Какие существуют типы полевых транзисторов?

Полевые транзисторы (FET) сегодня являются основой цифровой логики, но они находят широкое применение и вне цифровых интегральных схем, начиная от драйверов двигателей до регуляторов напряжения и специализированных усилителей, различные типы FET могут быть использованы, и есть некоторые полезные преимущества, делающие дискретные FET более предпочтительными по сравнению с их аналогами - биполярными транзисторами с переходом (BJT).

Несмотря на то что современные компоненты и приложения постоянно сосредоточены на фундаментальном изменении и оптимизации архитектуры FET, дискретные BJT и FET остаются актуальными. Каждый из различных типов FET имеет свое место в разных системах, и разработчики могут найти нужные им FET с лучшим набором инструментов цепочки поставок. Если вы не уверены, какой тип FET вам следует использовать, прочитайте наше руководство, чтобы узнать больше о различных FET и о том, какие характеристики наиболее важны.

Типы FET и их применение

Полевые транзисторы, или просто FET, лежат в основе современных цифровых интегральных схем. Так же, как и предшествующие им BJT, FET являются трехконтактными переключателями (четыре, если включить затвор в MOSFET), где напряжение подается на затвор для управления током, протекающим между истоком и стоком. Как только напряжение подается на область затвора, сопротивление канала переключается в зависимости от входного напряжения. Это основы различных типов FET.

FET подразделяются на три разных типа: изолированные затворные FET (более известные как MOSFET), переходные FET (JFET) и металл-полупроводниковые FET (MESFET). Ниже приведенная блок-схема кратко резюмирует эти три типа FET и их подтипы. Среди различных типов MOSFET, выбор усиленного типа или истощенного типа FET дает разработчикам некоторую гибкость в том, как они реализуют переключение в своих системах (например, в регуляторах мощности).

С таким большим выбором различных типов FET, какой из них лучше и как они сравниваются с BJT? Давайте погрузимся глубже, чтобы увидеть, какие типы FET важны для различных приложений.

Применение MESFET

MESFET часто используются в качестве драйверов или переключателей в РЧ-приложениях, требующих высокой выходной мощности. Коммерческие компоненты MESFET доступны в различных корпусах; компоненты в корпусах SO/SOIC/SOP доступны с полосой пропускания до ~8 ГГц, в то время как высокие частоты до ~30 ГГц могут быть достигнуты в корпусах QFN. Высокочастотные MESFET обычно изготавливаются из SiGe (для умеренной выходной мощности) или GaAs (для высокой выходной мощности), и вы найдете эти структуры интегрированными в высокочастотные SoC.

Применение MOSFET

Среди различных типов ПТ, МОП-транзисторы, вероятно, находят применение в самом широком спектре практических приложений. Эти компоненты находят свое место во многих приложениях силовой электроники, поскольку они могут управлять мощностями на уровне кВт. И, конечно, любой, кто знаком с современными логическими схемами на КМОП, должен знать, что МОП-транзисторы лежат в основе устройств КМОП.

Если вам нужно выбрать дискретный МОП-транзистор для коммутационного приложения, то важно, как устройство переключается, поскольку вам нужно будет выбрать правильную полярность напряжения, приложенного к затвору. Тип усиления NMOS часто используется в качестве коммутационного элемента в приложениях, таких как регулирование и кондиционирование мощности при высоком напряжении/токе; я считаю, что это упрощает заземление и размещение, так как вам нужно только подавать положительные напряжения по плате.

Применение JFET

JFET также бывают n- и p-канальными, где n-канальные обычно используются, поскольку электроны имеют большую подвижность, чем дырки. JFET также имеют область пробоя, когда напряжение сток-исток достаточно высоко (аналогично пробою p-n диода). По сравнению с МОП-транзисторами, JFET имеют следующие характеристики:

• Только режим истощения

• Меньший дрейф частоты

• Меньший входной импеданс

• Высокое сопротивление стока обеспечивает более плоские передаточные характеристики

• Большая входная емкость

Их меньший дрейф частоты делает их более желательными в генераторах или точных тайминговых схемах. Большая входная емкость приводит к несколько более длительному времени включения при использовании в качестве переключателей. Хотя они могут быть полезны для генераторов, при использовании в усилителях они, как правило, имеют относительно низкий коэффициент усиления по полосе пропускания по сравнению с МОП-транзисторами и гораздо ниже, чем у сравнимых MESFET.

Применение HEMT

Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) относятся к чему-то, что ближе к используемым в ПТ материалам, а не к совершенно другой структуре или типу схемы. HEMT могут использоваться в РЧ устройствах, которым необходимо подавать мощность на высоких частотах, или которые переключаются с высокой скоростью фронтов сигнала. Типичные материалы, используемые в этих устройствах, - GaAs и GaN, оба из которых используются в коммерчески доступных компонентах. Эти устройства разработаны для обеспечения высокой выходной мощности на частотах, достигающих диапазона ммВолн. Другие материалы III-V группы, такие как InP, исследовались для использования в HEMT. Однако эти материалы пока не могут быть произведены в стандартных компонентных процессах в масштабах. 

Поскольку применения HEMT перекрываются с MESFET, справедливо спросить, в чем разница между этими материалами. Разница проявляется в эпитаксиальном слое транзистора. HEMT - это гетероструктурные устройства, которые используют композиционно различные слои материала с более высокой подвижностью электронов, чем основной материал в устройстве. В HEMT на основе GaAs обычно используемый материал в эпитаксиальном слое - нестехиометрический AlGaAs. Мы не видим этих же структур или материалов в MESFET.

Подобный подход с нестехиометрическим слоем используется в GaN HEMT, где эпитаксиальный слой представляет собой AlGaN. Пример структуры HEMT на подложке из SiC показан ниже. В этой структуре слой AlGaN может быть допированной многослойной структурой, и канал проводимости будет формироваться в этой части устройства.

Высокая подвижность электронов в проводящем канале обеспечивает гораздо более эффективную передачу мощности на высоких частотах ГГц. Эти системы обеспечивают более высокую мощность, более высокие частоты и большее рассеивание тепла (особенно с SiC) по сравнению с масштабируемыми Si MOSFET, работающими в диапазоне миллиметровых волн. По этим причинам GaN HEMT также нашли применение в силовой электронике как высокотеплопроводный заменитель Si MOSFET.

Важные характеристики для FET

Хотя нам бы хотелось перечислить каждую характеристику, указанную в техническом описании, не все характеристики актуальны для каждого приложения. Есть несколько, которые универсальны для почти любого приложения:

• Сопротивление в открытом состоянии: Это одна из самых важных характеристик, поскольку она определяет эффективность FET в передаче мощности и переключении.

• Ток утечки: Даже в выключенном состоянии между истоком и стоком протекает некоторое небольшое количество тока, что приводит к некоторой потере мощности в выключенном состоянии.

• Емкости выводов: Эти значения емкостей будут ограничивать время переключения в устройстве. Это обычно не важно, если вы не разрабатываете аналоговый продукт высокой частоты.

• Абсолютная максимальная температура: FET выйдут из строя, если температура канала достигнет своего максимального номинального значения. Здесь обычно есть небольшой запас прочности, но эти компоненты необходимо выбирать, учитывая среду, в которой они будут использоваться.

• Номинальное напряжение/ток: Эта пара значений указывается для конкретного метода управления (DC, импульсный или гармонический) и будет определять безопасную рабочую область FET. Как только эти характеристики превышены для конкретного FET, устройство может испытать пробой и выйти из строя.

Последний пункт важен, поскольку он относится к безопасной рабочей области FET. Все FET имеют комбинацию напряжения исток-сток (V(DS)) и тока стока (I(D)), в пределах которых FET может работать без отказа. Эта комбинация напряжений, токов и методов управления формирует безопасную рабочую область для MOSFET, которая может быть отображена на графике.

Пример безопасной рабочей области MOSFET (FDD7N25LZTM от ON Semiconductor) показан ниже. На этом графике сравнивается постоянное управление с переменным при различных условиях (в данном случае, импульсное управление). Для постоянного управления граница безопасной рабочей области будет ближе к началу координат по сравнению с управлением более короткими импульсами. Причина расширения безопасной рабочей области при более короткой длительности импульса заключается в том, что средний ток будет ниже, при условии одинаковой частоты повторения импульсов.

В общем, существует три основных фактора, определяющих безопасную рабочую область полевого транзистора:

• Постоянная температура перехода

• Сопротивление в открытом состоянии

• Метод управления (DC, AC и т.д.)

В общем, любое управление переменным током, соответствующее среднему току управления постоянным током, будет иметь аналогичную безопасную рабочую область. Когда средний ток в управлении переменным током уменьшается, безопасная рабочая область расширяется. Это может быть использовано как простой критерий для выбора MOSFET для использования в приложениях питания: просто сравните средний ток при управлении переменным током с током управления постоянным током при аналогичных рабочих параметрах (V(DS) и I(D)), чтобы определить, будет ли MOSFET надежным при управлении переменным током.

Другой фактор, который сложнее учесть, - это температура MOSFET, в частности температура перехода. Если температура перехода слишком велика, то MOSFET рискует выйти из строя. Для точного сравнения с безопасной рабочей областью необходимо определить потери мощности в открытом состоянии и использовать тепловое сопротивление компонента для прогнозирования равновесной температуры. В общем, более высокая температура перехода приводит к уменьшению безопасной рабочей области.

Независимо от того, какие типы полевых транзисторов вам нужны для вашего нового продукта, вы можете использовать расширенные функции поиска и фильтрации на Octopart, чтобы найти необходимые детали. Когда вы используете поисковую систему электроники Octopart, у вас будет доступ к данным дистрибьюторов и спецификациям деталей, все из которых свободно доступны в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с линейными интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.