Полевые транзисторы принцип работы: Полевые транзисторы. For dummies / Хабр

Принцип работы полевого транзистора

Принцип работы полевого транзистора

Транзисторами  называют полупроводниковые триоды, у которых расположено три выхода.

Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы.

Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта, может регулироваться посредством напряжения электрополя  третьего контакта.  На двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

• Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
• Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся  на участке n;
• Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Видео «Подробно о полевых транзисторах»

//www.youtube.com/embed/WKx_3fUtcSk?autohide=2&autoplay=0&mute=0&controls=1&fs=1&loop=0&modestbranding=0&playlist=&rel=1&showinfo=1&theme=dark&wmode=&playsinline=0

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

• устройства под управлениями р-n переходов;
• устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Принцип работы полевого транзистора

Радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов.

По участку n проходит электроток.

Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. 

Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока.

Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет.

В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора.

Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей.  Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор.

Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

1. Усиления высокой частоты.
2. Усиления низкой частоты.
3. Модуляции.
4. Усиления постоянного тока.
5. Ключевых устройств (выключателей).

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке.  Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Полевые транзисторы (Униполярные)- принцип работы и устройство, обозначение на схеме

Полевые транзисторы это отдельный тип полупроводников, которые оснащены одновременно тремя электродами. Их называют истоком, затвором и стоком. В оснащенном стоком/истоком пространстве, находится особый канал токопровождения. В нем и протекает электрический ток. Он изготовлен из материалов, обладающих полупроводниковыми свойствами с переходом либо p либо n.

Управление осуществляется изменением величины проводимости канала, которая находится в прямой зависимости от напряжения заряда, проходящего между затвором и истоком. В биполярных транзисторах ток течет к коллектору от эмиттера, проходя через переходы p-n. В статье рассмотрены все вопросы строения, особенности, сферы использования полевых транзисторов. В качестве дополнения, статья содержит в себе несколько видеоматериалов и одну подробную научную статью.

Различные модели полевых резисторов

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор, MOSFET) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП-транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП – транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Полевые транзисторы  – это однополярные устройства, как и обычные полевые транзисторы. 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.

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

Полевые транзисторы разных размеров

Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 4, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

Основные характеристики полевых транзисторов.

Основные параметры полевых транзисторов:

1. Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
2. Максимально допустимая рабочая частота;
3. Напряжение сток-исток;
4. Напряжение затвор-сток;
5. Напряжение затвор-исток;
6. Максимально допустимый ток стока;
7. Ток утечки затвора;
8. Крутизна характеристики;
9. Начальный ток стока;
10. Емкость затвор-исток;
11. Входная ёмкость;
12. Выходная ёмкость;
13. Проходная ёмкость;
14. Выходная мощность;
15. Коэффициент шума;
16. Коэффициент усиления по мощности.

Полевые транзисторы разных размеров

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом

В полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом управление током транзистора достигается путем изменения сечения канала за счет изменения области, занимаемой этим переходом. Управляющий р-n-переход образуется между каналом и затвором, которые выполняются из полупроводников противоположных типов проводимости. Так, если канал образован полупроводником η-типа, то затвор – полупроводником p-типа. Напряжение между затвором и истоком всегда подается обратной полярности, т.е. запирающей р-n-персход. Напомним, что при подаче напряжения обратной полярности область, занимаемая р-n-переходом, расширяется. При этом расширяется и область, обедненная носителями заряда, а значит, сужается область канала, через которую может течь ток. Причем, чем больше значение запирающего напряжения, тем шире область, занимаемая р-n-переходом, и тем меньше сечение и проводимость канала.

Материал в тему: устройство подстроечного резистора.

Так же, как и для биполярных транзисторов, для описания работы полевых транзисторов используют выходные характеристики. Выходная характеристика нолевого транзистора – это зависимость тока стока Iс от напряжения между стоком и истоком при фиксированном напряжении между затвором и истоком. В отличие от биполярного, работа нолевого транзистора может также описываться непосредственной зависимостью выходного параметра – тока стока от входного – управляющего напряжения между затвором и истоком. В зависимости от температуры, эти характеристики несколько изменяются. Напряжение UЗИ, при котором канал полностью перекрывается (IС = 0), называется напряжением отсечки Uотc. Управляющее действие затвора характеризуют крутизной, которая может быть определена по выходным характеристикам (см. рис. 1.15, г):

S = ΔIс/ΔUЗИ, при UСИ = const.

Так как управляющий p-n-переход всегда заперт, у полевых транзисторов практически отсутствует входной ток. Благодаря этому они имеют очень высокое входное сопротивление и практически не потребляют мощности от источника управляющего сигнала. Это свойство относится не только к транзисторам с управляющим р-n-переходом, но и ко всем полевым транзисторам, что выгодно отличает их от биполярных.

Распространённые типы полевых транзисторов

В настоящее время в радиоаппаратуре применяются ПТ двух основных типов – с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Опишем подробнее каждую модификацию.

Управляющий p-n-переход

Эти полевые транзисторы представляют собой удлинённый полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими выводами играют роль стока и истока. Функцию затвора исполняет небольшая область с обратной проводимостью, внедрённая в центральную часть кристалла. Так же, как сток и исток, затвор комплектуется металлическим выводом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Изолированный затвор

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанных выше ПТ с управляющим p-n-переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на некотором удалении друг от друга внедрены две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.

Из-за того, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов – металл, диэлектрик и полупроводник, – данные радиокомпоненты часто именуют МДП-транзисторами. В элементах, которые формируются в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, в связи с чем буква «Д» в аббревиатуре заменяется на «О», и такие компоненты получают название МОП-транзисторов.

Полевой транзистор на схеме.

Существует два вида этих полевых транзисторов – с индуцированным и встроенным каналом. В первых физический канал отсутствует и возникает только в результате воздействия электрического поля от затвора на подложку. Во-вторых канал между истоком и стоком физически внедрён в подложку, и напряжение на затворе требуется не для формирования канала, а лишь для управления его характеристиками. Схемотехническое преимущество ПТ с изолированным затвором перед транзисторами с управляющим p-n-переходом заключается в более высоком входном сопротивлении.

Это расширяет возможности применения данных элементов. К примеру, они используются в высокоточных устройствах и прочей аппаратуре, критичной к электрическим режимам. В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодеталями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать паяльную станцию с заземлением, а, кроме того, заземляться должен и человек, выполняющий пайку. Даже маломощное статическое электричество способно повредить полевой транзистор.

Классификация транзисторов.

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп-переходом в схеме с общим истоком показано на рис. 26.4. Они ана­логичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти ха­рактеристики показывают зависимость выходного тока I_D от выходного напряжения V_DS(напряжения между стоком и истоком) для заданных Значений напряжения на затворе V_GS(напряжения между затвором и истоком).

Диапазон изменения смещающего напряжения затвор-исток доволь­но велик (несколько вольт) в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно. Видно, что при увеличении (по абсолютной величине) напряжения на затворе ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся обедненный слой перехода затвор-канал не пере­кроет весь канал, останавливая протекание тока. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в состоянии отсечки.

Схема полевого транзистора.

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику для V_GS= 0. При уве­личении напряжения V_DS(от нулевого значения) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигает точки Р, после которой величина тока практически не изменяется. Напряжение в точке Р называется напря­жением отсечки. При этом напряжении обедненный слой, связанный с обратносмещенным переходом затвор-канал, почти полностью перекры­вает канал. Однако протекание тока I_Dв этой точке не прекращается, поскольку благодаря этому току как раз и создается обедненный слой. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои точки отсеч­ки: P₁, P₂ и т. д. Если соединить эти точки друг с другом линией, то правее ее лежит область отсечки, являющаяся рабочей областью полевого транзистора.

Полевой транзистор.

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного усилителя ЗЧ на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме через резистор утечки R₁ отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор R₃ обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затво­ра. Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. R₂ – нагрузочный резистор, который может иметь очень большое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязыва­ющий конденсатор С₂ в цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R₃. Следует отметить, что раз­делительный конденсатор С₁ может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) благодаря высокому входному сопротивлению полевого транзистора.

При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызы­вая, в свою очередь, изменение выходного напряжения на стоке транзи­стора. Во время положительного полупериода входного сигнала напря­жение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор-исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток I_Dполевого транзистора. Увеличение I_D приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И на­оборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует по­ложительный полупериод выходного сигнала. Таким образом, входной и выходной сигналы усилителя с общим истоком находятся в противофазе.

Расчет статического режима

Одно из преимуществ полевого транзистора – очень малый ток утечки затвора, величина которого не превышает нескольких пикоампер (10^-12 A). Поэтому в схеме усилителя па рис. 26.5 затвор находится практически при нулевом потенциале. Ток полевого транзистора протекает от стока к истоку и обычно отождествляется с током стока I_D (который, очевидно, равен току истока I_S).

Рассмотрим схему на рис. 26.5. Полагая I_D = 0,2 мА, вычисляем потенциал истока:

V_S = 0,2 мА · 5 кОм = 1 В. Это величина напряжения обратного смещения управляющего    pn-перехода.

Падение напряжения на резисторе R₂ = 0,2 мА · 30 кОм = 6 В.

Потенциал стока V_D = 15 – 6 = 9 В.

Линия нагрузки

Линию нагрузки можно начертить точно так же, как для биполярного транзистора. Если I_D = 0, то V_DS= V_DD = 15 В. Это точка Х на линии нагрузки. Если V_DS= 0, то почти все напряжение V_DDисточника питания па­дает на резисторе R₂. Следовательно, I_D = V_DD / R₂= 15 В / 30 кОм = 0,5 мА. Это точка Y на линии нагрузки. Рабочая точка Q выбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области отсечки. Выбранная рабочая точка Q точка покоя определяется величинами: I_D = 0,2 мА, V_GS= – 1 В, V_DS= 9 В.

Полевой транзистор.

МОП-транзистор

В полевом транзисторе этого типа роль затвора играет металлический электрод, электрически изолированный от полупроводника тонкой пленкой диэлектрика, в данном случае оксида. Отсюда и название транзистора «МОП» – сокращение от «металл-оксид-полупроводник». Канал п-типа в МОП-транзисторе формируется за счет притяже­ния электронов из подложки р-типа диэлектрическим слоем затвора (рис. 26.7). Ширину канала можно изменять, подавая на затвор электрический потенциал. Подача положительного (относительно подложки)

Заключение

Более подробную информацию об устройстве полевых транзисторов можно узнать в статье Лекция о полевых транзисторах. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.bourabai.ru

www.studme.org

www.radiolubitel.net

www.radioprog.ru

www.eandc.ru

Предыдущая

ПолупроводникиЧто такое NTC термисторы

Следующая

ПолупроводникиЧто такое SMD светодиоды

Что такое полевой транзистор и как его проверить

Добрый день, друзья!

Недавно мы с вами начали плотнее знакомились с тем, как устроено компьютерное «железо». И познакомились одним из его «кирпичиков» — полупроводниковым диодом. Компьютер – 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 блоках питания и низковольтных импульсных стабилизаторах на материнской плате 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 статье. 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 припаять 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 вот здесь.

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.

вид и обозначение, достоинства и недостатки, принцип работы для чайников

В электронике и радиотехнике очень часто применяются полупроводниковые приборы, к которым относятся и транзисторы. Полевые транзисторы (ПТ) потребляют значительно меньше электрической энергии, благодаря чему они применяются в различных маломощных устройствах. Кроме того, существуют модели, работающие на больших токах при малом потреблении питающего напряжения (U).

Общие сведения

FET или ПТ — полупроводниковый прибор, который при изменении управляющего U, регулирует I (силу тока). Этот тип транзистора называется еще униполярным. Появился он позже обычного транзистора (биполярного), но с ростом технологии получил широкое распространение среди цифровых устройств благодаря низкому энергопотреблению. Основное отличие заключается в методе регулирования I. В биполярном — регулирование I происходит при помощи управляющего I, а полевом — при помощи U (Рисунок 1).

Рисунок 1 — Отличие полевого от биполярного Т.

У ПТ нет I управления, и он обладает высоким входным сопротивлением (R), которое достигает несколько сотен ГОм (ГигаОм) или ТОм (ТерраОм). Для того чтобы узнать сферы применения ПТ, нужно внимательно изучить его. Носителями заряда являются электроны или дырки, а у биполярного — электроны и дырки.

Классификация и устройство

ПТ бывают нескольких видов, обладают различными характеристиками и устройством. Они делятся на 2 типа:

1. С управляющим p-n — переходом (JFET).
2. С изолированным затвором (MOSFET).

Кроме того, каждый из типов бывает с N и P каналами. У ПТ с N-каналом носителями заряда являются электроны, а у P-канального — дырки. Принцип работы для P и N аналогичен, отличие лишь в подаче U другой полярности в качестве управляющего.

Устройство JFET ПТ (рисунок 2) простое. Область N образовывает канал между зонами P. К концам канала N подключаются электроды, которые называются условно стоком (С) и истоком (И), так как все зависит от схемы подключения. Затвор (З) — тип электрода, который образовывается при закорачивании полупроводников P. Это обусловлено электрическим соединением при воздействии U. Возле С и И находится область повышенной концентрации или легирование (N+) электронов, что приводит к улучшению проводимости канала. Наличие зоны легирования значительно понижает образование паразитных p-n — переходов, образующихся при присоединении алюминия.

Рисунок 2 — Схематическое устройство ПТ типа JFET.

MOFSET называется МОП или МДП, также делятся на типы — со встроенным и индуцируемым каналами. В каждом из этих типов есть модели с P и N каналами. Полевой транзистор, обозначение которого представлено на рисунке 3, иногда обладает 4 выводами.

Рисунок 3 — Обозначение МДП-транзистора.

Устройство довольно простое и показано на рисунке 4. Для ПТ с N-каналом подложка (покрывается SiO2) обладает электропроводимостью P-типа. Через слой диэлектрика проводятся электроды стока и истока от зон с легированием, а также вывод, который закорачивается с истоком. Слой затвора находится над диэлектриком.

Рисунок 4 — Типичное устройство ПТ с индуцированным каналом.

Принцип работы JFET

JFET работает в 2 режимах. Эта особенность связана с тем, что подается на затвор напряжение положительной и отрицательной составляющей (рис. 5). При подключении U > 0 к стоку, а земли к истоку необходимо подсоединить затвор к земле (Uзи = 0). Во время постепенного повышения U между С и И (Uис) ПТ является обыкновенным проводником. При низких значениях Uис ширина канала является максимальной.

При высоких значениях Uис через канал протекают большие значения силы тока между истоком и стоком (Iис). Это состояние получило название омической области (ОО). В полупроводнике N-типа, а именно в зонах p-n — перехода происходит снижение концентрации свободных электронов. Несимметричное разрастание слоя снижения концентрации свободных электронов называется обедненным слоем. Разрастание случается со стороны подключенного источника питания. Происходит сильное сужение канала при повышении Uис, вследствие которого Iис растет незначительно. Работа ПТ в этом режиме называется насыщением.

Рисунок 5 — Схема работы JFET (Uзи = 0).

При подаче низкого отрицательного U на затворе происходит сильное сужение канала и уменьшение Iис. При уменьшении U произойдет закрытие канала, и ПТ будет работать в режиме отсечки, а U, при котором прекращается подача Iис, называется напряжением отсечки (Uотс). На рисунке 6 изображено графическое представление работы ПТ при Uзи < 0:

Рисунок 6 — Графическое представление принципа работы полевого транзистора типа JFET.

При использовании в режиме насыщения происходит усиление сигнала (рис. 7), так как при незначительных изменениях Uис происходит значительное изменение Iис:

Рисунок 7 — Пример S JFET.

Этот параметр является усилительной способностью JFET и называется крутизной стоко-затворной характеристики (S). Единица измерения — mA/В (милиАмпер/Вольт).

Особености работы MOFSET

При подключении U между электродами С и И любой полярности к MOFSET с индуцированным N-каналом ток не потечет, так как между легитивным слоем находится слой с проводимостью P, которая не пропускает электроны. Принцип работы с каналом P-типа такой же, только необходимо подавать отрицательное U. Если подать положительное Uзи на затвор, то возникнет электрическое поле, выталкивающее дырки из зоны P в направлении подложки (рис. 8).

Под затвором концентрация свободных носителей заряда начнет уменьшаться, а их место займут электроны, которые притягиваются положительным зарядом затвора. При достижении Uзи порогового значения концентрация электронов будет значительно больше концентрации дырок. В результате этого произойдет формирование между С и И канала с проводимостью N-типа, по которому потечет Iис. Можно сделать вывод о прямо пропорциональной зависимости Iис от Uзи: при повышении Uзи происходит расширение канала и увеличение Iис. Этот процесс является одним из режимов ПТ — обогащения.

Рисунок 8 — Иллюстрация работы ПТ с индуцированным каналом (тип N).

ВАХ ПТ с изолированным затвором примерно такой же, как и с управляющим переходом (рис. 9). Участок, на котором Iис растет прямо пропорционально росту Uис, является омической областью (насыщения). Участок при максимальном расширении канала, на котором Iис не растет, является активной областью.

При превышении порогового значения U переход типа p-n пробивается, и ПТ является обычным проводником. В этом случае радиодеталь выходит из строя.

Рисунок 9 — ВАХ ПТ с изолированным затвором.

Отличие между ПТ со встроенным и индуцируемым каналами заключается в наличии между С и И канала проводящего типа. Если к ПТ со встроенным каналом подключить между стоком и истоком U разной полярности и оставить затвор включенным (Uзи = 0), то через канал потечет Iис (поток свободных носителей заряда — электронов). При подключении к затвору U < 0 возникает электрическое поле, выталкивающее электроны в направлении подложки. Произойдет уменьшение концентрации свободных носителей заряда, а сопротивление увеличится, следовательно, Iис — уменьшится. Это состояние является режимом обеднения.

При подключении к затвору U > 0 возникает электромагнитное поле, которое будет притягивать электроны из стока, истока и подложки. В результате этого произойдет расширение канала и повышение его проводимости, а Iис увеличится. ПТ начнет работать в режиме обогащения. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 — ВАХ ПТ со встроенным каналом.

Несмотря на свою универсальность, ПТ обладают преимуществами и недостатками. Эти недостатки следуют из устройства, способа исполнения и ВАХ приборов.

Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки являются условными понятиями, взятыми из сравнения полевых и биполярных транзисторов. Одним из свойств ПТ является высокое сопротивление Rвх. Причем у MOFSET его значение на несколько порядков выше, чем у JFET. ПТ практически не потребляют ток у источника сигнала, который нужно усилить.

Например, если взять обыкновенную схему, генерирующую сигнал на базе микросхемы-микроконтроллера. Эта схема управляет работой электродвигателя, но обладает низким значением тока, которого недостаточно для этих целей. В этом случае необходим усилитель, потребляющий малое количества I и генерирующий на выходе ток высокой величины. В усилителе такого типа и следует применить JFET, обладающий высоким Rвх. JFET обладает низким коэффициентом усиления по U. При построении усилителя на JFET (1 шт.) максимальный коэффициент усиления будет около 20, при использовании биполярного — несколько сотен.

В усилителях высокого качества применяются оба типа транзистора. При помощи ПТ происходит усиление по I, а затем, при помощи биполярного происходит усиление сигнала по U. Однако ПТ обладают рядом преимуществ перед биполярными. Эти преимущества заключаются в следующем:

1. Высокое Rвх, благодаря которому происходит минимальное потребление I и U.
2. Высокое усиление по I.
3. Надежность работы и помехоустойчивость: при отсутствии протекания I через затвор, в результате чего управляющая цепь затвора изолирована от стока и истока.
4. Высокое быстродействие перехода из одного состояния в другое, что позволяет применять ПТ на высоких частотах.

Кроме того, несмотря на широкое применение, ПТ обладают несколькими недостатками, не позволяющими полностью вытеснить с рынка биполярные транзисторы. К недостаткам относятся следующие:

1. Повышенное падение U.
2. Температура разрушения прибора.
3. Потребление большего количества энергии на высоких частотах.
4. Возникновение паразитного транзистора биполярного типа (ПБТ).
5. Чувствительность к статическому электричеству.

Повышенное падение U возникает из-за высокого R между стоком и истоком во время открытого состояния. ПТ разрушается при превышении температуры по Цельсию 150 градусов, а биполярный — 200. ПТ обладает низким энергопотреблением только на низких частотах. При превышении частоты 1,6 ГГц энергопотребление возрастает по экспоненте. Исходя из этого, частоты микропроцессоров перестали расти, а делается упор на создании машин с большим количеством ядер.

При использовании мощного ПТ в его структуре образовывается ПБТ, при открытии которого ПТ выходит из строя. Для решения этой проблемы подложку закорачивают с И. Однако это не решает проблему полностью, так как при скачке U может произойти открытие ПБТ и выход из строя ПТ, а также цепочки из деталей, которые подключены к нему.

Существенным недостатком ПТ является чувствительность к статическому электричеству. Этот недостаток исходит от конструктивной особенности ПТ. Слой диэлектрика (изоляционный) тонкий, и его очень легко разрушить при помощи заряда статического электричества, который может достигать сотен или тысяч вольт. Для предотвращения выхода из строя при воздействии статического электричества предусмотрено заземление подложки и закорачивание ее с истоком. Кроме того, в некоторых типах ПТ между стоком и истоком стоит диод. При работе с интегральными микросхемами на ПТ следует применять антистатические меры: специальные браслеты и транспортировка в вакуумных антистатических упаковках.

Схемы подключения

ПТ подключается примерно так же, как и обыкновенный, но есть некоторые особенности. Существует 3 схемы включения полевых транзисторов: с общими истоком (ОИ), стоком (ОС) и затвором (ОЗ). Чаще всего применяется схема подключения с ОИ (схема 1). Это подключение позволяет получить значительное усиление по мощности. Однако подключение с ОИ используется в низкочастотных усилителях, а также обладает высокой входной емкостной характеристикой.

Схема 1 — Включение с ОИ.

При включении с ОС (схема 2) получается каскад с повторителем, который называется истоковым. Преимуществом является низкая входная емкость. Его применяют для изготовления буферных разделительных каскадов (например, пьезодатчик).

Схема 2 — Подключение с ОС.

При подключении с ОЗ (схема 3) не происходит значительного усиления по току, коэффициент усиления по мощности ниже, чем при подключениях с ОИ и ОС. Однако при помощи этого типа подключения возможно полностью избежать эффекта Миллера. Эта особенность позволяет увеличить максимальную частоту усиления (усиление СВЧ).

Схема 3 — Включение с ОЗ.

Таким образом, ПТ получили широкое применение в области информационных технологий. Однако не смогли вытеснить с рынка радиодеталей биполярные транзисторы. Это связано, прежде всего, с недостатками ПТ, которые кроются в принципе работы и конструктивной особенности. Главным недостатком является высокая чувствительность к полям статического электричества.

Устройство и принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором

Классификация полевых транзисторов

Лекция 12. Полевые транзисторы. Классификация, принцип действия, основные параметры, схемы включения и режимы работы

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, ток в котором создаётся основными носителями зарядов (только электронами или только дырками). Заряды перемещаются в области, которая называется канал. Электрод, через который ток втекает в транзистор, называется исток (И). Прошедшие через канал заряды выходят из него через электрод, который называется сток (С). Движением зарядов управляет электрод, который называется затвор (З).

Классификация. В зависимости от типа проводимости канала различают полевые транзисторы с каналом типа p и типа n, а в зависимости от способа выполнения затвора – с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Условное графическое обозначение полевых транзисторов представлено на рис. 12.1. Стрелка показывает направление от слоя p к слою n.

Рис. 12.1. Условное графическое обозначение полевых транзисторов

В 1926 году был открыт полевой эффект и указан его недостаток — поверхностные волны в металле не позволяли проникать полю затвора в канал. Однако в 1952 году Уильям Шокли исследовал влияние управляющего p-n перехода на ток в канале, а в 1959 году Джон Аталла и Дэвон Канг из Bell Labs изготовили полевой транзистор с изолированным затвором по технологии МОП металлический (Al) затвор, изолятор оксид кремния (SiO₂) и канал-полупроводник (Si).

Система обозначений транзисторов была рассмотрена в лекции 6, и для полевых транзисторов, как и для биполярных, установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919 – 81 и его последующими редакциями.

12.2. Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

Рассмотрим физические процессы, происходящие в полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и каналом n-типа, схематичное изображение которого представлено на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и каналом n-типа

Такая конструкция, в которой электроды расположены в одной плоскости, называется планарной. В исходном полупроводниковом материале методом диффузии создаётся легированная область n – канал. Затем на поверхности образуют сток, исток и затвор таким образом, что канал получается под затвором. Нижняя область исходного полупроводника – подложка – обычно соединяется с затвором. Исток подключают к общей точке источников питания, и напряжения на стоке и затворе измеряют относительно истока.

Изменение проводимости канала осуществляется изменением напряжения, прикладываемого к p-n переходам затвора и подложки. На рис. 12.3. представлены графики статических характеристик. Поскольку ток затвора не зависит от напряжения U_ЗИ, входная характеристика отсутствует. Вместо неё применяется сток — затворная характеристика передачи . Выходная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения на стоке при фиксированном напряжении на затворе .

Рис. 12.3. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

При U_ЗИ = 0 толщина p-n – переходов затвора и подложки минимальна, канал «широкий» и проводимость его наибольшая. Под действием напряжения U_СИ по каналу будет проходить ток, создаваемый основными носителями зарядов – электронами. На участке напряжений от 0 до U_СИ.НАС ток будет нарастать и достигнет величины I_С.нач – начального тока стока. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке повышает напряжённость поля в запорном слое p-n переходов затвора и подложки, но не увеличивает ток стока. Когда напряжение на стоке достигнет U_{СИ.макс}, может наступить электрический пробой по цепи сток – затвор, что показывает вертикальная линия роста тока на выходной характеристике.

Если отрицательное напряжение на затворе увеличивать, то, в соответствии с эффектом Эрли, толщина p-n – переходов затвора и подложки начнёт увеличиваться за счёт канала, сечение канала будет уменьшаться. Ток стока будет ограничен на меньшем уровне. Если и дальше увеличивать отрицательное напряжение на затворе, то, при некоторой его величине, называемой напряжением отсечки U_ЗИотс, p-n переходы затвора и подложки сомкнутся и перекроют канал. Движение электронов в канале прекратится, ток стока будет равен нулю, и не будет зависеть от напряжения на стоке.

Следовательно, полевой транзистор с управляющим p-n–переходом до напряжения на стоке U_СИ.НАС работает как регулируемое сопротивление, а на горизонтальных участках выходных характеристик может использоваться для усиления сигналов в режиме нагрузки.

Отличие полевых транзисторов с изолированным затвором состоит в том, что у них между металлическим затвором и полупроводником-каналом находится слой диэлектрика, в качестве которого используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния методом высокотемпературного окисления. Существуют два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: с индуцированным каналом и с встроенным каналом.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа, упрощённая конструкция которого представлена на рис. 12.4.

Основой транзистора является подложка – пластина Si с проводимостью р типа и с высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильно легированные области с проводимостью n типа, не соединённые между собой. К ним подключают металлические контакты, которые будут выводами стока и истока. Поверхность пластины покрывают слоем SiO₂, на который между стоком и истоком наносят слой металла – затвор. Подложку обычно электрически соединяют с истоком.

При U_ЗИ = 0, даже если между стоком и истоком приложено напряжение, транзистор закрыт, и в цепи стока протекает малый обратный ток p-n перехода между стоком и подложкой (рис. 12.4, а).

Рис. 12.4. Конструкция и принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом:

а – при U_ЗИ = 0; б – при U_ЗИ > порогового значения

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него вглубь полупроводника основные носители зарядов (дырки) и притягивая электроны. При малых напряжениях U_ЗИ под затвором возникает обеднённый основными носителями зарядов слой и область объёмного заряда, состоящего из ионизированных атомов примеси.

При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе в поверхностном слое полупроводника происходит инверсия электропроводности (рис. 12.4, б). Образуется тонкий инверсный слой – канал – соединяющий сток с истоком. Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называется пороговым напряжением.

Изменение напряжения на затворе вызывает изменение толщины и электропроводности канала, а, следовательно, и ток стока.

На рис. 12.5 представлены графики статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа.

Рис. 12.5. Графики статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа

Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями зарядов при увеличении напряжения на затворе, называется режимом обогащения.

Отсутствие тока стока при нулевом напряжении на затворе, а также одинаковая полярность напряжений U_ЗИ и U_СИ у транзисторов с индуцированным каналом позволяет использовать их в экономичных цифровых микросхемах.

Рассмотрим теперь принцип действия полевого транзистора с встроенным каналом n-типа, упрощённая конструкция которого аналогична конструкции, представленной на рис. 12.4, б.

На стадии изготовления такого транзистора между областями стока и истока методом диффузии создаётся тонкий слаболегированный слой – канал – с таким же типом проводимости, как у стока и истока.

При U_ЗИ = 0, когда между стоком и истоком приложено напряжение, транзистор открыт, и в цепи стока протекает ток. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока, будет выталкивать электроны из канала и втягивать в канал дырки из подложки. Канал обедняется основными носителями зарядов, его толщина и электропроводность уменьшаются. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки, канал закрывается, ток стока становится равным нулю.

Увеличение положительного напряжения на затворе вызывает приток электронов из подложки в канал. Канал обогащается носителями, ток стока возрастает.

Таким образом, транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

На рис. 12.6 представлены графики статических характеристик полевого транзистора с встроенным каналом n-типа.

Рис. 12.6. Графики статических характеристик полевого транзистора с встроенным каналом n-типа

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET-транзистор)

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом – это очень мутная тема для многих начинающих электронщиков.

Электрическое поле

Как вы знаете, поле бывает разным. Бывает такое:

А бывает и такое))

Но речь пойдет совсем о других полях: невидимых… Мы их не видим, не слышим, но можем почувствовать. Например, гравитационное поле Земли тянет нас к центру Земли, хотим мы этого или нет. Некоторые виды полей без специальных приборов мы даже и не заметим. Это электрическое и магнитное поле. В данной статье мы с вами разберем электрическое поле.

Представьте себе, что мы взяли пару металлических пластинок. На одну из них мы подаем плюс питания, а на другую – минус.

В результате, они заряжаются, и между этими двумя пластинами создается однородное электрическое поле, которое характеризуется таким параметром, как напряженность. По идее, чем больше мы подадим напряжения между пластинами, тем напряженнее стает поле между этими пластинами.  Физика, 7-8 класс 😉

Но самое интересное, что это поле может влиять непосредственно на электроны. Если электрон пролетит между этими двумя пластинами, плюсовая пластина  начнет притягивать его к себе и траектория полета электрона будет уже искривлена. Чем больше напряженность поля, тем больше оно будет влиять на траекторию движения электрона. На этом принципе основана работа кинескопных телевизоров.

Какой вывод можно сделать из всего этого? Электрическое поле влияет на электроны и не только на электроны, но и на другие частицы, обладающие положительным, либо отрицательным зарядом. Это утверждение запомним. Оно нам еще пригодится.

Также вы со школы должны помнить еще одно утверждение: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:

Взаимодействие полупроводников

Мы с вами  знаем из статьи Биполярный транзистор, что есть два типа искусственных легированных полупроводников. Это полупроводник N-типа и полупроводник P-типа. Как вы помните, в полупроводнике N-типа у нас избыток электронов (там их ОЧЕНЬ много):

А в полупроводнике P-типа избыток дырок:

Если вы не забыли, электроны у нас обладают отрицательным зарядом ( – ), а дырки – положительным зарядом ( + ). Поэтому, на картинках мы заполнили наши бруски полупроводников соответствующими зарядами.

А что будет, если соединить их друг с другом?

Так как электроны и дырки постоянно находятся в хаотическом движении, на границе соединения P и N полупроводников начнется диффузия. Что такое диффузия? Как говорит нам Википедия, диффузия – это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого вещества.

Пример:

Если пустить шептуна на парах, то в этом случае ваши вонючие молекулы из пукана будут смешиваться с молекулами воздуха и сосед через парту учует ваш запах пельменей, которые вы съели на ужин.

На границе полупроводников происходит то же самое! Электроны и дырки начинают смешиваться.

Но если ваши вонючие молекулы, выпущенные из пукана, могут спокойно смешиваться с воздухом пока не займут все пространство кабинета, то на границе P-N перехода есть камень преткновения. И он заключается в том, что электроны и дырки обладают зарядом и начинают взаимодействовать с друг другом. Начинает работать правило, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Так как электроны и дырки разноименных зарядов, они начинают притягиваться к друг другу. То есть с одной стороны идет диффузия, а с другой стороны взаимодействие зарядов. Когда все это устаканивается, получается вот такая картинка:

Что такое запирающий слой

Область, которая возникает между этими зарядами, называется запирающим слоем. Его также называют обедненным, от слова “бедный”, так как в нем нет основных носителей. Как вы помните, основные носители в N полупроводнике – это электроны, а в P полупроводнике – дырки. А раз нет свободных зарядов, то и электрический ток течь не может, так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц в одном направлении. Получается, эта область по сути стает  диэлектриком , то есть областью, которая не проводит электрический ток.

Ну а теперь самое интересное. Оказывается, мы можем управлять толщиной этого запирающего слоя! Для этого достаточно увеличить напряженность электрического поля с помощью источника питания, то есть увеличить подаваемое напряжение, соблюдая необходимую полярность. Плюс источника напряжения подаем на N полупроводник, а минус источника – на P полупроводник.

Вот что у нас получится:

Электроны стремятся всей толпой к плюсовой клемме батареи, а дырки – к минусовой. В результате этого, запирающий слой стает намного шире. Это равносильно тому, что мы подаем обратное смещение на P-N переход. Чем больше напряжения мы подаем на P и N полупроводник, тем больше ширина запирающего слоя. Все элементарно и просто 😉

Если бы мы подали на P полупроводник  плюс, а на N  – минус, то у нас бы запирающий слой равнялся бы нулю и электрический ток прошел бы беспрепятственно через P-N переход. Как вы помните, это называется прямым включением P-N перехода. Но в этом случае мы должны подать напряжение больше, чем контактная разность потенциалов на границе переходов. Она равняется 0,6-0,7 Вольт, если используется материал кремний. Как только напряжение стает больше, чем 0,6-0,7 Вольт, начинается движение электрических зарядов. Диффузия усиливается еще тем, что электроны бегут к плюсовой клемме, а дырки – к минусовой.

Применение запирающего слоя в JFET транзисторах

Но где же можно применить свойство “изменение толщины диэлектрика под воздействием напряженности электрического поля”? А давайте рассмотрим небольшой пример. Может быть вам потом станет ясно, где можно применить это свойство 😉

Итак, провинциальный городок X. Обычный будний день. Поток людей спешит по своим делам. Около тротуара стоит лавка с хот-догами. Пока что она еще не открылась, так как продавец сладко спит,  поэтому все проходят мимо этой лавки:

Но вот она открывается, и первые зеваки начинают “тусить” возле нее, чтобы отведать позавчерашних холодных протухших хот-догов)).

Продавец видит, что дела идут в гору и начинает еще быстрее обслуживать клиентов. То есть он вкладывает всю свою энергию, чтобы выдержать темп. Он начинает работать напряженнее. Чем напряженнее он обслуживает клиентов, тем их становиться больше. Зевакам ведь интересно, что за тусовка там намечается. А раз все покупают, то и они тоже хотят. Народу становится чуток больше.

Народ тихонько подваливает и продавец, чтобы не упустить выгоду, начинает работать изо всех сил. Наш бедный продавец работает, как белка в колесе. Тут уже не расслабишься, иначе народ уйдет к продавцу пончиков. На лбу у него выступил пот, напряжен так, что вот-вот уже лопнет от усталости! Но гляньте на тротуар… Движение ПЕРЕКРЫЛИ зеваки, которые жить не быть хотят купить эти протухшие хот-доги.

Мораль сей басни такова:

Коль хочешь жрать, готовь с утра).

Теперь давайте представим, что тротуар – это проводник. Люди – это электроны. Продавец – это какой-либо заряд, который если захочет, может работать либо напряженнее, либо вообще закрыть лавку.

Итак, что у нас тогда получается. Пока лавка закрыта, толпа зевак спокойно идет по своим делам в одном направлении. Продавца нет на месте. То есть заряд ноль. Это значит, что в данном направлении у нас спокойно течет электрический ток,  так как упорядоченное движение заряженных частиц – это и есть электрический ток

Как только продавец открыл лавку и стал работать,  некоторые зеваки стали толпиться у лавки. Но эта кучка зевак теперь мешается на тротуаре людям, которые действительно куда-то спешат по делам. То есть эта кучка зевает оказывает сопротивление потоку людей, спешащим по делам. Уже интереснее. Раз мешаются, значит меньше людей сможет пройти ниже толпы зевак за какое-то время. А что у нас значит этот параметр? Не силу тока ли случайно? Вот именно! Сила тока стала меньше!

Итак, теперь главный вопрос: от чего зависит поток людей? Да от продавца, мать его за ногу!

Как только он начинает орать: “Свежие хот-доги, бери, налетай, теще покупай!”, народу стает больше. То есть как только он начинает работать напряженнее, так и толпа зевак начинает больше заграждать тротуар. И все может закончится тем, что движение на тротуаре встанет колом. И да, кстати. Стоящая толпа зевак – это уже не электроны. Это обедненный слой, диэлектрик)

И вот ученые инженеры, которые поняли, что можно менять силу тока, управляя напряженностью электрического поля, создали радиоэлемент, который назвали в честь электрического поля, и имя его полевой транзистор.

Схема полевого JFET-транзистора с управляющим PN-переходом

В нашем примере мы тоже будем использовать вместо “тротуара” полупроводник N-типа. То есть мы имеем какой-либо брусочек из N полупроводника. В нем преобладают электроны. Конечно, их не так много, как в проводниках, но все же их достаточно, чтобы через этот брусок  мало-мальски тёк электрический ток.

Что будет, если на него подать напряжение? Как я уже сказал, хотя в  N полупроводнике избыток электронов, но их все равно не так много, как в проводниках. Поэтому через этот кусок N полупроводника побежит электрический ток, если мы приложим к нему постоянное или переменное напряжение.

Вы ведь не забыли, что хотя электроны и бегут к плюсу, но за направление электрического тока  во всем мире принято движение от плюса к минусу источника напряжения?

А теперь давайте впаяем в этот брусок полупроводник P-типа. Получится что-то типа этого:

Можно сказать, что у нас уже получился полевой транзистор.

На границе касания теперь образовался PN-переход с небольшим запирающим слоем!

Итого, у нас получился “кирпич” с тремя выводами.

Что такое сток, исток и затвор

Полевой транзистор имеет три вывода. Вывод, с которого начинают свой путь электроны (основные носители) называется ИСТОКОМ. От слова “источник”. В разговорной речи мы источником называем родник, из которого бьет чистая вода. Поэтому нетрудно будет запомнить, что ИСТОК – это тот вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда. В данном случае это электроны. Место, куда они стекаются, называются СТОКОМ.

Эти два понятия нетрудно будет запомнить, если вспомнить водосточную систему с крыш ваших домов.

Истоком будет труба, которая собирает всю капли дождя с шифера или профнастила

А стоком будет конец  трубы, из которой вся дождевая вода будет выбегать на землю:

Но опять же, не забывайте, что мы говорим об электронах! А электроны бегут к плюсу. То есть по-нашенски получается что на СТОК мы подаем плюс, а на ИСТОК – минус.

А для чего нужен третий вывод?

Так, а давайте по приколу где-нибудь обрежем нашу водосточную трубу и воткнем туда вот такой прибамбас:

Называется он дисковым затвором. Чего бы мы добились, если бы воткнули этот дисковый затвор в нашу водосточную трубу? Да покрутив за баранку, мы могли бы регулировать поток воды! Мы можем вообще полностью перекрыть трубу, тогда в этом случае на стоке не стоит ждать дождевую водичку. А можем открыть наполовину, и регулировать поток воды со стока, чтобы при ливне у нас поток воды не смыл грядки и не сделал большую яму в земле. Удобно? Удобно.

Так вот, третий вывод полевого транзистора, который соединяется с P полупроводником называется тоже ЗАТВОРОМ и служит как раз для того, чтобы регулировать силу тока в бруске, через который бежит электрический ток 😉 Для этого достаточно подать на него напряжение, чтобы P-N переход был включен в обратном направлении, то есть в нашем случае подать МИНУС относительно ИСТОКА. Вся картина в целом будет выглядеть как-то вот так:

Канал полевого JFET-транзистора

В этом случае, как вы видите на рисунке выше, запрещенный слой увеличивается в глубину бруска и начинает перекрывать дорогу электронам. В результате получается, что ширина “тротуара” для электронов стает меньше, и только некоторые электроны могут достичь назначенной цели, то есть СТОКА. Этот “тротуар” в полевом транзисторе называют каналом.

Так как у нас брусок сделан из N-полупроводника, следовательно и канал тоже у нас N-проводимости. Следовательно, такой  полевой транзистор называется N-канальным полевым транзистором с управляющим P-N переходом. На буржуйский манер это звучит как Junction Field-Effect-Transistors или просто JFET. Также неплохо было бы запомнить английские название выводов: Drain – сток, Source – исток, Gate – затвор.

А что будет, если на Bat2 мы еще больше добавим напряжения? То есть мы сделаем так, чтобы U2>U1. В этом случае у нас запирающий слой еще больше уйдет в брусок. Канал станет еще тоньше. Следовательно, увеличится сопротивление канала, что в свою очередь вызовет уменьшение силы тока через канал:

Если мы еще увеличим напряжение (U3>U2), то заметим, что при каком-то напряжении U3 у нас вообще перестанет течь ток через канал. Запирающий слой ПОЛНОСТЬЮ его перекроет:

Все, приехали… В этом случае мы ПОЛНОСТЬЮ перекрыли канал для дальнейшего движения электронов. А раз движуха электронов закончилась, то  откуда взяться электрическому току?  Ведь электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц, не так ли? Поэтому через исток-сток электрический бежать не будет.

Как работает полевой JFET-транзистор на практике

Ну что же, приступаем к практике.

В гостях у нас полевой N-канальный полевой транзистор с управляющим P-N переходом 2N5485:

Его распиновка будет выглядеть вот так:

В живую он выглядит вот так:

Для того, чтобы проверить писанину, которую вы прочитали,  соберем  вот такую схемку по рисункам выше:

Для удобства восприятия я нарисовал полевой транзистор, как он выглядит визуально.

Какие же напряжения допускаются при его эксплуатации? Если кому интересно, вот  на него даташит . Оттуда я взял безопасное напряжение для его проверки 15 Вольт, поэтому на Bat1 выставляю напряжение в 15 Вольт:

На Bat2 пока что устанавливаю 0 Вольт.

То есть это значит, что напряжение на Затвор-Истоке U_ЗИ=0 Вольт. А раз 0 Вольт, то канал у нас полностью открыт и электрончики в N полупроводнике спокойно бегут в одном направлении по своим делам. Но опять же, N полупроводник считается плохим проводником, так как в нем мало электронов. Поэтому, сила тока полностью открытого канала у нас будет 6,2 мА при напряжении в 15 Вольт. Сейчас даже можно вычислить сопротивление канала из закона Ома. R=U/I=15/6,2×10^-3=2,42 КилоОма.

Если сравнивать эту ситуацию с продавцом хот-догов, то у нас это аналогично моменту, когда продавец еще дрыхнет дома:

А давайте добавим напряжение на Bat2 до полувольта.

Смотрим на миллиамперметр

Видели да? Сила тока через сток-исток уменьшилась!

Этот момент аналогичен тому, когда продавец только открыл свою лавку, и первые зеваки начинают тусить возле нее

А давайте еще добавим напряжение на Bat2 до 1 вольта:

Что мы видим на миллиамперметре?

Сила тока через Сток-Исток стала еще меньше! Но почему она стает меньше? Да дело в том, что запирающий слой стает все более толще от напряжения, тем самым уменьшая токопроводящий канал.

Это аналогично, когда продавец начинает уже тихонька напрягаться:

Давайте еще добавим полвольта на Bat2:

Смотрим на миллиамперметр:

Сила тока через канал стала еще меньше!

До какого же значения можно добавлять напряжение на Bat2? Уже при напряжении 2,3 Вольта

Электрический ток через канал полностью перестает бежать.

Канал стает полностью перекрытым.

Ну а этот момент аналогичен, когда продавец настолько напрягся, что перекрыл весь тротуар зеваками:

Дальнейшее увеличение напряжения на Bat2 уже ни к чему не приведет. Всегда можно подобрать такое обратное напряжение на ЗАТВОРЕ, при котором токопроводящий канал СТОК-ИСТОК будет полностью перекрыт.

Минуточку внимания. Все, что написано выше, мы применяли к N-канальному транзистору. Почему N-канальный, я думаю, вы уже догадались. Его внутреннее строение, как вы уже читали выше в статье, выглядит вот так:

И на схемах такой транзистор изображается вот так:

Р-канальный JFET-транзистор с изолированным PN-переходом

Но есть также и P-канальный полевой транзистор с управляющим P-N переходом. Как вы уже догадались из названия, его канал сделан и полупроводника P-типа. Его внутреннее строение выглядит вот так:

На схемах обозначается так:

Обратите внимания на стрелочку по сравнению с N-канальным транзистором.

Принцип его действия точно такой же, просто основными носителями заряда будут являться уже дырки. Следовательно, все напряжения в схеме  меняем на противоположные:

Также не забываем, что вывод, откуда начинают движение основные носители (как вы помните в P полупроводнике это дырки), называется ИСТОКОМ.

Внутреннее строение транзистора с управляющим PN-переходом

Для того, чтобы проверить полевой транзистор с управляющим PN-переходом, достаточно вспомнить его внутреннее строение.

N-канальный выглядит вот так:

А P-канальный вот так:

Теперь давайте вспомним, какой радиоэлемент у нас состоит из PN-перехода? Все верно, это диод. Получается что Затвор и Исток образуют один диод, а Затвор и Сток – другой диод. Сам канал обладает каким-то сопротивлением, а это есть нечто иное как резистор.

Для N-канального транзистора

Эквивалентная схема будет выглядеть вот так:

Для P-канального

Эквивалентная схема будет выглядеть вот так:

Получается, для того, чтобы узнать целостность транзистора, нам достаточно проверить все эти три элемента 😉

Как проверить транзистор с управляющим PN-переходом с помощью мультиметра

У нас в гостях уже знакомый вам из прошлой статьи N-канальный полевой транзистор с PN-переходом 2N5485

Сейчас мы будем проверять его на работоспособность.

Впрочем, не так быстро! Полевые транзисторы больше всего боятся статического электричества, особенно МОП-транзисторы. Поэтому, прежде чем начинать проверку, стоит снять статику с себя (и с того, чем ещё можем его коснуться). Можно заземлить себя, скажем, с помощью водосточной или отопительной трубы (коснувшись металлической части трубы без лакокрасочного покрытия). Но лучше всего для этого дела подойдет антистатический браслет.

Для этого нам понадобится мультиметр:

Для проверки полевого транзистора с управляющим PN-переходом первым делом качаем на него даташит и смотрим расположение его выводов (цоколевку).

Вот кусочек даташита моего транзистора с цоколевкой:

Если его повернуть задом к нам, как в даташите, то слева-направо у нас идет Затвор, Исток, Сток

Там же в даташите указано, что он N-канальный.

Ну что же? Начнем проверку?

Так как транзистор N-канальный, следовательно, встаем на Затвор красным щупом мультиметра и проверяем диоды. Проверяем диод Затвор-Исток:

Норм.

Проверяем  диод Затвор-Сток:

Норм.

Как вы помните, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Поэтому, когда мы поменяем полярность и снова проверим диоды, то увидим на экране мультиметра очень большое сопротивление:

Ну а теперь остается проверить сопротивление между Истоком и Стоком. Для того, чтобы его замерить, мы должны подать на Затвор 0 Вольт. Будет большим заблуждением, если мы оставим Затвор болтаться в воздухе, так как в этом случае вывод Затвора – это как маленькая антенна, которая ловит различные наводки, а следовательно имеет уже какой-то потенциал, что конечно же, сказывается на сопротивлении Исток-Сток. Поэтому, цепляемся мультиметром к Стоку и Истоку, а Затвор берем в руку. В идеале, хорошо было бы взяться другой рукой за отопительную батарею, чтобы полностью заземлить Затвор. На мультике должно высветится какое-либо сопротивление:

Что-то показывает? Значит все ОК ;-). Транзистор жив и здоров.

Как проверить транзистор с управляющим PN-переходом с помощью RLC-транзисторметра

Также есть второй способ проверки транзистора с управляющим PN-переходом. Но для этого нам понадобиться транзисторметр, прибор который умеет замерять почти всё. Вставляем транзистор в кроватку и зажимаем рычажком. Нажимаем зеленую кнопку “Пуск” и прибор нам выдает схемотехническое обозначение нашего подопечного с обозначением выводов:

Ну разве не чудо?

N-JFET – N-канальный транзистор с управляющим P-N переходом. G-Gate-Затвор, D-Drain-Сток, S-Source-Исток. Также навскидку даются два параметра: Ugs и I.  Ugs – это напряжение между Затвором и Истоком (Gate-Source). I – сила тока через канал, то есть через Исток-Сток. Следовательно, прибор показывает, какая сила тока будет течь через Исток-Сток, при таком-то напряжении на Затворе. По идее, эти два параметры на практике не нужны. Они вам просто показывают, что транзистор живой и что с него можно выжать.

Все те же самые операции касаются и P-канального транзистора. Только  в этом случае “диоды” меняют свое направление на противоположное.

Заключение

P-канальный транзистор используется еще реже, чем N-канальный. Да и вообще, полевой транзистор с PN- переходом давно уже канул в лету, но все таки кое-где до сих пор применяются. На смену им пришли полевые транзисторы (MOSFET, МОП) , о которых я поведу речь в следующих статьях.

Какие бывают типы полевых транзисторов

Кластер полевых транзисторов

Полевой транзистор или полевой транзистор — это транзистор, в котором выходной ток регулируется электрическим полем. Полевой транзистор иногда называют униполярным транзистором, поскольку он предполагает работу с одной несущей. Основные типы полевых транзисторов полностью отличаются от основных типов транзисторов BJT. FET — это трехконтактные полупроводниковые устройства с выводами истока, стока и затвора.

Заряды переносятся электронами или дырками, которые текут от истока к стоку через активный канал.Этот поток электронов от истока к стоку контролируется напряжением, приложенным к клеммам затвора и истока.

Типы полевых транзисторов

Полевые транзисторы бывают двух типов — полевые транзисторы JFET и полевые МОП-транзисторы.

Junction FET

A Junction FET

Junction FET транзистор — это тип полевого транзистора, который может использоваться в качестве переключателя с электрическим управлением. Электроэнергия течет по активному каналу между источниками к выводам стока. При приложении напряжения обратного смещения к клемме затвора канал напрягается, поэтому электрический ток полностью отключается.

Соединительный полевой транзистор доступен в двух полярностях:

N-канал JFET

N-канал JFET

N-канал JFET состоит из стержня n-типа, по бокам которого легированы два слоя p-типа. Канал электронов составляет N-канал устройства. На обоих концах N-канального устройства имеются два омических контакта, которые соединены вместе, образуя вывод затвора.

Клеммы истока и стока взяты с двух других сторон шины.Разность потенциалов между выводами истока и стока обозначается как Vdd, а разность потенциалов между выводами истока и затвора обозначается как Vgs. Поток заряда происходит из-за потока электронов от истока к стоку.

Всякий раз, когда на клеммы стока и истока подается положительное напряжение, электроны текут от истока «S» к клемме стока «D», тогда как обычный ток стока Id течет через сток к истоку. Поскольку ток течет через устройство, оно находится в одном состоянии.

Когда на вывод затвора подается напряжение отрицательной полярности, в канале создается область обеднения. Ширина канала уменьшается, следовательно, увеличивается сопротивление канала между истоком и стоком. Поскольку переход затвор-исток имеет обратное смещение и в устройстве не течет ток, оно находится в выключенном состоянии.

Таким образом, если напряжение, приложенное к выводу затвора, увеличивается, меньшее количество тока будет течь от истока к стоку.

JFET с N каналом имеет большую проводимость, чем JFET с каналом P.Таким образом, JFET с каналом N является более эффективным проводником по сравнению с JFET с каналом P.

P-Channel JFET

P-канал JFET состоит из стержня P-типа, с двух сторон которого легированы слои n-типа. Клемма затвора формируется путем соединения омических контактов с обеих сторон. Как и в N-канальном JFET, выводы истока и стока взяты с двух других сторон шины. Канал P-типа, состоящий из дырок в качестве носителей заряда, образован между выводами истока и стока. P-канал JFET bar

Отрицательное напряжение, приложенное к выводам стока и истока, обеспечивает протекание тока от истока к выводам стока, и устройство работает в омической области. Положительное напряжение, приложенное к выводу затвора, обеспечивает уменьшение ширины канала, тем самым увеличивая сопротивление канала. Более положительным является напряжение затвора; меньше ток, протекающий через устройство.

Характеристики полевого транзистора с p-канальным переходом

Ниже приведены характеристическая кривая полевого транзистора с p-переходом и различные режимы работы транзистора.

Характеристики полевого транзистора с p-переходом

Область отсечки : Когда напряжение, приложенное к выводу затвора, достаточно положительное, чтобы ширина канала была минимальной, ток не течет. Это приводит к тому, что устройство оказывается в отключенной области.

Омическая область : Ток, протекающий через устройство, линейно пропорционален приложенному напряжению, пока не будет достигнуто напряжение пробоя. В этой области транзистор показывает некоторое сопротивление протеканию тока.

Область насыщения : Когда напряжение сток-исток достигает такого значения, что ток, протекающий через устройство, является постоянным с напряжением сток-исток и изменяется только с напряжением затвор-исток, устройство считается находящимся в область насыщения.

Область пробоя : Когда напряжение сток-исток достигает значения, которое вызывает пробой в области истощения, вызывая резкое увеличение тока стока, устройство считается находящимся в области пробоя.Эта область пробоя достигается раньше при более низком значении напряжения сток-исток, когда напряжение затвор-исток более положительное.

MOSFET-транзистор

MOSFET-транзистор

MOSFET-транзистор, как следует из названия, представляет собой полупроводниковую шину p-типа (n-типа) (с двумя сильно легированными областями n-типа, рассеянными в ней) со слоем оксида металла, нанесенным на ее поверхность и отверстия, вынутые из слоя для формирования выводов истока и стока. На оксидный слой нанесен металлический слой, образующий вывод затвора.Одно из основных применений полевых транзисторов — использование полевого МОП-транзистора в качестве переключателя.

Этот тип полевого транзистора имеет три вывода: исток, сток и затвор. Напряжение, приложенное к клемме затвора, управляет потоком тока от истока к стоку. Наличие изолирующего слоя из оксида металла приводит к тому, что устройство имеет высокое входное сопротивление.

Типы полевых МОП-транзисторов в зависимости от режимов работы

МОП-транзисторы являются наиболее часто используемыми типами полевых транзисторов.Работа MOSFET осуществляется в двух режимах, на основе которых классифицируются транзисторы MOSFET. Работа полевого МОП-транзистора в режиме расширения состоит из постепенного формирования канала, тогда как в режиме истощения полевого МОП-транзистора он состоит из уже рассредоточенного канала. Расширенное применение MOSFET — это CMOS.

Расширенный полевой МОП-транзистор

Когда отрицательное напряжение подается на вывод затвора полевого МОП-транзистора, носители или дырки, несущие положительный заряд, накапливаются больше около оксидного слоя.Канал формируется от истока до вывода стока.

Расширенный полевой МОП-транзистор

По мере того, как напряжение становится более отрицательным, ширина канала увеличивается, и ток течет от истока к клемме стока. Таким образом, когда поток тока «усиливается» с приложенным напряжением затвора, это устройство называется MOSFET расширенного типа.

МОП-транзистор в режиме истощения

МОП-транзистор в режиме истощения состоит из канала, рассеянного между стоком и выводом истока.При отсутствии напряжения на затворе ток течет от истока к стоку из-за канала.

МОП-транзистор в режиме истощения

Когда это напряжение затвора становится отрицательным, в канале накапливаются положительные заряды.
Это вызывает истощение области или области неподвижных зарядов в канале и препятствует протеканию тока. Таким образом, поскольку на протекание тока влияет формирование обедненной области, это устройство называется MOSFET режима обеднения.

Приложения, использующие MOSFET в качестве переключателя

Управление скоростью двигателя BLDC

MOSFET может использоваться в качестве переключателя для управления двигателем постоянного тока.Здесь транзистор используется для запуска полевого МОП-транзистора. ШИМ-сигналы от микроконтроллера используются для включения или выключения транзистора.

Управление скоростью двигателя BLDC

Низкий логический сигнал с вывода микроконтроллера приводит к срабатыванию блока сопряжения OPTO, генерируя высокий логический сигнал на его выходе. Транзистор PNP отключен, и, соответственно, MOSFET срабатывает и включается. Клеммы стока и истока закорочены, и ток течет к обмоткам двигателя, так что он начинает вращаться.Сигналы ШИМ обеспечивают управление скоростью двигателя.

Управление массивом светодиодов:

Управление массивом светодиодов

Работа полевого МОП-транзистора в качестве переключателя включает приложение для управления яркостью массива светодиодов. Здесь транзистор, управляемый сигналами от внешних источников, таких как микроконтроллер, используется для управления MOSFET. Когда транзистор выключен, MOSFET получает питание и включается, тем самым обеспечивая правильное смещение для светодиодной матрицы.

Переключение лампы с использованием полевого МОП-транзистора:

Переключение лампы с использованием полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор можно использовать в качестве переключателя для управления переключением ламп. Здесь также MOSFET запускается с помощью транзисторного переключателя. ШИМ-сигналы от внешнего источника, такого как микроконтроллер, используются для управления проводимостью транзистора, и, соответственно, полевой МОП-транзистор включается или выключается, таким образом управляя переключением лампы.

Мы надеемся, что нам удалось предоставить читателям самые лучшие знания по теме полевых транзисторов.Мы хотели бы, чтобы читатели ответили на простой вопрос — чем полевые транзисторы отличаются от биполярных транзисторов и почему они более широко используются в сравнении.

Пожалуйста, ваши ответы вместе с вашими отзывами в разделе комментариев ниже.

Photo Credits

Кластер полевого транзистора от alibaba
JFET с N-каналом от ebaying
P-канальный JFET от solarbotics
P-канальный JFET-бар от wikimedia
Кривая характеристик P-канала JFET от изученияaboutehancement
MOSFET-транзистор
от компании Imimimim Транзистор по схемам сегодня

.

Полевые транзисторы для обнаружения газов

1. Введение

Важность и потребность в обнаружении газов, паров и летучих органических соединений (ЛОС) возрастает в таких областях, как диагностика [1–4], мониторинг окружающей среды в промышленности. , сельское хозяйство, безопасность дома и др. [4, 5]. Были исследованы и разработаны различные типы газовых сенсоров и сенсорных матриц [6–8], включая сенсоры на основе полевых транзисторов (FET). После отчета о новаторской работе над полевыми транзисторами с каталитическим затвором исследования газовых датчиков на основе полевых транзисторов были распространены на различные типы газочувствительных полевых транзисторов.В этой главе представлены полевые транзисторы с каталитическим затвором, полевые транзисторы с подвесным затвором (SGFET) и полевые транзисторы на основе твердого электролита. Газочувствительные полевые транзисторы на основе наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки (CNT), нанопроволоки (NW), графен и халькогениды переходных металлов, также были исследованы, поскольку высокое отношение поверхности к объему наноматериалов является привлекательным для улучшения свойств сенсора [5, 9]. Также рассматриваются полевые транзисторы на основе наноматериалов.

Для распознавания газообразных и летучих аналитов по результатам зондирования использовались два основных метода [3].Традиционный метод распознавания использует селективные сенсоры со специфическими рецепторами, предназначенными для селективного взаимодействия с целевыми аналитами [3, 6]. Другой метод распознавания использует комбинацию массивов перекрестно-реактивных датчиков и методов распознавания образов [3, 6–8, 10]. Эти матрицы перекрестно-реактивных сенсоров состоят из газовых сенсоров, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют разную чувствительность. На сегодняшний день в массивах датчиков используются различные газовые сенсоры [6, 8], включая газочувствительные полевые транзисторы.В этой главе кратко рассмотрено исследование комбинации массивов датчиков на основе полевых транзисторов и методов распознавания образов.

2. Газочувствительные полевые транзисторы и полевые устройства в сочетании с каталитическими металлическими затворами

Полевые транзисторы с каталитическим затвором являются одним из типов газочувствительных полевых транзисторов. В 1975 году Lundström et al. впервые сообщил о полевом транзисторе с Pd-затвором, чувствительным к водороду [11, 12]. Новаторские исследования полевых транзисторов с каталитическим затвором открыли область применения газовых сенсоров на основе полевых транзисторов и других газочувствительных полевых устройств, таких как сенсоры на основе конденсаторов [13–17] и сенсоров на основе диодов Шоттки [18, 19].Устройства с полевым эффектом с каталитическим затвором имеют наноразмерный слой каталитических металлов, таких как палладий и платина, в качестве электрода затвора на изолирующих слоях в структуре металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) [20]. На рисунке 1 показаны схематические изображения этой структуры и порогового сдвига напряжения полевого транзистора с Pd-затвором, чувствительного к водороду [21]. В первоначальных сообщениях о полевых транзисторах с каталитическим затвором, Pd в качестве электрода каталитического затвора наносился на изолирующий слой МДП-структуры полевого транзистора [11, 12, 21].На рис. 2 показаны изменения порогового напряжения [11] при введении водорода в полевые транзисторы с Pd-затвором. Газочувствительные механизмы полевых транзисторов с каталитическим затвором и полевых устройств с каталитическим затвором описаны в более ранних обзорах [20, 21].

Рис. 1.

Схематическое изображение (а) структуры и (б) сдвига порогового напряжения полевого транзистора с Pd-затвором, чувствительного к водороду. Печатается с разрешения Ref. [21]. Авторское право 1993 Elsevier.

Рис. 2.

Изменение порогового напряжения в сторону h3 при различных концентрациях при 150 ° C.Печатается с разрешения Ref. [11]. Авторское право 1975 г. Американский институт физики.

Пористые металлические затворы в полевых устройствах с каталитическими затворами позволили добиться значительного прогресса в обнаружении NH ₃ [20, 22]. На рис. 3 показаны результаты наблюдений просвечивающим электронным микроскопом слоев Pt толщиной 3 и 7 нм, напыленных на SiO ₂ . Эти тонкие слои Pt состоят из прерывистых металлов [22]. Выбор каталитических материалов, структура каталитического слоя и рабочая температура влияют на чувствительность и селективность полевых устройств с каталитическими затворами [14, 15, 20].Кроме того, тип изоляционных материалов, используемых в структуре МДП, также влияет на чувствительные свойства газочувствительных полевых устройств [16].

Рис. 3.

Электронные микрофотографии в просвечивающем свете пористых слоев металлической Pt на SiO2 толщиной 3 и 7 нм. Печатается с разрешения Ref. [22]. Авторские права 1987 Elsevier.

Для работы при высоких температурах были исследованы полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC). SiC является полупроводником с широкой запрещенной зоной и может использоваться в качестве подложки для МДП-структуры вместо обычной подложки Si [17].SiC может использоваться при высоких температурах и суровых условиях окружающей среды из-за его химической инертности [23–25]. Полевые транзисторы на основе SiC применялись для обнаружения CO [23], NH ₃ [23, 24], NO ₂ [24] и SO ₂ [25]. Как и в случае обычных полевых транзисторов с каталитическим затвором, использующих кремниевую подложку, материал каталитического затвора, используемый в полевых транзисторах на основе SiC, влияет на чувствительность и селективность сенсора [25].

Устройства с каталитическим затвором, состоящие из транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), также были исследованы для работы при высоких температурах.Например, гетероструктуры GaN / AlGaN, которые демонстрируют двумерный электронный газ (2DEG), индуцированный спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией на границе раздела гетероструктуры, были применены к HEMT с каталитическим затвором в качестве датчика газа [26]. В этом отчете HEMT на основе GaN / AlGaN в сочетании с Pt электродом затвора работал при температуре около 400 ° C для обнаружения H ₂ , CO, C ₂ , H ₂ и NO ₂ .

3. Полевые транзисторы на основе твердых электролитов

Твердые электролиты также могут применяться в датчиках на основе полевых транзисторов.Например, сообщалось о кислородном датчике на основе полевого транзистора, в котором в качестве твердого электролита используется оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ) (рисунок 4) [27]. В этом датчике пленка YSZ была сформирована на изолирующем слое, состоящем из Si ₃ N ₄ и SiO ₂ . Кроме того, наноразмерный слой Pt был нанесен на пленку YSZ в качестве электрода затвора. На рис. 5 показаны отклики этого сенсора на кислород и азот (1 атм) [27]. При комнатной температуре наблюдались повторяющаяся ступенчатая кривая отклика и последующий дрейф.Отклик датчика показал линейную зависимость от парциального давления кислорода в логарифмическом диапазоне от 0,01 до 1 атм. Чувствительность датчика к кислороду увеличивалась с уменьшением толщины слоя Pt.

Рисунок 4.

Схематическое изображение полевого транзистора на основе YSZ. Полевой транзистор на основе YSZ является устройством с n-канальным типом и режимом истощения. Наноразмерный слой Pt формируется на слое YSZ. Печатается с разрешения Ref. [27]. Copyright 1988 Американский институт физики.

Рис. 5.

Отклик полевого транзистора на основе YSZ при 20 ° C на O2 и N2. Печатается с разрешения Ref. [27]. Copyright 1988 Американский институт физики.

Чтобы исследовать структуру полевого транзистора на основе YSZ для использования в качестве датчика кислорода, были изучены кристаллическая структура и электрические свойства пленки YSZ, нанесенной на слой Si ₃ N ₄ путем высокочастотного распыления [28]. На кривой емкости-напряжения наблюдался гистерезис, который, как полагали, был вызван движением ионов и / или электронов кислорода в пленке YSZ.Как упоминалось выше, это привело к нестабильному отклику при комнатной температуре. Следовательно, для повышения стабильности и ускорения отклика кислородного датчика при комнатной температуре полевой транзистор на основе твердого электролита должен включать электролит с высоким коэффициентом диффузии для ионов кислорода [28].

4. Полевые транзисторы с подвесным затвором

В 1983 году Janata et al. сообщили о SGFET, чувствительном к диполярным молекулам, таким как метанол и хлористый метилен [29]. В SGFET, показанном на рисунке 6, образцы жидкости могут проникать в зазор между изолирующим слоем и подвешенной металлической сеткой.Электрохимическая модификация поверхности с использованием полипирролов была использована для повышения селективности SGFET [30]. В этом отчете описывается изготовление SGFET с дифференциальной селективностью путем химической модификации с полимерным покрытием.

Рисунок 6.

Схематическое изображение полевого транзистора с подвесным затвором. Печатается с разрешения Ref. [29]. Авторские права 1983 Американский институт физики.

Улучшение производственных процессов — важная тема исследований SGFET.Сообщалось о гибридных SGFET, изготовленных с использованием улучшенного процесса и с различными материалами в чувствительном слое [31]. В процессе изготовления гибридных полевых транзисторов SGFET затвор и основной чип подготавливаются отдельно, а затем объединяются. Этот производственный метод имеет преимущества по сравнению с обычными методами, поскольку он позволяет включать в конструкцию широкий спектр чувствительных материалов. Метод перевернутого кристалла также применялся для подготовки SGFET для определения аммиака [32]. В этом отчете слой полиакриловой кислоты был сформирован на конструкции затвора путем распыления.

Воздушный зазор в структуре затвора SGFET вызывает нежелательные эффекты на стабильность считывания из-за отсутствия пассивации, малого отношения W / L и низкой емкости затвора [33]. Чтобы преодолеть эти недостатки, исследования SGFET были расширены на полевые транзисторы с емкостным управлением (CCFET) [33] и GasFET с плавающим затвором (FGFET) [34]. CCFET содержат структуру FET и газочувствительный конденсатор с воздушным зазором. FGFET — это модификация CCFET, в которой используется плавающий затвор для повышения стабильности сигнала [34].Сообщалось о FGFET с гибридным газочувствительным верхним электродом (рис. 7a) [34]. В этой структуре газочувствительный конденсатор и считывающий транзистор были объединены в одну микросхему. На рисунке 7b показана эквивалентная принципиальная схема FGFET. Затвор и пластина электрически плавающие, поскольку они изолированы слоем SiO ₂ . Этот FGFET использовался для определения H ₂ (500 ppm).

Рис. 7.

(a) схематическая иллюстрация и (b) эквивалентная принципиальная схема заявленного FGFET.Печатается с разрешения Ref. [34]. Авторское право 2003 Elsevier.

Для расширения диапазона чувствительности можно комбинировать различные датчики на основе полевых транзисторов. Например, SGFET, реагирующий на высокие концентрации H ₂ , и полевой транзистор с каталитическим затвором с хорошей чувствительностью для низких концентраций H ₂ были объединены в одном чипе для увеличения диапазона чувствительности [35].

5. Полевые транзисторы на основе наноматериалов

Газовые сенсоры на основе полевых транзисторов были расширены до сенсоров, содержащих наноматериалы.Полевые транзисторы на основе наноматериалов имеют большое отношение поверхности к объему, что способствует высокой чувствительности и быстрому времени отклика и восстановления [3]. Наноматериалы допускают высокую плотность упаковки из-за их внутренних малых размеров [5]. В этом разделе дается краткий обзор газовых сенсоров на основе полевых транзисторов с использованием наноматериалов, таких как УНТ, ННК, графен и халькогениды переходных металлов.

5.1. Полевые транзисторы на основе УНТ

О производстве полевых транзисторов на основе УНТ впервые было сообщено в 1998 году [36, 37]. Типичный полевой транзистор на основе УНТ состоит из УНТ, электродов истока и стока, изолирующего слоя и подложки в качестве заднего затвора [38].Как отдельные УНТ, так и случайные сети УНТ могут использоваться для подготовки полевых транзисторов на основе УНТ. В 2000 г. сообщалось о химических эффектах стробирования отдельных однослойных полевых транзисторов на основе УНТ, вызванных воздействием газообразного NH ₃ или NO ₂ [39]. На сегодняшний день полевые транзисторы на основе УНТ применялись для обнаружения H ₂ [40], CH ₄ [40], CO [40], CO ₂ [41], NO ₂ [40], NH ₃ [40], H ₂ S [40], спирты [42] и образцы дыхания [43].

Чтобы улучшить чувствительность и селективность полевых транзисторов на основе УНТ, они были модифицированы наноразмерными каталитическими материалами, такими как Pd [40, 44], Pt [40, 44], Rh [40], Au [40, 44], и Ag [44].Кроме того, сообщалось о модификациях полимерами [41], пептидами [44], белками обонятельных рецепторов [45] и ДНК [46, 47].

5.2. Полевые транзисторы на базе NW

5.2.1. Газочувствительные полевые транзисторы с использованием Si NW

В качестве газочувствительного полевого транзистора с использованием одномерных наноматериалов в 2006 г. было сообщено о применении полевого транзистора на основе Si NW для обнаружения NH ₃ [48]. После этого был подготовлен датчик на основе полевого транзистора, состоящий из высокоупорядоченного массива Si ННК на изгибаемой пластиковой подложке, который был использован для обнаружения NO ₂ на уровнях частей на миллиард [49].Кроме того, датчики на основе Si NW были применены для определения H ₂ [50].

Несмотря на потенциал полевых транзисторов на основе Si NW для измерения газов, чувствительность полевых транзисторов на основе Si NW без покрытия к неполярным летучим аналитам ограничена [51]. Для преодоления этого естественный слой SiO ₂ на поверхности Si ННК был химически модифицирован монослоями силана [51]. Модифицированные силановым монослоем полевые транзисторы на основе Si NW использовались для определения неполярных ЛОС [51] и образцов выдыхаемого воздуха [52].Модификация с помощью наночастиц [50] также использовалась для улучшения отклика полевых транзисторов на основе наноматериалов Si на целевые аналиты. Кроме того, сообщалось о полевом транзисторе на основе наноленты Si, функционализированном органическим соединением, которое реагирует на нервно-паралитические агенты на уровнях ниже ppm [53].

5.2.2. Газочувствительные полевые транзисторы с ННК из оксидов металлов или сложных полупроводниковых ННК

ННК из оксидов металлов, таких как In ₂ O ₃ [54, 55], SnO ₂ [56–58] и α-Fe ₂ O ₃ [59] также применялись в датчиках газа на основе полевых транзисторов.Например, полевой транзистор на базе NW In ₂ O ₃ использовался для обнаружения NO ₂ и NH ₃ [54].

Модификация поверхности ННК наночастицами была использована для повышения чувствительности и селективности полевых транзисторов на основе ННК на основе газочувствительных оксидов металлов. На сегодняшний день наночастицы Pd [56, 58], Pt [55], Ag [55], Au [55], ZnO [57] и NiO [57] используются для улучшения свойств полевых транзисторов на основе оксидов металлов. для обнаружения газа. Например, Московис и др. сообщили о модификации полевых транзисторов на основе SnO ₂ NW с наночастицами Pd и о применении этого устройства для измерения H ₂ [58].В этой работе сообщалось о необычной чувствительности к H ₂ в области истощения заряда устройства [58]. Это устройство использовалось для определения диапазона концентраций H ₂ от 10 до 2500 ppm [58].

Составные полупроводниковые ННК также применялись в датчиках на основе полевых транзисторов [60, 61]. Гао с соавторами применили ННК InAs, который является полупроводником AIIIBV, для изготовления газочувствительного полевого транзистора [60]. Этот датчик на основе полевого транзистора был чувствителен к нескольким газам и парам спирта [60].

5.3. Полевые транзисторы на основе двумерных наноматериалов

Из-за их высокого отношения поверхности к объему при взаимодействии на молекулярном уровне двумерные наноматериалы являются привлекательными для использования в сенсорах на основе полевых транзисторов [5, 62]. Было изучено применение 2D-наноматериалов, таких как графен и халькогениды переходных металлов, в газовых сенсорах FET-типа.

С тех пор, как впервые было сообщено о потенциале сенсоров на основе графена для обнаружения газа [63], в других исследованиях исследовалось обнаружение газа с использованием полевых транзисторов на основе графена [62, 64].Зарегистрированный полевой транзистор на основе графена показан на рисунке 8 [64]. На рисунке 8а показано изображение полевого транзистора на основе графена, полученное методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Принципиальная схема полевого транзистора с задним затвором показана на рисунке 8b [64]. В структуре полевой транзистор состоит из образца графена, соединенного с электродами истока и стока из Au / Cr, изолирующим слоем SiO ₂ и подложкой p-Si в качестве заднего затвора. В этом отчете датчик использовался для определения паров NH ₃ [64].

Рисунок 8.

(а) изображение АСМ и (б) схематическая иллюстрация полевого транзистора на основе графена. Печатается с разрешения Ref. [64]. Авторское право 2009 г., Американское химическое общество.

В качестве двумерных наноматериалов халькогениды переходных металлов MoS ₂ [65], MoTe ₂ [66] и WS ₂ [67] также применялись в датчиках газа на основе полевых транзисторов. На рисунке 9a схематически показан полевой транзистор с задним затвором на основе MoS ₂ [5]. На рисунке 9b показано оптическое изображение полевых транзисторов на основе MoS ₂ .В этом полевом транзисторе листы MoS ₂ были выращены на подложке SiO ₂ / Si с Ti / Au в качестве электродов истока и стока. Этот датчик реагировал на 20 частей на миллиард NO ₂ и 1 частей на миллион NH ₃ [5].

Рис. 9.

(a) схематическая иллюстрация и (b) оптическое изображение полевого транзистора на основе нанопроволоки MoS2 с обратным затвором. Печатается с разрешения Ref. [5]. Авторское право, 2014 г., Американское химическое общество.

6. Комбинация газовых сенсоров и методов распознавания образов

Согласно более раннему обзору [6], рецепторы в обонятельных системах млекопитающих не проявляют высокоселективных ответов против определенных аналитов.Методы распознавания образов считаются доминирующим режимом, используемым при обработке сигналов от широких ответов обонятельной системы млекопитающих [6].

Перекрестно-реактивные химические сенсорные матрицы в сочетании с методами распознавания образов, имитирующими обонятельные системы млекопитающих, были изучены в качестве альтернативной сенсорной системы традиционным сенсорным устройствам, которые используют конструкцию «замок и ключ» [6]. В интеллектуальных массивах датчиков, использующих методы распознавания образов, сложные образцы, генерируемые неспецифическими датчиками перекрестной реакции, анализируются для классификации и идентификации аналитов [3, 6–8].Матрицы перекрестно-реактивных сенсоров построены с использованием сенсоров, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют дифференциальную чувствительность [3, 6]. Обычные полупроводниковые процессы могут быть применены для миниатюризации датчиков на основе полевых транзисторов для изготовления матриц перекрестно-реактивных датчиков.

Перед анализом данных сложные сигналы, полученные от массивов датчиков, могут быть предварительно обработаны и нормализованы для применения соответствующих вычислительных методов [7, 8, 10]. После предварительной обработки и извлечения признаков выполняется выбранный метод.В настоящее время нет общего правила выбора вычислительных методов. Следовательно, вычислительные методы должны быть надлежащим образом выбраны в зависимости от характера данных и конкретной ситуации [7].

Различные типы матриц газовых датчиков использовались с методами распознавания образов [6–8], включая матрицы газовых датчиков на основе полевых транзисторов. Например, Lundström et al. сообщили о комбинации матриц газовых датчиков на основе полевых транзисторов с каталитическими затворами и методами распознавания образов [68, 69]. Сигналы от массивов датчиков на основе полевых транзисторов обрабатывались с использованием обычной частичной регрессии методом наименьших квадратов и искусственной нейронной сети для прогнозирования концентраций отдельных газов [69].Молекулярно модифицированные датчики полевых транзисторов на основе Si NW также были объединены с искусственной нейронной сетью для распознавания ЛОС и оценки их концентраций [70].

7. Обзор и перспективы

Для введения газочувствительных полевых транзисторов в этой главе дается широкий обзор полевых транзисторов с каталитическим затвором, полевых транзисторов на основе твердого электролита, полевых транзисторов с подвесным затвором и полевых транзисторов на основе наноматериалов. Массивы этих датчиков можно комбинировать с вычислительными методами распознавания образов. Как уже было сказано, комбинация массивов датчиков перекрестно-реактивного газа с методами распознавания образов является многообещающим методом распознавания аналитов в газовой фазе.Матрицы перекрестно-реактивных датчиков должны содержать датчики, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют дифференциальную чувствительность. Обычные полупроводниковые процессы могут быть использованы для миниатюризации датчиков на основе полевых транзисторов. Датчики на основе полевых транзисторов могут иметь преимущества перед другими датчиками, используемыми для миниатюризации устройств решеток датчиков с перекрестной реакцией.

Благодарности

Эта работа была поддержана программой ImPACT Совета по науке, технологиям и инновациям.

.

Что такое униполярный / полевой транзистор?

Полевой транзистор (FET) — Также известный как униполярный транзистор , представляет собой трехконтактный (три электрода), управляемый напряжением электронный компонент полупроводник , способный усиливать электрический сигнал. Семейство полевых транзисторов состоит из группы из нескольких типов различных компонентов, общей чертой которых является косвенное влияние электрического поля на сопротивление полупроводника или сопротивление тонкого непроводящего слоя.Теоретически полевым транзистором можно управлять без потребления энергии. В работе компонента участвует только один тип носителей нагрузки, отсюда и название униполярное, а управление выходным током осуществляется с помощью электрического поля (полевые транзисторы).

FET — Внутреннее устройство и принцип действия

Униполярный транзистор

имеет три электрода:

• Дренаж «D» — электрод, до которого доходят носители груза.Ток стока — I _D , напряжение сток-исток — В _DS ,
• Затвор «G» — электрод, контролирующий поток зарядов. Ток затвора — I _G , напряжение затвор-исток — В _GS ,
• Источник «S» — электрод, от которого несущие нагрузки перетекают в канал. Ток источника обозначен как I _S .

Это эквиваленты электродов биполярных транзисторов .Два из них: Drain и Source подключены к правильно легированному полупроводниковому кристаллу. Между этими концами создается канал, по которому течет ток. Третий конец размещен вдоль канала: Gate , благодаря которому мы можем контролировать течение тока. В случае соединения нескольких МОП-транзисторов в интегральной схеме часто используется четвертый электрод: B — Body (или Bulk ) для смещения подложки. Но в целом этот конец связан с источником.

FET — Задания для студентов

Если вы студент или просто хотите узнать, как решать задачи с полевыми транзисторами, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.

Отдел полевых транзисторов

В зависимости от принципов и законов работы можно выделить два основных типа полевых транзисторов, которые подразделяются, как показано на рисунке 1. ниже:

Рис.1. Отдел полевых транзисторов

JFET — Конструкция и принцип действия

JFET-транзистор состоит из полупроводникового слоя n-типа в N-канальных JFET-транзисторах или полупроводника p-типа в P-канальных JFET-транзисторах. Эти слои образуют канал. Электроды подключаются к обоим концам канала. В транзисторах JFET затвор изолирован от канала с помощью обратносмещенного перехода (с очень высоким входным сопротивлением).

Транзисторы

JFET должны быть поляризованы таким образом, чтобы носители перемещались от истока к стоку, а переход затвор-канал должен иметь обратное смещение.

Есть два варианта этой развязки:

• P-N переход (PNFET),
• Переход M-S (металл-полупроводник).

Канал, по которому будет течь ток, расположен между стоком и истоком. Регулировать ширину канала (его сопротивление) можно, изменяя напряжение затвор-исток (В _GS ). Увеличение напряжения V _GS (которое вызывает обратное смещение перехода) вызывает сужение канала до его полного «закрытия» — ток не течет.К напряжению V _GS добавляется падение напряжения между определенной точкой канала и источником (V _DS ). Увеличение значения напряжения V _DS в конечном итоге приведет к соединению обедненных слоев и блокированию канала путем насыщения транзистора. Значение тока стока I _D не возрастет независимо от дальнейшего увеличения напряжения V _DS , и транзистор становится очень хорошим элементом крутизны.

Рис. 2. Обозначения JFET Рис.3. Внутренняя структура полевого транзистора с каналом «N» типа

MOSFET (металл-оксидный полупроводниковый полевой транзистор) — конструкция и принцип работы

В МОП-транзисторе затвор изолирован от канала диэлектрическим слоем. Область, обозначенная «N +», представляет собой сильно легированный полупроводник типа «N». В случае E MOS транзисторов с напряжением V _GS = 0 канал блокируется (его сопротивление принимает значение МОм, а ток I _D не течет).За счет увеличения напряжения V _GS канал увеличивает его проводимость, и после достижения определенного значения, называемого пороговым напряжением V _T , через канал становится возможным прохождение тока стока I _D . Ток стока полевого МОП-транзистора регулируется сигналом напряжения затвора величиной до нескольких вольт, что обеспечивает совместимость со всеми системами МОП, особенно с КМОП. Мощность, необходимая для управления им, очень мала, а зона безопасной работы больше по сравнению с BJT-транзисторами .Кроме того, время переключения также короче по сравнению с BJT.

Минимальное значение сопротивления канала, указанное производителем, можно найти в технических данных как rds _на (оно зависит от максимального напряжения транзистора V _DS . Значение тока I _D , которое будет протекать через созданный канал зависит от напряжения V _DS , но не является линейной зависимостью и описывается формулой:

β — Коэффициент усиления тока
Этот ток влияет на состояние смещения затвора, изменяя его, что приводит к сужению канала около стока.В случае дальнейшего увеличения напряжения затвор-исток V _GS , отключение напряжения V _GSoff будет превышено в какой-то момент, что приведет к потере созданного канала (V _GS = V _DS )

• MOSFET в режиме истощения — D MOS (обычно включен):

Рис. 4. Символы D MOS

• MOSFET в режиме расширения — E MOS (обычно выключено):

Рис. 5. Символы E MOS Рис. 6. Внутренняя структура E MOS с каналом типа «N»

FET — Режимы работы

Имеется три режима работы транзисторов:

• Режим отключения: | V _GS | > | V _T | при любом | V _DS |,
• Активный режим (также известный как линейный или ненасыщенный): | V _GS | <| V _T | и | V _DS | <= | V _DSsat |,
• Режим насыщения : | V _GS | <| V _T | и | V _DS | => | V _DSsat |.

Примечание: Во многих странах единица измерения напряжения и символ обозначаются буквой «V» вместо «U», как в этой статье.

FET — Основные параметры

• В _{DS max} — максимальное напряжение сток-исток,
• I _Dmax — максимальный ток стока,
• В _GSmax — максимальный ток затвор-исток,
• P _totmax — допустимая потеря мощности,
• В _Т — пороговое напряжение, при котором начинает течь ток,
• I _DSS (V _GS = 0) — ток насыщения при определенном V _DS current,
• г [S-Siemens] — коэффициент крутизны,
• rds _(on) — минимальное значение сопротивления канала транзистора, работающего в режиме ненасыщения,
• I _Gmax — максимально допустимый ток затвора,
• I _{D (OFF)} — ток стока в режиме отсечки — при напряжении | В _GS | > | V _{GS (ВЫКЛ)} |.

FET — Вольт-амперные характеристики

Передаточные характеристики — они описывают зависимость тока стока I _D от напряжения затвор-исток V _GS с определенным напряжением сток-исток V _GS .

Рис. 7. JFET «N» Рис. 8. D MOS «N» Рис. 9. E MOS «N»

• Характеристики стока (для полевого транзистора типа «N») — описывает соотношение стока I _D ток от истока-стока В _DS напряжение с определенным затвором-истоком В _GS напряжение.Область характеристик была разделена на две части: активную и насыщенную область.

Рис. 10. Характеристики стока (для униполярного транзистора типа «N»)

Практическое применение — униполярный MOSFET — NMOS-транзистор

В практических упражнениях действие транзистора NMOS в его простейшей форме показано в виде ключа транзистора. Такое использование в основном работает в приложениях микроконтроллеров, оно используется для управления сигналом от микроконтроллера к внешним приемникам.

Для этого упражнения нам понадобятся следующие вещи:

Схема подключения выглядит так:

Рис. 11. Схема подключения: V2: источник питания 9 В постоянного тока, D1: белый светодиод, R1: резистор 220 Ом, M1: транзистор BUZ11, R2: резистор 1 кОм, V1: батарея 3 В (в схеме используется синусоидальный источник для иллюстрации работы транзистора). Обратите внимание, что символы на схеме отличаются для транзистора, но имеют параметры, аналогичные параметрам BUZ11.

Готовая подключенная схема на макетной плате показана ниже на рис.12:

Рис. 12. Иллюстрация подключения макетной платы Система

после подключения питания 9 В не показала никаких действий. После подключения АКБ в схему загорелся светодиод. Это самый простой способ проиллюстрировать принцип действия напряжения V _T (напряжение пробоя) в униполярных транзисторах. В транзисторе BUZ11 диапазон напряжений VGSTh составляет от 2,1 до 4 В. При использовании аккумуляторов на 3 В мы получаем напряжение, достаточное для открытия канала между стоком и истоком в униполярном транзисторе.После этого начинает светиться светодиод.

Рис. 13. Еще одна иллюстрация подключения макета и работы

Кроме того, на диаграмме ниже мы можем видеть напряжения на батарее V (n005), которые варьируются от 3 до -3 В и подаются на затвор транзистор, между током на светодиоде I (D1). Дополнительно на осциллограмме мы можем видеть напряжение VDS, внешний вид формы сигнала зависит от времени включения транзистора.

Рис. 14. Схема подключения макетной платы.

Транзисторы с высокой подвижностью электронов: анализ производительности, тенденции исследований и области применения

1. Введение

Требование высокой скорости переключения, необходимое в области СВЧ-связи и ВЧ-технологий, побудило транзисторы развиваться с высокой подвижностью электронов и превосходными транспортными характеристиками . Изобретение устройств HEMT аккредитовано Т. Мимура, который участвовал в исследованиях высокочастотных, быстродействующих полупроводниковых устройств III – V в Fujitsu Laboratories Ltd, Кобе, Япония.После этого HEMT был впервые коммерчески использован в качестве криогенного малошумящего усилителя в радиообсерватории Нобеяма (NRO), Нагано, Япония, в 1985 году [1].

В соответствии с требованиями приложений с высокой частотой, низким уровнем шума и высокой плотностью мощности, традиционные полевые МОП-транзисторы и полевые MES-транзисторы должны быть построены с очень малой длиной канала, чтобы большинство несущих сталкивались с минимальным рассеянием примесей и снижением производительности. Такие приложения также предполагают ограничения конструкции и производительности, требующие высокого тока насыщения, а также большой крутизны, которая может быть достигнута за счет сильного легирования.Чтобы преодолеть эти ограничения, устройства HEMT включают гетеропереходы, образованные между двумя различными материалами с запрещенной зоной, где электроны удерживаются в квантовой яме, чтобы избежать примесного рассеяния. Материал с прямой запрещенной зоной GaAs использовался в высокочастотных операциях, а также в оптоэлектронных интегральных схемах из-за его более высокой подвижности электронов и диэлектрической проницаемости. AlGaAs является наиболее подходящим кандидатом в качестве барьерного материала GaAs, имеющего почти такую ​​же постоянную решетки и большую ширину запрещенной зоны, чем у GaAs.Вот почему гетероструктура GaAs / AlGaAs считается наиболее популярным выбором для встраивания в HEMT. Однако AlGaN / GaN HEMT — еще одно отличное устройство, которое в последнее время подвергается обширным исследованиям. Он может работать на очень высоких частотах с удовлетворительными характеристиками, а также обладает высокой пробивной прочностью и высокой скоростью электронов в насыщении [2]. GaN показывает очень сильную пьезоэлектрическую поляризацию, которая способствует накоплению огромных носителей на границе AlGaN / GaN. В этих типах HEMT производительность устройства зависит от типа слоя материала, толщины слоя и концентрации легирования слоя AlGaN, что обеспечивает гибкость в процессе проектирования.Из-за своего превосходства над устройствами HEMT с другими материалами, AlGaN / GaN HEMT был выбран в качестве примера для различных тем в этой главе.

Глава начинается с краткого объяснения различных общих структур и основных принципов работы устройств HEMT. Основное внимание уделяется анализу производительности устройства HEMT на основе аналитического и численного анализа, найденного в литературе. Например, I-V характеристики HEMT [3], оценка двумерного электронного газа (2DEG) [4], эффект коллапса тока в коротком канале [5], расчет емкости [6] и тепловые эффекты [7] на В разделе 4 обсуждались HEMT, полученные с помощью аналитического исследования.Раздел 5 включает более строгие методы, такие как моделирование дрейфа-диффузии [8], расчет переноса [9], моделирование методом Монте-Карло [10], формализм функций Грина [11] и анализ сдвиговых напряжений на основе поляризации [12], которые требуют значительных численных расчетов. методы для характеристики производительности устройства HEMT. Оглядываясь назад на самые последние годы, можно сказать, что некоторые современные результаты были представлены в Разделе 6, а именно в разделе «Последние исследования». В разделе 7 представлены некоторые прогнозы будущих тенденций исследований, основанные на этих последних результатах.Наконец, в последнем разделе обсуждались возможные области применения устройств HEMT.

2. Общие HEMT-конструкции

2.1. HEMT на основе GaAs

Типичная HEMT-структура на основе GaAs показана на рис. 1. С целью отделения основных носителей заряда от ионизированных примесей между материалом с широкой запрещенной зоной AlGaAs и материалом с более низкой запрещенной зоной GaAs создается резкая гетероструктура, в то время как материал с широкой запрещенной зоной легирован (например, плотность легирования, n = 7 × 10 ¹⁷ см ^-3 ).Таким образом, на границе гетероперехода GaAs / AlGaAs формируется канал. Чтобы уменьшить кулоновское рассеяние, в качестве разделительного слоя используется тонкий слой нелегированного AlGaAs. Внизу слой Si или GaAs служит подложкой.

Рис. 1.

Структура HEMT на основе GaAs.

2.2. HEMT на основе GaN

HEMT на основе GaN имеют такую ​​же слоистую структуру, что и обычные HEMT на основе GaAs, как показано на рисунке 2. Но в AlGaN / GaN HEMT не требуется специального легирования. Скорее электроны приходят из поверхностных состояний из-за спонтанной поляризации, обнаруженной в GaN со структурой вюрцита.Это накопление свободных носителей образует высокую концентрацию носителей на границе раздела, что приводит к каналу 2DEG. На рисунке 2 также показаны донорные поверхностные ловушки (пустые) сверху и, следовательно, положительно поляризованный заряд на границе раздела AlGaN / GaN. 2DEG является явной функцией поверхностного барьера, толщины AlGaN и связанного положительного заряда на границе раздела.

Рис. 2.

Структура HEMT на основе GaN.

2.3. HEMT на основе InP

HEMT на основе InP приводят к более низкой эффективной массе электронов в канальном слое InGaAs по сравнению с обычными HEMT на основе GaAs.Эти HEMT содержат сравнительно большой сдвиг зоны проводимости (приблизительно 0,5 эВ) между канальным слоем и соседним барьерным слоем InAlAs [13]. Следовательно, HEMT на основе InP демонстрируют высокую подвижность электронов, высокую скорость насыщения электронов и высокую концентрацию электронов. Устройство обычно состоит из композитного покрывающего слоя InGaAs / InAlAs для улучшенного омического контакта, нелегированного InAlAs в качестве барьера Шоттки и композитного канала InGaAs / InAs для превосходных свойств переноса электронов, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Структура HEMT на основе InP.

3. Принцип работы HEMT

HEMT представляют собой гетеропереходы, образованные полупроводниками с разной шириной запрещенной зоны. Когда образуется гетеропереход, зона проводимости и валентная зона по всему материалу должны изгибаться, образуя непрерывный уровень. У широкозонного элемента есть избыточные электроны в зоне проводимости, поскольку он легирован донорными атомами (или из-за поляризационного заряда в HEMT на основе GaN). Узкозонный материал имеет состояния зоны проводимости с более низкой энергией.Следовательно, электроны будут диффундировать из материала с широкой запрещенной зоной в соседний материал с более низкой запрещенной зоной, поскольку он имеет состояния с более низкой энергией. Таким образом, изменение потенциала произойдет из-за движения электронов, и между материалами будет индуцировано электрическое поле. Индуцированное электрическое поле будет перемещать электроны обратно в зону проводимости широкозонного элемента. Процессы дрейфа и диффузии продолжаются до тех пор, пока они не уравновешивают друг друга, создавая равновесие, подобное p-n-переходу. Обратите внимание, что нелегированный материал с узкой запрещенной зоной теперь имеет избыточные основные носители заряда, что обеспечивает высокую скорость переключения.Интересным фактом является то, что нелегированный полупроводник с малой шириной запрещенной зоны не имеет донорных атомов, вызывающих рассеяние, и, таким образом, обеспечивает высокую подвижность.

Еще одним интересным аспектом HEMT является то, что неоднородности полос в зоне проводимости и валентной зоне могут быть спроектированы для управления типом носителей в устройстве и из него. Эта диффузия носителей приводит к накоплению электронов вдоль границы двух областей внутри материала с узкой запрещенной зоной. Накопление электронов может привести к очень сильному току в этих устройствах.Накопленные электроны также известны как 2DEG. На рис. 4 представлена ​​обобщенная зонная диаграмма, сформированная на гетеропереходе для типичных HEMT. И зона проводимости (E _c ), и валентная зона (E _v ) изгибаются относительно уровня Ферми (E _F ), что приводит к заполнению квантовой ямы 2DEG и, в конечном итоге, образованию проводящего канала.

Рисунок 4.

Обобщенная зонная диаграмма HEMT.

4. Анализ производительности: аналитический подход

В связи с быстро растущей популярностью в высокочастотных и мощных приложениях, устройства HEMT в последние дни привлекли к себе пристальное внимание исследователей.В литературе можно найти множество аналитических моделей для изучения характеристик HEMTS, а также для повышения производительности устройства. В этом разделе мы представляем некоторые из выдающихся и эффективных аналитических исследований HEMTs AlGaN / GaN.

4.1. Вольтамперные характеристики с использованием модели управления зарядом

Улучшенная модель управления зарядом для I-V характеристик AlGaN / GaN HEMT была представлена ​​в 2008 году Li et al. [3]. Эта модель включает граничные условия Робина в решении одномерного уравнения Шредингера и настраиваемые собственные значения в решении двумерного уравнения Пуассона.В этой модели учтены нелинейная поляризация и паразитное сопротивление истока и стока. Модель оценивает ток стока, предполагая непрерывность второго порядка с аналитическим представлением крутизны. Структура устройства, используемого в этой модели, почти аналогична структуре на Рисунке 2. Однако единственное отличие состоит в том, что легированный слой AlGaN толщиной 22 нм с концентрацией легирования N _D = 2 × 10 ¹⁸ см ^{— 3} присутствует над нелегированным слоем AlGaN для усиления поляризации.Результат I – V , построенный с использованием этой аналитической модели, показан на рисунке 5 для различных напряжений затвора.

Рис. 5.

ВАХ для HEMT Al0,15Ga0,85N / GaN. Смещение затвор-исток изменяется от 1 до -2 В с шагом -1 В.

4.2. Зависимость плотности заряда 2DEG от смещения затвора

Khandelwal et al. предложила основанную на физике аналитическую модель плотности 2DEG в HEMT AlGaN / GaN [4]. Используя эту модель, они показывают взаимозависимость между 2DEG и уровнями Ферми.Предлагаемая модель не требует подгонки параметров. Он моделирует 2DEG с учетом концентрации заряда в двух разных областях. Один имеет более высокую энергию первой подзоны, а другой — более низкую энергию первой подзоны по сравнению с уровнем Ферми. Более того, также представлена ​​единая модель, объединяющая эти два региона. Он представляет изменение 2DEG в зависимости от напряжения смещения затвора, как показано на рисунке 6. Результаты показывают отличное согласие с численными расчетами.

Рис. 6.

Сравнение плотности заряда 2DEG, нс с численными расчетами как функция напряжения на затворе.

4.3. Короткий канал Характеристики I-V с обрушением тока

Обрушение тока — нежелательное, но неизбежное явление в HEMT на основе GaN. Это неидеальный эффект короткого канала, когда ток зависит от предыдущей памяти напряжения затвора. Для характеристик I-V AlGaN / GaN HEMTS в присутствии коллапса тока была предложена другая компактная модель [5]. Он включает в себя механизм захвата и края затвора и основан на экспериментальных данных. Вольт-фарадные характеристики ( C-V ) HEMT AlGaN / GaN также могут быть рассчитаны с использованием этой модели.Эта модель анализирует крутизну устройства в зависимости от смещения затвора, когда происходит обрушение тока. Сравнительный график крутизны с токовым коллапсом и без него, определенный этой компактной моделью короткого канала, показан на рисунке 7.

Рисунок 7.

Сравнение крутизны с токовым коллапсом и без него для AlGaN / GaN HEMT.

4.4. Емкость затвора, включая паразитные компоненты

Zhang et al. предложила основанную на поверхностном потенциале аналитическую модель для расчета емкости, включая паразитные компоненты, для AlGaN / GaN HEMT [6].Плотность заряда листа моделируется путем решения уравнений управления зарядом, а емкость рассчитывается на основе концепции потенциала поверхностного заряда, что согласуется с моделью плотности заряда листа. Паразитные компоненты дополнительно включаются в модель, чтобы обеспечить полную модель. Разработанная модель показывает согласие с расчетами TCAD и экспериментальными данными.

4.5. Тепловые эффекты со сложной структурой

Хотя AlGaN / GaN HEMT является многообещающим устройством для высокочастотных и мощных приложений, его характеристики могут ухудшаться при высоких температурах.Следовательно, для прогнозирования работы устройства при различных температурах требуется тепловое моделирование. Bagnall et al. разработали такую ​​тепловую модель, которая включает тепловые эффекты с аналитическими решениями в замкнутой форме для сложных многослойных структурированных HEMTs [7]. Эта структура состоит из N слоев ( j = 1, 2, 3,…, N) и источника тепла, размещенного внутри слоев, как показано на рисунке 8 (а). Аналитическое моделирование выполняется с использованием решения ряда Фурье и подтверждается с помощью спектров комбинационной термографии.Распределение температуры вдоль границы раздела AlGaN / GaN x -ось, включая источник тепла, представленное моделью, показано на рисунке 8 (b).

Рис. 8.

(a) Сложная многослойная структура HEMT с источником тепла и (b) Распределение температуры вдоль оси x для HEMT из AlGaN / GaN, включая источник тепла.

Помимо этих моделей, многие другие аналитические модели были предложены для устранения шума, расчета потерь, оценки поляризации, анализа малых сигналов и т. Д.

5. Анализ производительности: численный подход

Различные численные исследования HEMT были выполнены для анализа влияния внутренних физических механизмов. В этом разделе представлены некоторые обобщенные численные модели, взятые из литературы.

5.1. Модель полностью связанной дрейф-диффузии

Yoshida et al. представили двумерный численный анализ HEMT для моделирования работы устройства [8]. Модель Андерсона используется для создания уравнений линий краев полосы, и рассматривается статистика Больцмана.Пространственно непрерывное изменение границы зоны не оправдано в этой модели, так как ток через гетерограницу не учитывается. Дырочный ток и ток рекомбинации генерации также не учитываются. Конечно-разностное приближение используется для дискретизации уравнения Пуассона и уравнения непрерывности электронного тока. После этого полученные уравнения решаются самосогласованно с использованием метода Ньютона. Эта полностью связанная модель традиционно известна как модель дрейфа-диффузии [14].

5.2. Модель переноса энергии: расчет переноса

Буот представил двумерный численный симулятор, основанный на анализе первых трех моментов уравнения Больцмана, известный как модель переноса энергии [9].Он был использован для изучения различных эффектов на производительность AlGaAs / GaAs HEMTs [9]. Связанные уравнения переноса (подробности уравнений переноса энергии см. В [15]) были решены численно с использованием конечно-разностной техники на однородной сетке с использованием итерационной схемы. Используя программу компьютерного моделирования HISSDAY, уравнения переноса для модели переноса энергии численно решаются с использованием неявной схемы для уравнений неразрывности; Метод Шарфеттера-Гаммеля [16] для текущего уравнения переноса; и явный «маршевый» метод прямого дифференцирования для вычисления средней энергии.Эта модель имеет усовершенствование по сравнению с моделью переноса энергии Видигера [17], где в слое AlGaAs не учитывается проводимость [9].

5.3. Моделирование методом Монте-Карло

Ueno et al. представили моделирование HEMT методом Монте-Карло для анализа электронного транспорта 2DEG [10]. Анализ основан на модели электрон-фононного взаимодействия, предложенной Прайсом [18]. В рамках этой концепции предполагается, что электроны 2DEG рассеиваются на объемных фононах. Таким образом, волновые функции, рассчитанные методом самосогласованного анализа, используются для оценки скорости рассеяния.Область канала не считается однородной, и электроны около стока рассматриваются как трехмерные, а область вблизи истока — как двумерные. Кроме того, электроны с высокой энергией за пределами высоты барьера ведут себя как трехмерные электроны и не удерживаются в квантовой яме. В этих симуляциях сначала оценивается начальное состояние. Затем плотность листовых электронов в каждом положении между истоком и стоком оценивается с использованием соотношения непрерывности тока вдоль канала.Затем выполняется моделирование методом Монте-Карло путем разделения канала на разные ячейки и оценки скорости рассеяния электронных состояний в каждой ячейке. Затем, взяв распределение потенциала данного устройства из двумерного уравнения Пуассона, шаги повторяются, пока не будет достигнуто установившееся состояние.

5.4. Шумовой ток с использованием формализма функций Грина

Ли и Уэбб описали численный подход для моделирования источников собственных шумов в HEMT [11].В этой модели используется двумерный числовой решатель устройства. Спектральные плотности источников шумового тока затвора и стока и их корреляция оцениваются с помощью емкостной связи. После решения уравнений Пуассона и неразрывности с помощью двумерного числового решателя устройства получены функции Грина. Здесь функции Грина используются для определения локальных колебаний (в терминах тока или напряжения в любой точке канала) на выводах затвора и стока. Эта приблизительная концепция поля импеданса [19] помогает определить источники шума затвора и стока и их корреляцию.Для численного моделирования все устройство разделено на несколько ортогональных областей, и считается, что результаты двухмерного моделирования будут соответствовать результатам трехмерного моделирования. Также рассматриваются спонтанная поляризация и пьезоэлектрическая поляризация, вызванная деформацией. Предполагается, что микроскопические флуктуации в каждом сегменте пространственно некоррелированы и возникают только из-за шума флуктуаций скорости (диффузии).

5.5. Анализ высокотемпературного напряжения сдвига

Hirose et al.предложила численную модель для структур AlGaN / GaN HEMT, в которой напряжение сдвига из-за обратного пьезоэлектрического эффекта используется для прогнозирования результатов высокотемпературных испытаний на постоянное напряжение [12]. В этой модели предполагается, что скольжение по плоскости решетки в кристалле является начальной стадией трещинообразования. Напряжение сдвига вызывает скольжение, а скольжение деформирует кристалл, когда напряжение сдвига превышает предел текучести. В HEMT на основе GaN базовая плоскость скольжения равна (0001), а направление скольжения — <1120>. Слой AlGaN представляет собой кристалл вюрцита, выращенный в направлении <0001> [20].Предполагается, что напряжение сдвига является результатом обратного пьезоэлектрического эффекта. Механическое напряжение и электрическое смещение возникают из-за пьезоэлектрического эффекта. В предположении несоответствия решеток в слое AlGaN напряжение сдвига относится к скольжению в направлении <1120>. Однако для расчета напряжения сдвига электрическое поле получается из двумерного моделирования устройства на основе уравнения Пуассона и уравнений непрерывности дрейфово-диффузионного тока. Эта модель включает пьезоэлектрические заряды и разницу в зарядах спонтанной поляризации на границе раздела AlGaN / GaN.

Среди числовых моделей любая может иметь преимущество перед другими моделями, но также иметь некоторые ограничения. Например, модель переноса энергии может включать эффект горячих электронов [14]. Модель дрейфа-диффузии не может предсказать характеристики вентильных устройств субмикронного уровня [9]. Подход Монте-Карло — один из передовых подходов [21]. Все эти числовые модели обеспечивают уникальное понимание физики устройства и создают возможность повышения производительности с помощью TCAD до изготовления устройства.

6. Последние исследования

В связи с ростом популярности, исследования устройств HEMT все еще продолжаются. В этом разделе были кратко освещены некоторые совсем недавние исследовательские работы, опубликованные в известной научной литературе.

6.1. ВЧ-генератор с настраиваемым резонатором на основе GaN HEMT

Hörberg et al. представили генератор на основе GaN для диапазона X, настраиваемый радиочастотными микроэлектромеханическими системами (RF-MEMS) [22]. Сообщается, что фазовый шум уменьшается в диапазоне от -140 до -129 дБн / Гц при отстройке 100 кГц, что значительно ниже.Этот генератор подходит для высокочастотных модуляторов на основе пониженного шума.

6.2. Компактный усилитель мощности GaN HEMT MMIC

Недавно был опубликован подробный анализ характеристик компактного MMIC усилителя мощности X-диапазона на основе GaN HEMT [23]. Этот усилитель обеспечивает хороший диапазон выходной мощности (47,5–48,7 дБмВт). Такой усилитель может быть использован для построения электронных систем, требующих бортовых фазированных радиолокационных решеток или спутниковых передатчиков. Повышенная выходная мощность усилителя также улучшает стабильность, надежность и производительность этих электронных систем.На рисунке 9 показаны характеристики выходной мощности как в импульсном, так и в непрерывном (CW) режимах с изменением частоты в этом усилителе мощности.

Рис. 9.

Характеристики выходной мощности MMIC усилителя мощности GaN HEMT с изменением частоты в импульсном и непрерывном режимах.

6.3. Q-порча на основе режима истощения HEMT

Q-порча — это процесс, при котором катушки МРТ расстраиваются для обеспечения безопасности и защиты. Традиционно такая развязка или Q-дефект выполняется с помощью PIN-диодов, которые требуют большого тока и потребляемой мощности.Лу и др. предложили альтернативный метод Q-spoiling, который заменяет PIN-диоды на GaN HEMTs с обедненной модой [24]. Показано, что предлагаемая технология эффективно расстраивает катушки МРТ с низким потреблением тока и мощности по сравнению с традиционными технологиями Q-испарения. Он также обеспечивает соответствующие меры безопасности, необходимые для расстройки катушек МРТ.

6.4. Генераторы GaN HEMT с низким фазовым шумом

Превосходный показатель качества (FOM) был достигнут для низкого фазового шума при разработке генераторов на основе GaN HEMT [25].Конструкция продемонстрировала, что низкий фазовый шум может совпадать с малой мощностью смещения. Результат подтвержден разработкой генераторов Колпита и отрицательного сопротивления, и оба они пока представляют собой лучшие из известных FOM.

6.5. Эффект кинка в технологии GaN HEMT

Crupi et al. исследовал эффект кинка (KE) в усовершенствованной технологии GaN HEMT [26]. Для лучшего понимания KE изучается всесторонне при изменении температуры и условий смещения. Показано, что зависимость КЭ от условий эксплуатации в основном связана с крутизной проводимости устройства.Определение характеристик аномального KE было бы полезным инструментом для инженеров по СВЧ, которым нужны эти знания KE для проектирования и моделирования устройств с GaN HEMT.

6.6. GaN-HEMT-переключатели на 600 В для преобразователей мощности

Всего было экспериментально продемонстрировано 600-вольтовые GaN-HEMT-переключатели для сравнения производительности с кремниевыми транзисторными переключателями, такими как IGBT и MOSFET [27]. Переключатели HEMT, несмотря на то, что они новички, демонстрируют превосходные характеристики по сравнению со зрелыми аналогами, MOSFET на основе Si.Показано, что переключатели GaN обеспечивают более высокий КПД повышающего преобразователя, чем переключатели MOSFET. Затем переключатели GaN сравниваются экспериментально с IGBT. Были рассмотрены IGBT на основе Si и SiC. Обнаружено, что при более высокой частоте переключения IGBT переключает эффективность потерь очень быстро, в то время как HEMT переключает эффективность потерь монотонно, как показано на рисунке 10. Таким образом, HEMT обеспечивают более высокую производительность по сравнению с Si-MOSFET и IGBT для приложений переключения высокочастотных преобразователей мощности.

Рис. 10.

Сравнение эффективности GaN HEMT-переключателей с IGBT-переключателями в Si-корпусе и IGBT-переключателями в SiC-корпусе.

7. Будущие тенденции

Будущие HEMT-устройства, основанные на двумерном ограничении носителей, кажутся очень яркими в электронике, связи, физике и других дисциплинах. HEMT на основе GaAs, InP и GaN продолжат свой путь к более высокой интеграции, более высокой частоте, более высокой мощности, более высокой эффективности, более низкому уровню шума и более низкой стоимости. GaN, в частности, предлагает область электронных ламп высокой мощности и высоких частот и ведет к созданию более легких, эффективных и надежных систем связи.

HEMT будут продолжать преобразовываться в другие типы полевых транзисторов, которые будут использовать уникальные свойства 2DEG в различных системах материалов. В силовой электронике HEMT на основе GaN могут оказать большое влияние на потребительские, промышленные, транспортные, коммуникационные и военные системы. С другой стороны, структуры MOS-HEMT или MISFET, вероятно, будут работать в режиме улучшения с очень низким током утечки.

Si CMOS технология быстро приближается к режиму затвора 10 нм.Для достижения этой цели управление рассеиванием мощности в сверхплотных микросхемах будущего поколения станет серьезной проблемой. Снижение рабочего напряжения может быть решением этой проблемы. Однако в настоящее время это сложно сделать с Si CMOS, сохраняя при этом качественные характеристики. Устройства на основе квантовых ям, такие как InGaAs или InAs HEMT, обладают очень высоким потенциалом. Следовательно, HEMT могут продлить действие закона Мура еще на несколько лет, что будет гигантским для общества [28].

Исходя из прошлого, можно ожидать, что исследования новых моделей устройств и структур HEMT определенно приведут к новому пониманию зачастую причудливой физики квантованных электронов.ZnO, SiGe и GaN продемонстрировали дробный квантовый эффект Холла (FQHE), наибольший показатель безупречной чистоты и атомного порядка, которые обеспечивают светлое будущее устройств HEMT [29].

Концепция различных видов физических и биосенсоров все еще очень нова для устройств такого типа. Сверхвысокая мобильность, которая возможна в системе на основе InAlSb / InAsSb, позволяет использовать высокочувствительные датчики микро-Холла для многих приложений, включая сканирующую зондовую микроскопию Холла и биораспознавание [30].Сообщалось о трехосных магнитных датчиках Холла в HEMT на основе AlGaAs / GaAs с микромашинной обработкой [31]. Эти устройства могут быть использованы в будущих электронных компасах и навигации. Детектирование, микширование и умножение частоты ТГц может также использоваться устройствами на основе 2DEG [32]. GaN и родственные ему материалы обладают сильной пьезоэлектрической поляризацией, а также являются химически стабильными полупроводниками. Комбинируя функционализированные структуры 2DEG на основе GaN со свободностоящими резонаторами, можно создавать сложные сенсоры [33].Они могут предлагать методы измерения некоторых свойств, таких как вязкость, pH и температура.

Без ссылок ожидается, что расширение этой технологии в области «машина-машина» (M2M) будет использоваться в различных функциях считывания на основе облачных сетей. Разнообразные приложения, такие как исследования окружающей среды, биотехнология и структурный анализ, могут получить большую пользу с помощью недавно появившейся сенсорной технологии, которая имеет высокую скорость, высокую мобильность и высокую чувствительность.Ожидается, что технология HEMT существенно изменит интеллектуальную социальную инфраструктуру на уровне устройств. Система «умного города», транспортная система, пищевая промышленность, логистика, сельское хозяйство, здравоохранение, экологические науки и системы образования являются примерами, в которых эта технология может делать исключения [34].

Распространение твердотельного освещения на основе III-N приведет к постоянному развитию материалов, подложек и технологий, движимых сильным потребительским рынком. По аналогии, оптоэлектроника III-N бросит вызов лампочкам, а электроника III-N бросит вызов электронному эквиваленту, лампам [35].

8. Приложения

Взрыв Интернет-мультимедийных коммуникаций быстро распространился по миру, что срочно требует увеличения пропускной способности сети передачи. Устройства на основе HEMT являются наиболее привлекательным выбором для преодоления ограничения скорости и механизма высокого усиления и бесшумности. Различные компании по всему миру разрабатывают и производят устройства на основе HEMT, и для этих устройств было предложено множество возможных приложений. Без учета всех этих возможностей в этом разделе резюмируются некоторые ключевые приложения.

8.1. Широкополосная связь

Сотовая связь нашла наиболее важное невоенное применение устройств HEMT за счет замены кремниевых транзисторов. Для таких приложений широкополосной / многополосной связи мы получаем множество преимуществ. Увеличение относительной ширины полосы пропускания для данного уровня мощности является одним из них. Некоторые новые концепции схем и систем обеспечивают повышенную эффективность полосы пропускания. Линейность улучшена при той же выходной мощности. Уменьшение эффектов памяти обнаруживается также при использовании GaN HEMT-устройств [36].

8.2. Компоненты радара и космическое применение

Усилители с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума являются основными характеристиками для изготовления компонентов радара. GaN HEMT — один из первых вариантов таких компонентов. Активные электронные матрицы датчиков построены из HEMT на основе GaN, которые используются для бортовых радаров, наземных радаров ПВО и военно-морских радаров [37]. Применение ракет в Ka-диапазоне на частоте 35 ГГц также обсуждается в литературе [38]. Дискретные HEMT почти всегда используются в качестве предусилителя в типичном приемнике DBS, за которым следуют одна или несколько монолитных микроволновых интегральных схем (MMIC) GaAs MESFET из-за их превосходных характеристик с низким уровнем шума.Использование малошумящего предусилителя HEMT привело к существенному повышению производительности системы при небольших дополнительных затратах. Малошумящий понижающий преобразователь, состоящий из HEMT 0,25 мкм и трех микросхем GaAs MMIC, показал коэффициент шума системы менее 1,3 дБ с усилением около 62 дБ в диапазоне от 11,7 ГГц до 12,2 ГГц, что является феноменальным для коммерческой системы. [39]. Микроволновое оборудование, используемое для космических приложений, очень дорогое, поскольку для его выживания требуется дополнительная защита от суровых условий в космосе.Кроме того, космический аппарат должен быть запущен, а это означает, что оборудование также должно без повреждений выдерживать высокие уровни вибрации и ударов. HEMT могут быть изготовлены, чтобы выжить в этих условиях, и они широко используются в различных областях. Как правило, микроволновые компоненты для космических приложений в десять или сотни раз дороже, чем для коммерческих. Сотрудники Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) использовали отличные криогенные характеристики HEMT для приема сигналов во время пролета Нептуна космического корабля-путешественника.

8.3. Приложения для датчиков

В последнее десятилетие химические датчики приобрели значение для приложений, которые включают внутреннюю безопасность, медицинский и экологический мониторинг, а также безопасность пищевых продуктов. Желательной целью является возможность одновременного анализа широкого спектра экологических и биологических газов и жидкостей в полевых условиях и возможность выборочного обнаружения целевого анализируемого вещества с высокой специфичностью и чувствительностью. Проводящий канал 2DEG HEMT расположен очень близко к поверхности и очень чувствителен к адсорбции аналитов.Следовательно, датчики HEMT могут быть хорошей альтернативой для обнаружения газов, ионов и химикатов [40].

8.4. Обнаружение ДНК

Au-gated AlGaN / GaN HEMT, функционализированные в области ворот с помощью свободных от метки 3′-тиоловых модифицированных олигонуклеотидов, служат в качестве связывающего слоя на поверхности AlGaN, который может обнаруживать гибридизацию согласованных целевых ДНК. XPS показывает иммобилизацию модифицированной тиолом ДНК, ковалентно связанной с золотом, в закрытой области. Ток стока-источника демонстрирует явное уменьшение на 115 мкА по мере того, как эта согласованная целевая ДНК вводится в пробную ДНК на поверхности, демонстрируя перспективность обнаружения последовательности ДНК для биологического зондирования [41].

8.5. Обнаружение белка

Используя аминопропилсилан в области ворот, можно активировать несвязанные структуры AlGaN / GaN HEMT, которые могут служить связывающим слоем с поверхностью AlGaN для прикрепления биотина. Биотин имеет очень высокое сродство к белкам стрептавидина. Когда химические вещества присоединяются к AlGaN / GaN HEMT, заряды на прикрепленных химикатах влияют на ток устройства. Устройство показывает четкое уменьшение на 4 мкА, как только этот белок собирается на поверхности, что свидетельствует о восприятии белка [41].

8.6. Определение pH

Использование затворного диэлектрика Sc ₂ O ₃ дает лучшие результаты по сравнению с естественным оксидом или оксидом, индуцированным УФ-излучением озоном, в области затвора. Не связанные HEMTs с Sc ₂ O ₃ в области затвора демонстрируют линейное изменение тока в диапазоне pH 3–10, равное 37 мкА / pH. Датчики pH HEMT показывают стабильную работу с разрешением <0,1 pH во всем диапазоне pH. Результаты показывают, что HEMT могут применяться для мониторинга изменений pH раствора от 7 до 8, что представляет интерес для тестирования крови человека [40].

9. Заключение

В этой главе на основе доступной литературы обсуждались характеристики устройства и анализ производительности HEMT. В этой главе с кратким описанием различных структур и принципами работы суммируются некоторые известные аналитические и численные исследования HEMT. Обсуждались характеристики I-V , оценка заряда, расчет емкости, эффекты короткого канала и тепловой отклик HEMT. Кроме того, обсуждались моделирование диффузии дрейфа, расчет переноса, моделирование методом Монте-Карло, формализм функций Грина и анализ напряжения сдвига, основанные на численных подходах.Генераторы, усилители, Q-спойлеры, переключатели и диоды на основе HEMT становятся все более популярными в последние дни. Они были рассмотрены на основе последних опубликованных исследований. На основе этих последних исследований были рассмотрены будущие тенденции исследований HEMT. И последнее, но не менее важное: многие важные приложения HEMT, такие как широкополосная и радиолокационная связь, космос и сенсорные компоненты, обнаружение ДНК, белков и pH, были перечислены, чтобы подчеркнуть огромные перспективы HEMT-устройств.Эта глава дает исследователям соответствующих областей направление для будущего улучшения устройств HEMT с перспективными приложениями.

.