричеством: заряд с пальца пробивает окисел, и прибор погибает от одного касания (как с этим жить — в разделе 3.3).

Второй способ — отгородить затвор от канала запертым p-n-переходом. Это ПТ с p-n-переходом. Он не боится статики так, как МОП, зато накладывает ограничение на полярность:

Поэтому затвор ПТ с p-n-переходом всегда работает при обратном смещенииСмещение — постоянный режим транзистора (ток покоя, напряжения на выводах), при котором он работает в активном режиме в течение всего периода сигнала. и ничего не потребляет, кроме тока утечки перехода.

Четвёртый вывод и обозначения

У МОП-транзистора есть ещё подложка («тело») — сам кристалл кремния, в котором сделан прибор. Подложка и канал образуют диод, поэтому подложку соединяют либо с истоком, либо с точкой, потенциал которой заведомо ниже (для n-канала) или выше (для p-канала) любого вывода канала. В мощных транзисторах это сделано внутри корпуса.

На многих схемах подложку не показывают, а затвор рисуют посередине — по такому значку не понять ни где исток, ни какая полярность канала. В курсе используются обозначения, на которых видно и то и другое; вывод подложки мы при этом часто не подключаем. У ПТ с p-n-переходом черта затвора сдвинута к истоку. Сами приборы почти симметричны, но ёмкость затвор — сток делают меньше ёмкости затвор — исток, поэтому выходом служит сток.

n-канал и p-канал

Как и биполярные, ПТ бывают двух полярностей. У p-канального МОП-транзистора всё зеркально: сток обычно отрицательнее истока, а ток появляется, когда затвор опущен ниже истока хотя бы на вольт-два. Полной симметрии нет: носители в p-канале — дырки, а их подвижность меньше, чем у электронов.

Обогащение и обеднение

Наш n-канальный МОП-транзистор при нулевом или отрицательном напряжении на затворе был закрыт и начинал проводить только при положительном. Это прибор обогащённого типа: канал приходится «наводить». Если же канал легировать заранее, транзистор хорошо проводит уже при нуле на затворе, а чтобы его закрыть, нужно обратное смещение в несколько вольт. Это прибор обеднённого типа.

По графику $I_{С}(U_{ЗИ})$ при постоянном $U_{СИ}$ видно, что разница сводится к сдвигу вдоль оси $U_{ЗИ}$: обогащённому прибору нужен положительный затвор, обеднённый при $U_{ЗИ}=0$ уже пропускает почти наибольший ток. С точки зрения физики граница условна — можно изготовить и «промежуточный» ПТ, — но для схемотехника она важна: от неё зависит, нужно ли смещение и какой полярности.

МОП-транзистор можно сделать любым — его затвор допускает обе полярности. ПТ с p-n-переходом смещают только в одну сторону, поэтому все они обеднённые; поднимать затвор n-канального прибора выше примерно +0,5 В нельзя. Обеднённые МОП-транзисторы встречаются редко (n-канальные приборы на арсениде галлия, ВЧ-пары «с двойным затвором»). Итог для практики: в работе почти всегда ПТ с p-n-переходом (обеднённые) и обогащённые МОП-транзисторы, и тех и других — обеих полярностей.

3.1.3Карта типов и паспортные параметры

Пять типов ПТ — не повод заучивать пять наборов правил. Достаточно один раз расставить их по знакам напряжений, и окажется, что ведут они себя одинаково. Сначала — дерево типов.

Теперь та же компания (вместе с n-p-n и p-n-p) на «карте» при заземлённом истоке: по горизонтали — знак напряжения затвора, по вертикали — знак напряжения стока в рабочем режиме.

Из карты вытекают два правила, которые снимают почти всю путаницу.

Пример к первому правилу: n-канальный ПТ с p-n-переходом (он всегда обеднённый) живёт, как и прочие n-канальные приборы, при положительном стоке и приоткрывается положительным сдвигом затвора. Отличие только в отправной точке — обеднённому прибору для полного запирания нужно обратное смещение, обогащённому хватает нуля.

Пример ко второму правилу: n-канальный обогащённый ПТ замыкает на землю линию, на которой бывают сигналы обеих полярностей; линия подключена к стоку. Пока сигнал положителен, всё привычно. Но когда он уходит ниже земли, «истоком» становится как раз вывод, подключённый к линии, — и заземлённого затвора уже недостаточно.

Сводный график для четырёх ходовых типов подтверждает сказанное: обогащённые и обеднённые приборы отличаются только тем, есть ли заметный ток при $U_{ЗИ}=0$, а n- и p-канальные отражены друг относительно друга так же, как n-p-n и p-n-p.

Что написано в паспорте

У ПТ с p-n-переходом главный параметр — ток стока при затворе, замкнутом на исток, $I_{Снач}$ (в индексе сначала выводы, потом условие измерения); он близок к наибольшему допустимому току стока. У обогащённого МОП-транзистора такой ток был бы нулевым, поэтому указывают $I_{Свкл}$ — при оговорённом прямом смещении затвора.

Второй параметр — граница, где ток исчезает или появляется. У ПТ с p-n-переходом это напряжение отсечки $U_{отс}$ (оно же $U_{ЗИвыкл}$), обычно от −3 до −10 В у n-канальных и такое же положительное у p-канальных. У обогащённого МОП-транзистора — пороговое напряжение $U_{п}$ ($U_{ЗИпор}$), при котором ток только начинает течь; типичные значения — 0,5–5 В в прямую сторону.

Знаки у ПТ запутывают легко. У n-канального прибора сток обычно положителен относительно истока, но затвор бывает и выше, и ниже истока; порог положителен у обогащённых и отрицателен у обеднённых; изредка и сток уходит ниже истока. У p-канальных всё то же с обратными знаками. Поэтому дальше договоримся: если не сказано иное, речь идёт об n-канальных приборах, а слова «обогащённый» (для МОП) и «обеднённый» (для ПТ с p-n-переходом) подразумеваются.

3.1.4Стоковые характеристики и квадратичный закон

Инженеру нужны ответы на вполне конкретные вопросы: какой ток пропустит транзистор при данном напряжении на затворе, каким будет сопротивление открытого ключа, где кончается «резисторный» режим. Все три ответа даёт одна пара формул — нечто вроде уравнения Эберса — Молла, только для ПТ.

Вспомним семейство кривых $I_{С}(U_{СИ})$ МОП-транзистора VN0106 из начала раздела (у этой серии две последние цифры в названии означают допустимое напряжение: VN0106 — 60 В). Почти везде ток стока не зависит от $U_{СИ}$ и транзистор работает преобразователем «напряжение → ток»; только у самого нуля, при малых $U_{СИ}$, ток растёт пропорционально $U_{СИ}$, и транзистор ведёт себя как сопротивление. Оба режима подчинены напряжению затвор — исток, а точнее — его превышению над порогом.

Удобно ввести одну величину — напряжение возбужденияНапряжение возбуждения затвора $U_{ЗИ}-U_{п}$ — превышение напряжения затвора над порогом (или над $U_{отс}$); от него зависят и ток, и сопротивление канала. затвора $U_{ЗИ}-U_{п}$. Через неё всё формулируется коротко:

1. в линейной области сопротивление канала обратно пропорционально напряжению возбуждения (начальный наклон кривой $I_{С}/U_{СИ}$ пропорционален $U_{ЗИ}-U_{п}$);
2. линейный участок тянется до $U_{СИ}$, равного напряжению возбуждения; дальше ток выходит на полку;
3. высота полки — ток насыщения — пропорциональна квадрату напряжения возбуждения. Квадрат получается сам собой: наклон, умноженный на длину участка.

Две оговорки. Формулы написаны для подложки, соединённой с истоком. И «линейный» участок линеен лишь приближённо — мешает член с $U_{СИ}^2$; ниже, в пункте о ПТ как переменном резисторе, есть изящный способ его скомпенсировать. Для ПТ с p-n-переходом формулы те же, только вместо $U_{п}$ стоит $U_{отс}$, а $k$ выражают через паспортные величины:

Нагрев: два эффекта навстречу друг другу

Коэффициент $k$ задают геометрия канала, ёмкость окисла и подвижность носителей. Когда кристалл греется, подвижность падает, и это уменьшает ток. Но одновременно снижается порог, и это ток увеличивает. Кто победит, зависит от рабочей точкиРабочая точка (точка покоя) — постоянные напряжения и токи схемы без сигнала; задаётся смещением..

При малых токах важнее уход порога, и ток с температурой растёт. При больших токах важнее подвижность: ток стока с нагревом уменьшается — тепловой разгонТепловой разгон — положительная тепловая обратная связь: ток греет транзистор, $U_{БЭ}$ падает, ток растёт ещё сильнее — вплоть до гибели транзистора. наоборот. Для силовой техники это подарок:

• одинаковые ПТ можно соединять параллельно без выравнивающих резисторов — горячий транзистор сам отдаёт ток соседям (биполярным для этого нужны резисторы в эмиттерах, раздел 6.2);
• внутри большого кристалла не образуются местные перегретые «шнуры» тока, которые у мощных биполярных транзисторов ограничивают допустимую мощность (вторичный пробойВторичный пробой — «шнурование» тока в мощном биполярном транзисторе: горячая точка берёт больше тока и греется ещё сильнее. У МОП-транзисторов его нет. и область безопасной работы — там же).

Между этими крайностями есть ток, при котором температурный коэффициентТемпературный коэффициент напряжения (ТКН) — на сколько меняется напряжение при нагреве на 1 °С: в мВ/°С или в относительных единицах ($10^{-6}$/°С = 1 ppm/°С). равен нулю; на нём строят входные каскады ОУ на ПТ с малым дрейфом (раздел 4.4).

Ниже порога

Квадратичный закон обещает нулевой ток ниже порога, но это неправда. Канал формально закрыт, однако часть электронов с большой тепловой энергией всё же преодолевает барьер, и по законам статистики их число растёт с напряжением экспоненциально:

Если измерить ток стока МОП-транзистора на девяти декадах, от наноампера до ампера, получится картина, как на графике ниже. Примерно от 1 нА до 1 мА точки ложатся на прямую в логарифмическом масштабе — это экспонента; выше кривая загибается и переходит в квадратичную область. Разброс между приборами одного типа (а у разных изготовителей и партий он заметен) обсудим в следующем пункте. И снова видно, что p-канальный «собрат» VP01 слабее: порог у него выше, ток меньше.

3.1.5Разброс параметров от экземпляра к экземпляру

Купите десяток одинаковых биполярных транзисторов и при токе 1 мА измерьте у них $U_{БЭ}$ — разброс окажется порядка десятков милливольт. Проделайте то же с МОП-транзисторами — и пороговое напряжение будет «гулять» на вольт и больше. Это главная практическая неприятность ПТ, и её надо держать в голове с самого начала, до того как браться за схемы.

Ориентиры по основным параметрам и их разбросу внутри одного типа:

$R_{СИвкл}$ — сопротивление полностью открытого ПТ в линейной области (у ПТ с p-n-переходом затвор соединён с истоком, у МОП-транзистора $U_{ЗИ}$ обычно 10 В); $I_{Снач}$ и $I_{Свкл}$ — токи насыщения при тех же условиях.

Пары на одном кристалле

Для дифференциального каскада разброс $U_{ЗИ}$ означает напряжение смещения (небаланс). Два случайных биполярных транзистора одного типа при одинаковом токе расходятся по $U_{БЭ}$ примерно на 50 мВ, два случайных МОП-транзистора — больше чем на вольт.

Достоинства ПТ слишком ценны, чтобы мириться с этим, поэтому пары изготавливают на одном кристалле и применяют две топологические хитрости:

• гребёнку — оба транзистора нарезаны чередующимися полосками на одном участке подложки, и неоднородность технологии действует на них одинаково;
• перекрёстное размещение — каждый транзистор состоит из двух половин, стоящих по диагонали, и перепад температуры поперёк кристалла сдвигает обоих одинаково.

Результат хороший, но биполярные пары всё же точнее примерно на порядок. У лучших пар ПТ смещение не больше 0,5 мВ, дрейф — 5 мкВ/°C; у лучших биполярных — 25 мкВ и 0,6 мкВ/°C. Выбор поэтому определяется источником сигнала. Если важна точность при умеренном сопротивлении источника, берут ОУ с биполярным входом. Если источник высокоомный, выигрывают ПТ: их затворы почти не потребляют тока. Недорогой LF411 со входом на ПТ с p-n-переходом имеет типичный входной ток 50 пА, TLC272 на МОП-транзисторах — 1 пА, а биполярный μA741 — 80 000 пА, то есть 80 нА.