Полевой транзистор как работает: Полевые транзисторы. For dummies / Хабр

Содержание

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован
от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное
сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10¹⁷ Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом,
основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит
название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник).
Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.
В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа
(для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N⁺-типа.
Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO₂.
Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N⁺-типа, называемые стоком и истоком.
Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод,
который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет,
поскольку между зонами N⁺ находиться область P, не пропускающая электроны.
Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U_зи, возникнет электрическое поле.
Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором
концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным
напряжением на затворе.

Когда U_зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок.
Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I_си.
Чем выше напряжение на затворе транзистора U_зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока.
Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же,
только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом.
Как видно на графике а), вначале ток I_си растет прямопропорционально росту напряжения U_си.
Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения
(канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума,
ток I_си практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда U_си превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода),
структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник.
Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается
от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности.
Оставим затвор отключенным (U_зи = 0). В результате через канал пойдет ток I_си,
представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока.
В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки.
Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток I_си уменьшиться.
При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока.
Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из
областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток I_си увеличиться.
Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений.
Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в
качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов
расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.

Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.

Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора,
управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.

У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока.
Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления
между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.

Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С),
чем структура биполярных транзисторов (200С).

Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии,
по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется.
На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте.
Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор.
Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию
базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора
никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора,
паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего,
вся схема может выйти из строя.

Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству.
Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно,
чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом,
чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора.
Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление.
Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком.
При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов,
желательно использовать заземленные антистатические браслеты.
При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

Полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом

Добавлено 21 июля 2018 в 10:06

Сохранить или поделиться

Полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET) – это однополярные устройства, как и обычные полевые транзисторы (JFET): то есть управляемый ток не должен проходить через PN переход. В транзисторе имеется PN переход, но его единственное назначение – обеспечить непроводящую обедненную область, которая используется для ограничения тока через канал.

Ниже показана структура N-канального полевого транзистора с изолированным затвором со «встроенным» каналом:

N-канальный полевой транзистор с изолированным затвором со «встроенным» каналом

Обратите внимание на то, что вывод стока соединяется с любым концом N-канала, и что вывод затвора прикреплен к металлической пластине, отделенной от канала тонким изолирующим барьером. Этот барьер иногда выполняется из двуокиси кремния (основного химического соединения, находимого в песке), которая является очень хорошим изолятором. Из-за конструкции Метал (затвор) – Оксид (барьер) – Полупроводник (канал) полевые транзисторы с изолированным затвором иногда называют МОП транзисторами или MOSFET транзисторами (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Однако существуют и другие типы конструкции полевых транзисторов с изолированным затвором, поэтому аббревиатуры «IGFET» и «МДП» являются лучшим описанием для этого общего класса транзисторов.

Также обратите внимание на то, что у полевого транзистора с изолированным затвором имеется четыре вывода. На практике вывод подложки непосредственно соединен с истоком, чтобы сделать эти два вывода общими. Обычно это соединение выполняется внутри МДП транзистора, устраняя отдельное соединение подложки, в результате чего получается трехвыводное устройство с немного отличающимся условным обозначением.

N-канальный полевой транзистор с изолированным затвором со «встроенным» каналом

Поскольку исток и подложка объединены, слои N и P МДП транзистора в конечном итоге напрямую связаны друг с другом через внешний провод. Это соединение предотвращает воздействие любого напряжения на PN переход. В результате между этими двумя материалами существует обедненная область, но она никогда не может быть расширена или сужена. Работа полевого транзистора основана на расширении обедненной области PN перехода, но здесь, в МДП транзисторе, этого быть не может, поэтому работа МДП транзистора должна основываться на другом эффекте.

Действительно, поскольку, когда управляющее напряжение подается между затвором и источником, проводимость канала изменяется в результате того, что обедненная область движется ближе или дальше от затвора. Другими словами, эффективная ширина канала изменяется так же, как и в полевом транзисторе, но это изменение ширины канала связано со смещением обедненной области, а не с ее расширением.

В N-канальном полевом транзисторе с изолированным затвором управляющее напряжение, прикладываемое плюсом к затвору и минусом к истоку, имеет эффект отталкивания обедненной области PN перехода, расширяющего канал N-типа и увеличивающего проводимость:

Канал расширяется для получения большей проводимости

Изменение полярности управляющего напряжения имеет противоположный эффект, притягивание обедненной области и сужение канала и, следовательно, уменьшение проводимости канала:

Канал сужается для получения меньшей проводимости

Изолированный затвор допускает использование управляющего напряжения любой полярности без опасности прямого смещения перехода, что было важно для обычных полевых транзисторов. Этот тип полевого транзистора с изолированным затвором, хотя его называют в англоязычной литературе «depletion-type» (тип с обеднением), фактически имеет возможность либо обеднения своего канала (канал сужается), либо его насыщения (канал расширяется). Полярность входного напряжения определяет, какое влияние будет оказываться на канал.

Понять то, какая полярность имеет какой эффект, не так сложно, как может показаться. Ключом является рассмотрение типа полупроводникового легирования, используемого в канале (N-канал или P-канал?), а затем связывание этого типа легирования с выводом источника входного напряжения, подключенного к каналу через вывод истока. Если МДП транзистор является N-канальным, и входное напряжение подключено так, что плюс находится на затворе, а минус – на истоке, канал будет увеличен, поскольку дополнительные электроны накапливаются на канальной стороне диэлектрического барьера. Подумайте, «минус источника соответствует N-типу, тем самым насыщая канал соответствующим типом носителей заряда (электронами) и делая его более проводящим». И наоборот, если входное напряжение подключено к N-канальному МДП транзистору другим способом (минус подключен к затвору, а плюс – к истоку), свободные электроны будут «отняты» от канала, так как конденсатор затвор-канал будет заряжаться, что приводит к истощению канала в плане основных носителей заряда и к уменьшению его проводимости.

Для P-канальных полевых транзисторов с изолированным затвором полярность входного напряжения и воздействия на канал следуют тому же правилу. То есть, требуется полярность, противоположная той, при которой N-канальный МДП транзистор либо истощается, либо насыщается:

Канал P-типа расширяется для получения большей проводимостиКанал P-типа сужается для получения меньшей проводимости

Покажем соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором:

Соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором

Когда между затвором и истоком прикладывается нулевое напряжение, полевой транзистор с изолированным затвором будет проводить ток между истоком и стоком, но не такой большой, как если бы он был насыщен соответствующим напряжением затвора. Это помещает полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом (англ. «depletion-type» IGFET или просто D-type IGFET) в свою собственную категорию транзисторов. Биполярные транзисторы являются нормально выключенными устройствами: при отсутствии тока базы они блокируют любой ток через коллектор. Полевые транзисторы являются нормально включенными устройствами: при прикладывании нулевого напряжения затвор-исток они обеспечивают максимальный ток стока (на самом деле, вы можете выжать из полевого транзистора бо́льшие токи стока, прикладывая небольшое напряжение прямого смещения между затвором и истоком, но на практике так никогда не стоит делать из-за риска повреждения его хрупкого PN перехода). Однако МДП транзисторы со встроенным каналом являются нормально наполовину включенными устройствами: без напряжения затвор-исток их уровень проводимости находится где-то между отсечкой и полным насыщением. Кроме того, они допускают прикладывание напряжений затвор-исток любой полярности, причем PN переход невосприимчив к повреждению из-за изолирующего барьера и, в частности, из-за прямого соединения между истоком и подложкой, предотвращающего любую разность потенциалов на переходе.

По иронии судьбы поведение проводимости МДП транзистора со встроенным каналом поразительно похоже на поведение проводимости электронной лампы из ряда триодов/тетродов/пентодов. Эти устройства были регуляторами тока, управляемыми напряжением, которые также пропускали через себя ток при прикладывании нулевого управляющего напряжения. Управляющее напряжение одной полярности (минус на сетке, и плюс на катоде) уменьшало бы проводимость через лампу, в то время как напряжение противоположной полярности (плюс на сетке, и минус на катоде) увеличивало бы проводимость. Интересно, что одна из более поздних конструкций транзистора демонстрирует те же основные свойства, что и самое первое активное (электронное) устройство.

Несколько анализов в SPICE продемонстрируют регулирующее ток поведение МДП транзисторов со встроенным каналом. Во-первых, тест с нулевым входным напряжением (затвор закорочен на исток) и с изменением напряжения питания от 0 до 50 вольт. На графике показан ток стока:

Тестовая схема 1

n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 . model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Ток стока

Как и ожидалось для любого транзистора, управляемый ток остается постоянным на уровне стабилизации в широком диапазоне напряжений питания. В данном случае эта точка стабилизации составляет 10 мкА (1.000E-05). Теперь давайте посмотрим, что произойдет, когда мы приложим отрицательное напряжение к затвору (относительно истока) и будем изменять напряжение питания в том же диапазоне от 0 до 50 вольт:

Тестовая схема 2

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Ток стока

Неудивительно, что ток стока теперь стабилизируется на более низком значении 2,5 мкА (по сравнению с 10 мкА при нулевом входном напряжении). Теперь давайте приложим входное напряжение другой полярности, чтобы насытить МДП транзистор:

Тестовая схема 3

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0. 5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Ток стока

При насыщении транзистора с помощью небольшого управляющего напряжения ток стока теперь увеличивается до 22,5 мкА (2.250E-05). Из этих трех наборов значений напряжений и графиков тока должно быть очевидно, что отношение между током стока и напряжением затвор-исток нелинейно, как это было и с полевым транзистором. При истощающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 2,5 мкА; при 0 вольт на входе ток стока поднимается до 10 мкА; и при насыщающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 22,5 мкА. Чтобы лучше понять эту нелинейность, мы можем использовать SPICE для построения графика тока стока в зависимости от входного напряжения, изменяя напряжение от отрицательного (истощающего) значения до положительного (насыщающего) значения, поддерживая напряжение питания V1 на постоянном значении.

n-channel igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 . model mod1 nmos vto=-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i(vammeter) .end

Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток

Подобно тому, как это было с обычными полевыми транзисторами, эта присущая МДП транзисторам нелинейность может вызывать искажения в схеме усилителя, так как входной сигнал не будет воспроизводиться со 100-процентной точностью на выходе. Также обратите внимание, что напряжение затвор-исток примерно 1 вольт в направлении истощения может пережать канал, так что тока стока практически не будет. МДП транзисторы со встроенным каналом, как и обычные полевые транзисторы, имеют определенное напряжение отсечки. Этот параметр точно зависит от конкретного транзистора и может быть не таким, как в нашем моделировании.

Вычислив набор кривых характеристик МДП транзистора, мы увидим диаграмму, не похожую на диаграмму для обычного полевого транзистора:

Выходные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом

Оригинал статьи:

для чего он нужен, как его открыть, схемы

Для того чтобы быстро изменить силу тока в усилительных схемах, лампочках или электрических двигателях применяют транзисторы. Они умеют ограничивать силу тока плавно и постепенно или специальным методом «импульс-пауза». Второй способ особо часто используется при широтно-импульсной модуляции и управления. Если используется мощный источник тока, то транзистор проводит его через себя и регулирует параметр слабым значением. Если тока маловато, то используют сразу несколько транзисторов, обладающих большей чувствительностью. Соединять в таком случае их нужно каскадным образом. В этой статье будет рассмотрено, как открыть полевой транзистор, какой принцип работы полевого транзистора для чайников и какие обозначения выводов полевой транзистор имеет.

Что это такое

Полевой транзистор — это радиоэлемент полупроводникового типа. Он используется для усиления электросигнала. В любом цифровом приборе схема с полевым транзистором исполняет роль ключа, который управляет переключением логических элементов прибора. В этом случае использование ПТ является очень выгодным решением проблемы с точки зрения уменьшения размеров устройства и платы. Обусловлено это тем, что цепь управления радиокомпонентами требует не очень большой мощности, а значит, что на одном кристалле могут располагаться тысячи и десятки тысяч транзисторов.

Схема подключения электротранзистора полевого типа

Материалами, из которых делают полупроводниковые элементы и транзисторы в том числе, являются:

Фосфид индия;
Нитрид галлия;
Арсенид галлия;
Карбид кремния.

График области насыщения электротранзистора

Важно! Полевые транзисторы также называют униполярными, так как при протекания через них электротока используется только один вид носителей.

Характеристики полевого транзистора

Основными характеристики полевого транзистора являются:

Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
Максимально допустимая рабочая частота;
Напряжение сток-исток;
Напряжение затвор-сток;
Напряжение затвор-исток;
Максимально допустимый ток стока;
Ток утечки затвора;
Крутизна характеристики;
Начальный ток стока;
Емкость затвор-исток;
Входная ёмкость;
Выходная ёмкость;
Проходная ёмкость;
Выходная мощность;
Коэффициент шума;
Коэффициент усиления по мощности.

Характеристика напряженности поля заряда

Как он работает

Полевой транзистор включает нескольких составных элементов — истока (источника носителя заряда наподобие эмиттера на биполярном элементе), стока (приемника заряда по аналогии с коллектором) и затвора (управляющего электрода наподобие сетки в лампах или базы). Работа первых двух очевидна и состоит в генерации и приеме носителя электрозаряда, среди которых электроны и дырки. Затвор же нужен в первую очередь для управления электротоком, который протекает через ПТ. То есть, получается классического вида триод с катодом, анодом и электродом управляющего типа.

Когда происходит подача напряжения на затвор, возникает электрополе, которое изменяет ширину определенных переходов и влияет на параметр электротока, протекающего от истока к стоку. Если управляющее напряжение отсутствует, то ничто не будет препятствовать потоку носителей заряда в виде электронов. Когда напряжение управления повышается, то канал, по которому движутся электроны или дырки, наоборот, уменьшается, а при достижении некоего предела закрывается совсем, и полевой транзистор входит в так называемый режим отсечки. Именно эта характеристика ПТ делает возможным их применение в качестве ключей.

Подключение нагрузки к электротранзистору для его открытия

Свойства усиления электротока этого радиокомпонента обусловлены тем, что сильный электрический ток, который протекает от истока к стоку, повторяет все динамические характеристика напряжения, прикладываемого к затвору. Другим языком, с выхода этого усилителя берется абсолютно такой же по форме сигнал, как и на электроде управления, только более сильный.

Строение ПТ (униполярного транзистора) немного отличается от биполярного. А именно тем, что электричество в нем пере пересекает определенные переходные зоны. Электрозаряды совершают движение по участку регуляции, который называется затвором. Его пропускная способность регулируется параметром напряжения.

Виды электротранзисторов полевого типа с маркировкой

Важно! Пространство зон транзистора под действием электрического поля уменьшается и увеличивается. Исходя из этого изменяется количество носителей зарядов — от их полного отсутствия до переизбытка.

Для чего нужен

ПТ нужны для того, чтобы управлять выходным током с помощью создаваемого электрического поля и изменять его важнейшие параметры. Структуры, созданные на основе полевого транзистора, часто используются в интегральных схемах цифрового и аналогового вида.

n- и p-канальные электротранзисторы

Именно за счет полевого управления, эти транзисторы воздействуют на величину приложенного к их затвору напряжения. Это отличает их от биполярных транзисторов, которые управляются током, который протекает через их базу. ПТ потребляют значительно меньшее количество электроэнергии, что и определило их популярность при использовании в ждущих и следящих устройствах, а также интегральных схемах малого потребления ( при организации спящего режима).

Важно! Одними из наиболее известных устройств, основанных на действии полевых транзисторов, являются пульты управления от телевизора, наручные часы электронного типа. Эти устройства за счет своего строения и применения ПТ могут годами работать от одного крошечного источника питания в виде батарейки.

Схематический вид электротранзистора полевого типа

Как открыть полевой транзистор

Для того чтобы полностью открыть полевой транзистор и запустить его работы в режиме ключа, напряжение базы-эмиттера должно быть больше 0,6-0,7 Вольт. Также сила электротока, текущая через базу должна быть такой, чтобы он мог спокойно протекать через коллектор-эмиттер без каких-либо препятствий. В идеальном случае, сопротивление через коллектор-эмиттер должно быть равным нулю, в реальности же оно будет иметь сотые доли Ома. Такой режим называется «режимом насыщения транзистора».

Режим насыщения элемента через транзистор

Как видно на схеме, коллектор и эмиттер находятся в режиме насыщения и соединены накоротко, что позволяет лампочке гореть «на полную».

Схема (структура)

На схеме ниже можно увидеть примерное строение транзистора полярного типа. Его выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. Схема изображает именно p канальное устройство, затвором которого является n-слой. Он имеет гораздо меньшее удельное сопротивление, чем канальная область p-слоя. Область же перехода n-p в большей степени находится в p-слое.

Схематическое изображение электротранзистора с n-p каналами

Как подключить

Все зависит от того, каким именно образом полевой транзистор будет включаться в усилительный каскад. Таких способа есть три:

С общим истоком;
С общим стоком;
С общим затвором.

Схемы включения полевого электротранзистора в цепи

Их различия заключаются в том, что они используют различные электроды подаются питающим напряжением и к каким электроцепям присоединен источник сигнала и нагрузка для него.

Общий исток наиболее часто используется для достижения максимального усиления сигнала входа. Общий сток используется для устройств согласования, потому что усиление там используется небольшое, но сигналы входа и выхода аналогичны по фазе. Схема с общим затвором применяется чаще всего в усилителях высокой частоты. При таком способе подключения полоса пропускания намного шире, чем в других способах.

Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа

Таким образом, полевой транзистор это очень важный полупроводниковый радиоэлемент, который способен управлять сопротивлением канала электротока путем воздействия на него поперечного электрического поля, создаваемого напряжением затвора.

Полевой транзистор основные характеристики. Полевые транзисторы

Теперь давайте узнаем о том, какие бывают полевые транзисторы. Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной. Сейчас в большей степени используются приборы с изолированным затвором, о типах полевых транзисторов и их особенностях сегодня мы и поговорим. В статье я буду проводить сравнение с биполярными транзисторами, в отдельных местах.

Определение

Полевой транзистор — это полупроводниковый полностью управляемый ключ, управляемый электрическим полем.
Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность управляющего напряжения зависит от типа канала транзистора. Здесь прослеживается хорошая аналогия с электронными вакуумными лампами.

Другое название полевых транзисторов — униполярные. «УНО» — значит один. В полевых транзисторах в зависимости от типа канала ток осуществляется только одним типом носителей дырками или электронами. В биполярных транзисторах ток формировался из двух типов носителей зарядов — электронов и дырок, независимо от типа приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить на:

транзисторы с управляющим p-n-переходом;

транзисторы с изолированным затвором.

И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых — отрицательное относительно истока.

У всех типов полевых транзисторов есть три вывода (иногда 4, но редко, я встречал только на советских и он был соединен с корпусом).

1. Исток (источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном).

2. Сток (приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора биполярного транзистора).

3. Затвор (управляющий электрод, аналог сетки на лампах и базы на биполярных транзисторах).

Транзистор с управляющим pn-переходом

Транзистор состоит из таких областей:

4. Затвор.

На изображении вы видите схематическую структуру такого транзистора, выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. На конкретной схеме (это p-канальный прибор) затвор — это n-слой, имеет меньше удельное сопротивление, чем область канала (p-слой), а область p-n-перехода в большей степени расположена в p-области по этой причине.

а — полевой транзистор n-типа, б — полевой транзистор p-типа

Чтобы легче было запомнить, вспомните обозначение диода, где стрелка указывает от p-области в n-область. Здесь также.

Первое состояние — приложим внешнее напряжение.

Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Можно провести аналогию с нормально-замкнутым ключом. Этот ток называется Iснач или начальный ток стока при Uзи=0.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, без приложенного управляющего напряжения к затвору является максимально открытым.

Напряжение к стоку и истоку прикладывается таким образом:

Через исток вводятся основные носители зарядов!

Это значит, что если транзистор p-канальный, то к истоку подключают положительный вывод источника питания, т.к. основными носителями являются дырки (положительные носители зарядов) — это так называемая дырочная проводимость. Если транзистор n-канальный к истоку подключают отрицательный вывод источника питания, т. к. в нем основными носителями заряда являются электроны (отрицательные носители зарядов).

Исток — источник основных носителей заряда.

Вот результаты моделирования такой ситуации. Слева расположен p-канальный, а справа n-канальный транзистор.

Второе состояние — подаём напряжение на затвор

При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока (Uзи) для p-канального и отрицательное для n-канального, он смещается в обратном направлении, область p-n-перехода расширяется в сторону канала. В резльтате чего ширина канала уменьшается, ток снижается. Напряжение затвора, при котором ток через ключ перестает протекать называется, напряжением отсечки.

Достигнуто напряжение отсечки, и ключ полностью закрыт. На картинке с результатами моделирования отображено такое состояние для p-канального (слева) и n-канального (справа) ключа. Кстати на английском языке такой транзистор называется JFET.

Рабочий режим транзистора при напряжение Uзи либо нулевое, либо обратное. За счет обратного напряжения можно «прикрывать транзистор», используется в усилителях класса А и прочих схемах где нужно плавное регулирование.

Режим отсечки наступает, когда Uзи=Uотсечки для каждого транзистора оно своё, но в любом случае прикладывается в обратном направлении.

Характеристики, ВАХ

Выходной характеристикой называют график, на котором изображена зависимость тока стока от Uси (приложенного к выводам стока и истока), при различных напряжениях затвора.

Можно разбить на три области. Вначале (в левой части графика) мы видим омическую область — в этом промежутке транзистор ведет себя как резистор, ток возрастает почти линейно, доходя до определенного уровня, переходит в область насыщения (в центре графика).

В правой части график мы видим, что ток опять начинает расти, это область пробоя, здесь транзистор находиться не должен. Самая верхняя ветвь изображенная на рисунке — это ток при нулевом Uзи, мы видим, что ток здесь самый большой.

Чем больше напряжение Uзи, тем меньше ток стока. Каждая из ветвей отличается на 0.5 вольта на затворе. Что мы подтвердили моделированием.

Здесь изображена стоко-затворная характеристика, т.е. зависимость тока стока от напряжения на затворе при одинаковом напряжении стока-исток (в данном примере 10В), здесь шаг сетки также 0.5В, мы опять видим что чем ближе напряжение Uзи к 0, тем больший ток стока.

В биполярных транзисторах был такой параметр как коэффициент передачи тока или коэффициент усиления, он обозначался как B или h31э или Hfe. В полевых же для отображения способности усиливать напряжение используется крутизна обозначается буквой S

То есть крутизна показывает, насколько миллиАмпер (или Ампер) растёт ток стока при увеличении напряжения затвор-исток на количество Вольт при неизменяемом напряжении сток-исток. Её можно вычислить исходя из стоко-затворной характеристики, на приведенном выше примере крутизна равняется порядка 8 мА/В.

Схемы включения

Как и у биполярных транзисторов есть три типовых схемы включения:

1. С общим истоком (а). Используется чаще всех, даёт усиление по току и мощности.

2. С общим затвором (б). Редко используется, низкое входное сопротивления, усиления нет.

3. С общим стоком (в). Усиление по напряжению близко к 1, большое входное сопротивление, а выходное низкое. Другое название — истоковый повторитель.

Особенности, преимущества, недостатки

Главное преимущество полевого транзистора высокое входное сопротивление
. Входное сопротивление это отношения тока к напряжению затвор-исток. Принцип действия лежит в управлении с помощью электрического поля, а оно образуется при приложении напряжения. То есть полевые транзисторы управляются напряжением
.

практически не потребляет тока управления,
это снижает потери управления, искажения сигнала,
перегрузку по току источника сигнала…

В среднем частотные характеристики полевых транзисторов лучше, чем у биполярных
, это связано с тем, что нужно меньше времени на «рассасывание» носителей заряда в областях биполярного транзистора. Некоторые современные биполярные транзисторы могут и превосходить полевые, это связано с использованием более совершенных технологий, уменьшения ширины базы и прочего.

Низкий уровень шумов у полевых транзисторов обусловлен отсутствием процесса инжекции зарядов, как у биполярных.

Стабильность при изменении температуры.

Малое потребление мощности в проводящем состоянии — больший КПД ваших устройств.

Простейший пример использования высокого входного сопротивление — это приборы согласователи для подключения электроакустических гитар с пьезозвукоснимателями и электрогитар с электромагнитными звукоснимателями к линейным входам с низким входным сопротивлением.

Низкое входное сопротивление может вызвать просадки входного сигнала, исказив его форму в разной степени в зависимости от частоты сигнала. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Вот простейшая схема такого устройства. Подойдет для подключения электрогитар в линейный вход аудио-карты компьютера. С ней звук станет ярче, а тембр богаче.

Главным недостатком является то, что такие транзисторы боятся статики. Вы можете взять наэлектризованными руками элемент, и он тут же выйдет из строя, это и есть следствие управления ключом с помощью поля. С ними рекомендуют работать в диэлектрических перчатках, подключенным через специальный браслет к заземлению, низковольтным паяльником с изолированным жалом, а выводы транзистора можно обвязать проволокой, чтобы закоротить их на время монтажа.

Современные приборы практически не боятся этого, поскольку по входу в них могут быть встроены защитные устройства типа стабилитронов, которые срабатывают при превышении напряжения.

Иногда у начинающих радиолюбителей опасения доходят до абсурда, типа надевания на голову шапочек из фольги. Всё описанное выше хоть и является обязательным к исполнению, но не соблюдение каких либо условий не гарантирует выход из строя прибора.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Этот вид транзисторов активно используется в качестве полупроводниковых управляемых ключей. Причем работают они чаще всего именно в ключевом режиме (два положения «вкл» и «выкл»). У них есть несколько названий:

1. МДП-транзистор (метал-диэлектрик-полупроводник).

2. МОП-транзистор (метал-окисел-полупроводник).

3. MOSFET-транзистор (metal-oxide-semiconductor).

Запомните — это лишь вариации одного названия. Диэлектрик, или как его еще называют окисел, играет роль изолятора для затвора. На схеме ниже изолятор изображен между n-областью около затвора и затвором в виде белой зоны с точками. Он выполнен из диоксида кремния.

Диэлектрик исключает электрический контакт между электродом затвора и подложкой. В отличие от управляющего p-n-перехода он работает не на принципе расширения перехода и перекрытия канала, а на принципе изменения концентрации носителей заряда в полупроводнике под действием внешнего электрического поля. МОП-транзисторы бывают двух типов:

1. Со встроенным каналом.

2. С индуцированным каналом

На схеме вы видите транзистор с встроенным каналом. Из неё уже можно догадаться, что принцип его работы напоминает полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, т.е. когда напряжение затвора равно нулю — ток протекает через ключ.

Около истока и стока созданы две области с повышенным содержанием примесных носителей заряда (n+) с повышенной проводимостью. Подложкой называется основание P-типа (в данном случае).

Обратите внимание, что кристалл (подложка) соединена с истоком, на многих условных графических обозначениях он так и рисуется. При повышении напряжения на затворе в канале возникает поперечное электрическое поле, оно отталкивает носители зарядов (электроны) и канал закрывается при достижении порогового Uзи.

При подаче отрицательного напряжения затвор-исток ток стока падает, транзистор начинает закрывать — это называется режим обеднения.

При подаче положительного напряжения на затвор-исток происходит обратный процесс — электроны притягиваются, ток возрастает. Это режим обогащения.

Всё вышесказанное справедливо для МОП-транзисторов со встроенным каналом N-типа. Если канал p-типа все слова «электроны» заменяются на «дырки», полярности напряжения изменяются на противоположные.

Согласно datasheet на этот транзистор пороговое напряжение затвор-исток у нас в районе одного вольта, а типовое его значение — 1.2 В, проверим это.

Ток стал в микроамперах. Если еще немного повысить напряжение, он исчезнет полностью.

Я выбрал транзистор наугад, и мне попался достаточно чувствительный прибор. Попробую изменить полярность напряжения, чтобы на затворе был положительный потенциал, проверим режим обогащения.

При напряжении на затворе 1В ток увеличился в четыре раза, по сравнению с тем, что был при 0В (первая картинка в этом разделе). Отсюда следует, что в отличие от предыдущего типа транзисторов и биполярных транзисторов он без дополнительной обвязки может работать как на повышение тока, так и на понижение. Это заявление весьма грубо, но в первом приближении имеет право на существование.

Здесь всё практически так же как и в транзисторе с управляющим переходом, за исключением наличия режима обогащения в выходной характеристике.

На стоко-затворной характеристике четко видно, что отрицательное напряжение вызывает режим обеднение и закрытие ключа, а положительное напряжение на затворе — обогащение и большее открытие ключа.

МОП-транзисторы с индуцированным каналом не проводят ток при отсутствии напряжения на затворе, вернее ток есть, но он крайне мал, т.к. это обратный ток между подложкой и высоколегированными участками стока и истока.

Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом аналог нормально-разомкнутого ключа, ток не протекает.

При наличии напряжения затвор-исток, т.к. мы рассматриваем n-тип индуцируемого канала то напряжение положительное, под действием поля притягиваются отрицательные носители зарядов в область затвора.

Так появляется «коридор» для электронов от истока к стоку, таким образом, появляется канал, транзистор открывается, и ток через него начинает протекать. Подложка у нас p-типа, в ней основными являются положительные носители зарядов (дырки), отрицательных носителей крайне мало, но под действием поля они отрываются от своих атомов, и начинается их движение. Отсюда отсутствие проводимости при отсутствии напряжения.

Выходная характеристика в точности повторяет такую же у предыдущих разница заключается лишь в том, что напряжения Uзи становятся положительными.

Стоко-затворная характеристика показывает то же самое, отличия опять-таки в напряжениях на затворе.

При рассмотрении вольтамперных характеристик крайне важно внимательно смотреть на величины, прописанные по осям.

На ключ подали напряжение 12 В, а на затворе у нас 0. Ток через транзистор не протекает.

Это значит, что транзистор полностью открыт, если бы его не было, ток в этой цепи составил бы 12/10=1.2 А. В дальнейшем я изучал как работает этот транзистор, и выяснил, что на 4-х вольтах он начинает открываться.

Добавляя по 0. 1В, я заметил, что с каждой десятой вольта ток растёт всё больше и больше, и уже к 4.6 Вольта транзистор практически полностью открыт, разница с напряжением на затворе в 20В в токе стока всего лишь 41 мА, при 1.1 А — это чепуха.

Этот эксперимент отражает то, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при достижении порогового напряжения, что позволяет ему отлично работать в качестве ключа в импульсных схемах. Собственно, IRF740 — один из наиболее распространенных .

Результаты измерений тока затвора показали, что действительно полевые транзисторы почти не потребляют управляющего тока. При напряжении в 4.6 вольта ток был, всего лишь, 888 нА (нано!!!).

При напряжении в 20В он составлял 3.55 мкА (микро). У биполярного транзистора он был бы порядка 10 мА, в зависимости от коэффициента усиления, что в десятки тысяч раз больше чем у полевого.

Не все ключи открываются такими напряжениями, это связано с конструкцией и особенностями схемотехники устройств где они применяются.

Разряженная ёмкость в первый момент времени требует большого зарядного тока, да и редкие управляющие устройства (шим-контроллеры и микроконтроллеры) имеют сильные выходы, поэтому используют драйверы для полевых затворов, как в полевых транзисторах, так и в (биполярный с изолированным затвором). Это такой усилитель, который преобразует входной сигнал в выходной такой величины и силы тока, достаточный для включения и выключения транзистора. Ток заряда также ограничивается последовательно соединенным с затвором резистором.

При этом некоторые затворы могут управляться и с порта микроконтроллера через резистор (тот же IRF740). Эту тему мы затрагивали .

Они напоминают полевые транзисторы с управляющим затвором, но отличаются тем, что на УГО, как и в самом транзисторе, затвор отделен от подложки, а стрелка в центре указывает на тип канала, но направлена от подложки к каналу, если это n-канальный mosfet — в сторону затвора и наоборот.

Для ключей с индуцированным каналом:

Может выглядеть так:

Обратите внимание на англоязычные названия выводов, в datasheet’ах и на схемах часто указываются они.

Для ключей со встроенным каналом:

Транзистор (transistor, англ.) – триод, из полупроводниковых материалов, с тремя выходами, основное свойство которого – сравнительно низким входным сигналом управлять значительным током на выходе цепи. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор — это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется
напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми.

Контакты:

Полевой транзистор с п – р переходом – особый вид транзисторов, которые служат для управления током
.

Он отличается от простого обычного тем, что ток в нем проходит, не пересекая зоны р — n перехода, зоны, образующейся на границы этих двух зон. Размер р — n зоны регулируется.

Полевые транзисторы, их виды

Полевые транзисторы с п – р переходом делят на классы:

По типу канала проводника: n или р. От канала зависит знак, полярность, сигнала управления. Она должна быть противоположна по знаку n -зоне.
По структуре прибора: диффузные, сплавные по р – n — переходом, с затвором , тонкопленочные.
По числу контактов: 3-х и 4-контактные. В случае 4-контактного прибора, подложка также исполняет роль затвора.
По используемым материалам: германий, кремний, арсенид галлия.

Классы делятся по принципу работы:

устройство под управлением р — n перехода;
устройство с изолированным затвором или с барьером Шоттки.

Полевой транзистор, принцип работы

По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль. Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока
и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.

Прибор с управляющим р — п канальным переходом — это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине — контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода. Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю
. В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал. При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.

В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля
. Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества. Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.

Зачем нужен полевой транзистор

Рассматривая работу сложной электронной техники, как работу полевого транзистора (как одного из компонентов интегральной схемы) сложно представить, что основных направления его работы
пять:

Усилители высоких частот.
Усилители низких частот.
Модуляция.
Усилители постоянного тока.
Ключевые устройства (выключатели).

На простом примере работу транзистора, как выключателя, можно представить как компоновку микрофона с лампочкой. Микрофон улавливает звук, от этого появляется электрический ток. Он поступает на запертый полевой транзистор. Своим присутствием ток включает устройство, включает электрическую цепь, к которой подключена лампочка. Лампочка загорается при улавливании звука микрофоном, но горит за счет источника питания, не связанного с микрофоном и более мощного.

Модуляция применяется
для управления информационным сигналом. Сигнал управляет частотой колебания. Модуляция применяется для качественного звукового сигнала в радио, для передачи звукового ряда в телевизионных передачах, трансляции цвета и телевизионного сигнала высокого качества. Она применяется везде, где требуется работа с материалом высокого качества.

Как усилитель
полевой транзистор упрощенно работает так: графически любой сигнал, в частности, звуковой ряд, можно представить в виде ломаной линии, где ее длина – это время, а высота изломов частота звука. Для усиления звука на радиодеталь подают мощное напряжение, которое приобретает необходимые частоты, но с более большими значениями, за счет подачи слабого сигнала на управляющий контакт. Другими словами, устройство пропорционально перерисовывает изначальную линию, но с более высокими пиковыми значениями.

Применение полевых транзисторов

Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат
. Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.

В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике
. Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.

На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков
. В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.

Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров
. По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.

Плюсы и минусы полевых транзисторов

Полевые транзисторы своими характеристиками оставили далеко позади другие виды
устройства. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.

каскад деталей расходует мало энергии;
усиление выше, чем у других видов;
высокая помехоустойчивость достигается отсутствием прохождения тока в затворе;
более высокая скорость включения и выключения – они могут работать на недоступных другим транзисторам частотах.

более низкая температура разрушения, чем у других видов;
на частоте 1,5 ггц, потребляемая энергия начинает резко возрастать;
чувствительность к статическому электричеству.

Характеристики полупроводниковых материалов, взятых за основу полевых транзисторов, позволили применять устройства в быту и производстве
. На основе плевых транзисторов создали бытовую технику в привычном для современного человека виде. Обработка высококачественных сигналов, производство процессоров и других высокоточных компонентов невозможна без достижений современной науки.

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).

Добрый день, друзья!

Недавно мы с вами начали плотнее знакомились с тем, как устроено компьютерное «железо». И познакомились одним из его «кирпичиков» — полупроводниковым диодом. – это сложная система, состоящая из отдельных частей. Разбирая, как работают эти отдельные части (большие и малые), мы приобретаем знание.

Обретая знание, мы получаем шанс помочь своему железному другу-компьютеру, если он вдруг забарахлит
. Мы же ведь в ответе за тех, кого приручили, не правда ли?

Сегодня мы продолжим это интересное дело, и попробуем разобраться, как работает самый, пожалуй, главный «кирпичик» электроники – транзистор. Из всех видов транзисторов (их немало) мы ограничимся сейчас рассмотрением работы полевых транзисторов.

Почему транзистор – полевой?

Слово «транзистор» образовано от двух английских слов translate и resistor, то есть, иными словами, это преобразователь сопротивления.

Среди всего многообразия транзисторов есть и полевые, т.е. такие, которые управляются электрическим полем.

Электрическое поле создается напряжением. Таким образом, полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, управляемый напряжением.

В англоязычной литературе используется термин MOSFET (MOS Field Effect Transistor). Есть другие типы полупроводниковых транзисторов, в частности, биполярные, которые управляются током. При этом на управление затрачивается и некоторая мощность, так как к входным электродам необходимо прикладывать некоторое напряжение.

Канал полевого транзистора может быть открыт только напряжением
, без протекания тока через входные электроды (за исключением очень небольшого тока утечки). Т.е. мощность на управление не затрачивается. На практике, однако, полевые транзисторы используются большей частью не в статическом режиме, а переключаются с некоторой частотой.

Конструкция полевого транзистора обуславливает наличие в нем внутренней переходной емкости, через которую при переключении протекает некоторый ток, зависящий от частоты (чем больше частота, тем больше ток). Так что, строго говоря, некоторая мощность на управление все-таки затрачивается.

Где используются полевые транзисторы?

Настоящий уровень технологии позволяет сделать сопротивление открытого канала мощного полевого транзистора (ПТ) достаточно малым – в несколько сотых или тысячных долей Ома!

И это является большим преимуществом, так как при протекании тока даже в десяток ампер рассеиваемая на ПТ мощность не превысит десятых или сотых долей Ватта.

Таким образом, можно отказаться от громоздких радиаторов или сильно уменьшить их размеры.

ПТ широко используются в компьютерных и низковольтных импульсных стабилизаторах на м компьютера.

Из всего многообразия типов ПТ для этих целей используются ПТ с индуцированным каналом.

Как работает полевой транзистор?

ПТ с индуцированным каналом содержит три электрода — исток (source), сток (drain), и затвор (gate).

Принцип работы ПТ наполовину понятен из графического обозначения и названия электродов.

Канал ПТ – это «водяная труба», в которую втекает «вода» (поток заряженных частиц, образующих электрический ток) через «источник» (исток).

«Вода» вытекает из другого конца «трубы» через «слив» (сток). Затвор – это «кран», который открывает или перекрывает поток. Чтобы «вода» пошла по «трубе», надо создать в ней «давление», т.е. приложить напряжение между стоком и истоком.

Если напряжение не приложено («давления в системе нет»), тока в канале не будет.

Если приложено напряжение, то «открыть кран» можно подачей напряжения на затвор относительно истока.

Чем большее подано напряжение, тем сильнее открыт «кран», больше ток в канале «сток-исток» и меньше сопротивление канала.

В источниках питания ПТ используется в ключевом режиме, т.е. канал или полностью открыт, или полностью закрыт.

Честно сказать, принципы действия ПТ гораздо более сложны, он может работать не только в ключевом режиме
. Его работа описывается многими заумными формулами, но мы не будем здесь все это описывать, а ограничимся этими простыми аналогиями.

Скажем только, что ПТ могут быть с n-каналом (при этом ток в канале создается отрицательно заряженными частицами) и p-каналом (ток создается положительно заряженными частицами). На графическом изображении у ПТ с n-каналом стрелка направлена внутрь, у ПТ с p-каналом – наружу.

Собственно, «труба» — это кусочек полупроводника (чаще всего – кремния) с примесями химических элементов различного типа, что обуславливает наличие положительных или отрицательных зарядов в канале.

Теперь переходим к практике и поговорим о том,

Как проверить полевой транзистор?

В норме сопротивление между любыми выводами ПТ бесконечно велико.

И, если тестер показывает какое-то небольшое сопротивление, то ПТ, скорее всего, пробит и подлежит замене.

Во многих ПТ имеется встроенный диод между стоком и истоком для защиты канала от обратного напряжения (напряжения обратной полярности).

Таким образом, если поставить «+» тестера (красный щуп, соединенный с «красным» входом тестера) на исток, а «-» (черный щуп, соединенный с черным входом тестера) на сток, то канал будет «звониться», как обычный диод
в прямом направлении.

Это справедливо для ПТ с n-каналом. Для ПТ с p-каналом полярность щупов будет обратной
.

Как проверить диод с помощью цифрового тестера, описано в соответствующей . Т.е. на участке «сток — исток» будет падать напряжение 500-600 мВ.

Если поменять полярность щупов, к диоду будет приложено обратное напряжение, он будет закрыт и тестер это зафиксирует.

Однако исправность защитного диода еще не говорит об исправности транзистора в целом. Более того, если «прозванивать» ПТ, не выпаивая из схемы, то из-за параллельно подключенных цепей не всегда можно сделать однозначный вывод даже об исправности защитного диода.

В таких случаях можно выпаять транзистор, и, используя небольшую схему для тестирования, однозначно ответить на вопрос
– исправен ли ПТ или нет.

В исходном состоянии кнопка S1 разомкнута, напряжение на затворе относительно стока равно нулю. ПТ закрыт, и светодиод HL1 не светится.

При замыкании кнопки на резисторе R3 появляется падение напряжения (около 4 В), приложенное между истоком и затвором. ПТ открывается, и светодиод HL1 светится.

Эту схему можно собрать в виде модуля с разъемом для ПТ. Транзисторы в корпусе D2 pack (который предназначен для монтажа на печатную плату) в разъем не вставишь, но можно к его электродам проводники, и уже их вставить в разъем. Для проверки ПТ с p-каналом полярность питания и светодиода нужно изменить на обратную.

Иногда полупроводниковые приборы выходят из строя бурно, с пиротехническими, дымовыми и световыми эффектами.

В этом случае на корпусе образуются дыры, он трескается или разлетается на куски. И можно сделать однозначный вывод об их неисправности, не прибегая к приборам.

В заключение скажем, что буквы MOS в аббревиатуре MOSFET расшифровываются как Metal — Oxide — Semiconductor (металл – оксид – полупроводник). Такова структура ПТ – металлический затвор («кран») отделен от канала из полупроводника слоем диэлектрика (оксида кремния).

Надеюсь, с «трубами», «кранами» и прочей «сантехникой» вы сегодня разобрались.

Однако, теория, как известно, без практики мертва! Надо обязательно поэкспериментировать с полевиками, поковыряться, повозиться с их проверкой, пощупать, так сказать.

Кстати, купить
полевые транзисторы можно
.

Как работает транзистор

Рассмотрим мы устройство транзисторов на примере МОП-транзисторов, также именуемых «полевыми».

Принцип их действия прост и элегантен: в кристалле кремния создаются близлежащие зоны с разной проводимостью (если основной кристалл имеет электронную проводимость (n), то у зон создаётся «дырочная» проводимость (p), и наоборот). Одна область принимается за входную и называется истоком, другая служит выходом (сток).

Между ними наращивается изолирующая подложка из диоксида кремния (или другого подходящего диэлектрика) толщиной около 200 нм. На подложку наносится слой металла, который и будет управляющим электродом (затвором). Вот этот «бутерброд» со структурой «металл-оксид-полупроводник» и есть полевой транзистор.

И как всё это работает? Наша задача —
контролировать протекание тока между истоком и стоком через затвор. Относительно последнего и будем рассматривать функционал транзистора.

Если затвор электрически нейтрален, то электроны не могут преодолеть перемычку между истоком и стоком, даже если приложить к ним достаточно высокое напряжение. Говоря иначе, транзистор будет закрыт, и ток через него не пойдёт. Как его открыть? Очень просто — подать на затвор «плюсовое» напряжение и зарядить электрод, который создаст сильное электрическое поле. Оно притянет электроны к затвору, и под изолирующей подложкой появится зона высокой концентрации носителей заряда — канал, по которому они смогут пройти разделительную область обратной проводимости.

Такой режим работы полевого транзистора называется обогащением. А что же происходит при обеднении? Очевидно, что отрицательный потенциал будет расталкивать электроны в разные стороны, и никакой ток через разделительную зону не пройдёт. Отсюда уже совсем недалеко до ячейки памяти, ведь полевой транзистор пропускает или не пропускает ток в зависимости от того, есть ли потенциал на затворе. А он, как мы выяснили, представляет собой проводник, изолированный со стороны стока-истока. Если же изолировать затвор и со стороны внешней электрической цепи, то проводник сможет сохранять заряд достаточно долго.
То есть полевой транзистор может выступать в роли ячейки памяти, состояние которой сохраняется и при отключении внешнего питания.

На практике затвор представляет собой изолированную пластину конденсатора. Такой тип полевых транзисторов получил название
FLOTOX (Floating Gate Tunnel-OXide — плавающий затвор с туннелированием в окисле). Настоящая мистика начинается, когда требуется изменить состояние затвора. Он электрически изолирован, то есть отделён слоем диэлектрика толщиной всего в десяток атомарных слоёв. Если подать повышенное в 2–3 раза напряжение на сток и затвор (на сток «минус», на затвор и исток «плюс»), возникнет канал проводимости. Температура (то есть кинетическая энергия) некоторых электронов превысит среднюю, и часть из них сможет преодолеть слой диэлектрика. Это явление называется инжекцией «горячих» электронов (CHEI — Channel Hot Electrons Injection). В итоге заряд затвора изменится на отрицательный за счёт избытка электронов, и транзистор сможет реагировать на внешний сигнал, то есть сохранять информацию.

Снятие заряда затвора основано на методе квантово-механического туннелирования, впервые описанного физиками
Ральфом Фаулером и Лотаром Нордхеймом (FNT — Fowler-Nordheim tunneling). Если подать повышенное напряжение на исток и затвор (на исток «плюс», на затвор «минус), то электрическое поле вытолкнет электроны в направлении изолирующей подложки, придав им дополнительную энергию. А дальше они исчезнут, чтобы возникнуть уже с другой стороны диэлектрика! Классическая механика объяснить такой эффект не может, но если учесть волновые свойства элементарных частиц и вероятностный характер их поведения… Вот такие физические сюрпризы спрятаны в самых обычных флешках.

10 Полевые транзисторы — СтудИзба

3. Полевые транзисторы

( или униполярные, или канальные транзисторы)

Биполярные транзисторы управляются током, полевые транзисторы управляются напряжением. Различают следующие типы полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n переходом; полевые транзисторы с изолированным затвором.

3.1. Полевой транзистор с p-n переходом

Простейший полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой тонкую пластину полупроводникового материала (кремния) с одним p-n переходом в центральной части и с омическими контактами по краям. Его структура показана на рис. 43. Обозначение выводов: С-сток, З-затвор, И-исток. Обозначение на схеме представлено на рис. 44. Изображенный на рис.43 и 44 транзистор называется полевой транзистор с p-n переходом и каналом n-типа.

В зависимости от электропроводности полупроводника канал может быть n-типа или р-типа. Если подключить к каналу напряжение, то через пластину полупроводника между омическими контактами потечет ток. Ток через канал образуется за счет основных носителей. При n-канале — за счет электронов.

Создан революционный транзистор, меняющий конфигурацию «на лету». Процессоры станут в разы меньше по размерам и энергопотреблению

28 Декабря 2021 14:5028 Дек 2021 14:50

Австрийские исследователи модернизировали современный полевой транзистор, добавив к нему управляющий электрод и германиевую прослойку. Такая модификация позволяет в реальном времени менять параметры полупроводникового элемента в зависимости от текущих потребностей. Ученые говорят, что для выполнения некоторых арифметических операций новых транзисторов требуется до 85% меньше, чем используется в схемах на базе традиционных полевых транзисторов, реализующих эти операции. По их мнению, внедрение технологии не приведет к вытеснению классических кремниевых микросхем, а позволит улучшить их за счет дополнительных вычислительных блоков, которые окажутся востребованы, в первую очередь, в сфере искусственного интеллекта.

Венские адаптивные тразисторы

Исследователи из Венского технического университета разработали транзистор, который способен менять свои параметры «на лету», в соответствии с решаемой в конкретный момент времени задачей.

Как отмечает Tom’s Hardware, потенциал у технологии по истине огромный. К примеру, микросхема, построенная с ее применением может нести до 85% меньше транзисторов, при этом выполняя все те же функции, что созданная с использованием классического подхода. Это позволяет уменьшить итоговый размер микросхемы, снизить энергопотребление и тепловыделение, что, в свою очередь, дает обширные возможности в области повышения ее производительности.

Как работает полевой транзистор

Транзисторы в целом и полевые в частности (Field Effect Transistors, FET) лежат в основе любой современной полупроводниковой микросхемы. Такой транзистор имеет три контакта: сток (drain), затвор (gate) и исток (source). Исток и сток образуют токопроводящий канал. На исток подается высокое напряжение, на затвор – низкое (управляющее). В зависимости от уровня напряжения на затворе электрический ток либо проходит от истока к стоку (затвор открыт), либо нет (затвор закрыт).

На фото слева направо: Вальтер Вебер, Масияр Систани и Рафаэль Бекле

Таким образом, транзистор можно использоваться в качестве «ключа» или, к примеру, элементарной двоичной ячейки памяти. При помощи соединения групп транзисторов и других электронных компонентов между собой можно получить логические элементы, выполняющие простейшие операции двоичной логики.

Всего лишь один дополнительный электрод

Специалисты из Австрии предложили соединить два электрода (сток и исток) между собой при помощи тончайшей германиевой нити, а над ней расположить алюминиевый электрод затвора, подобно тому, как это сделано в традиционном полевом транзисторе. Кроме того, ученые добавили управляющий электрод, который расположили на границе раздела между германиевым и металлическим слоями. Именно управляющий электрод позволяет «программировать» транзистор.

Адаптивный транзистор включает обычный затвор (выделен красным) и дополнительный программирующий затвор (синий), расположенный между истоком (зеленый слева) и стоком (зеленый справа)

Адаптивность нового германиевого транзистора обусловлена электрическими свойствами данного материала. Как объясняет Масиар Систани (Masiar Sistani), один участников исследовательской группы, при подаче напряжения на германиевую структуру сила тока возрастает, пока не достигнет определенного порога. После перехода этого порога ток вновь начинает уменьшается. Этот эффект носит название отрицательного дифференциального сопротивления (negative differential resistance).

Дополнительный управляющий электрод позволяет регулировать этот порог, то есть устанавливать уровень напряжения, при котором происходит открытие/закрытие транзистора. Таким образом, транзистор такой конструкции может находиться в более чем двух фиксированных состояниях «включено» и «выключено».

Как раскрыть все возможности 5G?

Интернет

«Арифметические операции, для которых ранее требовалось 160 транзисторов, теперь возможны с 24 транзисторами. Таким образом, скорость и энергоэффективность схем также могут быть значительно увеличены», – поясняет профессор Вальтер Вебер (Walter Weber), возглавляющий исследовательскую группу.

Не замена полупроводникам на основе кремния

По словам Масиара Систани, разработка его команды не претендует на замену «хорошо себя зарекомендовавшей технологии транзисторов на основе кремния». Ученый предполагает, что в будущем на базе германиевых транзисторов будут строить блоки-дополнения для классических интегральных схем, которые решают более специфические задачи. Так, исследователи предполагают, что их технология найдет применение в сфере искусственного интеллекта.

Как отмечает издание SciTechDaily, быстрое промышленное внедрение новой технологии представляется реалистичным. Задействованные учеными материалы и так применяются при производстве полупроводниковых изделий, проработка принципиально новых производственных процессов также не потребуется.

В середине декабря 2021 г. CNews писал о том, что Samsung и IBM создали технологию вертикального расположения транзисторов VTFET, способную резко увеличить производительность и энергоэффективность будущих процессоров, а также преодолеть порог в 1 нм. По сравнению с современными чипами FinFET потребление энергии чипами VTFET ниже на 85%, а производительность выше вдвое.

Технологии успешного SOC: тактика и стратегия сбора событий

Безопасность

Дмитрий Степанов

Полевые транзисторы

— обзор

4.

05.8.3 Практическое управление работой

Полевые транзисторы работают за счет электрода затвора, сдвигающего поверхностный потенциал на Si-канале за счет его запрещенной энергии от одного края полосы к другому, загнать его в инверсию. Экспериментально, когда затворы из поли-Si применялись к оксидам затвора HfO ₂ и подвергались стандартному технологическому процессу, Hobbs et al. (2004a) обнаружил, что работа выхода затвора не могла охватить запрещенную зону Si, но было обнаружено, что они сгруппированы вокруг энергии в верхней запрещенной зоне (, рис. 43, ).Этот эффект получил название пиннинга уровня Ферми.

Рис. 43. Схема сдвигов напряжения плоских полос в зависимости от толщины слоя HfO ₂ на SiO ₂ на Si для электродов затвора из поли-Si n-типа и p-типа, обнаруженная Hobbs et al. (2003).

Затем Самаведам и др. (2003) заметил, что аналогичный эффект пиннинга уровня Ферми имеет место и для металлических затворов на HfO ₂. Металлические вентили были также испытаны на SiO ₂, и было замечено сужение EWF к середине зазора из-за химической реакции (Yu and Kwong, 2004).

Yeo et al. (2002b) использовал модель MIGS для прогнозирования смещения полос оксидов с высоким содержанием K на Si. Однако побочным продуктом этой модели является то, что она предсказывает степень собственного закрепления уровня Ферми затворного металла из

(17) ϕn = S (ΦM − ΦS) + (ΦS − χs)

Используя формулу для S дает S ∼ 0,5 для HfO ₂. Это означает, что если работа выхода в вакууме затвора сместится на 2 эВ, то его EWF сместится только на 1 эВ. Это было бы серьезной проблемой, так как для электродов затвора потребовалось бы использовать экстремальные металлы.

Первая обширная компиляция EWF, составленная Schaeffer et al. (2004) в Рисунок 44 ( a ) предполагает, что действительно существует проблема, поскольку они показали довольно низкое значение S .

Рис. 44. (a) Сравнение эффективных рабочих функций (EWF) металлов на HfO ₂ и SiO ₂ с индексом металла. (b) Данные представлены как EWF для HfO ₂ в сравнении с работой выхода на SiO ₂. Наклон S получен из данных в узком диапазоне 4.1–5.1. (а) Из Schaeffer JK, Capasso C, Fonseca L, et al. (2004) Tech Digest IEDM, стр. 287.

На самом деле данные довольно сложные. Компиляция значений EWF была выполнена Yeo et al. (2002b) на основе данных CV и данных внутренней фотоэмиссии. Для ZrO ₂ данные о высоте барьера Афанасьева и др. (2007) дает наклон S ∼ 0,5, как видно на рис. 45 ( a ). (Здесь высоты барьера были преобразованы в EWF путем подбора значения CNL.) Для HfO ₂ объединение данных внутренней фотоэмиссии (Афанасьев и Стесманс, 2007) и данных CV дает наклон S ∼ 0,7 дюйма Рисунок 45 ( b ), а не 0,5, как было указано ранее. На рисунке 44 ( a ) показан исходный график Шеффера. Мы изменили график данных на рис. 44 ( b ), предполагая, что S = 1 для металлов на SiO ₂, чтобы получить S ∼ 0,2–0,5, в зависимости от того, в какой диапазон подходят данные.С другой стороны, Koyama et al. (2004) обнаружил S ∼ 1 и открепляющий уровень Ферми для CV-измерений высоты металлического барьера на HfO ₂. Обратите внимание, что металлические электроды в работах Афанасьева (2007) и Коямы и др. Образцы (2004) не подвергались отжигу, тогда как в случае Schaeffer стопки затворов подвергались полному технологическому процессу с отжигом до 1000 ° C. Таким образом, отжиг пакета перед измерениями является критическим фактором.

Рисунок 45.(а) Эффективные работы выхода металлов на ZrO ₂, из данных внутренней фотоэмиссии (Афанасьев и др. , 2001), извлеченные Йео и др. (2002a). (b) Эффективные работы выхода металлов на HfO ₂, исходя из данных внутренней фотоэмиссии, а также из данных емкости-напряжения (CV), цитируемых Yeo et al. (2002b). Не отожженный. (c) Эффективные работы выхода трех тугоплавких металлов на HfO ₂ по сравнению с SiO ₂, методом высоты барьера, по Zafar (2005b).

Зафар и др. (2005b) измерил высоту барьера металлов методом проводимости. Они также обнаружили, что изменение высоты трех тугоплавких металлов (TaSiN, W и Re) на HfO ₂ и SiO ₂ было одинаковым в Рис. 45 ( c ), что соответствует наклону S = 1. Эти пленки прошли полную технологическую обработку.

Schaeffer et al. (2004b) затем показал, что EWF Pt очень зависит от содержания в ней кислорода и ее обработки в формовочном газе (восстановительный) или окислительных отжигах.Cartier et al. (2005) показал, что работа выхода Re-электрода в значительной степени зависит от его отжига в восстановительных или окислительных условиях при отжиге до 500 ° C, как показано на рис. 46, ( a ). Pantisano et al. (2006) обнаружил аналогичный эффект с электродами из Ru. Эти данные указывают на то, что сдвиги ВФ на металлах p-типа являются внешним эффектом.

Рис. 46. (a) Зависимость напряжения плоской полосы от температуры отжига для пакетов Re-HfO ₂, циклически отожженных в кислороде и формовочном газе.(b) Эффективная работа выхода (EWF) металлов p-типа на HfO ₂ в сравнении с эквивалентной толщиной оксида (EOT), демонстрирующая эффект спада V _T при низких значениях EOT. (а) Из Картье (2005). (b) Из материала Lee et al. (2006).

Majhi et al. (2005) и Wen et al. (2008) затем провел подробное исследование электродов из более тугоплавких металлов (обычно TiSiN, TaSiN и т. Д.). EWF был извлечен с помощью более надежного метода экстраполяции с использованием террасированного оксида или образцов свадебного торта (Jha et al., 2004). Данные на рис. 47 ( a ) показали, что измеренный диапазон EWF металлов на HfO ₂ был меньше, чем на SiO ₂, но не намного меньше, и, что более важно, они могли перекрывать запрещенную зону Si и инвертировать как NMOS, так и PMOS. Мы перенесли эти данные на Рисунок 47 ( b ). Принимая S = 1 для SiO ₂, мы извлекаем значение S ∼0,82 для HfO ₂. Затем это привело к эре поиска комбинаций металлов для использования в качестве металлических вентилей NMOS и PMOS, в идеале в некоторых комбинациях, которые можно было бы изготовить.

Рис. 47. (a) Эффективные работы выхода (EWF) тугоплавких металлов на HfO ₂, HfSiO _x и SiO ₂ по данным Wen et al. (2008). (b) Данные представлены как EWF на HfO ₂ по сравнению с EWF на SiO ₂. Это дает наклон S ∼ 0,82.

В то время закрепление уровня Ферми на поли-Si приписывалось образованию связей Hf – Si на границе раздела HfO ₂ –Si (Hobbs и др. , 2004a, 2004b; Xiong et al. ., 2005b) из-за условий восстановления при осаждении поли-Si, и эти связи скреплены E _F. Чау и др. (2005) утверждал, что металлические ворота будут откреплены. Однако сейчас этот аргумент прекращен.

Последовали промышленные решения проблемы. Было два подхода. Во-первых, Tseng et al. (2004) и Schaeffer et al. (2007a, 2007b) обнаружил, что достаточно тугоплавкие карбиды металлов, такие как TaC _x, имеют низкую и стабильную EWF на HfO ₂ ∼4.2 эВ, что вполне подходит для nFET-транзисторов. Schaeffer et al. (2007b) обнаружил, что EWFs можно оценить по групповой электроотрицательности.

Вторым направлением было наблюдение, что металлы на сплаве LaHfO _x имеют гораздо меньшее пиннинг, чем на самом HfO ₂ (Rittersma et al. , 2006; Wang et al. , 2006a, 2006b ). Даже довольно низкое содержание 20% La было достаточно, чтобы открепить оксид (, фиг. 48, ). Iwai et al. (2002) отметил, что La ₂ O ₃ также имеет меньшее закрепление. Причина до конца не выяснена. Ранее Ragnarsson et al. (2003a) наблюдали, что оксиды La, Y имели большой отрицательный сдвиг напряжения плоской полосы, который они предположительно приписали захваченному заряду. Однако подробные графики Wang et al. (2006a, 2006b) обнаружил, что напряжение плоской зоны не зависит от толщины, что указывает на небольшой фиксированный заряд, но значительный дипольный сдвиг в сторону EWF.

Рисунок 48.Напряжение плоской полосы некоторых металлов на оксиде LaHfO _x в зависимости от содержания La и эквивалентной толщины оксида (EOT). Показывает малое значение плотности состояний интерфейса и значительное уменьшение пиннинга уровня Ферми.

Это привело к появлению двух промышленных решений: сначала ворота, а последние (, рис. 49, ). Процесс «сначала затвор» следует стандартной последовательности операций, но затвор из поли-Si заменяется металлическим затвором. Это осуществляется Альянсом IBM (Нараянан, и др. , 2006b).Технологически это сложнее, так как металл затвора должен выдерживать полную температуру процесса (1000 С). Это приводит к появлению кислородных вакансий, что особенно затрудняет управление пороговым напряжением затвора для pFET.

Рис. 49. Поперечное сечение стеков затворов в (а) последнем процессе затвора и (b) первом процессе затвора.

Процесс затвора последнего делает фиктивный поли-Si стандартным способом. Затем его удаляют, проводят отжиг после осаждения при 1000 ° C на оксиде затвора, а затем металл затвора помещают в пространство затвора (Mistry et al 2007, Packan et al, 2009).Затем он подвергается гораздо более низкотемпературному отжигу порядка 600 C. Этой последовательности придерживается Intel с 2008 года, а затем TSMC. В нем больше шагов процесса. Это оказывается более сложным и дорогостоящим. Однако, избегая высокотемпературного процесса для металлического затвора и оксида, на практике его легче реализовать, и это было выгодно.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором

следующий: Схемы силовых полевых МОП-транзисторов
Up: схемы транзисторов
Предыдущая: Усилитель общего стока с полевым транзистором JFET

Полевой транзистор с изолированным затвором, также известный как металлооксидный полупроводник.
полевой транзистор (MOSFET), похож на JFET, но имеет
еще больший резистивный входной импеданс из-за тонкого слоя
диоксид кремния, который используется для изоляции ворот от
полупроводниковый канал.Этот изолирующий слой образует емкостную связь между затвором и
корпус транзистора.
Как следствие, отсутствие внутреннего подключения постоянного тока к воротам делает
устройство более универсально, чем JFET, но это также означает, что
изоляционный материал конденсатора может быть легко поврежден
внутренний разряд статического заряда, возникающего при нормальном обращении.

MOSFET широко используется в крупных цифровых интегральных схемах.
где его высокий входной импеданс может привести к очень низкому энергопотреблению
на компонент.Многие из этих схем имеют соединения биполярных транзисторов с
внешние клеммы, тем самым делая устройства менее восприимчивыми к
повреждать.

MOSFET бывает четырех основных типов: N-канальный, P-канальный, обедненный.
и улучшение.
Конфигурация N-канального обедненного МОП-транзистора показана на
рисунок 5.19a.
Его работа аналогична N-канальному JFET, описанному ранее:
отрицательное напряжение, приложенное к затвору, создает область с истощенным зарядом
в материале N-типа рядом с воротами, тем самым уменьшая площадь
канал проводимости между стоком и истоком.Однако механизм формирования обедненной области выглядит следующим образом:
отличается от JFET.
Поскольку затвор сделан отрицательным по отношению к источнику, более положительным
носители из материала P-типа втягиваются в N-канал, где
они сочетаются с бесплатными отрицательными зарядами и устраняют их.
Это действие увеличивает область истощения по направлению к воротам, уменьшая
площадь N-канала и тем самым снижая проводимость
между стоком и истоком.
Для отрицательных приложенных напряжений затвор-исток наблюдаемый эффект
очень похож на JFET, а также имеет примерно такой же размер.

Рисунок 5.19: a) Тип истощения или истощения-улучшения
MOSFET и b) MOSFET улучшенного типа.

Однако, поскольку затвор полевого МОП-транзистора изолирован от канала, положительный
Напряжения затвор-исток также могут применяться без потери полевого транзистора.
эффект.
В зависимости от деталей конструкции, применение положительного
Напряжение затвор-исток для полевого МОП-транзистора обедненного типа может оттолкнуть меньшинство
положительные носители в обедненной части N-канала обратно в
материал P-типа, как описано ниже, тем самым увеличивая канал
и снижение сопротивления.Если устройство демонстрирует такое поведение, это называется
усиление-истощение MOSFET.

Строгое усовершенствованный MOSFET является результатом конфигурации, показанной на
рисунок 5.19b.
Ниже некоторого порога положительного напряжения затвор-исток подключение
канал из материала типа N между стоком и истоком полностью
заблокирован областью истощения, создаваемой PN-переходом.
Поскольку напряжение затвор-исток становится более положительным, меньшинство
положительные носители отталкиваются обратно в материал P-типа, оставляя
бесплатные отрицательные заряды позади.Эффект заключается в сокращении области истощения и увеличении
проводимость между стоком и истоком.

Далее: Схемы силовых полевых МОП-транзисторов
Up: схемы транзисторов
Предыдущая: Усилитель общего стока с полевым транзистором JFET

Дуг Гингрич
Вт 13 июля 16:55:15 EDT 1999

Произошла ошибка при установке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
FET: определение, символ, работа, характеристики, типы и применение
Здравствуйте, друзья! Надеюсь, вы все счастливы, здоровы и довольны.В последнее время мы обсуждали транзисторы, от основного определения до типов и характеристик транзисторов, мы рассмотрели все это. Если у вас есть краткое представление о транзисторах, вы должны знать о полевом транзисторе или, возможно, слышали или читали о нем где-то, это один из самых ранних известных типов транзисторов, который является нашей темой для обсуждения сегодня. Полевые транзисторы
были созданы, чтобы скрыть недостаток ранее известных транзисторов, которые занимали большое пространство и производили много шума. Другой серьезной проблемой была низкая надежность предыдущих версий.Итак, давайте начнем с полевых транзисторов.
Определение полевого транзистора
Давайте сначала определим полевой транзистор,
«Полевой транзистор — это униполярный транзистор, сделанный из полупроводникового материала, который использует электрическое поле для управления током».
История полевых транзисторов
Чтобы узнать, как полевые транзисторы развивались на протяжении веков, позвольте нам совершить небольшое путешествие в историю, в те дни, когда у нас не было большого количества ресурсов для материализации наших концепций.
Первая попытка создать полевой транзистор была предпринята Юлиусом Эдгаром в 1925 году, и, к сожалению, он потерпел неудачу, но ему посчастливилось запатентовать эту концепцию.
В 1934 году Оскар Хайль попытал счастья, но безуспешно.
В 1945 году полевой транзистор Junction был первым полевым транзистором, созданным Генрихом Велкером.
В последующие годы было предпринято несколько попыток и были представлены различные типы материалов для изготовления полевых транзисторов и родственных им типов.Все эти успешные и неудачные попытки привели к созданию современного полевого транзистора.
Униполярность полевого транзистора
Униполярность полевого транзистора означает, что транзистор использует для работы отверстия или электроны, в зависимости от типа материала, который предполагается для изготовления, в отличие от транзисторов с биполярным переходом, в которых используются как электроны, так и электроны. отверстия для их функционирования.
Символ полевого транзистора_ FET
На следующем рисунке показан символ полевого транзистора.
На рисунке можно увидеть три клеммы, а именно затвор, исток и сток, обозначенные буквами D, G и S.
Направление стрелки отражает направление электрического поля.
Символ немного отличается для двух разных типов полевых транзисторов полевых транзисторов, они могут быть полевыми транзисторами с N каналом или полевыми транзисторами с каналом P, вы узнаете символы различных полевых транзисторов в соответствующих разделах этой статьи.
Почему полевые транзисторы названы так, или что означает полевой транзистор?
Теперь вы, должно быть, думаете о том, как полевой транзистор получил свое название? Что это значит под полевым транзистором? За этим стоит несколько предположений, одно, которое я счел подходящим, — это то, что слабый электрический сигнал, проходящий через электрод, генерирует большее электрическое поле и через другие части транзистора, поэтому они называются полевым эффектом. транзисторы.Если вам известна какая-либо другая причина, по которой мы называем их полевыми транзисторами, кроме этой, вы можете сообщить мне об этом в разделе комментариев ниже, я с нетерпением жду вашего ответа!
BJT vs FET
Часто полевой транзистор сравнивают с BJT, давайте кратко рассмотрим их особенности в этом разделе. Это некоторые из существенных различий между ними;
BJT немного шумнее, чем FET.
BJT имеет более высокое выходное сопротивление, чем полевой транзистор.
BJT управляется током, а полевой транзистор — устройством, управляемым напряжением.
BJT имеет меньшее входное сопротивление, чем полевой транзистор.
Работа полевого транзистора на полевом транзисторе
Базовая конструкция полевого транзистора на полевом транзисторе
В отличие от других типов транзисторов, полевые транзисторы не состоят из типичного коллектора, эмиттера и базы, хотя количество компонентов одинаковы, но названия и функции каждого компонента совершенно разные.Чтобы понять принцип работы полевого транзистора, давайте сначала обсудим его основные компоненты один за другим.
Источник
Источник обозначен символом S. Он действует как электрод полевого транзистора, через который носители заряда входят в канал при приложении напряжения.
Как следует из названия, источник полевого транзистора работает как источник носителей заряда.
Gate
Он представлен буквой G, где бы вы ни увидели G, сразу предполагайте, что это полевой транзистор, в случае транзисторов.История полевого транзистора начинается с подачи напряжения на затвор, которое передается на другие компоненты.
Сток
Сток обозначен символом D. Сток — это электрод полевого транзистора, который обеспечивает канал для носителей заряда, помогая им покинуть цепь.
Работа полевого транзистора
Поскольку у вас есть краткое представление об основных компонентах полевого транзистора и их функциях, мы собираемся обсудить работу полевого транзистора.
Ток всегда течет от источника S в сторону стока D.
Напряжение подается на клеммы затвора и истока, что создает токопроводящий канал между источником S и затвором G.
Электроны или дырки текут из источника S в сток D в форме потока через канал.
Есть несколько других вещей, связанных с работой и функционированием полевых транзисторов в зависимости от их типов, которые мы собираемся обсудить в соответствующих разделах.Итак, следите за обновлениями!
Здесь возникает простой вопрос, который часто остается без ответа, почему полевые транзисторы FET называются устройствами, управляемыми напряжением?
Полевые транзисторы называются устройствами, управляемыми напряжением, потому что ток в стоке, представленный как ID, зависит от напряжения на затворе G, в отличие от биполярного переходного транзистора, который является устройством с регулируемым током.
Напряжение затвора очень важно для прохождения тока по направлению к стоку.
Есть два явления, которые влияют на него: одно — это истощение канала, а другое — улучшенное состояние канала. Давайте обсудим их по порядку.
Истощение канала: Рассмотрим полевой транзистор с N-каналом, в нем большая часть электронов является носителями заряда. Сделав затвор более отрицательным, мы оттолкнем электроны от затвора, и эти электроны будут насыщать канал, увеличивая его сопротивление. Это делает область затвора тоньше из-за минимального движения электронов, но считается, что канал проводимости истощен из-за повышенного сопротивления.
Снова рассмотрите n канальный полевой транзистор, теперь подумайте сами, что произойдет, если вы сделаете затвор G полевого транзистора более положительным? Электроны устремились бы к воротам! Это сделало бы область затвора толще из-за большего трафика, но на параллельных линиях канал проводимости был бы улучшен из-за меньшего сопротивления.
Типы полевых транзисторов
Мы можем разделить полевые транзисторы на следующие типы в зависимости от их структуры;
Переход Полевой транзистор JFET
Металлооксидный полевой транзистор MOSFET
Junction Полевой транзистор JFET
Junction field effect — один из простейших типов полевых транзисторов.
Они униполярны по функции и работают либо с электронами, либо с дырками, то же самое, что характерно для простых полевых транзисторов.
Соединительный полевой транзистор имеет очень высокий уровень входного сопротивления.
В отличие от полевого транзистора с биполярным переходом, он по сравнению с ним издает небольшой шум или работает как-то бесшумно.
Структура полевого транзистора Junction зависит от его типа. Обычно JFET состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа и одного p-типа, и наоборот.
Обозначение переходного полевого транзистора следующее;
Типы JFET
Есть еще два типа полевых транзисторов с переходом
N-канальные полевые транзисторы
Полевые транзисторы с каналом P
Теперь мы подробно обсудим эти два типа переходных полевых транзисторов — JFET.
Полевые транзисторы с N-каналом
Конструкция полевого транзистора с N-каналом
Давайте сначала обсудим конструкцию полевого транзистора с N-каналом. .
Затем стержень рассеивается двумя силиконовыми стержнями p-типа, которые меньше по размеру, чем силиконовый стержень n-типа, на двух крайних концах стержня подложки. Только представьте, что вы кладете и приклеиваете два небольших блока на крайних правых и крайних левых сторонах большего блока, сделанного из дерева или любого материала, который вы можете склеить!
Теперь мы закончили диффузию материалов p-типа в нашу подложку n-типа, оставшаяся область проводит ток и обозначена как Channel.Эти каналы отвечают за проводящее действие полевых транзисторов при приложении напряжения.
После того, как мы закончили формирование канала, мы теперь увидим, как основные части, такие как Gate, Source и Drain, формируются из этих рассеянных полупроводниковых блоков.
Две диффузные кремниевые планки p-типа, которые теперь сформировали PN-переход с материалом n-типа, теперь соединены вместе, чтобы сформировать затвор.
Два конца канала, который был сформирован ранее после процесса диффузии, металлизируются для преобразования в исток и сток.
Полевые транзисторы с N каналом подразумевают, что в качестве основных носителей заряда электроны. Они более эффективны, чем полевые транзисторы с p-переходом, поскольку электроны движутся быстрее дырок.
Полевые транзисторы с P-переходом
Конструкция полевого транзистора с P-каналом
Тот же процесс повторяется для создания полевого транзистора с p-переходом.
Подложка из материала p-типа берется в виде большой пластины или стержня и затем рассеивается двумя меньшими стержнями n-типа.
Канал, образованный после диффузии, затем металлизируется с обоих концов, образуя исток и сток.
PN-переход, образованный двумя полупроводниковыми материалами n-типа, затем соединяется, образуя затвор.
Так устроены полевые транзисторы с p-переходом.
Полевые транзисторы с p-переходом подразумевают дырки в качестве основных носителей заряда, поскольку они униполярны.
Работа переходного полевого транзистора
Переходный полевой транзистор всегда работает в режиме обратного смещения, поэтому они имеют очень высокий входной импеданс.
В случае переходного полевого транзистора ток затвора равен нулю, что обозначается как; IG = 0
Входное напряжение, представленное VGS, является регулирующим фактором для выходного тока, представленного идентификатором ID.
Вы, должно быть, думаете, как мы контролируем ширину канала, по которому проходит ток? Ответ прост: мы изменяем ширину PN перехода с обеих сторон канала, что увеличивает сопротивление протеканию тока.
Поскольку мы уже знаем, что переходной полевой транзистор работает только в условиях обратного смещения, давайте теперь обсудим несколько сценариев, чтобы узнать, как генерируется выходной сигнал при различных обстоятельствах.
Состояние нулевого смещения переходного полевого транзистора
Когда на затвор не подается внешнее напряжение VGS, результирующее напряжение на стоке будет равно нулю, что можно записать как VGS = VDS = 0
Истощенные области будут иметь ту же толщину, что и раньше, потому что напряжение еще не приложено.
В этом состоянии смещения нуля возникает ток стока, позвольте мне рассказать вам, как это сделать! Носители заряда в отсутствие разности потенциалов начинают перемещаться от истока к стоку, создавая ток стока, противоположный обычному течению тока.
Итак, в состоянии смещения нуля в соединительном полевом транзисторе существует только ток стока.
Состояние обратного смещения переходного полевого транзистора
Сценарий приложения малого обратного напряжения
При наличии потенциала или небольшого напряжения напряжение затвор-исток VGS, от которого зависит идентификатор тока стока, зависит от При применении малого обратного потенциала ширина обедненной области увеличивается.
Из-за увеличения ширины обедненных областей с обеих сторон канал испытывает трудности с прохождением тока.
Эта трудность канала для проведения тока приводит к падению напряжения.
Ширина области истощения увеличивается больше к выводу стока, это можно рассматривать как случайность, но в науке ничего не существует в рамках рассуждений и логики, область истощения увеличивается больше в направлении стока, потому что падение напряжения выше на стороне стока .
Имеется меньшее значение ID тока стока из-за сжатия проводящего канала.
Сценарий приложения большого обратного напряжения
В этом случае мы применяем более высокое отрицательное напряжение, которое является нашим напряжением от затвора к источнику, представленное VGS
Ширина истощенных областей обоих соответствующих PN-переходов продолжает увеличиваться.
В конце концов, обе области истощения встречаются или, можно сказать, касаются друг друга.
Вот вам вопрос, что произойдет, если обе области истощения встретятся или растворились бы друг в друге? В конечном итоге они заблокируют прохождение тока!
Точка, в которой конкретное напряжение полностью блокирует канал проводимости, называется напряжением отсечки или иногда отсечкой.
Металлооксидные полевые транзисторы MOSFET_.
Второй тип полевых транзисторов — MOSFET, металлооксидные полевые транзисторы.
Металлооксидные полевые транзисторы — один из наиболее распространенных типов транзисторов.
Характеристики полевого МОП-транзистора
МОП-транзистор потребляет меньше энергии, чем другие транзисторы.
Они исключительно масштабируемы, и если вы помните закон Мура, они являются лучшим его практическим проявлением.
МОП-транзисторы
имеют высокую скорость переключения, поэтому они используются для генерации последовательностей импульсов. Вы знаете, что такое последовательность импульсов? Последовательность импульсов представляет собой прямоугольную форму асимметричных волн, которые являются периодическими, но несинусоидальными по своей природе.
Полевые транзисторы из оксида металла
считаются идеальными для цифровых, аналоговых и линейных схем.
Иногда металлооксидные полевые транзисторы — МОП-транзисторы также называют IGFET, полевые транзисторы с изолированным затвором.
Базовая структура полевого МОП-транзистора
Давайте теперь обсудим базовую структуру полевого транзистора на основе оксида металла MOSFET.
Металлооксидный полевой транзистор MOSFET состоит из четырех компонентов, в отличие от JFET.
Компоненты полевого МОП-транзистора включают исток S, сток D, корпус B и затвор G.
Затвор разделен корпусом транзистора через изоляционный материал
МОП-транзистор
очень похож на полевой транзистор JFET, но основное отличие заключается в изоляции затворного электрода от канала проводимости, будь то P-канал или N-канал, с помощью тонкого слоя в основном SiO2 или стекла.
Изоляция вывода затвора слоем оксида металла помогает увеличить входное сопротивление.Изоляция может увеличить значение входного сопротивления до Мегаомов.
Для получения подробного обзора MOSFET, его конструкции, работы и приложений вы можете обратиться к подробной статье, представленной на нашем веб-сайте.
Обозначение металлооксидного полевого транзистора MOSFE T
Следующий символ используется для обозначения полевого МОП-транзистора.
Стрелка указывает направление тока, и я уже знаю, что вы это знаете!
Теперь вы, должно быть, думаете, почему символическое представление показывает только три терминала, пожалуйста, не ищите четвертый! Потому что источник всегда прикреплен к терминалу тела и представлен как один терминал.
Таким образом, вы можете увидеть только три терминала с именами Gate G, Drain D и Source S.
Типы полевых МОП-транзисторов
Ниже приведены четыре широко известных типа полевых МОП-транзисторов;
MOSFET в режиме расширения с N-каналом
МОП-транзистор в режиме расширения P-канала
МОП-транзистор с N-канальным режимом истощения
P-Channel Depletion mode MOSFET
Подробный обзор всех этих типов MOSFET можно найти в нашей статье о MOSFET.
Характеристики полевого транзистора
Напряжение тока, ВАХ полевого транзистора нанесены на график между приложенным напряжением VDS и ID тока стока.
График для изучения характеристической кривой полевого транзистора_ FET построен между изменяющимися значениями тока утечки, представленными ID по оси y, с изменяющимися значениями VDS по оси x.
На графике показаны следующие регионы;
Омическая область
Область отсечения
Насыщенность или активная область
Область разрушения
Для лучшего понимания обратитесь к графику.
А теперь подробно остановимся на каждом из регионов.
Омическая область
Это крайняя левая часть графика, которая представляет значение ID тока стока, когда приложенное напряжение транзистора между истоком и затвором равно нулю, то есть VGS = 0
Проводящий канал небольшой, но в данном случае не узкий.
Области истощения на соответствующих сторонах равны по размеру и еще не начали расширяться.
Наш полевой транзистор действует как резистор с регулируемым напряжением на данном этапе ВАХ.
Область отсечения
Это вторая область нашего графика, представленная фиолетовыми линиями.
Эта область отсечки также называется областью отсечки, потому что напряжение VGS, которое контролирует ток транзистора, ужасно велико, чтобы заставить схему работать как разомкнутый переключатель.
В области отсечки токопроводящий канал почти закрыт из-за увеличенной толщины областей истощения с обеих сторон.
Область насыщенности
Область насыщенности также называется активной областью графика.
В этой области полевой транзистор действует как хороший проводник.
Величина приложенного напряжения VGS, напряжение между затвором и истоком управляет транзистором.
VDS Напряжение истока-истока оказывает минимальное влияние на текущий ID транзистора в этот самый момент.
Область разбивки
Это последняя и конечная область кривой характеристик полевого транзистора, вы можете наблюдать эту область в крайнем правом углу.
Напряжение между истоком и стоком, представленное VDS, в этот момент очень велико.
Напряжение достаточно высокое, чтобы токопроводящий канал был разорван, и максимальный ток прошел через канал в сток.
Применение полевых транзисторов
Полевые транзисторы произвели революцию в электронном мире, существует бесконечный список применений полевых транзисторов, мы собираемся обсудить несколько важных из них в этом разделе.
Полевые транзисторы Полевые транзисторы часто используются в интегральных схемах из-за их меньшего размера и компактности.
Полевые транзисторы
используются в операционных усилителях в качестве резисторов с переменным напряжением (VR).
Они также используются в регуляторах тембра для работы микшера на ТВ и FM.
Полевые транзисторы
также используются в логических вентилях.
Полевые транзисторы
также широко используются в производстве цифровых переключателей.
Теперь мы обсудим некоторые из наиболее продвинутых приложений полевых транзисторов,
FET как буферный усилитель
Перво-наперво, давайте сначала обсудим, что делает буфер? Буфер гарантирует, что цифровой или аналоговый сигнал успешно передан предыдущей волне.
Буфер напряжения помогает усилить ток без нарушения фактического уровня напряжения.
Итак, поскольку вы хорошо знаете функцию буфера, мы обсудим, как полевой транзистор действует на буферный усилитель.
Буферный усилитель отделяет предыдущий каскад сигнала от следующего следующего каскада, для этой цели работает сток полевого транзистора.
Наконец, вы должны подумать, какое характерное свойство помогает полевому транзистору в достижении этого, у меня есть ответ на этот ваш вопрос! Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс делают полевой транзистор отличным буферным усилителем.
FET как аналоговый переключатель
В последнее время мы обсуждали использование полевых транзисторов в аналоговых и цифровых переключателях, а сейчас мы обсудим их использование в аналоговых переключателях.
Мы уже обсуждали это ранее в нашей характеристической кривой и сценариях работы полевого транзистора, когда выходное напряжение равно входному напряжению, заставляя полевой транзистор работать как переключатель.
Когда VGS, который представляет собой напряжение затвора истока, как вы уже знаете, отсутствует, полевой транзистор работает как небольшое сопротивление, хотя присутствует небольшой ток стока, но его значение почти незначительно.
Математическое выражение может быть записано как
VOUT = {RDS / (RD + RDS (ON)} * Vin
Если вы помните, область отсечки кривой ВАХ нашего полевого транзистора, когда к области истока затвора прикладывается максимальное отрицательное напряжение, и в конечном итоге полевой транзистор_ полевой транзистор начинает действовать как очень высокое сопротивление.
Это сопротивление находится в диапазоне мегаомов.
В этом случае выходное напряжение Vout почти равно входному напряжению, которое было VGS.
FET как генератор фазового сдвига
Полевые транзисторы идеально подходят для использования в качестве генераторов фазового сдвига.
Генераторы фазового сдвига используются для генерации сигналов с широким диапазоном частот.
Полевые транзисторы
могут использоваться как для усиления, так и для работы в цепи обратной связи, поэтому они отлично подходят для работы в качестве генераторов с фазовым сдвигом.
Полевой транзистор
— полевые транзисторы имеют высокий входной импеданс, поэтому при использовании в качестве генераторов фазового сдвига эффект нагрузки значительно меньше.
В большинстве случаев для этой цели используются N-канальные полевые транзисторы.
Полевые транзисторы можно наблюдать как генераторы сдвига фазы в устройствах GPS, музыкальных инструментах и многих других местах, где модулируются звуковые сигналы, например, синтез голоса.
Полевой транзистор как каскодный усилитель
Код случая слова был получен из фразы «Каскад на катод».
Каскодные схемы состоят из двух компонентов, первый из которых является усилителем крутизны проводимости, а второй — буферным усилителем.
Каскодные усилители
обычно изготавливаются с использованием полевых транзисторов из-за их высокого входного сопротивления.
Мы используем каскодные усилители из-за того, что они имеют низкую входную емкость, в противном случае обычно используемые обычные усилители имеют более высокое значение входной емкости, чем каскодные усилители.
Хотя коэффициент усиления по напряжению одинаков для обоих усилителей, что снова является беспроигрышной ситуацией для
Каскодные усилители на полевых транзисторах.
Полевой транзистор в мультиплексоре
Давайте сначала обсудим функцию мультиплексора, мультиплексор собирает разные сигналы от разных источников для представления в виде единого выходного сигнала. Представьте себе целый год упорной работы, а конечный результат после экзамена отображается в единой карточке!
Полевые транзисторы
Junction используются для построения схемы мультиплексора.
Каждый полевой транзистор действует как SPST.
Если вы не знаете о SPST, позвольте мне сказать вам, что это однополюсный однопозиционный переключатель, который генерирует один выход из одного входа.
SPST используется как двухпозиционный переключатель в цепях.
Рассмотрим принципиальную схему, приведенную ниже;
Все входные сигналы блокируются, когда управляющие сигналы становятся более отрицательными, чем напряжение источника затвора VGS.
Это условие блокирует все входные сигналы.
Обнуляя любое из управляющих напряжений V1, V2 или V3, мы можем получить единственную желаемую выходную волну.
Считайте, если вы повернете V2 в ноль, мы получим треугольный сигнал.
Если мы повернем V3 к нулю, вы сами сможете определить из принципиальной схемы волновой сигнал, который вы получите, Go! Прокрутите вверх!
Так вот как полевые транзисторы используются в мультиплексорах.
FET как малошумящий входной усилитель
Как вы определяете шум? Звук, неприятный для ушей, или при разговоре о помехах, вызывающих ненужную турбулентность на желаемом выходе, делая его скудным или слабым.
Шум возникает во многих механических и электрических приборах, но иногда для некоторых вещей он допустим, а иногда — нет!
Только представьте себе мешающий шум, когда вы транслируете видео или аудио, громкий сигнал, который размывает музыку во время солнечного пляжного дня на вашем радио, никому это не нужно! Поэтому для малошумящего усиления используются полевые транзисторы.
Шум не имеет ничего общего с мощностью сигнала, поэтому он всегда присутствует, даже когда вы закончили прямую трансляцию!
Шумоподавление является недостатком многих электронных устройств, но его яркая сторона заключается в том, что наши полевые транзисторы создают немного меньше шума, особенно если они используются в передней части приемника сигнала.
Полевые транзисторы
тоже немного шумят, но у меня есть решение, MOSFET используются там, где недопустим даже небольшой шум, не волнуйтесь, мы поговорим о MOSFET в нашей следующей статье!
Итак, наконец, мы можем сказать, что если мы используем полевой транзистор_ FET на входе, будет меньшее усиление нежелательного сигнала в нашем сгенерированном выходе.
FET как ограничитель тока
Junction Field Effect Transistors могут использоваться для создания цепи ограничения тока.
По этой характеристике и расположению изготавливаются диоды постоянного тока и регуляторы тока, давайте обсудим процесс, но сначала обратимся к принципиальной схеме для лучшего понимания.
Когда происходит превышение напряжения питания из-за каких-либо отклонений в системе, транзистор с эффектом поля перехода немедленно начинает работать в своей активной или насыщенной области, я надеюсь, что к настоящему времени вы хорошо осведомлены об активной области эффекта поля перехода. Если транзистора нет, обратитесь к разделу графика ВАХ и его объяснению!
В этом случае транзистор Junction Field Effect сам действует как источник тока и предотвращает дальнейший ток нагрузки.
Итак, друзья, этот последний сегмент завершает наше обсуждение полевых транзисторов (FET). Надеюсь, вы узнали что-то новое из этого обсуждения. Для любых предложений, конструктивной критики или небольшой признательности вы можете использовать раздел комментариев ниже. До скорой встречи со следующей темой, удачного дня впереди!
Что такое полевой МОП-транзистор? | Основы, принцип работы и применение
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET, MOS-FET или MOS FET) — это полевой транзистор (полевой транзистор с изолированным затвором), напряжение в котором определяет проводимость устройства.Он используется для переключения или усиления сигналов. Возможность изменять проводимость в зависимости от приложенного напряжения может использоваться для усиления или переключения электронных сигналов. MOSFET теперь даже более распространены, чем BJT (биполярные переходные транзисторы) в цифровых и аналоговых схемах.
Диоксид кремния образует затвор МОП-транзистора. Он используется для обеспечения изоляции путем предотвращения прямого попадания зарядов на затвор в проводящий канал.
Структура полевого МОП-транзистора
МОП-транзистор на сегодняшний день является наиболее распространенным транзистором в цифровых схемах, поскольку сотни тысяч или миллионы из них могут быть включены в микросхему памяти или микропроцессор.Поскольку они могут быть изготовлены из полупроводников p-типа или n-типа, дополнительные пары МОП-транзисторов могут использоваться для создания схем переключения с очень низким энергопотреблением в форме логики КМОП.
Почему MOSFET?
Полевые МОП-транзисторы
особенно полезны в усилителях из-за того, что их входной импеданс почти бесконечен, что позволяет усилителю улавливать почти весь входящий сигнал. Основное преимущество заключается в том, что он почти не требует входного тока для управления током нагрузки по сравнению с биполярными транзисторами.Ниже приведены различные типы полевых МОП-транзисторов:
Тип истощения: Транзистору требуется напряжение затвор-исток (VGS), чтобы выключить устройство. MOSFET в режиме истощения эквивалентен «нормально замкнутому» переключателю.
Тип расширения: Транзистору требуется напряжение затвор-исток (VGS) для включения устройства. MOSFET режима улучшения эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.
Структура устройства MOSFET
Это четырехконтактное устройство с выводами истока (S), стока (D), затвора (G) и корпуса (B).Корпус часто подключается к клемме источника, что сокращает количество клемм до трех. Он работает, изменяя ширину канала, по которому текут носители заряда (электроны или дырки).
Носители заряда входят в канал у истока и выходят через сток. Ширина канала регулируется напряжением на электроде, называемом затвором, который расположен между истоком и стоком. Он изолирован от канала очень тонким слоем оксида металла. Полевой транзистор металл-изолятор-полупроводник или MISFET — это термин, почти синонимичный MOSFET.Другой синоним — IGFET для полевого транзистора с изолированным затвором.
Работа полевого МОП-транзистора
Работа полевого МОП-транзистора зависит от МОП-конденсатора. Конденсатор MOS является основной частью MOSFET. Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока. Его можно инвертировать из p-типа в n-тип, подав положительное или отрицательное напряжение затвора.
Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, дырки под оксидным слоем создают силу отталкивания, а дырки толкаются вниз вместе с подложкой.Область обеднения заселена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Электроны достигают сформированного канала. Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если приложить отрицательное напряжение, под оксидным слоем образуется дырочный канал.
МОП-транзистор с P-каналом
Сток и исток представляют собой сильно легированную p + -область, а подложка — n-типа. Ток течет из-за потока положительно заряженных дырок, также известных как MOSFET с p-каналом. Когда мы прикладываем отрицательное напряжение затвора, электроны, находящиеся под оксидным слоем, испытывают силу отталкивания, и они толкаются вниз к подложке, область обеднения заполняется связанными положительными зарядами, которые связаны с донорными атомами.Отрицательное напряжение затвора также притягивает дырки из области p + истока и стока в область канала.
N-канальный полевой МОП-транзистор
N-канальный полевой МОП-транзистор
Сток и исток имеют сильно легированную область n +, а подложка — p-типа. Ток течет из-за потока отрицательно заряженных электронов, также известного как n-канальный MOSFET. Когда мы прикладываем положительное напряжение затвора, дырки, находящиеся под оксидным слоем, испытывают силу отталкивания, и дырки толкаются вниз к связанным отрицательным зарядам, которые связаны с атомами акцептора.Положительное напряжение затвора также притягивает электроны из n + области истока и стока в канал, таким образом, образуется канал доступа электронов.
Дополнительные основные статьи доступны в учебном уголке.
Статья была впервые опубликована 19 июля 2017 г. и обновлена 4 апреля 2019 г.
Понимание различий между N-канальными и P-канальными полевыми транзисторами (FET)
Транзисторы — важные полупроводниковые устройства в современных электронных схемах.Они могут выполнять две основные функции. Во-первых, как их предшественник для электронных ламп, триод, они могут усиливать электрический сигнал. Во-вторых, они могут действовать как коммутационные устройства в компьютерах для обработки и хранения информации. Полевые транзисторы — это полупроводниковые устройства, управляющие током через электрическое поле.
Транзисторы могут усиливать электрический сигнал и действовать как переключающие устройства. Компьютеры используют переключающую способность транзистора для арифметических и логических операций и хранения информации.Они используют двоичный код — числа, записанные с основанием 2 — для выражения чисел и функций. Серии двух состояний — 0 и 1 — представляют собой числа.
Транзисторы в цифровой схеме также работают в двух состояниях: «включен» и «выключен» — или проводящий и непроводящий. «Вкл» соответствует состоянию одного двоичного числа, а «выключено» — другому. Следовательно, набор элементов схемы, содержащих правильно переключенные транзисторы, может характеризовать число.
Дипольные слои, созданные в процессе диффузии в p-n-переходах полевого транзистора, создают электрические поля.Эти электрические поля контролируют путь проводимости выходной цепи. Этот механизм лежит в основе термина «полевой эффект».
Интерес к этим устройствам вызван главным образом тем, что входная цепь имеет характеристики одного диода с обратным смещением. Полевой транзистор требует минимального входного постоянного тока и имеет очень высокое входное сопротивление.
Типы полевых транзисторов
Существует три основных типа полевых транзисторов: соединительный полевой транзистор (сокращенно JFET или просто FET), полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и полевой транзистор металл-полупроводник. (MESFET).
Другими сокращениями для металлооксидных полупроводников являются МОСТ (МОП-транзистор) и IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором).
MESFET — это современная разработка, в которой в качестве основного полупроводникового материала используются быстродействующие характеристики арсенида галлия (GaAs).
Цифровые приложения используют полевые МОП-транзисторы в интегральных схемах, в то время как полевые транзисторы JFET более распространены в аналоговых приложениях.
Эта статья знакомит с полевым транзистором (JFET) и исследует принципы, на которых работают эти устройства.
Соединительный полевой транзистор
Соединительный полевой транзистор представляет собой трехконтактное устройство, в котором напряжение, приложенное к одному выводу, управляет током между двумя другими — током выходной цепи.
Существует два типа JFET: n-канальный и p-канальный. Из-за того, что электроны движутся быстрее дырок, полевые транзисторы с каналом n-типа встречаются чаще, чем полевые транзисторы с каналом p-типа.
Уровень проводимости в биполярном переходном транзисторе (BJT) зависит от двух носителей заряда — электронов и дырок.JFET, однако, является униполярным устройством, поскольку его проводимость однозначно зависит от одного типа носителя — электронов (n-канал) или дырок (p-канал).
Другие важные характеристики JFET:
Простота изготовления.
Небольшой размер, подходящий для цифровых массивов LSI и VLSI.
Высокое входное сопротивление — обычно много МОм.
Менее шумный, чем BJT.
Нет напряжения смещения при нулевом токе стока.
Полевой транзистор с n-канальным переходом
На рисунке 1 показана схема n-канального JFET.Геометрия, показанная на этом рисунке, упрощает анализ принципов JFET.
Рисунок 1. N-канальный полевой транзистор .
Обе стороны устройства имеют сильно легированные акцепторные примеси p-типа, формирующие затвор G. Обратите внимание на соединение между двумя участками p-типа и выводом затвора.
Область между двумя областями затвора — это канал, структура из материала n-типа. Этот узкий полупроводниковый канал обеспечивает проводящий путь между истоком и стоком.Большинство носителей входят в устройство через исток S и покидают его через сток D. Сторона истока может быть концом любого канала.
В основе работы этой структуры лежит изменение сопротивления между выводами S и D путем регулировки напряжения на затворе G.
На рисунке 2 показан символ цепи и условные обозначения для направления тока и полярности напряжения для n-канального полевого транзистора JFET.
Рисунок 2. Условное обозначение цепи и условные обозначения для n-канального полевого транзистора JFET.
Стрелка на затворе указывает направление перехода от полевого транзистора p-типа к полевому транзистору n-типа.
Is = условный ток на входе S.
Id = условный ток на входе D.
Ig = обычный ток, входящий в G. Это направление потока тока затвора с прямым смещением затворного перехода.
Vds = приложенное напряжение сток-исток — положительное значение, если d больше положительного значения s.
Vdd = напряжение питания стока (внешний источник напряжения).
Vgg = напряжение питания затвора (внешний источник напряжения).
Vgs = приложенное напряжение затвор-исток — положительное, если g больше положительного, чем s. Vgs используется с полярностью для обратного смещения p-n перехода (Vgs = — Vgg).
Для n-канального JFET Id и Vds положительны, а Is и Vgs отрицательны.
Работа N-канального JFET
Перед подачей какого-либо внешнего напряжения на клеммы полевого транзистора необходимо установить два p-n перехода в условиях отсутствия смещения, создавая область обеднения носителей или пространственного заряда на каждом переходе.Избыточные носители (электроны) были удалены или «истощены» из областей обеднения носителями. Соответственно, в областях истощения носителей заряда мало свободных носителей, не способных поддерживать проводимость (, рис. 1, ).
На рисунке 3 показано состояние, при котором Vgs = 0 В — с короткозамкнутым затвором и истоком — и Vds имеет низкое положительное значение.
Рисунок 3. Vgs = 0 В и Vds> 0 В.
Положительный вывод стока притягивает электроны канала, генерируя ток Id.
Традиционно ток течет в направлении, противоположном потоку электронов; следовательно, текущий Id входит в D.
Ток Is имеет ту же величину и направление, что и Id. Положительное направление Is было определено как вход в S. Следовательно, Is отрицательно при этом условии. Текущий Ig пренебрежимо мал, что является важным атрибутом JFET.
Импеданс канала ограничивает величину потока заряда в Рисунок 3 .
Обратите внимание, что области истощения носителей становятся шире по мере приближения к стороне D.Предполагая равномерно распределенное сопротивление, падение напряжения в канале увеличится с 0 В на S до Vds на D. Затем pn-переходы будут все больше смещаться в обратном направлении от S к D. По мере увеличения обратного смещения на переходах, поэтому делает толщину области неподвижных непокрытых зарядов.
Непокрытые заряды — это связанные заряды в области истощения носителей заряда — отрицательные ионы на стороне p-типа и положительные ионы на стороне n-типа. Они создают дипольный слой заряда на стыке.Силовые линии электрического поля, берущие начало на положительных ионах и заканчивающиеся на отрицательных ионах, являются источником падения напряжения на переходах. Термин полевой эффект описывает этот механизм, потому что управление током является результатом расширения с возрастающим обратным смещением поля, связанного с областью непокрытых зарядов.
На рис. 4 показана характеристика сток-исток n-канального полевого транзистора JFET, где Id по сравнению с Vds, с Vgs = 0.
Рисунок 4. Id по сравнению с Vds, Vgs = 0 В.
Когда Id = 0, канал открыт. При увеличении значения Vds до нескольких вольт ток возрастает линейно по закону Ома; Вот почему график растет почти как прямая линия — сопротивление постоянно, а JFET n-типа действует как простой полупроводниковый резистор.
Приращение
Vds расширяет области истощения, и проводящая часть канала начинает сжиматься, постепенно уменьшая эффективную ширину канала и увеличивая его сопротивление.
Из-за омического падения вдоль канала усадка не является равномерной, но более заметна на больших расстояниях от источника.
Повышение Vds до уровня, при котором кажется, что две области истощения соприкоснутся, как показано на Рис. 5 , приводит к состоянию, называемому отсечением. В этом состоянии Vds = Vp — напряжение отсечки.
Рисунок 5. Vgs = 0 В, Vds = Vp.
После того, как Vds достигнет Vp, кривая на Рис. 4 начинает выравниваться.Ток Id приближается к постоянному значению — уровню насыщения, который отображается как Idss (насыщенный ток стока при коротком замыкании). Сопротивление канала будет стремиться к бесконечному Ом в горизонтальной области кривой. В месте отсечки есть крошечный канал с током высокой плотности.
На рис. 5 канал находится как раз на пороге отсечки на конце стока. Увеличение Vds выше Vp удлиняет контакт двух областей истощения вдоль канала, но Idss остается постоянным.При этом условии JFET действует как источник тока.
Канал не может полностью закрыться при значении отсечки, уменьшая Id до нуля — вместо этого Id сохраняет уровень насыщения, показанный на , рис. 4 . Если бы это было так, омическое падение, обеспечивающее обратное смещение вдоль p-n-перехода, отсутствовало бы — терялась область обеднения, которая вызывала отсечку.
Vgs обеспечивает дополнительное обратное смещение
Напряжение затвор-исток (Vgs) управляет полевым транзистором.Установка клеммы затвора на постепенно более низкие уровни потенциала, чем у источника, дает семейство кривых Id в зависимости от Vds с Vgs в качестве параметра. На рисунке 6 показаны типичные кривые для n-канального JFET.
Рисунок 6. Характеристики n-канального JFET.
Приложение напряжения затвора Vgs в направлении, обеспечивающем дополнительное обратное смещение, устанавливает области истощения, подобные Vgs = 0, но на более низких уровнях Vds, вызывая отсечку — и уровень насыщения — при меньших значениях Vds.Затем Vgs помогает Vds произвести отсечение. При уменьшении значения Vds в канале отсечка происходит при меньшем токе стока.
При приложении небольшого положительного напряжения к затвору — в направлении прямого смещения — значение Vds, необходимое для создания отсечки, увеличивается с соответствующим увеличением тока стока, при котором возникает отсечка. Неудобно прикладывать высокие положительные напряжения, чтобы избежать нежелательных токов на выводе затвора.
Как и раньше, каждая характеристическая кривая имеет омическую область для малых значений Vds — Id, пропорциональную Vds — и область постоянного тока для больших значений Vds, где Id незначительно реагирует на Vds.Когда Vds превышает уровень отсечки, канал отсечки ограничивает ток величиной, существовавшей на момент отсечки.
Рисунок 6 также показывает, что напряжение отсечки падает параболически, а величина тока насыщения — для больших значений Vds — уменьшается по мере того, как Vgs становится более отрицательным.
Vgs = — Vp обеспечивает уровень насыщения с минимальным током Id, и мы можем сделать вывод, что транзистор выключен.
Обратите внимание, что когда Vds достигает более высоких значений, кривые внезапно повышаются до уровней, которые кажутся бесконечными.Этот подъем означает лавинный прорыв через p-n-переходы; только элементы выходной цепи ограничивают ток через канал при этом условии.
Максимальное напряжение, которое должно быть приложено между любыми двумя выводами JFET, — это наименьшее напряжение, которое вызовет лавинный пробой на p-n переходе. Рисунок 6 показывает, что лавина возникает при более низких значениях Vds, поскольку затвор имеет более обратное смещение. Это происходит потому, что напряжение затвора обратного смещения (Vgs) складывается с напряжением стока (Vds), увеличивая фактическое напряжение на p-n переходе.
Полевой транзистор P-Channel Junction
JFET с p-каналом представляет собой инверсию n-канала, при этом материалы p- и n-типа структурированы, как показано на Рис. 7 .
Рис. 7. Полевой транзистор с p-каналом .
Рисунок 8 показывает условные обозначения схемы и полярности для p-канального JFET.
Рис. 8. Обозначение цепи и условные обозначения для p-канального JFET.
Полевой транзистор с каналом p-типа имеет противоположные направления тока и полярности напряжения по сравнению с полевым транзистором с каналом n-типа; Id и Vds отрицательны, а Is и Vgs положительны. Следовательно, увеличение положительного напряжения от затвора к истоку сужает канал.
Рисунок 8 сохраняет ссылки, используемые в Рисунок 2 для n-канального JFET, для направлений Id, Is и Ig тока, а также для полярностей напряжений Vds и Vgs. Стрелка соединения ворот указывает в противоположном направлении (показывая путь от p-типа к n-типу).
На рисунке 9 показаны типичные кривые для p-канального JFET.
Рис. 9. Характеристики типичного полевого транзистора с р-каналом.
Рисунок 9 показывает положительные значения для Vgs и отрицательные значения для Vds — источник имеет более высокий потенциал, чем сток.
И снова кривые резко поднимаются до экстремальных уровней при высоких отрицательных значениях Vds, что указывает на сход лавины.
Примечание:
Два типа транзисторов — n-канальный и p-канальный — считаются взаимодополняющими.N-канальный JFET в схеме может быть заменен p-канальным транзистором аналогичного номинала, меняя полярность источника питания (Vdd) и всех чувствительных к полярности устройств, таких как электролитические конденсаторы и диоды.
О полевом транзисторе
Три электрических вывода JFET — это сток (D), исток (S) и затвор (G).
Большинство носителей текут от истока по каналу к стоку. Канал может быть кристаллом n- или p-типа.
Напряжение затвор-исток управляет электрическим полем и током стока (Id) в канале. Затворные переходы обычно имеют напряжение обратного смещения на них, что приводит к незначительным токам, протекающим на выводе затвора.
Рассматривая n-канальное устройство, если напряжение затвор-исток Vgs = 0 В и напряжение сток-исток Vds положительно, электроны дрейфуют через канал из-за электрического поля. Ток стока Id пропорционален сопротивлению канала при условии, что Vds невелик.
Ширина областей обеднения носителей заряда на p-n-переходах зависит от напряжения Vgs. Варианты Vgs изменяют размеры канала. Области истощения носителей действуют как клапан для управления величиной тока в канале и, следовательно, величиной тока Id.
Положительное напряжение стока вызывает обратное смещение p-n-переходов, в основном около конца стока канала. Когда Vds достигает напряжения отсечки (Vp), толщина канала уменьшается почти до нуля в точке, близкой к концу стока.Id не равно нулю, когда Vds = Vp, потому что это напряжение все еще существует между точкой отсечки и концом истока, и результирующее электрическое поле ускоряет носители через канал к концу стока.
Для значений Vds> Vp толщина обедненной области увеличивается между затвором и стоком с небольшим изменением между точкой отсечки и истоком. В результате в обедненной области появляется дополнительное напряжение с небольшим изменением электрического поля вдоль канала.Следствием этого является постоянное значение Id.
Ток, измеренный при Vds = Vp и Vgs = 0 В, является током стока насыщения короткого замыкания (Idss).
JFET обычно работает с Vds> Vp и обратным смещением, приложенным к затвору. Когда Vds + Vgs> Vp, Id почти не зависит от Vds.
Лавинный пробой возникает на p-n переходе при высоких значениях Vds.
Входное сопротивление полевого транзистора очень велико, но резко падает при лавинном пробое.
P-канальный JFET имеет канал p-типа и вентили n-типа. Он работает как n-канальный транзистор, но с обратной полярностью напряжения и тока.
Что такое полевой транзистор? — Определение, конструкция и классификация
Определение: FET — это сокращение от « полевой транзистор ». Это трехконтактное униполярное устройство, в котором проводимость регулируется с помощью приложенного электрического поля . Само название дает краткое представление о принципе его работы, «эффект поля», эти два слова ясно указывают на то, что это транзистор, управляемый электрическим полем.
Таким образом, его также называют устройством, управляемым напряжением, в котором только основные носители заряда участвуют в механизме проводимости. Он состоит из трех выводов: истока, затвора и стока.
Обозначение схемы, описанное на схеме ниже, ясно иллюстрирует три вывода полевого транзистора.
История полевого транзистора
В 1926 году идею полевого транзистора (FET) представил Лилиенфилд. После этого, в 1935 году, компания Heil также осветила полевые транзисторы. Но к этому времени полевые транзисторы не пользовались большой популярностью. Это было в 1940 году, когда значение полевых транзисторов стало расти. Это связано с тем, что в 1940-х годах исследования полупроводников проводились в лабораториях Bell, .
Значение полевого транзистора
Прежде чем обсуждать значение полевого транзистора, я хотел бы поделиться ключевой концепцией, касающейся полевого транзистора. Транзистор в названии часто путают с биполярным транзистором.Но существует огромная разница между полевым транзистором и биполярным транзистором.
Хотя оба являются транзисторами и оба связаны с проводимостью тока, и оба имеют по три вывода, но на этом сходство заканчивается. BJT использует инжекцию и сбор неосновных носителей заряда, и этот процесс инжекции и сбора выполняется во время прямого смещения P-N перехода. Напротив, полевые транзисторы используют электрическое поле для изменения ширины обеднения во время обратного смещения перехода.
Таким образом, в проводимости BJT участвуют как основные, так и неосновные носители, но механизм проводимости в полевых транзисторах обусловлен только основными носителями заряда. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными устройствами.
Водная аналогия для понимания концепции полевого транзистора
Чтобы понять, как работает полевой транзистор, давайте проведем аналогию. Аналогии часто упрощают понимание даже сложной концепции. Источник воды можно понимать как источник полевого транзистора, емкость, собирающая воду, аналогична дренажной клемме полевого транзистора.Давайте быстро взглянем на диаграмму ниже, после чего понимание концепции FET будет легкой прогулкой.
Теперь вы можете догадаться, какой терминал ворот аналогичен? Если вы думаете о водопроводном кране, то да, вы правы. Это не что иное, как регулирующий кран, который контролирует поток воды. Теперь, способ, которым управляющий кран регулирует количество воды, поступающей из выхода, точно так же, как напряжение на выводе затвора управляет потоком тока от истока к выводу стока.
Конструкция и работа полевого транзистора
Полупроводник — основа всех полевых транзисторов. В зависимости от того, какой канал мы используем, то есть N-канал или P-канал, будет использоваться образец полупроводника. Если мы разрабатываем N-канальные полевые транзисторы, то канал будет из полупроводника N-типа. А в середине противоположных фаз образца будет рассеиваться полупроводник P-типа.
Полупроводниковая шина P-типа будет действовать как вывод затвора. Противоположные концы полупроводника P-типа будут соединены вместе, чтобы сформировать общий вывод затвора.Таким образом, по обе стороны от затвора будет два P-N перехода, которые будут называться терминалами истока и стока.
Компоненты полевых транзисторов
Канал: Это область, в которой текут основные носители заряда. Когда большинство носителей заряда вводятся в полевой транзистор, то только по этому каналу они перетекают от истока к стоку.
Источник: Источник — это терминал, через который большинство носителей заряда вводятся в полевой транзистор.
Дренаж: Дренаж — это приемный терминал, в который входят основные носители заряда и, таким образом, участвуют в процедуре проводимости.
Затвор: Вывод затвора формируется путем диффузии одного типа полупроводника с другим типом полупроводника. Это в основном создает область с высоким содержанием примесей, которая контролирует поток носителя от истока к стоку.
Классификация полевых транзисторов
Классификацию полевых транзисторов можно понять с помощью диаграммы, представленной на изображении ниже.Полевые транзисторы в основном описываются в двух типах: JFET (Junction field effect transistor) и полевой транзистор с изолированным затвором.
Полевой транзистор перехода: Полевой транзистор перехода — это не что иное, как полевой транзистор, в котором проводимость устанавливается путем изменения ширины обеднения при обратном смещении перехода. По конструкции он состоит из двух типов: N-канал и P-канал.
Полевой транзистор с изолированным затвором: Полевой транзистор с изолированным затвором — это тот, в котором затвор изолирован изоляционным материалом от образца полупроводника.Это два типа MESFET (полевой транзистор с металлическим полупроводником), и MISFET (полевой транзистор с металлическим диэлектриком и полупроводником).
И MESFET, и MISFET используют переход металл-полупроводник, а не обычный P-N переход. Но особенность, которая отличает оба, — это использование изоляционного материала в случае MISFET, в то время как в MESFET изоляционного материала нет.
MOSFET — это подтип MISFET, в котором оксидный слой играет решающую роль в обеспечении изоляции между затвором и другими выводами.МОП-транзисторы работают в двух режимах: Depletion mode и Enhancement Mode . В режиме истощения существует физический канал, в то время как в режиме улучшения его нет.
Полевой МОП-транзистор с истощением и расширением может быть снова разработан двумя способами, используя N-канал или P-канал.

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Главные преимущества полевых транзисторов

Главные недостатки полевых транзисторов

Полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом

Теги

для чего он нужен, как его открыть, схемы

Что это такое

Характеристики полевого транзистора

Как он работает

Для чего нужен

Как открыть полевой транзистор

Схема (структура)

Как подключить

Полевой транзистор основные характеристики. Полевые транзисторы

Что такое полевой транзистор

Полевые транзисторы, их виды

Полевой транзистор, принцип работы

Зачем нужен полевой транзистор

Применение полевых транзисторов

Плюсы и минусы полевых транзисторов

МДП-транзистор со встроенным каналом.

МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) каналом.

Почему транзистор – полевой?

Где используются полевые транзисторы?

Как работает полевой транзистор?

Как проверить полевой транзистор?

Как работает транзистор

10 Полевые транзисторы — СтудИзба

Рекомендуемые файлы

S=dIс/dUзи.

Создан революционный транзистор, меняющий конфигурацию «на лету». Процессоры станут в разы меньше по размерам и энергопотреблению

Венские адаптивные тразисторы

Как работает полевой транзистор

Всего лишь один дополнительный электрод

Не замена полупроводникам на основе кремния

— обзор

4.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Произошла ошибка при установке пользовательского файла cookie

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

FET: определение, символ, работа, характеристики, типы и применение

Определение полевого транзистора

История полевых транзисторов

Униполярность полевого транзистора

Символ полевого транзистора_ FET

Почему полевые транзисторы названы так, или что означает полевой транзистор?

BJT vs FET

Работа полевого транзистора на полевом транзисторе

Типы полевых транзисторов

Junction Полевой транзистор JFET

Полевые транзисторы с N-каналом

Полевые транзисторы с P-переходом

Работа переходного полевого транзистора

Металлооксидные полевые транзисторы MOSFET_.

Типы полевых МОП-транзисторов

Характеристики полевого транзистора

Омическая область

Область отсечения

Область насыщенности

Область разбивки

Применение полевых транзисторов

FET как буферный усилитель

FET как аналоговый переключатель

FET как генератор фазового сдвига

Полевой транзистор как каскодный усилитель

Полевой транзистор в мультиплексоре

FET как малошумящий входной усилитель

FET как ограничитель тока

Что такое полевой МОП-транзистор? | Основы, принцип работы и применение

Почему MOSFET?

Статья была впервые опубликована 19 июля 2017 г. и обновлена 4 апреля 2019 г.