Двухзатворные полевые транзисторы: Двухзатворные полевые транзисторы в смесителе приёмника прямого преобразования

Содержание

Двухзатворные полевые транзисторы в смесителе приёмника прямого преобразования

Входе проведения экспериментов со смесителями на полевых транзисторах КП305 большинство из них вышли из строя по причине их высокой чувствительности к статическому электричеству. Поэтому было решено провести эксперименты со смесителями на двухзатворных полевых транзисторах BF960, BF961, BF964S зарубежного
производства и отечественных КП327А. Особенность этих транзисторов — наличие в цепях затворов встроенных защитных диодов, поэтому они устойчивы к статическому электричеству.

Схема смесителя диапазона 80 метров на одном транзисторе показана на рис. 1. Здесь гетеродин работает на частоте, вдвое меньшей принимаемой. Это позволило существенно ослабить излучение сигнала гетеродина (до 80 дБ) и практически избавиться от фона переменного тока, обусловленного таким излучением. Без УВЧ чувствительность приёмника с таким смесителем может достигать 0,3 мкВ. Динамический диапазон приёмника — около 100 дБ. Мощность сигнала гетеродина при этом невелика, смеситель начинает работать при напряжении сигнала гетеродина 0,3 В.

Рис. 1. Схема смесителя диапазона 80 метров на одном транзисторе

 

Сигналы диапазона 80 метров выделяет двухконтурный фильтр L1C2L2C3. Так как межэлектродные ёмкости транзистора малы, оказалось возможным его непосредственное подключение ко второму контуру. Сток и исток можно поменять местами, без заметного ухудшения качества приёма.

В этом смесителе можно применить любой из перечисленных выше полевых транзисторов. Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе К10х6х4 из феррита 400НМ втрое сложенным проводом ПЭЛ 0,2, число витков — от 12 до 18. Катушки L1 и L2 намотаны виток к витку проводом ПЭЛ 0,2 на общем каркасе диаметром 5 мм и содержат по 42 витка. Расстояние между катушками — 4 мм, каждую подстраивают «своим» подстроечником.

Применив в смесителе простые фазовращатели на RC-элементах [1] и хороший ЗЧ-фильтр, можно сделать SSB-приёмник прямого преобразования с подавлением ненужной боковой полосы. Схема такого смесителя показана на рис. 2. И хотя подавление ненужной боковой полосы не столь велико, как в приёмнике трансивера прямого преобразования «Пилигрим» [2], здесь сохранено основное достоинство таких приёмников — простота и малое число элементов. ВЧ-фазовращатель собран на элементах R1 и C1, а НЧ-фазовращатель — на элементах R2, R3, C4, C5 и Т3. Их совместная работа обеспечивает подавление ненужной боковой полосы от 10 до 40 дБ.

Рис. 2. Схема смесителя с фазовращателем на RC-элементах и ЗЧ-фильтром

 

Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе К10х6х4 из феррита 400НМ вдвое сложенным проводом ПЭЛ 0,2, число витков — 20. Конструкция трансформатора Т2 аналогична конструкции трансформатора Т1 в предыдущем смесителе. В качестве трансформатора Т3 использован выходной трансформатор (первичная обмотка) от УЗЧ карманного приёмника. Его можно намотать на магнитопроводе К16х8х4 из феррита 2000НН. Обмотка содержит 500 витков вдвое сложенного провода ПЭЛ 0,1. Так как избирательность приёмника прямого преобразования зависит в основном от качества фильтра ЗЧ, не стоит на нём экономить.

Собрав предложенные смесители, вы будете приятно удивлены громкостью и качеством приёма. Диодные смесители здесь просто «отдыхают». За месяц наблюдений на диапазоне 80 метров на приёмники прямого преобразования с описанными выше смесителями и без УВЧ, с антенной «наклонный луч» длиной 20 м были приняты радиолюбительские радиостанции всех районов, за исключением 7-го и 0-го.

Предложенные смесители обратимы и могут быть использованы для формирования сигнала на передачу, необходимо лишь подобрать уровни сигналов ЗЧ и ВЧ.

Литература

1. Поляков В. Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. -М.: Патриот, 1990.

2. ПИЛИГРИМ трансивер прямого преобразования. — URL: http://www.cqham.ru/ forum/showthread.php?4635 (14.03.18).

Автор:  Александр Федотов (RV6AT, ex UA6AHX), г. Темрюк Краснодарского края

Перечень вопросов к экзамену по курсу “Элементы и узлы приборов ИИТ”

Перечень вопросов к экзамену по курсу «Элементы и узлы приборов ИИТ»

2003/2004 уч. год часть 2

  1. Выпрямительные диоды, столбы и блоки.
  2. Универсальные и импульсные диоды.
  3. Стабилитроны и стабисторы.
  4. СВЧ диоды.
  5. Варикапы и варакторы.
  6. Беспереходные диоды Ганна.
  7. Туннельные и обращенные диоды.
  8. Биполярные транзисторы Структура, схемы включения, режимы работы.
  9. Принцип действия биполярного транзистора.
  10. Токи в биполярном транзисторе. Коэффициент передачи тока
  11. Физические параметры и эквивалентная схема биполярного транзистора.
  12. Статические характеристики биполярного транзистора
  13. Классификация, условные обозначения и особенности использования биполярных транзисторов.
  14. Основные показатели биполярных транзисторов для различных схем включения.
  15. Температурная зависимость статических характеристик биполярных транзисторов.
  16. Классификация биполярных транзисторов
  17. Условные обозначения и типы биполярных транзисторов.
  18. Методы изготовления биполярных транзисторов.
  19. Параметры биполярных транзисторов.
  20. Предельные режимы работы биполярных транзисторов. Виды пробоев. Лавинный, тепловой, токовый.
  21. Вторичный пробой биполярных транзисторов.
  22. Область безопасной работы транзистора,
  23. Защита транзистора от пробоя.
  24. Однопереходной транзистор.
  25. Динисторы Структура, принцип действия, основные параметры.
  26. Тиристоры. Структура, принцип действия, основные параметры.
  27. Симметричные тиристоры. Тиристорные оптроны.
  28. Основные параметры тиристоров Особенности применения тиристоров
  29. Классификация и условные обозначения тиристоров.
  30. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом Принцип действия, характеристики
  31. Конструкция полевые транзисторы с управляющим переходом
  32. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Принцип действия, характеристики.
  33. Двухзатворные полевые транзисторы.
  34. Параметры и свойства полевых транзисторов. Параметры номинального и предельного значения.
  35. Влияние температуры на параметры полевых транзисторов
  36. Эквивалентная схема полевого транзистора. Преимущества и недостатки полевых транзисторов.
  37. Классификация и система условных обозначений полевых транзисторов.
  38. Усилительный каскад на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом.
  39. Усилительный каскад на МДП полевом транзисторе с индуцированным и встроенным каналом.
  40. Источник тока на полевом транзисторе.
  41. Параметры динамического режима работы полевых транзисторов,
  42. Мощные полевые транзисторы. Особенности, конструкции, характеристики мощных полевых транзисторов с управляющим переходом.
  43. Особенности, конструкции, характеристики мощных МДП-транзисторов. Пробой в МДП-транзисторах
  44. Общие сведения об интегральных микросхемах Термины и определения
  45. Классификация интегральных микросхем
  46. Система условных обозначений интегральных микросхем.
  47. Операционные усилители (ОУ) Параметры и характеристики ОУ.
  48. Классификация ОУ, условные обозначения и маркировка.
  49. Линейный стабилизатор Интегральный линейный стабилизатор.
  50. Схема включения интегрального линейного стабилизатора

Как это возможно, что обратная передаточная емкость этого полевого транзистора настолько мала?

Частично ответ может быть получен из Rds (вкл.), Которое составляет 500 Ом (макс.), Что в десять тысяч раз больше Rds (вкл.) Типичного переключаемого полевого МОП-транзистора (скажем, 0,05 Ом).

Коммутируемые полевые МОП-транзисторы высокой мощности обычно реализуются как тысячи полевых МОП-транзисторов меньшего размера, соединенных параллельно, что делает их пригодными для производственных процессов СБИС, но настроенными для более высокого напряжения.

Отдельные сопротивления включения каждого полевого транзистора суммируются параллельно, чтобы получить абсурдно малые значения (миллиом), которые вы видите для всего устройства.

К сожалению, значения паразитной емкости также суммируются параллельно, поэтому значения пФ, которые вы ожидаете для отдельного МОП-транзистора, вырастают до значений нФ, которые вы видите для всего устройства.

Так. если мы также масштабируем Crss на 10000, мы увидим 500pf (тип.) или 700pf (max), что ближе к значениям, которые вы ожидаете для масштабированного устройства на 50 МОм.

Следовательно, моя гипотеза заключается в том, что это устройство представляет собой одиночный полевой транзистор или небольшой массив (2,4 или около того), оптимизированный для переключения на слабый ток, где несколько сотен Ом Rds (вкл.) Не имеют значения. Умереть фото было бы интересно …

Однако это не полное объяснение, так как Crss (в масштабе 10000) не совсем в типичном диапазоне нФ.

Но обратите внимание, что напряжение пробоя необычно высокое, 700 В? Это подразумевает необычно толстые диэлектрические слои, чтобы поддерживать напряженность поля (в вольт / метр) между стоком и всем остальным в нормальных пределах.

А увеличение толщины диэлектрика в любом конденсаторе приведет к уменьшению емкости.

Я думаю, что этими эффектами (масштабированием и настройкой на высокое напряжение) можно объяснить необычно низкую емкость.

Рецензии на прочитанные книги: 25-ый десяток

Пришло время для очередного книжного обзора. Книги я сейчас читаю в основном об электронике. По тэгу «Литература» вы найдете предыдущие мои рецензии. Там есть книги и на другие темы, если электроника вас не очень интересует.

Radio Frequency Transistors: Principles and Practical Applications. Second Edition
Norman Dye, Helge Granberg

Взгляд на транзисторы с перспективы производителей транзисторов, в основном в контексте ВЧ усилителей.

Как читать даташиты и какой параметр что означает. Ликбез по классам усилителей, видам модуляции и какой класс для каких видов модуляции используется. Почему существует так много разных корпусов для транзисторов и какое влияние корпус оказывает на отвод тепла, импеданс устройства, стоимость, и другие свойства. Преимущества и недостатки single-ended усилителей, усилителей с параллельно включенными транзисторами, push-pull усилителей, а также способы согласования импеданса, используемые в этих схемах.

Книгу одобряю. Читается легко и интересно.

Электроника шаг за шагом
Рудольф Сворень

Классическая книга по электронике. Первое издание датировано 1979-м годом. Это обновленная версия книги, вышедшая в 2020-м году.

Объясняется, что такое ток, напряжение и сопротивление, закон Ома, как пользоваться амперметром и вольтметром, как работают конденсаторы, катушки индуктивности, транзисторы и, конечно же, электронные лампы. Далее делается переход к более интересным темам — усилителям, различным видам модуляции, и т.д.

Книжка приятная. По формату чем-то напоминает школьный учебник. Но если вы уже прочитали пару вводных книжек по электронике, то вряд ли узнаете много нового.

The Art of Electronics, Third Edition
Paul Horowitz, Winfield Hill

AoE считается чем-то вроде библии в мире электроники. Третье издание вышло в 2015-м году. Книга большая, почти 1200 страниц.

Ориентирована на подготовленного читателя. Чтобы по достоинству оценить AoE, вы уже должны знать, что такое hFE и fT, импеданс и как осуществляется его согласование, спаять пару генераторов и усилителей, и быть в курсе про коэффициент шума и THD.

Из книги, помимо прочего, вы узнаете, что такое дробовой шум (shot noise), как работают регуляторы напряжения, ЦАП, АЦП и ФАПЧ (PLL), каковы плюсы и минусы SRAM и DRAM. Или, например, что EEPROM- и Flash-память работают на феномене квантовой механики под названием туннелирование Фаулера-Нордгейма (Fowler-Nordheim tunneling).

AoE ни в коем случае не является учебником. Это попытка структурировать опыт авторов в решении задач, с которыми они сталкивались на практике. Многие из этих задач были весьма специфичны и требовали, например, очень глубокого понимания внутреннего устройства современных операционных усилителей. Рядовому радиолюбителю, которому в жизни ничего кроме LM741 / TL081, LM358 и NE5532 не нужно, да и в запасах все равно нет, AoE может показаться не слишком интересной. Но если вы занимаетесь электроникой профессионально, вам точно нужно иметь копию данной книги.

The Art of Electronics: The X Chapters
Paul Horowitz, Winfield Hill

Дополнительные главы к AoE. Решил сразу прочитать, пока материал первой книги не успел забыться.

Из книги вы узнаете, какой толщины должна быть дорожка на двухсторонней печатной плате, чтобы волновое сопротивление линии получилось около 50 Ом, при условии, что вторая сторона платы играет роль ground plane. Для обычного материала FR-4 рекомендуется брать толщину, равную 1.7 толщины печатной платы.

Здесь вы найдете формулы для расчета индуктивности катушки из ее физических размеров, а также введение в математический расчет фильтров. Узнаете, что помимо enhancement и depletion mode МОП-транзисторов бывают «in-betweeen» mode, то есть, не относящиеся ни к первым, ни ко вторым. В качестве примера приводится Zero Threshold™ МОП-транзистор ALD210800A (даташит [PDF]). Наконец, вы узнаете, как нарисовать на осциллографе аттрактор Лоренца, используя три операционных усилителя, а также что такое радиометр Крукса и почему его сложно сфотографировать.

Субъективно, «The X Chapters» оказались куда интереснее оригинального AoE. Читать можно, как отдельную книгу.

The ARRL Antenna Book for Radio Communications, 24th Edition. Vol 3: Antennas for VHF through Microwave and Specialty Antennas
ARRL Inc.

Третий том из четырех. Сюда вошли антенны для УКВ, такие как GP, J-pole, волновые каналы, прямоугольники Моксона, логопериодические, дисконусные и спиральные антенны. Просто и понятно объясняются волноводы, рупорные и параболические антенны. Приводятся инструкции по изготовлению антенны Вивальди и патч-антенны. Сюда же вошли схемы согласования импеданса и балуны для УКВ, а также укороченные и «невидимые» антенны.

Из книги вы узнаете, что для meteor scatter в диапазоне 2 метра оптимальным является волновой канал из 10-12 элементов (длина бума 1.8-2.5λ). Большее число элементов означает более узкий лепесток на ДН антенны, что усиливает сигнал, но делает его менее стабильным для данного вида прохождения.

Особенно понравился раздел 15.5, посвященный вертикалам и диполеям со сплошным рефлектором, например, из листового алюминия. Рефлектор по форме напоминает книгу, раскрытую под углом 90°, 60° или 45°. Несколько таких антенн можно соединить по кругу, используя общий рефлектор. В результате получаем направленную антенну с переключаемой ДН. Это проще, чем делать поворотное устройство, а также позволяет «поворачивать» антенну моментально.

Radio Wave Propagation, Volume 3
Marcel De Canck (ON5AU)

Этот том посвящен истории открытия и изучения ионосферы, а также влиянию космической погоды на прохождение. Какие бывают ионозонды, их сильные и слабые стороны, и как читать производимые ими ионограммы. Еще из книги вы узнаете, что примерно происходит внутри Солнца, и что человечество до сих пор не до конца понимает в его работе. Тут наиболее ярким примером является проблема нагрева солнечной короны (coronal heating problem).

Последние главы резюмируют поведение различных диапазонов в зависимости от время года, время суток и SSN. Как и предыдущие тома, этот радует обилием наглядных цветных иллюстраций.

W1FB’s Design Notebook
Doug DeMaw

Книга 1990-го года, в некотором смысле продолжение «W1FB’s QRP Notebook» и «W1FB’s Antenna Notebook», и то ли сиквел, то ли спин-офф «Solid State Design for the Radio Amateur».

В сущности, это коллекция любимых схем автора — генераторов, смесителей, усилителей, фильтров, АРУ, УНЧ и всякого такого. За 30 лет материал немного потерял актуальность. В частности, двухзатворные полевые транзисторы сейчас доступны только в виде миниатюрных SMD компонентов, да и КПЕ становится проблематично достать. Тем не менее, интересно наблюдать за ходом мысли автора, например какие параметры компонентов он считает важными, как оценивает стабильность генераторов переменной частоты и что рекомендует для ее повышения, какие диоды и какой уровень LO рекомендует для смесителей, и так далее. Имеется приложение с несколькими статьями о кварцевых полосовых фильтрах из журнала QST.

Считаю, что книгу полезно прочитать после SSD и EMRFD для закрепления материала. Без предварительного прочтения этих книг вряд ли что-то будет понятно. А еще лучше прочитать ее после изготовления пары собственных трансиверов.

More QRP Power
ARRL Inc.

Книга 2006-го года, представляет собой сборник статей из журналов QST и QEX. Позиционируется, как продолжение книг «QRP Power» и «QRP Classics», вышедших в 1996-м и 1990-м годах соответственно.

Книга рассказывает, как работать с SMD компонентами и делать корпуса из фольгированного текстолита. В нее вошло несколько проектов QRP трансиверов, передатчиков и приемников, в том числе пара регенеративных. Также в книге вы найдете проекты антенн, тюнеров, КСВ-метров, зарядных устройств и всякого такого.

Мне книга показалась слабоватой. В ней оказалось не так много проектов, которые хотелось бы повторить. Что же до вертикалов, диполей, простых СW-передатчиков и приемников прямого преобразования, по этим темам есть и более удачные книги.

The Low Power SPRAT Book
Radio Society of Great Britain

Компиляция лучших статей из первых 150-и выпусков журнала SPRAT за 1974-2012 годы. Статьи описывают самодельные приемники, передатчики, трансиверы, телеграфные ключи, антенны, СУ, и всякое такое. Много «экспериментальных» конструкций, в стиле как сделать трансивер на одном транзисторе, или питаемый от одной пальчиковой батарейки, или трансивер, практически целиком сделанный на логических инверторах CD4069 и полевых транзисторах BS170.

Типичная статья представляет собой схему и фотографию устройства, плюс несколько абзацев сопроводительного текста. Никакой воды. Этим статьи из SPRAT выгодно отличаются от статей из QST. Книга очень хороша, прочитал на одном дыхании.

International QRP Collection
Radio Society of Great Britain

Книга 2009-го года. Сборник статей по теме QRP из журналов QST, RadCom, SPRAT, Break-In, Lo-Key, The Canadian Amateur, Practical Wireless и с персональных сайтов радиолюбителей. Плюс пара оригинальных статей.

Сюда вошли одновременно статьи о самодельных трансиверах, обзоры QRP-трансиверов от Yaesu и ICOM, несколько инструкций об установке антенн на велосипеды, а также рассказы о путешествиях радиолюбителей по горам. Целевая аудитория книги решительно непонятна. Меня, к примеру, в первую очередь интересовали самоделки. Но в соответствущих статьях не нашлось ничего такого, чего нет в тех же SSD и EMRFD. При этом какая-нибудь схема на одном транзисторе может быть разжевана аж на два журнальных разворота.

В общем, «International QRP Collection» меня не впечатлила.

 

На сегодня это все. Как обычно, буду рад вашим вопросам, дополнениям, а также рекомендациям, что бы такого интересного почитать.

Дополнение: Рецензии на прочитанные книги: 26-ой десяток

Метки: Литература.

Классификация и характеристики полевых транзисторов — Мегаобучалка

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые элементы, которые в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем, т.е. практически без затраты мощности управляющего сигнала.

Различают шесть различных типов полевых транзисторов (FET). Их условные обозначения в электрических схемах представлены на (рис. 5.1). Управляющим электродом транзистора является затвор G.

Он позволяет управлять величиной сопротивления между стоком D и истоком S. Управляющим напряжением является напряжение UGS. Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т. е. их свойства не изменяются, если электроды D и S поменять местами. В транзисторах с управляющим переходом затвор отделен от канала DS n—p— или p—n—переходом. При правильной полярности напряжения UGS диод, образуемый переходом затвор— канал, запирается и изолирует затвор от канала; при противоположной полярности он отпирается. У полевых транзисторов с изолированным затвором, или МОП-транзисторов, затвор отделен от канала DS тонким слоем Sі02. При таком исполнении транзистора ток через затвор не будет протекатъ при любой полярности напряжения на затворе. Реальные токи затворов полевых транзисторов с управляющим переходом составляют от 1пА до 1нА, а для МОП-транзисторов они в среднем меньше в  раз. Входные сопротивления для транзисторов с управляющим переходом составляют от  до  Ом, а для МОП-транзисторов—от до  Ом.



Аналогично делению биполярных транзисторов на p—n— p- и n—p—n-транзисторы полевые транзисторы делятся на p-канальные и n—канальные. У n—канальных полевых транзисторов ток канала становится тем меньше, чем сильнее падает потенциал затвора. У p-канальных полевых транзисторов наблюдается обратное явление. Ниже в основном будут рассматриваться n-канальные транзисторы, а p-канальные—лишь в тех случаях, когда на это будут особые причины. Замена n-канальных транзисторов на p-канальные возможна, если поменять знак напряжения питания, а также соответственно изменить полярность включения используемых в схеме диодов и злектролитических конденсаторов.

Через полевые транзисторы с управляющим переходом при напряжении UGS = 0 протекает наибольший ток стока. Такие транзисторы называют нормально открытыми. Аналогичные свойства имеют МОП-транзисторы обедненного типа. Наоборот, МОП-транзисторы обогащенного типа запираются при величинах UGS, близких к нулю. Их называют нормально закрытыми. Ток стока протекает через n—канальные МОП-транзисторы обогащенного типа тогда, когда UGS превышает некоторое положительное значение. Существуют также МОП-транзисторы, промежуточные между транзисторами обедненного и обогащенного типа, в том числе и такие, через которые при UGS = 0 протекает некоторый средний ток канала.

У n—канальных полевых транзисторов к выводу истока необходимо приложить более отрицательный потенциал, чем к выводу стока. В симметричном n—канальном транзисторе любой из выводов канала, к которому подведен более низкий потенциал, может служить в качестве вывода истока.

В МОП-транзисторах часто делают четвертый вывод от так называемой подложки. Этот электрод, как и затвор, также может выполнять управляющие функции, но он отделен от канала только p—n—переходом. Управляющие свойства подложки обычно не используют, а ее вывод соединяют с выводом истока. Если же требуется два управляющих электрода, то используют так называемые МОП-тетроды или двухзатворные МОП-транзисторы, имеющие два равноценных затвора.

Улучшенная крутизна графенового полевого транзистора с двойным затвором — Kyung Hee University

@article{7ae5c46eb02341378f4fb11c06f68661,

title = «Улучшенная крутизна графенового полевого транзистора с двойным затвором»,

abstract = «M Транзисторы с затвором, такие как транзисторы с двойным затвором, тройным затвором и универсальным затвором, являются на сегодняшний день самой передовой структурой кремниевых транзисторов Здесь экспериментально продемонстрирован настоящий двухзатворный транзистор с графеновым каналом.Верхний и нижний затвор двухзатворного графенового полевого транзистора (DG GFET) электрически соединены, так что проводимость графенового канала может модулироваться одновременно как верхним, так и нижним затвором. Однозатворный графеновый полевой транзистор (SG GFET) только с верхним затвором также изготовлен в качестве управляющего устройства. Для систематического анализа передаточные характеристики обоих GFET были измерены и сравнены. Тогда как максимальная крутизна SG GFET была 17.1 мкСм/мкм, показатель DG GFET составил 25,7 мкСм/мкм, что примерно на 50 % больше. Повышение крутизны было воспроизведено и всесторонне объяснено с помощью основанной на физике компактной модели для GFET. Исследование улучшенных передаточных характеристик DG GFET в этой работе показывает возможность многозатворной архитектуры для высокоэффективной технологии графеновых транзисторов.»,

ключевых слов = «Двойной затвор, полевой транзистор, графен, крутизна «,

author = «Хван, {Бён Ун} и Ёом, {Хе Ин}, и Дэвон Ким и Ким, {Чунг Ки}, и Донхил Ли, и Чхве, {Янг Гю}»,

примечание = «Информация о финансировании: Это исследование было поддержано Программой Pioneer Research Center через Национальный исследовательский фонд Кореи, который финансируется Министерством науки, ИКТ и планирования будущего (грант No.2012-0009600). Эта работа также была поддержана Центром интегрированных интеллектуальных датчиков, финансируемым Министерством науки, ИКТ и планирования будущего в рамках проекта Global Frontier (CISS-2011-0031848). Авторские права издателя: {\textcopyright} 2017 Elsevier Ltd»,

year = «2018»,

month = mar,

doi = «10.1016/j.sse.2017.12.008»,

language = «English»,

том = «141»,

страницы = «65—68»,

журнал = «Твердотельная электроника»,

issn = «0038-1101»,

издатель = «Elsevier Ltd.»,

}

Сегнетоэлектрические транзисторы с асимметричным двойным затвором для окна памяти, превышающего 12 В, и чтение без помех

Сегнетоэлектрические полевые транзисторы (FeFET) со структурой с одним затвором и с использованием недавно открытого сегнетоэлектрического оксида гафния в качестве активного материала вызывают значительный интерес для устройств энергонезависимой памяти. Однако такие FeFET с трудом достигают большого разделения между двумя логическими состояниями (окно памяти, MW) из-за ограничений по толщине сегнетоэлектрической пленки.Кроме того, на них влияют вредные помехи, исходящие от операции чтения из-за общих путей записи и чтения. Следовательно, необходимы значительные улучшения производительности, чтобы устройство могло конкурировать с устоявшимися технологиями памяти, такими как флэш-память. Здесь мы представляем асимметричную структуру FeFET с двойным затвором, в которой только один пакет затворов содержит сегнетоэлектрический слой. Мы предлагаем новую операцию чтения на несегнетоэлектрическом затворе и демонстрируем усиленную MW, превышающую 12 В, благодаря усиленному фактору эффекта тела и повышенной чувствительности передаточных характеристик к сегнетоэлектрической поляризации.В результате вышеуказанное физическое ограничение обходится, таким образом, намного превосходя значения MW, указанные в литературе. Исходя из этого, мы реализуем многоуровневое хранилище ячеек с 4 битами на ячейку и стабильным сохранением данных. Наконец, существенное преимущество разделения путей записи и чтения в нашей структуре используется для демонстрации полностью бесперебойной операции чтения. Помимо памяти, это может быть особенно выгодно для тех концепций нейроморфных вычислений и вычислений в памяти со случайным обновлением хранимой переменной, но очень частым чтением.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте еще раз?

Полевые транзисторы с двойным затвором в качестве электрических датчиков для газообразных химических веществ

Полевые транзисторы с двойным затвором в качестве электрических датчиков для газообразных химических веществ

 

Benjamin Bunes
University of Utah

Органические материалы доказали свою полезность в различных приложениях для обнаружения газа благодаря своей превосходной чувствительности и селективности.Однако многие материалы подходят только для оптических методов передачи сигналов, таких как флуоресценция или изменение цвета. Системы для считывания этих датчиков, как правило, дорогие и хрупкие. Эти проблемы можно решить, изменив способ сигнализации на электронный. Химирезисторы, материалы, которые изменяют свое электронное сопротивление в ответ на присутствие анализируемого вещества, являются эффективным средством электронного обнаружения, но имеют много недостатков. Во-первых, изменение тока прямо пропорционально количеству присутствующего аналита, что ограничивает разрешение и чувствительность.Во-вторых, это требует дополнительных материалов; помимо того, что он является чувствительным и селективным к целевому аналиту, чувствительный материал также должен обладать хорошей способностью к переносу заряда, что часто проблематично для органических материалов. Чтобы решить эту проблему, мы предлагаем новое устройство: полевой транзистор с двойным затвором. В таком устройстве полупроводниковый материал зажат между двумя изолирующими слоями, за которыми следуют два электрода затвора. Еще два электрода, исток и сток, находятся в непосредственном контакте с полупроводником и пропускают ток, зависящий от состояния двух электродов затвора.Нижний затвор используется для настройки порогового напряжения верхнего затвора, обеспечивая работу датчика в оптимальном режиме. Верхний затвор функционализирован органическими молекулами, настроенными на определенный аналит. Аналит будет передавать заряды органическому слою, который будет смещать транзистор. В этой реализации изменение тока пропорционально квадрату количества присутствующего аналита. Это было бы большим улучшением по сравнению с химическими резисторами. Чувствительность и селективность поддерживаются осажденными органическими молекулами, используемыми для функционализации верхних ворот.Поскольку перенос заряда происходит в полупроводнике, а не в молекулах, используемых для восприятия, это также устраняет требование, чтобы материал датчика был электропроводным. Здесь мы предлагаем новый электронный датчик, который обеспечивает беспрецедентную чувствительность, сохраняя при этом селективность и не накладывая дополнительных материальных ограничений. Это устройство будет обнаруживать химические вещества в паровой фазе и может быть настроено практически на любое химическое вещество.

Электродвигатели и инверторы следующего поколения на горизонте

Электродвигатели и инверторы следующего поколения представляют собой серьезную, но потенциально прибыльную задачу проектирования, пишет Норберт Альт из FEV

Поскольку популярность электромобилей продолжает расти, ключевые проблемы проектирования остается увеличить дальность и снизить затраты.Особое внимание здесь уделяется высокой эффективности электрического силового агрегата. В то же время наблюдается четкая тенденция к высокоинтегрированным электроприводным блокам (EDU), состоящим из инвертора, электродвигателя, трансмиссии и теплообменника, что дает преимущества в отношении компоновки, веса и удельной мощности.

Новые материалы

Одной из ключевых тенденций развития инверторов является технологический переход от биполярных транзисторов с кремниевым изолированным затвором (Si-IGBT) к карбидокремниевым (SiC) металлооксидным полупроводниковым полевым транзисторам (MOSFET).Преимущества технологии SiC отчетливо видны в диапазоне низкой мощности, который является доминирующим режимом работы при повседневном вождении. С помощью интеллектуальных стратегий управления, таких как переменная частота переключения и прерывистая модуляция, можно добиться еще большей оптимизации. С другой стороны, более высокие скорости переключения, вызывающие высокие градиенты напряжения, более сложны с точки зрения электромагнитных помех и изоляции.

Электромобили следующего поколения должны заряжаться быстрее и двигаться дальше отчасти благодаря инновациям в области инверторов и двигателей. силовые модули.Между тем, существуют также технологические варианты, такие как реализация технологии трехуровневого нитрида галлия (GaN) в преобразователях постоянного тока и тяговых инверторах, двухуровневый SiC с усовершенствованными драйверами затвора или технологией мягкого переключения и инверторы источника тока с двойными блокирующими устройствами.

Двигатели следующего поколения

Электродвигатель является основным источником потерь в EDU. Оптимизация эффективности электродвигателя является ключом к увеличению запаса хода автомобиля. Для тяговых приводов полезно иметь четкое различие между первичными двигателями и вспомогательными осями.В то время как первичные двигатели должны иметь хороший КПД во всем рабочем диапазоне; второстепенные оси больше ориентированы на минимизацию затрат и потерь на сопротивление. Из-за более низких потерь на лобовое сопротивление синхронные машины с внешним возбуждением (EESM) и асинхронные машины (IM) являются основными технологиями двигателей для вспомогательных осей. На рынке первичных двигателей наблюдается большое разнообразие топологий двигателей. В прошлом синхронная машина с постоянными магнитами (PMSM) была основной технологией для первичных двигателей, тогда как сегодня доля моделей EESM растет.

При более высоких скоростях может быть достигнута более высокая мощность электродвигателя при том же количестве исходных материалов, поскольку крутящий момент зависит от объема — преимущество для экологического следа. Основным недостатком высокоскоростных двигателей является плотность потерь. Поскольку более высокая мощность и, следовательно, более высокие потери сосредоточены в относительно небольшом объеме, охлаждение становится еще более важным.

Масляное охлаждение позволяет подавать охлаждающую жидкость непосредственно на активные части электродвигателя. Следовательно, производители сталкиваются с широким спектром решений для охлаждения, таких как водяная рубашка, каналы охлаждения масла статора, охлаждение вала, охлаждение распылительного кольца и охлаждение распылением ротора.Правильное понимание плюсов и минусов различных решений и самого случая применения будет ключевым фактором успеха для высокоскоростных электродвигателей с высокой номинальной продолжительной мощностью.

Массив технических разработок

С точки зрения ЭДУ односкоростных коробок передач вполне достаточно для большинства применений легковых автомобилей, так как диапазон скоростей электромашины увеличен. Сегмент большегрузных автомобилей требует EDU с многоскоростной трансмиссией. Это связано с большим разбросом между требуемой способностью запуска транспортного средства и необходимой максимальной скоростью.В большинстве этих применений требуются трансмиссии с переключением под нагрузкой, чтобы соответствовать требованиям к постоянному крутящему моменту автомобиля.

При более высоких скоростях может быть достигнута более высокая мощность электродвигателя при том же количестве сырья. Некоторые электроприводы имеют парковочные замки со стороны трансмиссии, в то время как в других транспортных средствах используются тормозные системы транспортных средств. Полноприводные приложения включают постоянную электрическую трансмиссию и электрический привод, который используется временно.Эти временные устройства имеют отключающие устройства для использования электрических машин с более высоким крутящим моментом. Здесь необходимо обеспечить плавное, но быстрое повторное зацепление.

Тем временем электрические приводы с вектором крутящего момента становятся все более популярными в спортивных автомобилях и автомобилях класса люкс. Эти электроприводы сложны с точки зрения функциональной безопасности, так как механический дифференциал заменен системой управления электрической машиной.

В целом, есть много вещей, которыми можно занять отрасль, когда дело доходит до разработки электродвигателей и инверторов следующего поколения.


Об авторе: Норберт Альт, главный операционный директор FEV Group

TSMC заявляет, что производство 2-нанометровых чипов начнется в 2025 году

кратко: В отчете о прибылях и убытках за первый квартал TSMC сообщила, что продвигается вперед в разработке следующего поколения технологических узлов. Полупроводниковый гигант планирует запустить свои первые 3-нм техпроцессы в конце этого года, а к концу 2025 года планирует перейти на 2-нм техпроцессы.

Брюс Ли, аналитик Goldman Sachs, задал генеральному директору TSMC Си Си Вэю первый и второй вопросы телефонного разговора.Его первый вопрос был об инфляции и экономике в целом, на что Вэй ответил, что TSMC занимает хорошие позиции в качестве ведущего мирового литейного производства, способного выдержать волатильность рынков.

Затем

Ли спросил о сроках 2-нанометрового узла. «Наша разработка N2 идет по плану, — сказал Вэй. «…мы уверены, что N2 продолжит наше технологическое лидерство для поддержки роста клиентов. И мы по-прежнему планируем начать производство в 2025 году». Он сказал, что подготовка к производству начнется в 2024 году.

Говорят, что N2 является первым процессом TSMC, в котором используются транзисторы GAA (gate all-around) вместо FinFET (плавниковые полевые транзисторы).Samsung уже начала использовать собственную версию GAA, а Intel планирует внедрить свою версию в 2024 году. Аналитик спросил Вэя об этом, но он отказался отвечать.

Представители TSMC были более откровенны в отношении грядущего 3-нм семейства. Во второй половине этого года TSMC запустит процесс N3 в производство. Через год, а возможно, и раньше, он будет готов запустить в производство процесс N3E, версию N3 с «повышенной производительностью, мощностью и выходом».

TSMC ожидает, что HPC (High-Performance Compute) станет ее самым быстрорастущим сегментом в этом году.В прошлом квартале он принес 41% своего дохода, что немного выше, чем у смартфонов, которые принесли 40%. Интернет вещей и автомобилестроение заняли третье и четвертое места, принося 8% и 5% дохода соответственно.

Общая выручка

Foundry выросла на 11,6% за квартал до 17,6 млрд долларов, что немного выше февральского прогноза. Ожидается, что выручка во втором квартале составит от 17,6 до 18,2 млрд долларов.

Изображение предоставлено: Fritzchens Fritz

Источник

Инженерные кристаллы могут помочь компьютерам работать с меньшим энергопотреблением

Американские исследователи разработали кристаллические структуры, которые компьютерная индустрия может включить в усовершенствованные кремниевые транзисторы, что сделает компьютеры более энергоэффективными.

Компьютеры становятся меньше и мощнее, но для их работы требуется много энергии. Эксперты говорят, что общее количество энергии, которое США тратит на вычисления, выросло за последнее десятилетие и быстро приближается к другим основным секторам, таким как транспорт.

Но инженеры Калифорнийского университета (UC) в Беркли сообщили о прорыве в конструкции компонента транзисторов — крошечных электрических переключателей, составляющих строительные блоки компьютеров, — которые могут значительно снизить их энергопотребление без ущерба для скорости. Размер или производительность.

По словам исследователей, компонент, называемый оксидом затвора, «играет ключевую роль» в включении и выключении транзистора.

«Мы смогли показать, что наша технология оксида затвора лучше, чем имеющиеся в продаже транзисторы», — сказал Сайеф Салахуддин, профессор электротехники и компьютерных наук в университете. «То, что сегодня может сделать полупроводниковая промышленность с оборотом в триллион долларов, — мы, по сути, можем их превзойти».

Эффект, называемый отрицательной емкостью, сделал возможным такое повышение эффективности.Салахуддин теоретически предсказал существование отрицательной емкости в 2008 году и впервые показал эффект в сегнетоэлектрическом кристалле в 2011 году.

Новое исследование показывает, как разработчики могут добиться отрицательной емкости в инженерном кристалле, состоящем из многослойного пакета оксида гафния и оксида циркония, который легко совместим с передовыми кремниевыми транзисторами, заявили исследователи.

Благодаря включению материала в модели транзисторов исследование показало, как эффект отрицательной емкости может значительно снизить напряжение, необходимое для управления транзисторами, и, как следствие, количество энергии, потребляемой компьютером.

«За последние 10 лет энергия, используемая для вычислений, увеличилась в геометрической прогрессии, и уже составляет однозначные проценты от мирового производства энергии, которая растет только линейно, и конца этому не видно», — сказал Салахуддин. «Обычно, когда мы используем наши компьютеры и мобильные телефоны, мы не думаем о том, сколько энергии мы используем. Но это огромная сумма, и она будет только расти».

Он добавил, что цель команды состоит в том, чтобы уменьшить потребность в энергии для этого базового строительного блока вычислений, потому что это снижает потребность в энергии для всей системы.

Исследователи заявили, что отрицательная емкость может повысить производительность оксида затвора за счет снижения величины напряжения, необходимого для достижения заданного электрического заряда. Но эффект не может быть достигнут в любом материале. Но они подчеркнули, что создание отрицательной емкости требует тщательного управления свойством материала, называемым сегнетоэлектричеством, которое возникает, когда материал проявляет спонтанное электрическое поле.

В ходе исследования команда также достигла отрицательной емкости путем объединения оксида гафния и оксида циркония в инженерную кристаллическую структуру, называемую суперрешеткой, что приводит к одновременному возникновению сегнетоэлектричества и антисегнетоэлектричества.

«Мы обнаружили, что эта комбинация на самом деле дает нам еще лучший эффект отрицательной емкости, что показывает, что это явление отрицательной емкости намного шире, чем предполагалось изначально», — сказал Сурадж Чима, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли.

«Отрицательная емкость возникает не только в традиционной картине сегнетоэлектрика с диэлектриком, которая изучалась в течение последнего десятилетия. На самом деле вы можете усилить эффект, разработав эти кристаллические структуры, чтобы использовать антисегнетоэлектричество в тандеме с сегнетоэлектричеством.

Исследователи также обнаружили, что структура сверхрешетки, состоящая из трех атомных слоев оксида циркония, зажатых между двумя одиночными атомными слоями оксида гафния, общей толщиной менее 2 нм, обеспечивает наилучший эффект отрицательной емкости.

По словам команды, поскольку в большинстве кремниевых транзисторов уже используется 2-нм оксид затвора, состоящий из оксида гафния поверх диоксида кремния, и поскольку оксид циркония также используется в кремниевых технологиях, эти сверхрешетчатые структуры можно легко интегрировать в современные транзисторы.

Чтобы проверить, насколько хорошо структура сверхрешетки будет работать в качестве оксида затвора, команда изготовила транзисторы с коротким каналом и проверила их возможности. Этим транзисторам требуется примерно на 30% меньше напряжения, при этом они соответствуют стандартам полупроводниковой промышленности и не теряют надежности по сравнению с существующими транзисторами.

«Одна из проблем, с которой мы часто сталкиваемся в исследованиях такого типа, заключается в том, что мы можем показать различные явления в материалах, но эти материалы несовместимы с передовыми вычислительными материалами, и поэтому мы не можем принести пользу реальной технологии», — сказал Салахуддин.«Эта работа превращает отрицательную емкость из академической темы во что-то, что действительно можно использовать в усовершенствованном транзисторе».

Подпишитесь на электронную рассылку E&T News, чтобы каждый день получать подобные замечательные истории на свой почтовый ящик.

TSMC составляет дорожную карту для своих 2-нм чипов

Поскольку TSMC готова начать массовое производство своих 3-нм чипов, где-то в третьем квартале 2022 года, TSMC; в своем отчете о доходах за первый квартал 2022 года уже представила будущую дорожную карту для своих 2-нм чипов следующего поколения, которые будут иметь новый дизайн транзистора.

Согласно заявлению генерального директора TSMC C.C. Вэй ответил на вопрос Брюса Ли, аналитика Goldman Sachs, что следующее поколение процесса изготовления микросхем будет по-прежнему опираться на существующие машины ASML для литографии в экстремальном ультрафиолете (EUV) с очень высокой числовой апертурой 0,33

. Литографическая машина ASML EUV (Источник: ASML)

Кроме того, добавил он, новый процесс будет готов к рискованному/тестовому производству где-то в четвертом квартале 2024 года, а крупносерийное производство (HVM) планируется начать к концу 2025 года, что предполагает, что первый 2-нм клиент TSMC (вероятно, Apple ) должна получить свои первые чипы на базе N2 где-то в 2026 году.

С технической точки зрения, процесс TSMC N2 также предназначен для перехода от использования старых FinFET (плавниковых полевых транзисторов) к транзисторам GAA (затвор-все вокруг) — технологии, которую Samsung уже улучшила, представив свой собственный MBCFET (Multi-bridge channel FET), который будет использоваться для производства будущих 3-нм чипов, которые появятся на рынке в ближайшее время.

Различные типы конструкции транзисторов (Источник: Samsung)

Тем не менее, помимо того, что мы даем нам представление о будущей дорожной карте 2-нм производственного процесса TSMC следующего поколения, этот отчет также показывает, насколько сложно производить более совершенные и меньшие чипы, поскольку мы приближаются к отметке в 1 нм, в основном потому, что TSMC запускала производство с использованием своих новых узлов каждые два года.Это не относится к его 2-нм техпроцессу, который войдет в фазу HVM (большое производство) почти через четыре года после того, как 3-нм техпроцесс перейдет в фазу HVM.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.