Эффект Спирито у полевых транзисторов
Данный текст посвящён особенности использования полевых транзисторов в линейном режиме, и эффекту, из-за которого живучесть полевиков в этом самом режиме (и без того весьма паршивая) дополнительно снижается при больших напряжениях «сток-исток». Этот эффект был обнаружен профессором неаполитанского университета Паоло Спирито, и получил его имя. Изучая особенности работы с полевыми транзисторами я обнаружил, что информации на русском языке по эффекту Спирито довольно мало, поэтому решил заполнить этот пробел.
Прежде всего — небольшое введение: важной характеристикой транзисторов является «область безопасной работы», или SOA (safe operation area). Особенно важна эта характеристика для полевых транзисторов, так как их возможности работы в линейном и ключевом режимах очень сильно различаются: мелкий полевик размером с ноготок способен прокачать через себя десятки ампер в ключевом режиме, и выгореть при токе в пару десятков миллиампер в режиме линейном. Доходит до того, что молодым схемотехникам говорят, что «в линейном режиме полевые транзисторы использовать нельзя». Примерный вид этой характеристики приведён на рисунке 1:
Как можно заметить, SOA состоит из нескольких участков:
Диагональный участок слева задаётся сопротивлением полностью открытого транзистора. В данном случае — 0,84 Ома. То есть, больше тока при таком напряжении транзистор не пропустит чисто физически
горизонтальный участок сверху — задаётся максимально допустимым током через транзистор. В данном случае — чуть меньше двухсот ампер
вертикальный участок справа — задаётся максимально допустимым напряжением «сток-исток». В данном случае — 900 вольт.
Наконец, пачка диагональных участков с метками времени справа определяются максимальной энергией, которую способен поглотить транзистор без вреда для себя. Как можно заметить, транзистор, который спокойно пропускает ток почти в двести ампер в открытом состоянии, может выйти из строя уже при двухстах миллиамперах в линейном режиме.
Иногда на этих участках наблюдается излом (см. рис. 2). Этот самый излом и вызван эффектом Спирито: при более высоких напряжениях между стоком и истоком энергия, при которой транзистор выходит из строя, резко снижается. Кстати, если присмотреться, на рис. 1 тоже есть похожий излом (сравните графики для 10 мс и 100 мс).
Понятие SOA относится не только к полевым транзисторам, изначально оно появилось, как характеристика транзисторов биполярных. Основным фактором, ограничивающим SOA прямого смещения у биполярных транзисторов, является температурная нестабильность, обусловленная отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Попросту говоря — с ростом температуры транзистора его электрическая проводимость растёт. В результате, если ток в схеме ограничивается именно транзистором, то, по мере его нагрева, через него начинает протекать всё бОльший ток, который в свою очередь нагревает транзистор ещё сильнее… и так до тех пор, пока он не сгорит, либо пока ток не начнёт ограничиваться другим элементом схемы. У полевых транзисторов такой проблемы, на первый взгляд, нет: с ростом температуры его сопротивление в открытом режиме возрастает. Это позволяет ставить параллельно несколько транзисторов — они сами разделят между собой нагрузку. Более того — каждый полевой транзистор по сути состоит из множества мелких микротранзисторов, которые включены параллельно, и точно так же балансируют между собой нагрузку. Но, как говорил незабвенный Василий Иванович Чапаев, «есть нюанс» (рис. 3):
Если внимательно посмотреть на графики на рис. 3, то можно заметить, что одни и те же 5–7 вольт на затворе при разной температуре по разному открывают транзистор: например, при 25 градусах Цельсия и 6 вольтах на затворе транзистор пропускает чуть больше 20 ампер, а при 125 градусах Цельсия и том же напряжении на затворе — почти 35 ампер. При повышении напряжения на затворе этот эффект быстро пропадает. То есть, при небольшом напряжении на затворе, когда транзистор почти закрыт, он ведёт себя так, будто имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Напомню, что по внутренней структуре полевой транзистор можно представить, как множество параллельных микротранзисторов, у которых есть некоторый разброс характеристик. И когда мы подаём на затвор транзистора небольшое напряжение — некоторые из микротранзисторов приоткрываются чуть сильнее. Соответственно, через них течёт чуть бОльший ток, который нагревает их чуть сильнее, чем соседние микротранзисторы. За счёт повышения температуры микротранзистор приоткрывается ещё чуть сильнее, через него течёт ещё чуть больший ток… В итоге этот конкретный микротранзистор живёт только до тех пор, пока не нагреется до слишком высокой температуры. При этом соседние микротранзисторы могут быть заметно холоднее, зачастую полевик, сгоревший из-за работы вне SOA, остаётся в целом холодным. Почему эффект Спирито проявляется на больших напряжениях «сток-исток»? Ответ тоже очень прост — чтобы между стоком и истоком возникло это самое напряжение, транзистор должен быть почти закрыт.
