Силовые инверторы, да и многие другие электронные устройства, редко обходятся сегодня без применения мощных MOSFET (полевых) или . Это касается как высокочастотных преобразователей типа сварочных инверторов, так и разнообразных проектов-самоделок, схем коих полным полно в интернете.
Параметры выпускаемых ныне силовых полупроводников позволяют коммутировать токи в десятки и сотни ампер при напряжении до 1000 вольт. Выбор этих компонентов на современном рынке электроники довольно широк, и подобрать полевой транзистор с требуемыми параметрами отнюдь не является проблемой сегодня, поскольку каждый уважающий себя производитель сопровождает конкретную модель полевого транзистора технической документацией, которую всегда можно найти как на официальном сайте производителя, так и у официальных дилеров.
Прежде чем приступить к проектированию того или иного устройства, с применением названных силовых компонентов, всегда нужно точно знать, с чем имеешь дело, особенно когда выбираешь конкретный полевой транзистор. Для этого и обращаются к datasheet"ам. Datasheet представляет собой официальный документ от производителя электронных компонентов, в котором приводятся описание, параметры, характеристики изделия, типовые схемы и т.д.
Давайте же посмотрим, что за параметры указывает производитель в даташите, что они обозначают и для чего нужны. Рассмотрим на примере даташита на полевой транзистор IRFP460LC. Это довольно популярный силовой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET.
HEXFET подразумевает такую структуру кристалла, когда в одном кристалле организованы тысячи параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек гексагональной формы. Это решение позволило значительно снизить сопротивление открытого канала Rds(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. Однако, перейдем к обзору параметров, указанных непосредственно в даташите на IRFP460LC от International Rectifier (IR).
См.
В самом начале документа дано схематичное изображение транзистора, приведены обозначения его электродов: G-gate (затвор), D-drain (сток), S-source (исток), а также указаны его главные параметры и перечислены отличительные качества. В данном случае мы видим, что этот полевой N-канальный транзистор рассчитан на максимальное напряжение 500 В, сопротивление его открытого канала составляет 0,27 Ом, а предельный ток равен 20 А. Пониженный заряд затвора позволяет использовать данный компонент в высокочастотных схемах при невысоких затратах энергии на управление переключением. Ниже приведена таблица (рис. 1) предельно допустимых значений различных параметров в различных режимах.
Id @ Tc = 25°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V - максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 20 А. При напряжении затвор-исток 10 В.
Id @ Tc = 100°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V - максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 100°C, составляет 12 А. При напряжении затвор-исток 10 В.
Idm @ Tc = 25°C; Pulsed Drain Current - максимальный импульсный, кратковременный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 80 А. При условии соблюдения приемлемой температуры перехода. На рисунке 11 (Fig 11) дается пояснение относительно соответствующих соотношений.
Pd @ Tc = 25°C Power Dissipation - максимальная рассеиваемая корпусом транзистора мощность, при температуре корпуса в 25°C, составляет 280 Вт.
Linear Derating Factor - с повышением температуры корпуса на каждый 1°C, рассеиваемая мощность возрастает еще на 2,2 Вт.
Vgs Gate-to-Source Voltage - максимальное напряжение затвор-исток не должно быть выше +30 В или ниже -30 В.
Eas Single Pulse Avalanche Energy - максимальная энергия единичного импульса на стоке составляет 960 мДж. Пояснение дается на рисунке 12 (Fig 12).
Iar Avalanche Current - максимальный прерываемый ток составляет 20 А.
Ear Repetitive Avalanche Energy - максимальная энергия повторяющихся импульсов на стоке не должна превышать 28 мДж (для каждого импульса).
dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt - предельная скорость нарастания напряжения на стоке равна 3,5 В/нс.
Tj, Tstg Operating Junction and Storage Temperature Range – безопасный температурный диапазон от -55°C до +150°C.
Soldering Temperature, for 10 seconds - допустимая при пайке максимальная температура составляет 300°C, причем на расстоянии минимум 1,6мм от корпуса.
Mounting torque, 6-32 or M3 screw - максимальный момент при креплении корпуса не должен превышать 1,1 Нм.
Rjc Junction-to-Case (кристалл-корпус) 0.45 °C/Вт.
Rcs Case-to-Sink, Flat, Greased Surface (корпус-радиатор) 0.24 °C/Вт.
Rja Junction-to-Ambient (кристалл-окружающая среда) зависит от радиатора и внешних условий.
Следующая таблица содержит все необходимые электрические характеристики полевого транзистора при температуре кристалла 25°C (см. рис. 3).
V(br)dss Drain-to-Source Breakdown Voltage - напряжение сток-исток, при котором наступает пробой равно 500 В.
ΔV(br)dss/ΔTj Breakdown Voltage Temp.Coefficient - температурный коэффициент, напряжения пробоя, в данном случае 0,59 В/°C.
Rds(on) Static Drain-to-Source On-Resistance - сопротивление сток-исток открытого канала при температуре 25°C, в данном случае, составляет 0,27 Ом. Оно зависит от температуры, но об этом позже.
Vgs(th) Gate Threshold Voltage - пороговое напряжение включения транзистора. Если напряжение затвор-исток будет меньше (в данном случае 2 - 4 В), то транзистор будет оставаться закрытым.
gfs Forward Transconductance - Крутизна передаточной характеристики, равна отношению изменения тока стока к изменению напряжения на затворе. В данном случае измерена при напряжении сток-исток 50 В и при токе стока 20 А. Измеряется в Ампер/Вольт или Сименсах.
Idss Drain-to-Source Leakage Current - ток утечки стока, он зависит от напряжения сток-исток и от температуры. Измеряется микроамперами.
Igss Gate-to-Source Forward Leakage и Gate-to-Source Reverse Leakage - ток утечки затвора. Измеряется наноамперами.
Qg Total Gate Charge - заряд, который нужно сообщить затвору для открытия транзистора.
Qgs Gate-to-Source Charge - заряд емкости затвор-исток.
Qgd Gate-to-Drain ("Miller") Charge - соответствующий заряд затвор-сток (емкости Миллера)
В данном случае эти параметры измерены при напряжении сток-исток, равном 400 В и при токе стока 20 А. На рисунке 6 дано пояснение относительно связи величины напряжения затвор-исток и полного заряда затвора Qg Total Gate Charge, а на рисунках 13 a и b приведены схема и график этих измерений.
td(on) Turn-On Delay Time - время открытия транзистора.
tr Rise Time - время нарастания импульса открытия (передний фронт).
td(off) Turn-Off Delay Time - время закрытия транзистора.
tf Fall Time - время спада импульса (закрытие транзистора, задний фронт).
В данном случае измерения проводились при напряжении питания 250 В, при токе стока 20 А, при сопротивлении в цепи затвора 4,3 Ом, и сопротивлении в цепи стока 20 Ом. Схема и графики приведены на рисунках 10 a и b.
Ld Internal Drain Inductance - индуктивность стока.
Ls Internal Source Inductance - индуктивность истока.
Данные параметры зависит от исполнения корпуса транзистора. Они важны при проектировании драйвера, поскольку напрямую связаны с временными параметрами ключа, особенно это актуально при разработке высокочастотных схем.
Crss Reverse Transfer Capacitance - емкость затвор-сток (емкость Миллера).
Данные измерения проводились на частоте 1 МГц, при напряжении сток-исток 25 В. На рисунке 5 показана зависимость данных параметров от напряжения сток-исток.
Следующая таблица (см. рис. 4) описывает характеристики интегрированного внутреннего диода полевого транзистора, условно находящегося между истоком и стоком.
Is Continuous Source Current (Body Diode) - максимальный непрерывный длительный ток диода.
Ism Pulsed Source Current (Body Diode) - максимально допустимый импульсный ток через диод.
Vsd Diode Forward Voltage - прямое падение напряжения на диоде при 25°C и токе стока 20 А, когда на затворе 0 В.
trr Reverse Recovery Time - время обратного восстановления диода.
Qrr Reverse Recovery Charge - заряд восстановления диода.
ton Forward Turn-On Time - время открытия диода обусловлено главным образом индуктивностями стока и истока.
Приведены пределы тока стока, в зависимости от напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток при длительности импульса 20 мкс. Первый рисунок - для температуры 25°C, второй - для 150°C. Очевидно влияние температуры на управляемость открытием канала.
На рисунке 6 графически представлена передаточная характеристика данного полевого транзистора. Очевидно, чем ближе напряжение затвор-исток к 10 В, тем лучше открывается транзистор. Влияние температуры также просматривается здесь довольно отчетливо.
На рисунке 7 приведена зависимость сопротивления открытого канала при токе стока в 20 А от температуры. Очевидно, с ростом температуры увеличивается и сопротивление канала.
На рисунке 9 приведена зависимость прямого падения напряжения на внутреннем диоде от величины тока стока и от температуры. На рисунке 8 показана область безопасной работы транзистора в зависимости от длительности времени открытого состояния, величины тока стока и напряжения сток-исток.
На рисунке 11 показана зависимость максимального тока стока от температуры корпуса.
На рисунках а и b представлены схема измерений и график, показывающий временную диаграмму открытия транзистора в процессе нарастания напряжения на затворе и в процессе разряда емкости затвора до нуля.
На рисунке 14 показана зависимость максимально допустимой энергии импульса от величины прерываемого тока и температуры.
На рисунках а и b показаны график и схема измерений заряда затвора.
На рисунке 16 показана схема измерений параметров и график типичных переходных процессов во внутреннем диоде транзистора.
На последнем рисунке изображен корпус транзистора IRFP460LC, его размеры, расстояние между выводами, их нумерация: 1-затвор, 2-сток, 3-исток.
Так, прочитав даташит, каждый разработчик сможет подобрать подходящий силовой или не очень, полевой или IGBT-транзистор для проектируемого либо ремонтируемого силового преобразователя, будь то , или любой другой силовой импульсный преобразователь.
Зная параметры полевого транзистора, можно грамотно разработать драйвер, настроить контроллер, провести тепловые расчеты, и подобрать подходящий радиатор без необходимости ставить лишнее.
В полупроводниковой электронике наряду с биполярными транзисторами находят применение транзисторы, управляемые электрическим полем , одной из положительных особенностей которых является большое входное сопротивление (составляет 1-10 МОм и более). Такие транзисторы получили название полевых (униполярных ).
Устройство и принцип действия
Полевыми транзисторами называют полупроводниковые приборы, в которых создание электрического тока обусловлено перемещением носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля , а управление выходным током основано на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем .
Принцип работы полевых транзисторов может быть основан:
На зависимости сопротивления полупроводника от сечения его проводящей области (чем меньше сечение - тем меньше ток; реализован в полевых транзисторах с управляющим р-п- переходом);
На зависимости проводимости полупроводника от концентрации основных носителей (реализован в полевых транзисторах с изолированным затвором структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы)).
Полевой транзистор с управляющим р-п- переходом (ПТУП) представляет собой тонкую полупроводниковую пластину с одним р-п -переходом и с невыпрямляющими контактами по краям. Электропроводность материала пластины может быть п -типа или р -типа. В качестве примера рассмотрим транзистор, у которого основная пластина состоит из полупроводника n -типа (рисунок 1.32).
Рисунок 1.32 - Структура полевого транзистора с управляющим р-п -переходом
Основными областями в структуре полевого транзистора с управляющим р-п- переходомявляются:
Область истока - область, от которой начинают перемещение носители зарядов;
Область стока - область, к которой перемещаются носители;
Область затвора - область, с помощью которой осуществляется управление потоком носителей;
Область канала - область, через которую перемещаются носители.
Выводы от соответствующих областей транзистора имеют аналогичные названия: исток (И), сток (С) и затвор (3) (рисунок 1.32).
На рисунке 1.33 показаны условные графические обозначения полевых транзисторов с управляющим р-п- переходом: с каналом п -типа (рисунок 1.33, а ) и каналом р -типа (рисунок 1.33, б ).
а б
Рисунок 1.33 - УГО полевых транзисторов с управляющим р-п -переходом
Рассмотрим принцип функционирования ПТУП. Источники напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы между электродами стока и истока протекал электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещало электронно-дырочный переход в обратном направлении .
На рисунке 1.34 показан способ подключения источников напряжения к выводам ПТУП с каналом п -типа.
Рисунок 1.34 - Подключение источников напряжения к выводам ПТУП
Под действием напряжения источника Е СИ электроны будут перемещаться от истока к стоку, обеспечивая во внешней цепи ток стока I C .
Концентрации носителей зарядов в полупроводниковом материале канала и затвора выбраны таким образом, что при подаче обратносмещающего напряжения между затвором и истоком р-п -переход будет расширяться в область канала. Это приводит к уменьшению площади поперечного сечения проводящей части канала и, следовательно, к уменьшению тока стока I C .
Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, в общем случае зависит от напряжения на затворе . Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала (и, соответственно, к уменьшению тока, протекающего в канале).
Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения .
Напряжение между затвором и истоком, при котором канал полностью перекрывается и ток стока достигает минимального значения (I C » 0), называют напряжением отсечки (U отс ) полевого транзистора.
В отличие от ПТУП, у которых затвор имеет электрический контакт с каналом, в полевых транзисторах с изолированным затвором (ПТИЗ) затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированного от полупроводника. В зависимости от вида изоляции различают МДП- и МОП-транзисторы (соответственно, металл - диэлектрик - полупроводник и металл - оксид - полупроводник, например двуокись кремния SiO 2).
В исходном состоянии канал ПТИЗ может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. В зависимости от этого различают два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: МДП-транзисторы со встроенным каналом (рисунок 1.35, а ) (канал создается при изготовлении) и МДП-транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 1.35, б ) (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам). В ПТИЗ имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор (рисунок 1.35), называемого подложкой.
а б
Рисунок 1.35 - Устройство полевых транзисторов с изолированным затвором
В ПТИЗ электроды стока и истока располагаются по обе стороны от затвора и имеют непосредственный контакт с полупроводниковым каналом.
Канал называется встроенным , если он изначально обогащен носителями заряда. В этом случае управляющее электрическое поле будет приводить к обеднению канала носителями зарядов. Если канал изначально обеднен носителями электрических зарядов, то он называется индуцированным . При этом управляющее электрическое поле (между затвором и истоком) будет обогащать канал носителями электрических зарядов (то есть, повышать его проводимость).
Проводимость канала может быть электронной или дырочной . Если канал имеет электронную проводимость, то он называется п -каналом. Каналы с дырочной проводимостью называются р -каналами. В результате этого различают четыре типа полевых транзисторов с изолированным затвором : с каналом п - либо р -типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные графические обозначения названных типов полевых транзисторов представлены на рисунке 1.36.
Управляющее напряжение в ПТИЗ можно подавать как между затвором и подложкой , так и независимо на подложку и затвор . Рассмотрим в качестве примера принцип управления током в полевых транзисторах, структуры которых показаны на рисунке 1.35.
Рисунок 1.36 - УГО полевых транзисторов с изолированным затвором
Если на затвор подать положительное напряжение, то под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника (рисунок 1.35, б ) появляется канал п -типа за счет отталкивания дырок от поверхности в глубь полупроводника. В транзисторе со встроенным каналом (рисунок 1.35, а ) происходит расширение уже имеющегося канала при подаче положительного напряжения или сужение - при подаче отрицательного. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора .
Существенным преимуществом ПТИЗ перед ПТУП является , достигающее значений 10 10 - 10 14 Ом (у транзисторов с управляющим р-п -переходом - 10 7 - 10 9 Ом).
Важным преимуществом полевых транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации слабых сигналов.
Кроме этого следует выделить такие достоинства, как:
- высокое входное сопротивление ;
- малые шумы ;
- простота изготовления ;
- отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора .
Вольт-амперные характеристики и основные параметры полевых транзисторов
Из рассмотренного ранее следует, что всего существует шесть типов полевых транзисторов. Их типовые передаточные характеристики приведены на рисунке 1.37. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпускаются только ПТИЗ со встроенным каналом р -типа.
Рисунок 1.37 - Передаточные характеристики полевых транзисторов
Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом п -типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом р -типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным I С нач . При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки U отс становится близким к нулю.
Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения U пор . Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.
Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока I С. нач . Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.
На рисунке 1.38 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУП с каналом n -типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений.
Рисунок 1.38 - Выходные ВАХ ПТУП
На ВАХ полевого транзистора можно выделить две области: линейную и насыщения .
В линейной области ВАХ вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пентодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление , управляемое напряжением на затворе , а в области насыщения - как усилительный элемент .
Максимальное напряжение, прикладываемое между стоком и истоком полевого транзистора, для каждого типа транзисторов различно. Но в общем случае, как показано на рисунке 1.39, при превышении некоторого значения U СИ проб резко возрастает ток стока, что может привести к выходу из строя транзистора в результате пробоя.
Рисунок 1.39 - Семейство выходных ВАХ полевого транзистора
К основным параметрам полевых транзисторов относятся:
Крутизна стокозатворной характеристики
Типовые значения: S = 0,1-500 мА/В;
Крутизна характеристики по подложке
Типовые значения: S п = 0,1-1 мА/В;
Начальный ток стока I С нач - ток стока при нулевом напряжении U ЗИ .
У транзисторов с управляющим р -п -переходом I C нач = 0,2-600 мА, со встроенным каналом - I С нач = 0,1-100 мА, с индуцированным каналом - I С нач = 0,01-0,5 мкА;
Напряжение отсечки U ЗИ отс (типовые значения U ЗИ отс = 0,2-10 В);
Сопротивление сток - исток в открытом состоянии R СИ отк (типовые значения R СИ отк = 2-300 Ом);
Остаточный ток стока I С ост - ток стока при напряжении U ЗИ отс (I С ост = 0,001-10 мА);
Максимальная частота усиления f p - частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице (типовые значения f p - десятки - сотни МГц).
В транзисторах этого типа затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, в качестве которого в кремниевых приборах обычно используется двуокись кремния. Эти транзисторы обозначают аббревиатурой МОП (металл-окисел-полупроводник) и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). В англоязычной литературе их обычно обозначают аббревиатурой MOSFET или MISFET (Metal-Oxide (Insulator) -Semiconductor FET).
В свою очередь МДП-транзисторы делят на два типа.
В так называемых транзисторах со встроенным (собственным) каналом (транзистор обедненного типа) и до подачи на затвор имеется канал, соединяющий исток и сток.
В так называемых транзисторах с индуцированным каналом (транзистор обогащенного типа) указанный выше канал отсутствует.
МДП-транзисторы характеризуются очень большим входным сопротивлением. При работе с такими транзисторами надо предпринимать особые меры защиты от статического электричества. Например, при пайке все выводы необходимо закоротить.
МДП-транзистор со встроенным каналом.
Канал может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для определенности обратимся к транзистору с каналом p -типа. Дадим схематическое изображение структуры транзистора (рис. 1.97), условное графическое обозначение транзистора с каналом p-типа (рис. 1.98, а) и с каналом n-типа (рис. 1.98, б). Стрелка, как обычно, указывает направление от слоя p к слою n.
Рассматриваемый транзистор (см. рис. 1.97) может работать в двух режимах: обеднения и обогащения.
Режиму обеднения соответствует положительное uзи. При увеличении этого концентрация дырок в канале уменьшается (так как потенциал затвора больше потенциала истока), что приводит к уменьшению тока стока.
Приведем схему включения транзистора (рис. 1.99). 
На стока влияет не только uзи, но и между подложкой и истоком uпи. Однако управление по затвору всегда предпочтительнее, так как при этом входные токи намного меньше. Кроме того, наличие на подложке уменьшает крутизну.
Подложка образует с истоком, стоком и каналом p-n-переход. При использовании транзистора необходимо следить за тем, чтобы на этом переходе не смещало его в прямом направлении. На практике подложку подключают к истоку (как показано на схеме) или к точке схемы, имеющей потенциал, больший потенциала истока (потенциал стока в приведенной выше схеме меньше потенциала истока).
Изобразим выходные характеристики МДП-транзистора (встроенный p-канал) типа КП201Л (рис. 1.100) и его стокозатворную характеристику (рис. 1.101). 
МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) каналом.
Канал может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для определенности обратимся к транзистору с каналом p-типа. Дадим схематическое изображение структуры транзистора (рис. 1.102), условное графическое обозначение транзистора с индуцированным каналом p -типа (рис. 1.103, а) и каналом n-типа (рис. 1.103, б). 
При нулевом напряжении uзи канал отсутствует (рис. 1.102) и стока равен нулю. Транзистор может работать только в режиме обогащения, которому соответствует отрицательное uзи. При этом uиз > 0.Если выполняется неравенство uиз>u из порог, где u из порог - так называемое пороговое напряжение, то между истоком и стоком возникает канал p-типа, по которому может протекать ток.
Канал p-типа возникает из-за того, что концентрация дырок под затвором увеличивается, а концентрация электронов уменьшается, в результате чего концентрация дырок оказывается больше концентрации электронов.
Описанное явление изменения типа проводимости называют инверсией типа проводимости, а слой полупроводника, в котором оно имеет место (и который является каналом), - инверсным (инверсионным). Непосредственно под инверсным слоем образуется слой, обедненный подвижными носителями заряда. Инверсный слой значительно тоньше обедненного (толщина инверсного слоя 1 · 10 – 9 …5 · 10 – 9 м, а толщина обедненного слоя больше в 10 и более раз).
Изобразим схему включения транзистора (рис. 1.104), выходные характеристики (рис. 1.105) и стокозатворную характеристику (рис. 1.106) для МДП-транзистора с индуцированным p-каналом КП301Б. 
Полезно отметить, что в пакете программ Micro-Cap II для моделирования полевых транзисторов всех типов используется одна и та же математическая модель (но, естественно, с различными параметрами).
Кратко охарактеризуем различные схемы включения полевого транзистора и рассмотрим его характеристики и параметры.
Схемы включения транзистора.
Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком.
Для понимания особенностей работы некоторого электронного устройства очень полезно уметь относить конкретное решение к той или иной схеме включения (если схема такова, что это в принципе возможно).
Моделирующие программы при замене транзистора математической моделью никак не учитывают способ включения транзистора. Важно понять, что если даже на стадии разработки математической модели имеет место ориентация на конкретную схему включения, то на стадии использования эта модель должна правильно моделировать транзистор во всех самых различных ситуациях.
При объяснении влияния uис на ширину p-n-перехода фактически использовалась схема с общим истоком (см. рис. 1.87) (Статья 1 Устройство и основные физические процессы). Рассмотрим характеристики, соответствующие этой схеме (что общепринято).
Так как в рабочем режиме i з = 0, i u ~ i с, входными характеристиками обычно не пользуются. Например, для транзистора КП10ЗЛ, подробно рассматриваемого ниже, для тока утечки затвора iз ут при t < 85°С выполняется условие iз ут< 2 мкА.
Изобразим схему с общим истоком (рис. 1.89).
Выходные (стоковые) характеристики.
Выходной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uис)|uзи =const где f - некоторая функция.
Изобразим выходные характеристики для кремниевого транзистора типа КП10ЗЛ с p-n-переходом и каналом p-типа (рис. 1.90). 
Обратимся к характеристике, соответствующей условию uзи = 0. В так называемой линейной области (uис< 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.
При uис = 3 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение приводит к очень незначительному росту тока i c , так как с увеличением область, в которой канал перекрыт (характеризующаяся очень большим удельным сопротивлением), расширяется. При этом сопротивление на постоянном токе промежутка исток-сток увеличивается, а i c практически не изменяется.
Ток стока в области насыщения при uзи= 0 и при заданном напряжении uис называют начальным током стока и обозначают через iс нач. Для рассматриваемых характеристик iс нач = 5 мА при uис= 10 В. Для транзистора типа КП10ЗЛ минимальное значение тока iс начравно 1,8 мА, а максимальное - 6,6 мА. При uис > 22 В возникает пробой p-n-перехода и начинается быстрый рост тока.
Теперь кратко опишем работу транзистора при различных напряжениях uзи. Чем больше заданное uзи, тем тоньше канал до подачи uис и тем ниже располагается характеристика.
Как легко заметить, в области стока на p-n-переходе равно сумме uзи+uис. Поэтому чем больше uзи, тем меньше uис, соответствующее началу пробоя.
Когда uзи= 3 В, канал оказывается перекрыт областью p-n-перехода уже до подачи uис. При этом до пробоя выполняется условие i c = 0. Таким образом,uзи отс = 3 В.Для рассматриваемого типа транзистора минимальное отсечки +2 В, а максимальное +5 В. Эти величины соответствуют условию i c = 10 мкА. Это так называемый остаточный стока, который обозначают через ic отс. Полевой транзистор характеризуется следующими предельными параметрами (смысл которых понятен из обозначений):uис макс,uзс макс, P макc .
Для транзистора КП10ЗЛ uис макс = 10 В,uзс макс = 15 В, P макc = 120 мВт (все при t = 85°С).
Графический анализ схем с полевыми транзисторами.
Для лучшего уяснения принципа работы схем с полевыми транзисторами полезно провести графический анализ одной из них (рис. 1.91). 
Пусть Е с = 4 В; определим, в каких пределах будет изменяться uиспри изменении uзи от 0 до 2 В.
При графическом анализе используется тот же подход, который был использован при анализе схем с диодами и биполярными транзисторами. Для рассматриваемой схемы, в которой между затвором и истоком равно напряжению источника uзи, нет необходимости строить линию нагрузки для входной цепи. Линия нагрузки для выходной цепи задается выражением Е с =iс·Rс+uис Построим линию нагрузки на выходных характеристиках транзистора, представленных на рис. 1.92. 
Из рисунка следует, что при указанном выше изменении uзи uис будет изменяться в пределах от 1 до 2,6 В, что соответствует перемещению начальной рабочей точки от точки А до точки В. При этом стока будет изменяться от 1,5 до 0,7 мА.
Стокозатворные характеристики (характеристики передачи, передаточные, переходные, проходные характеристики). Стокозатворной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uзи) |uис =const где f - некоторая функция.
Такие характеристики не дают принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда более удобны для использования. Изобразим стокозатворные характеристики для транзистора КП10ЗЛ (рис. 1.93). 
Для некоторых транзисторов задается максимальное (по модулю) допустимое отрицательное uзи, например, для транзистора 2П103Д это не должно быть по одулю больше чем 0,5 В.
Параметры, характеризующие свойства транзистора усиливать напряжение.
● Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):
S= |diс/duзи|uзи – заданное, uис =const Обычно задается u зи= 0. При этом для транзисторов рассматриваемого типа крутизна максимальная. Для КП10ЗЛS = 1,8…3,8 мА/В при u ис= 0 В, uзи= 0, t = 20°С.
● Внутреннее дифференциальное сопротивление R ис диф (внутреннее сопротивление)
Rисдиф= (duис/ diс) |uис–заданное,uзи= const
Для КП10ЗЛ R ис диф = 25 кОм при u ис= 10 В,uзи=0.
● Коэффициент усиления
M = (duис/ duзи) |uзи–заданное,iс= const
Можно заметить, что M =S· R ис диф
Для КП10ЗЛ при S = 2 мA/B и R ис диф = 25 кОм М = 2 (мА/В) · 25 кОм = 50.
● Инверсное включение транзистора.
Полевой транзистор, как и биполярный, может работать в инверсном режиме. При этом роль истока играет сток, а роль стока - исток.
Прямые (нормальные) характеристики могут отличаться от инверсных, так как области стока и истока различаются конструктивно и технологически.
● Частотные (динамические) свойства транзистора.
В справочных данных часто указывают значения следующих дифференциальных емкостей, которые перечислим ниже:
- входная емкость С зи - это емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи;
- проходная емкость С зс - это емкость между затвором и стоком при разомкнутой по переменному току входной цепи;
- выходная емкость С ис - это емкость между истоком и стоком при коротком замыкании по переменному току входной цепи.
Для транзистора КП10ЗЛ С зи < 20 пФ, С зс << 8 пФ при uис= 10 В и uзи= 0.
Крутизну S, как и коэффициент B биполярного транзистора, в ряде случаев представляют в форме комплексного числа S. При этом, как и для коэффициента B, определяют предельную частоту f пpед. Это та частота, на которой выполняется условие:
| Ś | = 1 / √2 ·S пт где S пт - значение S на постоянном токе.
Для транзистора КП103Л данные по f пpед в использованных справочниках отсутствуют, но известно, что его относят к транзисторам низкой частоты (предназначенным для работы на частотах до 3 МГц).
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.
Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).
Транзистор с управляющим p — n -переходом. Его схематическое изображение приведено на рис. 1.21, а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 1.22, а , б (p — и n -типов соответственно). Стрелка указывает направление от слоя р к слою п (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть существенно меньше 1 мкм.
Рис. 1.22 Устройство транзистора
Рис. 1.23 Графическое изображение: а – канал р-типа; б – канал n -типа
Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэтому область р- n -перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.
Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим
р-
n
-переходом и каналом n
-типа. Если подать положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом р-типа: и зи >
0,
то оно сместит p
—n
-переход в обратном направлении.
При увеличении обратного напряжения на переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение и зи достаточно велико, то канал полностью перекрывается областью p —n -перехода (напряжение отсечки).
В рабочем режиме р —n -переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (i з ? 0 ), а ток стока практически равен току истока.
На ширину р —n -перехода и толщину канала прямое влияние также оказывает напряжение между истоком и стоком. Пусть u зи = 0 и подано положительное напряжение u ис (рис. 1.24). Это напряжение окажется поданным и на промежуток затвор – сток, т.е. окажется, что u зс = u ис и р —n -переход находится под обратным напряжением.
Обратное напряжение в различных областях р —n -перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение примерно равно величине u ис . Поэтому p —n -переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Можно считать, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.
При u ис = U зи отс канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 1.25). При дальнейшем увеличении напряжения u ис эта область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться.
Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, существуют три схемы включения: схемы с общим затвором (03), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком (рис. 1.26).
Так как в рабочем режиме i c ? 0, то входные характеристики обычно не рассматриваются.
Выходные (стоковые) характеристики. Выходной характеристикой называют зависимость вида
где f – некоторая функция.
Выходные характеристики для транзистора с р —n -переходом и каналом n -типа приведены на рис. 1.27.
Обратимся к хар актеристике, соответствующей условию u зи = 0. В линейной области (u ис < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.
При u ис > 4 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт, расширяется. При этом сопротивление промежутка исток-сток увеличивается, а ток i c практически не изменяется. Это область насыщения. Ток стока в области насыщения u зи = 0 и при заданном напряжении и си называют начальным током стока и обозначают через i c нач . Для рассматриваемых характеристик i c нач = 5 мА при и си = 10 В.
Параметрами, характеризующими свойства транзистора усиливать напряжение, являются:
1) Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):
2) Внутреннее дифференциальное сопротивление Rис диф
3) Коэффициент усиления
Можно заметить, что
Транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В соответствии с их структурой такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.
На рис. 1.28 показан принцип устройства транзистора со встроенным каналом.
Основанием (подложкой) служит кремниевая пластинка с электропроводностью p -типа. В ней созданы две области с электропроводностью n + -типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область – диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 – 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.
Если к затвору приложено нулевое напряжение, то при подаче между стоком и истоком напряжения через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p
—n
-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока, стока и кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения
. Если подать положительное напряжение на затвор, то под действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электроны. Сопротивление канала падает, ток увеличивается. Такой режим называется
режимом обогащения
. Если кристалл n
-типа, то канал должен быть p-типа и полярность напряжения меняется на противоположную.
Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 1.29). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком
n
+ -типа расположен только кристалл p
-типа и на одном из p-n
+ -переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p
-области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (еденицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия
типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n
-типа, и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Если подложка n
-типа, то получится индуцированный канал p
-типа. Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в устройствах переключения. Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные.
По электропроводности канала различают p -канальные и n- канальные МДП-транзисторы. Условное обозначение этих приборов на электрических схемах показано на рис. 1.30. Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора).
Рис. 1.30 Условные графические обозначения полевых транзисторов
с изолированным затвором: а – со встроенным р-каналом; б – со встроенным
n-каналом; в – с индуцированным p-каналом; г – с индуцированным n-каналом
Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p — канальные и n -канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием.
Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC -цепи затвора. Поскольку входная емкость С зи у транзисторов с р —n -переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц – единиц мегагерц.
При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC-цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-n -переходом.