Обедняющие полевые транзисторы с изолированным затвором[1]
Полевые транзисторы с изолированным затвором являются униполярными устройствами, как и полевые транзисторыJFET: то есть, управляемый ток не должен течь по P-N-переходу. В транзисторе есть P-N-переход, но его единственная функция – обеспечить непроводящую область обеднения, которая используется для ограничения тока, проходящего по каналу.
Схематическое обозначение и условная физическая диаграмма
Вот схема N-канального IGFET «обедняющего» типа (т.н. D-тип, то есть Deflection type):
Обратите внимание, что выводы истока и стока подключаются к любому концу канала N, и как вывод затвора прикрепляется к металлической пластине, отделённой от канала тонкой изолирующей перегородкой. Этот барьер иногда делают из диоксида кремния (основного химического соединения, содержащегося в песке), который является очень хорошим изолятором. Из-за этой конструкции металл (затвор) – оксид (барьер) – полупроводник (канал), IGFET иногда называют MOSFET (от англ. metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Однако существуют и другие типы конструкции IGFET, поэтому IGFET – более лучший дескриптор (лексическая единица для обобщённого описания класса объектов) для этого общего класса транзисторов.
Также обратите внимание на то, что у IGFET фактически четыре вывода. На практике вывод подложки напрямую подключается к выводу истока, чтобы делает их электрически общими. Обычно это соединение выполняется внутри IGFET, что исключает отдельное соединение подложки, в результате внешне получаем трёхконтактное устройство с немного другим схематическим обозначением:
Поскольку исток и подложка тут объединены, слои N и P в IGFET в конечном итоге напрямую соединяются друг с другом через внешний провод. Это соединение предотвращает попадание любого напряжения на P-N-переход. В результате между двумя материалами существует область обеднения, но она в принципе не может быть расширена или сужена. Работа JFET основана на расширении области истощения P-N-перехода, но здесь, в IGFET, этого принципиально не может произойти, поэтому работа IGFET основывается на другом эффекте.
В самом деле, так оно и есть, поскольку при приложении управляющего напряжения между затвором и истоком проводимость канала изменяется в результате того, что область обеднения перемещается ближе к затвору (или дальше от него). Другими словами, эффективная ширина канала изменяется так же, как и в случае JFET, но это изменение ширины канала происходит из-за смещения области обеднения, а не её расширения/сужения.
N-канальный IGFET
В N-канальном IGFET управляющее напряжение, приложенное положительным полюсом (+) к затвору и отрицательным (-) к источнику, вызывает эффект отталкивания области обеднения P-N-перехода, что приводит к расширению канала N-типа и увеличению проводимости:
Рис. 3. Канал N-типа расширяется, проводимость увеличивается.
Изменение полярности управляющего напряжения имеет противоположный эффект, притягивая область обеднения и сужая канал, следовательно, уменьшая проводимость канала:
Рис. 4. Канал N-типа сужается, проводимость уменьшается.
Изолированный затвор позволяет контролировать напряжения любой полярности без опасности прямого смещения перехода, как это было в случае с полевыми транзисторами. Этот тип IGFET, хотя он и называется «обедняющим типом», на самом деле имеет возможность как обеднять (сужать свой канал) так и насыщать (расширять канал). Полярность входного напряжения определяет, в каком направлении будет влиять канал.
Понять, какая полярность какой эффект оказывает, не так сложно, как может показаться. Ключевым моментом является рассмотрение типа легирования полупроводников, используемых в канале (это N- или P-канал?). Просто свяжите тип легирования со стороной источника входного напряжения, подключённого к каналу с помощью вывода истока. Если IGFET является N-канальным, а входное напряжение подключено так, что положительная (+) сторона находится на затворе, а отрицательная (-) сторона – на источнике, канал будет насыщен, поскольку дополнительные электроны будут накапливаться на затворе, где находится канал со стороны диэлектрического барьера. Если подумать, то «отрицательный (-) полюс источника коррелирует с N-типом, таким образом насыщая канал с правильным типом носителя заряда (электронами) и делая его более проводящим». И наоборот, если входное напряжение подключено к N-канальному IGFET другим способом, так что отрицательный (-) полюс подключён к затвору, а положительный (+) к источнику, свободные электроны будут «изъяты» из канала, поскольку заряды конденсатора берутся из затворного канала, таким образом обедняя канал на основные носители заряда и делая его менее проводящим.
P-канальный IGFET
Для P-канальных IGFET полярность входного напряжения и эффекты канала подчиняются тому же правилу. Другими словами, требуется полярность, противоположная N-канальному IGFET, для обеднения или насыщения:
Когда между затвором и истоком приложено нулевое напряжение, IGFET будет проводить ток между истоком и стоком, но не настолько большой, как если бы он был усилен правильным напряжением затвора. Это помещает IGFET обеднённого типа (или просто D-типа) в особую категорию транзисторов. Транзисторы с биполярным переходом обычно выключены: без тока базы они блокируют прохождение любого тока в коллекторе. Полевые транзисторы с переходным эффектом обычно представляют собой такие устройства: с нулевым приложенным напряжением затвор/исток они допускают максимальный ток стока (фактически, вы можете коаксиально преобразовать полевой транзистор в большие токи стока, приложив очень небольшое прямое смещение между затвором и затвором источника, но на практике этого никогда не следует делать из-за риска повреждения его хрупкого P-N-перехода). Однако IGFET-транзисторы D-типа обычно являются полупроводниковыми: без напряжения затвор/исток их уровень проводимости находится где-то между отсечкой и полным насыщением. Кроме того, они будут выдерживать приложенные напряжения затвор/исток любой полярности, P-N-переход невосприимчив к повреждению из-за изолирующего барьера и, особенно, прямого соединения между источником и подложкой, предотвращающим любую разность напряжений на переходе.
По иронии судьбы, поведение проводимости IGFET D-типа поразительно похоже на проводимость электронных ламп типа триод/тетрод/пентод. Эти устройства раньше широко использовались в качестве стабилизаторов тока с регулируемым напряжением, при этом они также пропускали ток при подаче нулевого управляющего напряжения. Управляющее напряжение одной полярности (отрицательная сетка, положительный катод) уменьшило бы проводимость в лампе, в то время как напряжение другой полярности (положительная сетка, отрицательный катод) увеличило бы проводимость. Мне представляется весьма любопытным, что одна из более поздних изобретённых конструкций транзисторов демонстрирует те же основные свойства, что и самое первое активное (электронное) устройство.
SPICE-моделирование IGFET D-типа
Несколько анализов SPICE продемонстрируют поведение IGFET D-типа при регулировании тока. Начнём с первого теста с нулевым входным напряжением (затвор закорочен на исток) и напряжением источника питания от 0 до 50 вольт. График показывает ток стока:
Как и следовало ожидать для любого транзистора, регулируемый ток остаётся стабильным на регулируемом значении в широком диапазоне напряжений источника питания. В данном случае регулируемая точка составляет 10 мкА (1,000E-05 А). Теперь посмотрим, что произойдёт, когда мы подадим отрицательное напряжение на затвор (относительно источника) и развернём источник питания в том же диапазоне от 0 до 50 вольт:
Неудивительно, что ток стока теперь регулируется на более низком уровне 2,5 мкА (по сравнению с 10 мкА при нулевом входном напряжении). Теперь давайте подадим входное напряжение другой полярности, чтобы насытить IGFET:
С транзистором, насыщенным небольшим управляющим напряжением, ток стока увеличился до 22,5 мкА (2,250E-05 А). Из этих трёх наборов значений напряжения и тока должно быть очевидно, что зависимость тока стока от напряжения затвор/исток нелинейна, как и в случае с полевым транзистором. При напряжении обеднения 1/2 В ток стока составляет 2,5 мкА; при входном напряжении 0 В ток стока достигает 10 мкА; а при 1/2 вольта повышающего напряжения ток составляет 22,5 мкА. Чтобы лучше понять эту нелинейность, мы можем использовать SPICE для построения графика тока стока в диапазоне значений входного напряжения, изменяющегося от отрицательного (обедняющего) значения до положительного (насыщающего), поддерживая напряжение источника питания V1 на постоянном уровне:
Рис. 14. Зависимость тока стока от напряжения затвор/исток.
Как и с любыми JFET-транзисторами, эта неустранимая нелинейность обеднённых IGFET может вызвать искажения в схеме усилителя, поскольку входной сигнал не будет воспроизводиться на выходе со 100-процентной точностью. Также обратите внимание, что напряжение затвор/исток около 1 вольт, приводящее к обеднению, может перекрывать канал, так что ток стока практически отсутствует. IGFET-транзисторы D-типа, как и JFET-транзисторы, имеют определённое номинальное напряжение отсечки. Номинал зависит от конкретной модели и может быть не таким, как в нашем сегодняшнем моделировании.
Характеристическая кривая IGFET
Если построить набор характеристических кривых для IGFET, то можно заметить паттерн, аналогичный для JFET:
