Полевой транзистор это. Полевой транзистор: принцип работы, виды и применение

Что такое полевой транзистор. Как устроен полевой транзистор. Какие бывают виды полевых транзисторов. Чем отличается полевой транзистор от биполярного. Где применяются полевые транзисторы.

Что такое полевой транзистор и как он работает

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток между двумя электродами (истоком и стоком) управляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде (затворе). В отличие от биполярных транзисторов, в полевых транзисторах ток создается носителями заряда только одного знака — электронами или дырками.

Принцип работы полевого транзистора основан на изменении проводимости канала между истоком и стоком под действием поперечного электрического поля. Это поле создается напряжением на затворе, которое изменяет концентрацию носителей заряда в канале.

Основные элементы полевого транзистора:

• Исток — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда
• Сток — электрод, через который из канала уходят носители заряда
• Затвор — управляющий электрод, создающий электрическое поле
• Канал — область полупроводника между истоком и стоком

История создания полевых транзисторов

Идея полевого транзистора была предложена задолго до его практической реализации:

• 1926-1928 гг. — Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил идею полевого транзистора с изолированным затвором
• 1953 г. — Уильям Шокли и Джордж Пирсон создали первый работающий полевой транзистор с управляющим p-n переходом
• 1960 г. — Кангн Доусон и Мартин Атала изготовили первый работающий МОП-транзистор
• 1966 г. — Карвер Мид разработал полевой транзистор с барьером Шоттки

Таким образом, от идеи до практической реализации полевых транзисторов прошло более 30 лет. Это было связано со сложностью технологии изготовления тонких диэлектрических слоев необходимого качества.

Основные виды полевых транзисторов

Полевые транзисторы можно разделить на две большие группы по способу изоляции затвора:

1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

В этих транзисторах затвор отделен от канала обратно смещенным p-n переходом. Изменение обратного напряжения на p-n переходе изменяет его толщину и, соответственно, толщину проводящего канала.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

В МДП-транзисторах затвор отделен от канала слоем диэлектрика, обычно оксида кремния. Напряжение на затворе создает в канале поперечное электрическое поле, изменяющее концентрацию носителей.

МДП-транзисторы в свою очередь делятся на:

• Транзисторы с индуцированным каналом — канал образуется только при подаче напряжения на затвор
• Транзисторы со встроенным каналом — канал существует даже при нулевом напряжении на затворе

Чем полевой транзистор отличается от биполярного

Полевые транзисторы имеют ряд существенных отличий от биполярных:

1. Принцип работы:
   • В биполярных транзисторах управление выходным током осуществляется входным током
   • В полевых транзисторах управление происходит входным напряжением (электрическим полем)
2. Входное сопротивление:
   • У биполярных транзисторов — единицы или десятки кОм
   • У полевых транзисторов — может достигать 10¹⁰-10¹⁴ Ом
3. Носители заряда:
   • В биполярных транзисторах ток создается носителями обоих знаков (электронами и дырками)
   • В полевых транзисторах ток создается носителями только одного знака
4. Уровень шумов:
   • Полевые транзисторы обладают более низким уровнем шума, особенно на низких частотах

Основные характеристики полевых транзисторов

Работу полевых транзисторов описывают следующие основные характеристики:

1. Выходные (стоковые) характеристики

Зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком при постоянном напряжении на затворе.

2. Стоко-затворные (передаточные) характеристики

Зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении между стоком и истоком.

3. Крутизна характеристики

Отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

4. Внутреннее сопротивление

Отношение изменения напряжения на стоке к вызванному им изменению тока стока при постоянном напряжении на затворе.

Схемы включения полевых транзисторов

Существует три основные схемы включения полевых транзисторов:

1. Схема с общим истоком (ОИ)

Наиболее распространенная схема, аналогичная схеме с общим эмиттером для биполярных транзисторов. Обеспечивает усиление как по току, так и по напряжению.

2. Схема с общим стоком (ОС)

Используется как повторитель напряжения. Имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление.

3. Схема с общим затвором (ОЗ)

Аналогична схеме с общей базой для биполярных транзисторов. Обладает низким входным сопротивлением и не дает усиления по току.

Применение полевых транзисторов

Благодаря своим уникальным свойствам, полевые транзисторы нашли широкое применение в различных областях электроники:

• Аналоговые схемы — усилители с высоким входным сопротивлением
• Цифровые схемы — основа современных процессоров и памяти
• Преобразователи напряжения
• Электронные ключи и коммутаторы
• Стабилизаторы напряжения
• Генераторы
• Датчики различных физических величин

Особенно широкое распространение получили МДП-транзисторы в интегральных микросхемах. Они стали основой для создания микропроцессоров, микроконтроллеров и микросхем памяти.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов

Полевые транзисторы обладают рядом преимуществ по сравнению с биполярными:

Преимущества:

• Очень высокое входное сопротивление
• Низкий уровень шума
• Высокая плотность размещения в интегральных микросхемах
• Малое энергопотребление в статическом режиме
• Хорошая линейность характеристик

Недостатки:

• Меньшая крутизна характеристики по сравнению с биполярными транзисторами
• Чувствительность к статическому электричеству
• Сложность изготовления высококачественных МДП-структур

Перспективы развития полевых транзисторов

Несмотря на то, что полевые транзисторы были изобретены более полувека назад, их развитие продолжается и сегодня. Основные направления совершенствования:

• Уменьшение размеров транзисторов для повышения степени интеграции микросхем
• Снижение энергопотребления
• Повышение рабочей частоты
• Использование новых материалов (графен, нанотрубки) для создания канала
• Разработка трехмерных структур транзисторов

Развитие технологии полевых транзисторов позволяет создавать все более мощные и энергоэффективные электронные устройства, открывая новые возможности в области вычислительной техники, связи и других отраслях.

Полевые транзисторы | Электротехника

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Транзистор с управляющим p—n-переходом. Его схематическое изображение приведено на рис. 1.21, а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 1.22, а, б (

p— и n-типов соответственно). Стрелка указывает направление от слоя р к слою п (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть существенно меньше 1 мкм.

Рис. 1.22 Устройство транзистора

Рис. 1.23 Графическое изображение: а – канал р-типа; б – канал n-типа

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэтому область р-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим
р-n-переходом и каналом n-типа. Если подать положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом р-типа:

и_зи > 0, то оно сместит p—n-переход в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения на переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение и_зи достаточно велико, то канал полностью перекрывается областью p—n-перехода (напряжение отсечки).

В рабочем режиме р—n-переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (i_з

? 0), а ток стока практически равен току истока.

На ширину р—n-перехода и толщину канала прямое влияние также оказывает напряжение между истоком и стоком. Пусть u_зи = 0 и подано положительное напряжение u_ис(рис. 1.24). Это напряжение окажется поданным и на промежуток затвор – сток, т.е. окажется, что u_зс = u_ис и р—n-переход находится под обратным напряжением.

Обратное напряжение в различных областях р—n-перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение примерно равно величине u_ис. Поэтому p—n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Можно считать, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.

При u

_ис = U_зиотс канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 1.25). При дальнейшем увеличении напряжения u_ис эта область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться.

Рис. 1.24 Принцип действия транзистора

Рис. 1.25 Режим отсечки

Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, существуют три схемы включения: схемы с общим затвором (03), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком (рис. 1.26).

Так как в рабочем режиме i_c ? 0, то входные характеристики обычно не рассматриваются.

Выходные (стоковые) характеристики. Выходной характеристикой называют зависимость вида

где f – некоторая функция.

Выходные характеристики для транзистора с р—n-переходом и каналом n-типа приведены на рис. 1.27.

Обратимся к характеристике, соответствующей условию u_зи = 0. В линейной области (u_ис < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.

При u_ис > 4 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт, расширяется. При этом сопротивление промежутка исток-сток увеличивается, а ток i_c практически не изменяется. Это область насыщения. Ток стока в области насыщения u_зи = 0 и при заданном напряжении и_синазывают начальным током стока и обозначают через i_{c нач}. Для рассматриваемых характеристик i_{c нач} = 5 мА при и_си = 10 В.

Рис. 1.26 Схема с общей базой

Рис. 1.27 Выходные характеристики

Параметрами, характеризующими свойства транзистора усиливать напряжение, являются:

1) Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):

2) Внутреннее дифференциальное сопротивление Rис диф

3) Коэффициент усиления

Можно заметить, что

Транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В соответствии с их структурой такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

Рис. 1.28 Устройство МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

На рис. 1.28 показан принцип устройства транзистора со встроенным каналом.

Основанием (подложкой) служит кремниевая пластинка с электропроводностью p-типа. В ней созданы две области с электропроводностью n⁺-типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область – диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 – 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.

Если к затвору приложено нулевое напряжение, то при подаче между стоком и истоком напряжения через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p—n-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока, стока и кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения. Если подать положительное напряжение на затвор, то под действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электроны. Сопротивление канала падает, ток увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения. Если кристалл n-типа, то канал должен быть p-типа и полярность напряжения меняется на противоположную.

Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 1.29). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком
n⁺-типа расположен только кристалл p-типа и на одном из p-n⁺-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p-области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (еденицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа, и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал p-типа. Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в устройствах переключения. Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные.

По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП-транзисторы. Условное обозначение этих приборов на электрических схемах показано на рис. 1.30. Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора).

Рис. 1.30 Условные графические обозначения полевых транзисторов
с изолированным затвором: а – со встроенным р-каналом; б – со встроенным
n-каналом; в – с индуцированным p-каналом; г – с индуцированным n-каналом

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p—канальные и n-канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием.

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC-цепи затвора. Поскольку входная емкость Сзи у транзисторов с р—n-переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц – единиц мегагерц.

При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC-цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-n-переходом.

Полевой транзистор — это… Что такое Полевой транзистор?

Полевой транзистор (англ. field-effect transistor, FET) — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

История создания полевых транзисторов

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 29 мая 2012.

Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов — полевых транзисторов с барьером Шоттки — была предложена и реализована Мидом (англ.)русск. в 1966 году. Затем в 1977 году ученый Джеймс МакКаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем.

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом, или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Рис. 1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком (Source). Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком (Drain). Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (Gate).

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U_ЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U_ЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и статические характеристики передачи (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.  В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки U_ЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта в зависимости от напряжения U_ЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

 — Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO₂ и толстый слой нитрида Si₃N₄. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO₂ электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO₂ предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния.^[1]

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности.^[2][3]

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы (англ.)). В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера.^[4]

Области применения полевых транзисторов

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, так как обладают малыми нелинейными и динамическими искажениями.

См. также

Ссылки

Примечания

1. ↑ Дьяконов В. П. Intel. Новейшие информационные технологии. Достижения и люди. М.: СОЛОН-Пресс.- 2004.- 416 с.
2. ↑ Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник. В. В. Бачурин, В. Я. Ваксембург, В. П. Дьяконов и др.; Под ред. В. П. Дьяконова.- М.: Радио и связь, 1994.- 280 с.
3. ↑ Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю.; Под ред. проф. В. П. Дьяконова.- М.: СОЛОН-Р, 2002.- 512 с.
4. ↑ Semiconductor Physical Electronics (Second Edition). Sheng S. Li.- Springer, 2006.- 708 p. ISBN 0-387-28893-7 ISBN 978-0387-28893-2

MOSFET транзисторы. Устройство, принцип работы и разновидности.

Полевой транзистор с изолированным затвором

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n — переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).

Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел — полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO₂).

Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик — полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов — IRFZ44N.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

• Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.

• Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.

• Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO₂). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом (+) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO₂). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET” или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому — напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Принцип работы полевого транзистора для чайников

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 .

Обсуждение: 55 комментариев

ЗАМЕЧАТЕЛЬНАЯ СТАТЬЯ… Правда — не проще дополнить — что любой транзистор — это просто два диода, и проверить тестером — 0.6 в падения. А у полевого — 0.4 Чем городить огород.

Игорь, «два диода» — это биполярный транзистор. У полевого — только один диод (защитный), включенный параллельно каналу. Это у тех полевиков, про которые я писал.

Опечатка: На схеме для проверки ПТ необходимо резистор R1 (1k) переименовать на R2 (1k)

Что работает? Полевик?

кажется нашёл, что искал, но всё равно irf3808 горят как спички, запитываю ПН от акб 12в 6о а/ч, а у фета 130 ампер.

Иваныч, у IRF3808 Vdss=75 В. А у преобразователя какое выходное напряжение?

понравилось,но извените-R1,R2 ПО 2КОМ а R3-1ком » На схеме для проверки ПТ необходимо резистор R1 (1k) переименовать на R2 (1k)».Виктор,скажите на сегодня в схеме-всё ок или нет.простите за непонятливость.С наступающим!

Да, я схему (точнее нумерацию элементов) давно подправил. В схеме все ок.
Николай, и Вас с наступающим Новым годом, и всего самого наилучшего!

Ув.Виктор!ответьте-как должно осуществляться если на схеме есть и «общий» и «земля»
даю цитату: Чтобы схема выглядела менее запутанно, общий провод нередко обозначают короткой утолщенной черточкой, соединенной с проводом, и такие же черточки ставят на концах выводов деталей, разбросанных по всей схеме. Это значит, естественно, что такие выводы нужно припаять к общему проводу.
Следует отличать обозначение общего провода от знака заземления, состоящего из трех параллельных черточек разной длины. Такой знак чаще всего встречается на схемах простых приемников, для хорошей работы которых нужна не только наружная антенна, но и заземление — проводник, подпаянный к зарытому в землю металлическому предмету. Как правило, заземляют общий провод конструкции.

Общий — это общий, земля — это земля. Выводы, подключенные к общему проводу, должны быть соединены между собой, иначе схема не будет работать. Во многих случаях схема будет работать нормально, если общий провод ее не заземлять. Например, в проверочной схеме в статье ее общий провод можно не заземлять — все и так будет работать.
Заземление нужно, нужно в частности, в силовых цепях для защиты от поражения электрическим током. На западе давно применяется трехпроводная система питания — фазный провод, нулевой провод и земля. Для нормальной работы защиты земельный провод должен быть соединен с металлическим штырем (их может быть несколько), вкопанным в землю.

Спасибо,вопрос возник ещё и потому,что в других схемах рисуют
на одной схеме вер_с_гор;вер_с_нескол.гор(как заземление)(может мно-гие СЕЙЧАС рисуют ЧТО ПОНРАВИТЬСЯ(как красивее).

Да, в этом вопросе существует некоторая путаница. Наверное, правильнее будет, если рисовать схемы, не требующие заземления, с одной горизонтальной чертой.

существуют полевые транзисторы как с n-каналом, так и с p-каналом, что используется при производстве комплементарных пар транзисторов.

Да, это в интегральной технологии очень широко используется. А если брать отдельно, то транзисторы с n-каналом используются гораздо чаще, чем с p-каналом.

Здравствуйте.По Вашей схеме можно проверить любые ПТ? Ведь они различаются по напряжению. Извините за дилетантский вопрос.

Геннадий, можно проверить ПТ с n-каналом. За все транзисторы говорить не буду (всего многообразия их не знаю). Большинство проверить можно.
При замыкании кнопки к затвору прилагается напряжение +4 В. Этого хватает, чтобы ПТ открылся, и сопротивление открытого канала стало небольшим. В то же время это меньше предельного напряжения исток-затвор, поэтому транзистор из строя не выйдет. Если придется проверять какой-то хитрый транзистор, надо посмотреть даташит. Главное здесь — чтобы канал был хорошо открыт, и прилагаемые напряжения не превысили максимально допустимых.

а слабо было сначала рассказать про ПТ с управляющим каналом хотя бы «n» типа и сказать , что он симметричный, что канал хоть «n» или «р» типа можно менять местами ток всё равно будет проходить не зависимо от полярности полупроводника на выводах стока и истока если на затворе нет напряжения И, только когда воздействовать на ток в канале поперечным полем . правильно. приложенному к затвору и одному из других электродов — можно остановить ток в канале.
А после, уже рассказать про ПТ со встроенным и индуцированным каналом, про то что у них затвор полностью изолирован от этих каналов и это одно из главных его свойств. потому как для индуцированного канала подача на затвор соответствующей полярности напряжения относительно подложки канал начинает пропускать ток, а отсутствие напряжения на затворе канал закрыт и не пропускает ток.
Что же касаемо ПТ с изолир. затвором и встроенным каналом — картина тока через встроенный канал отличается от выше перечисленных структур ПТ. Отличие в том, что канал пропускает незначительный ток от приложенного напряжения между стоком и истоком как и канал ПТ с управляющим p-n переходом о котором шла речь в самом начале. Но, почему говорим незначительный ток — да потому, что встроенный канал имеет туже проводимость что сток и исток только очень слабо легированную, в то время как сток и исток всегда сильно легированы так же как весь канал в ПТ с управляющим p-n переходом. Вот это и придает этому типу ПТ его характеристики и отличительные свойства от ПТ с индуцированным каналом и ПТ с управляющим p-n переходом.
Так что в ПТ со встроенным слаболегтрованым каналом — своя структура транзистора и его способ управления.
И как же он управляется и как при этом воздействует на ток в канале.
Очень просто: ток как уже стало понятно протекает но не значительный. Такое нас конечно не устраивает. Всем известны такие термины как «отсечка» и «обогащение» вот они то нам и помогут управлять этим полудохлым каналом. При подаче соответствующей полярности управляющего напряжения на затвор и исток канал можно настолько отсечь, выгнать из него основные носители зарядов соответствующего типа проводимости канала, что он полностью заглохнет. А поменяв полярность управляющего напряжения между затвором и истоком, можно создать условия для лавинного втягивания основных носителей зарядов соответствующего типа проводимости канала и он — этот канал, станет проводить большой ток насколько это возможно:))
Таким образом стало понятно как управлять тем или тем ПТ и все это благодаря только их структуры.(что за слово структура, хрень какая-то, просто скажем — внутреннего устройства, от которого и зависит способ подключения и управления)

KIRPICH, изложение работы ПТ велось применительно к компьютерной технике. Блог у меня о компьютерах. Поэтому и был рассмотрен только ПТ с индуцированным n-каналом. Такие как раз и используются в цифровой технике. ПТ в сильноточном стабилизаторе схемы питания ядра процессора, в блоке питания компьютера, в бесперебойных источниках питания как раз такие.
Была приведена простая аналогия, позволяющая уяснить принцип работы.
А так, да — существуют несколько типов ПТ. Но я не стал усложнять картину, и не рассказал об обогащенных и обедненных ПТ, об отсечке, крутизне, лавинном пробое, V-канавке, основных и неосновных носителях в канале.
Сколько терминов, скорее всего, сразу отпугнет новичка.
После Вашего коммента думаю — может, продолжение написать?

Приветствую, разобрал телевизор, который не включался. При включении в розетку и подключенном инверторе пищит(с одинаковым интервалом) полевой транзистор 2SK3532 на блоке питания. При отключении инвертора писк пропадает. Подскажите поможет ли замена или причина не в нем?

Иван, я не слышал, чтобы полевой транзистор пищал. В импульсных блоках питания если и пищит что, так это импульсный трансформатор.
Транзистор проверьте, как в статье описано. А вообще, надо ковырять всю схему.

Виктор! если не трудно расскажи о схеме отвертки-индикатора там наверное твоя проверочная схема задействона! подробно о пт! пробник-шток09050. спасибо. Викор .г.Тверь

Виктор, именно эту отвертку-индикатор я не ковырял. Могу предположить, что это обычный указатель напряжения. Скорее всего, там стоит обычная неоновая лампочка и последовательно с ней резистор. Если коснуться фазы 220 В концом отвертки и пальцем металлической площадки на торце, то через лампочку и тело человека потечет небольшой ток, и лампочка загорится, указывая на наличие напряжения.

Добрый вечер Виктор. Я прочитал вашу статью о ПТторе, все понятно и просто! Ест вопрос. Можноли заменить ПТ на биполярный т-р. С уважением Бахром Узбекистан.

Бахром, иногда можно, но далеко не всегда. Зависит от конкретной схемы. И полевые транзисторы — они ведь разных классов бывают.

Если я правильно понимаю, то:
S это исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;
D это сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;
почему, исходя из Вашей схемы, входящее напряжение приложено к D (стоку) , а исходящее к S (истоку), учитывая, что ток «течет» от плюса к минусу ?

А что такое «входящее» и «исходящее» напряжение?
В ПТ с каналом n-типа основные носители — электроны, частицы с отрицательным зарядом. Исток их и поставляет.

Биполярныйй транзистор управляется током полевой полем. У биполярногооооо структура pnp или npn у полевого металл окисел полупроводник. Вот и думай Бахром можно заменить или нет. И диод еще для защиты от обратного напряжения.

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

Что такое полевой транзистор

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

• исток – контакт входящего электрического тока, находящийся в зоне n;
• сток – контакт исходящего, обработанного тока, находящийся в зоне n;
• затвор – контакт, находящийся в зоне р, изменяя напряжение на котором, можно регулировать пропускную способность устройства.

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

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

Полевые транзисторы, их виды

Полевые транзисторы с п – р переходом делят на классы:

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

Классы делятся по принципу работы:

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

Полевой транзистор, принцип работы

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

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

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

Зачем нужен полевой транзистор

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

1. Усилители высоких частот.
2. Усилители низких частот.
3. Модуляция.
4. Усилители постоянного тока.
5. Ключевые устройства (выключатели).

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

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

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

Применение полевых транзисторов

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

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

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

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

Плюсы и минусы полевых транзисторов

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

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

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

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

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).

а)	б)

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

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент – человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10178 – | 7216 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

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

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

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

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

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

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

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

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

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

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

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

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

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

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

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

Главные преимущества полевых транзисторов

• Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
• Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

• У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
• Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
• Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

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

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

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

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

Полевые транзисторы

История создания и реализации полевых транзисторов

Первый полевой транзистор был изобретен Юлий Эдгаром Лилиенфельдом – австро-венгерским ученым-физиком, посвятившим большую часть жизни изучению транзисторного эффекта. Случилось это в 1928 году, однако первая технология изготовления транзисторов не позволяла физически реализовать этот радиоэлемент в промышленности. Первый работающий полевой транзистор с изолированным затвором, согласно трудам Лилиенфельда, произвели в США лишь в 1960 году. За 7 лет до этого была предложена другая технология изготовления полевого транзистора на базе управляющего p-n перехода (МОП транзистор). На основе трудов Вальтера Шоттки в 1966 году американский инженер Карвер Андресс Мид предложил новый тип транзисторов с использованием барьера Шоттки. В 1977 году было установлено, что применение полевых транзисторов в вычислительной технике значительно повышает расчетные мощности электронных устройств, что положило начало разработок компьютерных процессоров и логических микросхем на основе полевого транзистора. Более корректным названием полевого транзистора является униполярный транзистор (управляемый одним электрическим полем), однако в народе это название не прижилось.

Физические основы работы полевого транзистора

Полевым (униполярным) транзистором называют электронное устройство, в основе которого лежит принцип использования зарядов только одного знака, т.е. электронов или дырок. Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала под действием электрического поля, а не потенциала напряжения, что является основным отличием полевого транзистора от биполярного. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом, встроенным каналом и индуцированным каналом. Транзисторы с встроенным и индуцированным каналом так же относятся к разновидности МДП транзисторов.

Устройство полевого транзистораа – с p-n переходом; б – с изолированным затвором и встроенным каналом; в – с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Работа полевых транзисторов основана на движении основных носителей в полупроводнике.

Полевой транзистор с p-n переходом.

Данный транзистор состоит из основного канала полупроводника n-типа, изготовленного из пластины кремния с омическими выводами с каждого конца. Канал образован методом диффузии (введением легированного материала) и образует тончайший слой с дырочной проводимостью. Канал заключен между двумя электродами p-типа, соединенными между собой. Таким образом, n-канал образует два p-n перехода, расположенных параллельно направлению тока. Вывод, через который поступают носителя заряда, называют истоком (И), а электрод, откуда заряд вытекает – стоком (С). Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором (З). Существуют два типа канала. Положительный заряд протекает через канал с p проводимостью, а отрицательный заряд проходит через канал с n проводимостью. На рисунке ниже представлен полевой канал с отрицательной проводимостью, управляемый полем положительной полярности. В данном случае через канал от истока к стоку передвигаются электроны. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p типа.

Управляющее или входное напряжение (Uзи) подается между затвором и истоком. Это напряжение для обоих p-n переходов является обратным. В выходную цепь, в которую так же входит канал транзистора, подключается напряжение Uси положительным полюсом к стоку.

Способность управления транзистором объясняется тем фактором, что при изменении напряжения Uзи будет изменяться ширина p-n переходов, которые представляют собой участки в полупроводнике, которые обеднены носителями заряда. Так как p-слой c меньшим сопротивлением имеет большую концентрацию примесей по сравнению с n-слоем, то управление изменением ширина канала происходит за счет более высокоомного n-слоя. При этом изменяется сечение, и проводимость токопроводящего канала (Ic – ток стока) от истока к стоку.

Особенность работы полевого транзистора заключается во влиянии напряжения Uзи и Uси на проводимость канала. Влияние подводимых напряжений отображает рисунок ниже.

На рисунке:

А) напряжение прикладывается только к входной управляющей цепи. Изменение Uзи управляет сечением канала по всей ширине, однако, выходной ток Ic=0 из-за отсутствия напряжения Uси.

Б) Присутствует только напряжение канала, управляющее напряжение отсутствует и начинает протекать ток Ic. Создается падение напряжения на стоковом электроде, в результате пропускная способность канала сужается и при некотором значении границы p-n переходов смыкаются. Повышается внутреннее сопротивление канала и ток Ic далее не способен проходить.

В) В этом варианте на рисунке показано суммарное значение напряжений, когда канал напряжения Uси заперт малым управляющим напряжением Uзи. При подаче этого напряжения происходит расширение n области и начинает протекать ток Ic.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП и МОП)

В этих транзисторах затворный электрод отделен от канала тонким изолирующим слоем из окиси кремния. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура металл – окисел — полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов. Проникновения управляющего поля в канал не затруднено, но ток затвора сильно уменьшается и не зависит от полярности приложенного напряжения к затвору. МДП-транзисторы (структура металл – диэлектрик — полупроводник) выполняют из кремния. Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.

Каналы полевых МДП транзисторов могут быть обедненного (б — встроенный канал) и обогащенного типа (в — индуцированный канал), (см. рисунок устройства полевого транзистора).

— По встроенному каналу течет ток Iс при отсутствии напряжения Uзи. Его значением можно управлять в сторону уменьшения, подав положительное напряжение Uзи, если транзистор с p-каналом и отрицательное напряжение, если транзистор с n-каналом. Другими словами – закрыть транзистор управляющим обратным напряжением.

— В индуцированном канале, если отсутствует напряжение Uзи ток между стоком и истоком очень мал. При подаче управляющего напряжения ток Iси увеличивается.

Итак, управляющее напряжение при его подаче на затвор транзистора с встроенным каналом – закрывает транзистор, в индукционном канале — открывает транзистор.

Вольт — амперная и сток — затворная характеристики полевого транзистора

ВАХ полевого транзистора определяет его выходные (стоковые) характеристики, а так же содержит информацию о его свойствах в различных режимах работы. Кроме того ВАХ отображает связь параметров между собой. По графику можно определить некоторые параметры, не документированные в описании к транзистору, произвести расчеты уровня напряжения цепей смещения (Uзи), стабилизацию режима, а так же дать оценку работы полевого транзистора в широком диапазоне токов и напряжений.

На рисунке слева показан пример стоковой характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом p-типа при различных фиксированных управляющих напряжениях Uзи. Графики отображают зависимость тока стока (Ic) от напряжения сток – исток (Uси). На каждой из этих кривых присутствуют 3 характерные области:

1. Сильная зависимость тока Ic от напряжения Uси (участок до штрих — пунктирной линии). Эта часть определяет период насыщения канала до напряжения Uси нас, при котором транзистор переходит в закрытое (открытое) состояние. Чем выше управляющее напряжение смещения Uзи, тем раньше закроется (откроется) полевой транзистор.

2. Слабая зависимость тока Ic, когда канал насыщается до своего максимального значения и переходит в постоянно закрытое (открытое) состояние.

3. В момент, когда напряжение Uси превышает предельно допустимое для полевого транзистора, наступает необратимый электрический пробой p-n перехода. Полевой транзистор при этом выходит из строя.

Сток-затворная характеристика показывает зависимость Ic от напряжения между затвором и истоком.

Напряжение на затворе, при котором ток стока стремится к нулю, является очень важной характеристикой полевого транзистора. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или напряжением отсечки.

Условные графические изображения полевых транзисторов в электрических схемах выглядят следующим образом.

Где полевой транзистор:

а – с p-n переходом и p-каналом;

б — с p-n переходом и n-каналом;

в – со встроенным p-каналом обедненного типа;

г – со встроенным n-каналом обедненного типа;

д – с индуцированным p-каналом обогащенного типа;

е – с индуцированным n-каналом обогащенного типа;

ж – p-типа (в) и выводом от подложки;

з – p-типа (д) и выводом от подложки

Европейское обозначение контактов: gate – затвор, drain – сток, source – исток, tab – подложка (зачастую в неизолированных транзисторах является стоком).

Основные технические характеристики полевого транзистора

Современные полевые транзисторы характеризуются основными характеристиками, температурными характеристиками и электрическими характеристиками при температуре до +25 градусов на подложке (истоке). Кроме того, существуют статические и динамические характеристики полевых транзисторов, определяющие максимальные показатели при их применении в частотных сигналах. На частотные характеристики следует обращать особое внимание при использовании транзисторов в генераторах, модуляторах, импульсных блоках питания, современных цифровых усилителях класса D и выше. Частотные свойства определяются постоянной времени RC-цепи затвора, определяющей скорость запирания / отпирания канала. У полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП и МДП) входная емкость значительно меньше полевых транзисторов с p-n переходом, что дает возможность применять их в высокочастотной аппаратуре.

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

Vds (Vdss) или Uси max – определяет максимально допустимое значение напряжения между истоком и стоком;

Id или Ic – максимально допустимый ток стока, проходящий через открытый канал транзистора;

Rdc(on) – сопротивление канала между затвором и истоком (обычно указывается совместно с управляющим напряжением Uзи или Vgs).

Iз ут или Igss – ток утечки затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

Pd или Pmax – максимальная рассеиваемая мощность транзистора при температуре, как правило, +25 градусов.

Тепловые параметры полевого транзистора определяют устойчивость его характеристик при работе в диапазоне температур, так как при изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. От температуры сильно зависит значение Ic , крутизны и тока утечки затвора.

Tj или Тmax – температура разрушения кристалла подложки, соответствующая максимально допустимой рабочей температуре

Tstg или Тmin – минимальная отрицательная температура, при которой соблюдаются основные паспортные параметры транзистора

Отличительной особенностью работы полевых транзисторов в сравнении с биполярными является очень низкий коэффициент шума или Кш. Данный коэффициент мало влияет от напряжений сток – исток, тока стока, а так же температуры работы транзистора (до +50 градусов).

Рекомендации по применению полевых транзисторов

1. Не рекомендуется снижать температуру полевых транзисторов во время их работы ниже -5 градусов, а так же выходи за пределы рабочей температуры +60 +70 градусов (в народе — температура удержания пальца).
2. Во время эксплуатации необходимо выбирать рабочие напряжения и токи, которые не будут превышать 70% от максимально допустимых параметров по паспорту (даташиту).
3. Нельзя использовать транзисторы в максимальных режимах по двум параметрам одновременно.
4. Не допускать работу транзистора с отключенным затвором.
5. На затвор полевых транзисторов с p-n переходом нельзя подавать напряжение, смещающее переход в прямом направлении. Для p-канальных это будет отрицательное напряжение, для n-канальных – положительное.
6. Хранение полевых МОП и МДП транзисторов желательно производить с закороченными выводами. Маломощные транзисторы частотные транзисторы этой структуры выходят из строя от статического напряжения.
7. Проверить исправность полевого транзистора электронным тестером можно по аналогии с этим видео http://www.youtube.com/watch?v=jQ6l6C8LMSw

Полевые транзисторы (ПТ) (Полупроводниковые триоды) Отличие…

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про полевые транзисторы, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое полевые транзисторы, полевой транзистор, полупроводниковые триоды,mosfet,мосфет,мосфеты , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Полевой (униполярный) транзистор MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) ( мосфет ) — полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, область, в которую они входят из канала, называется стоком, электрод, на который подается управляющее напряжение, называется затвором.

полупроводниковые триоды , называемые транзисторами, служат для тех же целей, что и ламповые триоды, т. е. для усиления и генерирования колебаний, но они по сравнению с электронными лампами обладают рядом преимуществ: очень большим сроком службы, малыми размерами, большой механической прочностью, отсутствием расхода энергии на накал, незначительным собственным потреблением энергии.
Полупроводниковый триод представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — противоположной проводимостью.

История создания полевых транзисторов

Схема полевого транзистора

В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом.

Впервые идея регулировки потока основных носителей электрическим полем в транзисторе с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако трудности в реализации этой идеи на практике позволили создать первый работающий прибор только в 1960 году. В 1966 году Карвер Мид (англ.)русск. усовершенствовал эту конструкцию, шунтировав электроды такого прибора диодом Шоттки.

В 1977 году Джеймс Маккаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем.

полевые транзисторы (ПТ)

полевой транзистор – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающих через проводящий канал, управляемый электрическим полем.
Ток определяется движением основных носителей только одного заряда.

Полевой транзистор название электродов

Исток – электрод, через который в проводящий канал втекают носители заряда;
Сток — электрод, через который из проводящего канала вытекают носители заряда;
Канал – область в полупроводнике, где регулируется поток основных зарядов;
Затвор — электрод, на который подается электрический сигнал для управления значением тока через проводящий канал.

Рис. 1. Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа
а) с затвором со стороны подложки;
b) с диффузионным затвором.

Типы полевых транзисторов
1.Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
n — канальный

p — канальный

2. МДП (МОП) транзисторы
С встроенным каналом

С индуцированным каналом

Схемы включения Полевых Транзисторов
С общим истоком

Вольтамперные характеристики полевого транзистора

с управляющим p-n переходом

Основные параметры ПТ

• Крутизна стоко-затворной характеристики (СЗХ)
при Uси = const

S = (∆ Ic /∆ Uзи )

• Дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения
при Uзи = const

Rс = (∆Ucи /∆ Ic)

Параметры полевых и биполярных транзисторов
Параметры

Различие между биполярными и полевыми транзисторами

Упревление током или полем?

Большинству людей, так или иначе сталкивающемуся с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.

Ток и поле — различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.

Полевые транзисторы быстрее

Какие транзисторы лучше полевые или биполярные? Достоинство полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, налицо: полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивлением по постоянному току, и даже управление на высокой частоте не приводит к значительным затратам энергии.

Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.

Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.

Разная реакция на нагрев

Если биполярный транзистор в процессе работы устройства нагревается, то ток коллектор-эмиттер увеличивается, то есть температурный коэффициент сопротивления у биполярных транзисторов отрицательный.

У полевых же все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный, то есть с ростом температуры растет и сопротивление канала, то есть ток сток-исток уменьшается. Это обстоятельство дает полевым транзистором еще одно преимущество перед биполярными: полевые транзисторы можно без опаски соединять параллельно, и не потребуются выравнивающие резисторы в цепах их стоков, поскольку в соответствии с ростом нагрузки станет автоматически расти и сопротивление каналов.

Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах (смотрите — Почему в современных инверторах используются транзисторы, а не тиристры).

А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.

Сферы применения тех и других транзисторов

Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.

Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.

Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители , их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.

Полевые побеждают

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счет применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.

Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.

В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры .

Классификация полевых транзисторов

Виды полевых транзисторов и их обозначение на принципиальных схемах

Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик- полупроводник »)-транзисторы, которые также называют МОП («металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причем последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют: входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и некоторые другие.

Транзисторы с управляющим p-n-переходом

Рис. 1. Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа
а) с затвором со стороны подложки;
b) с диффузионным затвором.

Сток-затворная характеристика (слева) и семейство стоковых характеристик (справа) полевого транзистора с затвором в виде p-n перехода и каналом n-типа.
— напряжение затвор-сток;
— напряжение сток-исток;
— ток стока или истока;
— запирающее напряжение затвора, или напряжение отсечки.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (JFET) — это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например p-типа (Рис. 1), имеет на противоположных концах электроды (исток и сток), с помощью которых она включена в управляемую цепь. Управляющая цепь подключается к третьему электроду (затвору) и образуется областью с другим типом проводимости, в примере на рисунке — n-типом.

Источник постоянного смещения, включенный во входную цепь, создает на единственном p-n-переходе обратное (запирающее) напряжение. Во входную цепь также включается и источник усиливаемого сигнала. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, в связи с чем меняется толщина обедненного слоя, то есть изменяется площадь поперечного сечения области в криcталле, через которую проходит поток основных носителей заряда. Эта область называется каналом.

Электроды полевого транзистора называются:

• исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;
• сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;
• затвор (англ. gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

Тип полупроводниковой проводимости канала может быть как n-, так и p-типа. По типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током и напряжением на нагрузке, включенной последовательно к каналу полевого транзистора и источнику питания, осуществляется изменением входного напряжения, вследствие чего изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что ведет к изменению толщины запирающего (обедненного) слоя. При некотором запирающем напряжении {\displaystyle V_{P}} площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток через канал транзистора станет весьма малым.

Так как обратный ток p-n-перехода весьма мал, в статическом режиме или при низких рабочих частотах мощность, отбираемая от источника сигнала, ничтожно мала. При высоких частотах ток, отбираемый от источника сигнала, может быть значительным и идет на перезаряд входной емкости транзистора.

Таким образом, полевой транзистор по принципу управления током аналогичен электровакуумной лампе — триоду, но по виду сток-истоковых вольт-амперных характеристик близок к электровакуумному пентоду. При такой аналогии исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. При этом существуют и отличия, например:

• в транзисторе отсутствует катод, который требует подогрева;
• любую из функций истока и стока может выполнять любой из этих электродов;
• существуют полевые транзисторы как с n-каналом, так и с p-каналом, что используется при производстве комплементарных пар транзисторов.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы обладают низким уровнем шума (особенно на низких частотах) по сравнению с биполярными транзисторами, так как в полевых транзисторах нет инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть выполнен внутри полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника порождают низкочастотные шумы.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.
a) — с индуцированным каналом, b) — со встроенным каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) — это полевой транзистор, затвор которого электрически изолирован от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображенные на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при подаче напряжения на сток, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями слой эффект поля и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом p-типа, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти все напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряженности электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счет энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нем подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и сток-затворная характеристика (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.

В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе (рис. 2, b), при подаче напряжения на сток, ток стока оказывается значительным даже при нулевом напряжении на затворе (рис. 3, b). Поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчета в зависимости от напряжения UЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

— Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO2 и толстый слой нитрида Si3N4. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28—30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причем их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подается высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нем появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния .

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвленной конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности .

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы. В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создается под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера .

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор в каскаде усиления сигнала можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим стоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим затвором

На практике в усилительных каскадах чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ). Каскад с общим истоком дает большое усиление по мощности. Но, с другой стороны, этот каскад наиболее низкочастотный из-за вредного влияния эффекта Миллера и существенной входной емкости затвор-исток (Сзи).

Схема с ОЗ аналогична схеме с общей базой (ОБ). В этой схеме ток стока равен току истока, поэтому она не дает усиления по току, и усиление по мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет специфическое практическое применение в усилительной технике. Преимущество такого включения — практически полное подавление эффекта Миллера, что позволяет увеличить максимальную частоту усиления и такие каскады часто применяются при усилении СВЧ.

Каскад с ОС аналогичен каскаду с общим коллектором (ОК) для биполярного транзистора — эмиттерным повторителем. Такой каскад часто называют истоковым повторителем. Коэффициент усиления по напряжению в этой схеме всегда немного меньше 1, а коэффициент усиления по мощности занимает промежуточное значение между ОЗ и ОИ. Преимущество этого каскада — очень низкая входная паразитная емкость и его часто используют в качестве буферного разделительного каскада между высокоомным источником сигнала, например, пьезодатчиком и последующими каскадами усиления. По широкополосным свойствам этот каскад также занимает промежуточное положение между ОЗ и ОИ.

Области применения полевых транзисторов

КМОП-структуры, строящиеся из комплементарной пары полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа, широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счет того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счет применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью. Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где с успехом заменяют биполярные транзисторы и электронные лампы. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие биполярные и полевые транзисторы, — находят применение в устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска, где успешно вытесняют тиристоры.

Тесты по теме полевой транзистор

1 Полевой транзистор имеет следующие выводы:

А – база, исток, затвор

B – коллектор, сток, база

C – база, эмиттер, исток

D – сток, исток, затвор

2 Полевой транзистор — это прибор, управляемый:

1) током;

2) напряжением;

3) электрически полем;

4) сопротивлением;

5) магнитным полем.

3 Условное обозначение полевого транзистора с управляющим р-п-переходом и н-каналом:

4. Условное обозначение полевого транзистора с встроенным р-каналом:

5 Уравнение нагрузочной линии для схемы включения общий исток (ОИ) с нагрузочным сопротивлением в цепи стока полевого транзистора Rc и напряжением питания Е определяется выражением:

1) Е + Ucli + Ic Rc = 0;

2) E + Ucn=Ic R,;

3) E + IcliRc=U ;

4) E = Ucll +IC RC.

6 Полевые транзисторы по сравнению с биполярными имеют:

1) низкое входное сопротивление;

2) высокое входное сопротивление;

3) входную характеристику в виде зависимости входного тока от входного напряжения;

4) параметр, характеризующий усилительные свойства — коэффициент усиления тока.

7 Выберите вольтамперные характеристики (передаточную и выходные) полевого транзистора с управляющим р-п-переходом с р-каналом

8 К основным преимуществам полевого транзистора можно отнести:

а) большое входное сопротивление по постоянному току;

б) высокая технологичность;

в) низкая температурная стабильность характеристик;

г) коэффициент усиления по постоянному току стремится к нулю;

д) малое выходное сопротивление;

е) маленькое входное сопротивление по постоянному току.

9. Передаточная характеристика полевого транзистора — это зависимость:

1) тока базы от напряжения на коллекторе;

2) напряжения стока от напряжения затвора;

3) тока стока от напряжения затвора;

4) тока коллектора от напряжения на коллекторе;

5) тока стока от напряжения между стоком и истоком.

10 Полевой транзистор с п-каналом работает быстрее, чем аналогичный транзистор ср-каналом, потому что:

1) дырки движутся в полупроводнике быстрее электронов;

2) входное сопротивление транзистора с p-каналом больше, чем у транзистора с п-каналом;

3) входная емкость транзистора с p-каналом больше, чем у транзистора с п-каналом;

4) входная емкость транзистора с p-каналом меньше, чем у транзистора с п-каналом;

5) электроны движутся в полупроводнике быстрее дырок;

6) входное сопротивление транзистора с p-каналом меньше, чем у транзистора с п-каналом.

См. также

А как ты думаешь, при улучшении полевые транзисторы, будет лучше нам? Надеюсь, что теперь ты понял что такое полевые транзисторы, полевой транзистор, полупроводниковые триоды,mosfet,мосфет,мосфеты и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Полевые транзисторы (современные)

дюйм 1945 г. у Шокли появилась идея сделать твердотельное устройство. полупроводников. Он рассудил, что сильное электрическое поле может вызвать электрический ток внутри соседнего полупроводника. Он попытался построить один, а затем попросил Уолтера Браттейна построить его, но это не сработало.

Три года спустя Браттейн и Бардин построили первый рабочий транзистор, германиевый точечный транзистор, который выпускался как серия «А».Шокли тогда разработан переходной (сэндвич) транзистор, который был изготовлен в течение нескольких лет после этого. Но в 1960 году ученый из Белла Джон Аталла разработал новый дизайн, основанный на первоначальных теориях Шокли о полевом эффекте. К концу 1960-х производители перешли из интегральные схемы переходного типа к полевым устройствам. Сегодня, большинство транзисторов являются полевыми транзисторами. Вы используете миллионы из них сейчас.

МОП-транзисторы

Большинство современных транзисторов — это «МОП-полевые транзисторы», или металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы. Они были разработан в основном Bell Labs, Fairchild Semiconductor и сотнями Кремниевой долины, японских и других производителей электроники.

Полевые транзисторы названы так потому, что слабый электрический сигнал, проходящий через один электрод, создает электрическое поле через остальную часть транзистора. Это поле меняется с положительного на отрицательное, когда входящий сигнал делает и управляет вторым током, проходящим через остальные транзистора. Поле модулирует второй ток, чтобы имитировать первый — но он может быть существенно больше.

Как это работает

На дне транзистора расположена П-образная секция. (хотя он более плоский, чем истинная буква «U») полупроводника N-типа с избытком электронов.В центре буквы U находится секция, известная как «база», сделанная из P-типа (положительно заряженная) полупроводник со слишком малым количеством электронов. (Собственно, N- и P-типы можно перевернуть, и устройство будет работать точно так же, за исключением того, что дырки, а не электроны, будут вызывать ток.)

Три электрода прикреплены к верхней части этого полупроводниковый кристалл: один к средней положительной секции и по одному в каждое плечо U.Путем подачи напряжения на электроды на U ток будет течь через него. Сторона, где электроны входящий известен как источник, и сторона, где электроны выходит называется стоком.

Если ничего не происходит, ток будет течь от с одной стороны на другую. Из-за того, как электроны ведут себя при переход между полупроводниками N- и P-типа, однако ток не будет течь особенно близко к базе.Он путешествует только через тонкий канал посередине U.

К основанию также прикреплен электрод, клин из полупроводника P-типа посередине, отделенный от остальная часть транзистора тонким слоем оксида металла, например в виде диоксида кремния (играющего роль изолятора). Этот электрод называется «затвор». Слабый электрический сигнал, который мы хотим усилить, проходит через гейт.Если заряд, проходящий через ворота, отрицательный, он добавляет больше электронов к базе. Поскольку электроны отталкиваются друг от друга, электроны в U отойдите как можно дальше от базы. Это создает зона обеднения вокруг базы — целая область, где электроны не может путешествовать. Канал посередине U через ток, который может течь, становится еще тоньше. Добавьте достаточно отрицательный заряд к базе и канал полностью перещипнется, остановка всего тока.Это как наступить на садовый шланг чтобы остановить поток воды. (Раньше транзисторы управлялись эту зону истощения, используя то, как движутся электроны, когда два полупроводниковые пластины кладут рядом друг с другом, создавая то, что известен как соединение P-N. В MOS-FET переход P-N заменен оксидом металла, который оказалось, что массовое производство в микрочипах проще.)

А теперь представьте, если заряд проходит через ворота положительный.Положительное основание притягивает много электронов — внезапно область вокруг базы, которая раньше была нейтральной зоной открывается. Канал для тока через U становится больше, чем было изначально, и может течь гораздо больше электричества через.

Переменный заряд на базе, следовательно, меняется сколько тока проходит через U. Входящий ток может использоваться как кран для включения или выключения тока по мере его прохождения остальной транзистор.

С другой стороны, транзистор можно использовать в и более сложным способом — в качестве усилителя. Текущий путешествие через U становится больше или меньше в идеальной синхронизации с зарядом, входящим в базу, что означает, что он шаблон как исходный слабый сигнал. А со второй ток подключен к другому источнику напряжения, это может быть сделано, чтобы быть больше.Ток, проходящий через U-образный идеальная копия оригинала, только в усилении. Транзистор используется таким образом для стереоусиления в динамиках и микрофонах, а также для усиления телефонных сигналов при их перемещении по Мир.

Сноска на Шокли

Шокли наблюдал за ростом Кремниевой долины, но мог не похоже, чтобы войти в Землю Обетованную, которую он себе представлял.Он никогда удалось сделать полевые транзисторы, в то время как другие компании спроектирован, рос и процветал. Фред Зейтц назвал Шокли Моисей из Кремниевой долины «.

Другие типы транзисторов:
— Точечный Транзистор
— Переходный («Сэндвич»). Транзистор

Ресурсы:
— Как все работает Дэвида Маколея
— Научная энциклопедия Ван Ностранда
— The Полевой транзистор
— Интервью, Уолтер Браун, 3 мая 1999 г.

---

Авторские права 1999 г., ScienCentral, Inc. и Американский институт физики.Нет часть этого веб-сайта может быть воспроизведена без письменного разрешения. Все права защищены.

Полевые транзисторы (FET) — что это такое и для чего они нужны? — Компоненты ES

Полевой транзистор, иногда называемый униполярным транзистором , использует для проводимости электроны (в n-канальном полевом транзисторе ) или дырки (в р-канальном полевом транзисторе ). Четыре вывода полевого транзистора имеют имена исток , затвор , сток и корпус (подложка ).На большинстве полевых транзисторов корпус подключен к источнику внутри корпуса, и это предполагается в следующем описании.

В полевом транзисторе ток сток-исток протекает через проводящий канал, который соединяет область истока с областью стока . Электропроводность изменяется электрическим полем, которое создается при приложении напряжения между выводами затвора и истока; следовательно, ток, протекающий между стоком и истоком, регулируется напряжением, приложенным между затвором и истоком.По мере увеличения напряжения затвор-исток ( В, GS) ток сток-исток ( I DS) экспоненциально увеличивается для VGS ниже порогового значения, а затем примерно с квадратичной скоростью ( I DS ∝ ( V GS — V T) 2) (где V T — пороговое напряжение, при котором начинается ток стока). в области «ограниченного пространственным зарядом» выше порога. В современных устройствах, например, на технологическом узле 65 нм, квадратичного поведения не наблюдается.

Для низкого уровня шума при узкой полосе пропускания более высокое входное сопротивление полевого транзистора является преимуществом.

полевые транзисторы

делятся на два семейства: полевые транзисторы с переходом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET). IGFET более известен как полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), что отражает его первоначальную конструкцию из слоев металла (затвор), оксида (изоляция) и полупроводника. В отличие от IGFET, затвор JFET образует p – n-диод с каналом, который находится между истоком и стоком.Функционально это делает n-канальный полевой транзистор JFET твердотельным эквивалентом триода для электронных ламп, который аналогично образует диод между своей сеткой и катодом. Кроме того, оба устройства работают в режиме истощения , они оба имеют высокий входной импеданс, и оба они проводят ток под контролем входного напряжения.

Полевые транзисторы металл – полупроводник (MESFET) — это полевые транзисторы JFET, в которых обратносмещенный p – n переход заменен переходом металл – полупроводник. Они, а также HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов или HFET), в которых для переноса заряда используется двумерный электронный газ с очень высокой подвижностью носителей, особенно подходят для использования на очень высоких частотах (микроволновые частоты; несколько ГГц).

полевые транзисторы

далее делятся на типы в режиме истощения, и , в режиме улучшения, , в зависимости от того, включен или выключен канал с нулевым напряжением затвор-исток. Для режима улучшения канал отключен при нулевом смещении, и потенциал затвора может «улучшить» проводимость. Для режима обеднения канал включен при нулевом смещении, и потенциал затвора (противоположной полярности) может «истощить» канал, уменьшая проводимость. Для любого режима более положительное напряжение затвора соответствует большему току для n-канальных устройств и более низкому току для p-канальных устройств.Почти все полевые транзисторы JFET работают в режиме истощения, потому что диодные переходы будут направлять смещение и проводить, если бы они были устройствами в режиме улучшения; большинство IGFET — это типы расширенного режима.

Источник: Википедия

2.9: Соединительные полевые транзисторы — рабочая сила LibreTexts

Полевой транзистор (FET) — это униполярное устройство , проводящее ток с использованием только одного типа носителя заряда. Если он основан на пластине полупроводника N-типа, носителями являются электроны.И наоборот, устройство на основе P-типа использует только отверстия.

На уровне схемы работа полевого транзистора проста. Напряжение, приложенное к затвору , входному элементу, регулирует сопротивление канала , униполярной области между областями затвора. (Рисунок ниже) В N-канальном устройстве это слегка легированная пластина кремния N-типа с выводами на концах. Клеммы истока и стока аналогичны эмиттеру и коллектору, соответственно, BJT.В N-канальном устройстве тяжелая область P-типа по обе стороны от центра плиты служит управляющим электродом, затвором. Ворота аналогичны основанию BJT.

Код

«Чистота рядом с благочестием» относится к производству полевых транзисторов. Хотя возможно изготовление биполярных транзисторов за пределами чистой комнаты , для полевых транзисторов это необходимо. Даже в таких условиях производство затруднено из-за проблем с контролем загрязнения.Униполярный полевой транзистор концептуально прост, но труден в изготовлении. Большинство современных транзисторов представляют собой разновидность металлооксидных полупроводников (см. Следующий раздел) полевых транзисторов, содержащихся в интегральных схемах. Однако доступны дискретные полевые транзисторы.

Поперечное сечение переходного полевого транзистора.

Правильно смещенный полевой транзистор с N-канальным переходом (JFET) показан на рисунке выше. Затвор представляет собой диодный переход между истоком и стоком полупроводниковой пластины.Затвор имеет обратное смещение. Если бы между истоком и стоком было приложено напряжение (или омметр), полоса N-типа могла бы проводить в любом направлении из-за легирования. Для проведения проводимости не требуется ни затвор, ни смещение затвора. Если затворный переход сформирован, как показано, проводимостью можно управлять с помощью степени обратного смещения.

На рисунке ниже (а) показана область истощения в затворном переходе. Это происходит из-за диффузии дырок из области затвора P-типа в канал N-типа, обеспечивая разделение зарядов вокруг перехода с непроводящей обедненной областью на переходе.Область обеднения простирается глубже в сторону канала из-за сильного легирования затвора и легкого легирования канала.

N-канальный полевой транзистор JFET: (а) обеднение на затворном диоде. (b) Затворный диод с обратным смещением увеличивает область обеднения. (c) Увеличение обратного смещения увеличивает область истощения. (d) Увеличение обратного смещения отсекает канал S-D.

Толщина обедненной области может быть увеличена на рис. Выше (b) путем применения умеренного обратного смещения. Это увеличивает сопротивление истока к дренажному каналу за счет сужения канала.Увеличение обратного смещения в (c) увеличивает область обеднения, уменьшает ширину канала и увеличивает сопротивление канала. Увеличение обратного смещения V _GS на (d) приведет к отсечке тока канала. Сопротивление канала будет очень высоким. Этот V _GS , при котором происходит отсечка, представляет собой V _P , напряжение отсечки. Обычно это несколько вольт. В итоге, сопротивление канала можно регулировать степенью обратного смещения затвора.

Исток и сток взаимозаменяемы, и ток от истока к стоку может течь в любом направлении при низком уровне напряжения стока батареи (<0,6 В). То есть разрядная батарея может быть заменена источником переменного тока низкого напряжения. Для напряжения источника питания с высоким стоком, до 10 вольт для небольших сигнальных устройств, полярность должна быть такой, как показано на рисунке ниже (а). Этот источник питания стока, не показанный на предыдущих рисунках, искажает область истощения, увеличивая ее на стороне стока затвора.Это более правильное представление для обычных напряжений питания стока постоянного тока от нескольких до десятков вольт. Когда напряжение стока V _DS увеличивается, область истощения затвора расширяется в сторону стока. Это увеличивает длину узкого канала, немного увеличивая его сопротивление. Мы говорим «немного», потому что большие изменения сопротивления происходят из-за изменения смещения затвора. На рисунке ниже (b) показано схематическое изображение N-канального полевого транзистора по сравнению с кремниевым поперечным сечением в точке (a). Стрелка затвора указывает в том же направлении, что и переходной диод.«Указывающая» стрелка и «не указывающая» полоса соответствуют полупроводникам P- и N-типа соответственно.

N-канальный поток электронов на полевом транзисторе JFET от истока к стоку в поперечном сечении (а), схематический символ (б).

На рисунке выше показан большой электронный ток, протекающий от (-) клеммы батареи к источнику полевого транзистора, от стока, возвращаясь к (+) клемме батареи. Этим потоком тока можно управлять, изменяя напряжение затвора. Нагрузка, включенная последовательно с батареей, видит усиленную версию изменяющегося напряжения затвора.

P-канальные полевые транзисторы также доступны. Канал изготовлен из материала P-типа. Затвор представляет собой сильно легированную область N-типа. Все источники напряжения перевернуты в P-канальной цепи (рисунок ниже) по сравнению с более популярным N-канальным устройством. Также обратите внимание, что стрелка указывает на затвор схематического символа (b) полевого транзистора с каналом P-типа.

P-канальный JFET: (a) затвор N-типа, канал P-типа, источники обратного напряжения по сравнению с N-канальным устройством.(b) Обратите внимание на перевернутую стрелку затвора и источники напряжения на схеме.

По мере увеличения положительного напряжения смещения затвора сопротивление P-канала увеличивается, уменьшая ток, протекающий в цепи стока.

Дискретные устройства изготавливаются с поперечным сечением, показанным на рисунке ниже. Поперечное сечение, ориентированное так, чтобы соответствовать условному обозначению, перевернуто по отношению к полупроводниковой пластине. То есть соединения затвора находятся наверху пластины.Затвор сильно легирован, P ⁺ , для хорошей диффузии дырок в канал для большой обедненной области. Соединения истока и стока в этом N-канальном устройстве сильно легированы N ⁺ для снижения сопротивления соединения. Однако канал, окружающий затвор, слегка легирован, чтобы отверстия от затвора могли проникать глубоко в канал. Это регион N ^— .

Соединительный полевой транзистор: (a) поперечное сечение дискретного устройства, (b) схематическое обозначение, (c) поперечное сечение интегрального устройства.

Все три вывода на полевых транзисторах доступны на верхней части кристалла для версии с интегральной схемой, так что слой металлизации (не показан) может соединять между собой несколько компонентов. (Рисунок выше (c)) Полевые транзисторы интегральной схемы используются в аналоговых схемах из-за высокого входного сопротивления затвора. Область N-канала под затвором должна быть очень тонкой, чтобы внутренняя область вокруг затвора могла управлять и ограничивать канал. Таким образом, области затвора с обеих сторон канала не нужны.

Распределительный полевой транзистор (тип статической индукции): (а) поперечное сечение, (б) схематическое изображение.

Полевой транзистор со статической индукцией (SIT) представляет собой устройство с коротким каналом и скрытым затвором. (Рисунок выше) Это силовое устройство, в отличие от небольшого сигнального устройства. Низкое сопротивление затвора и малая емкость затвора относительно истока делают устройство быстрой коммутации. SIT способен выдавать сотни ампер и тысячи вольт. И, как говорят, способен работать на невероятной частоте 10 ГГц.

Металлический полупроводниковый полевой транзистор (MESFET): (a) схематическое обозначение, (b) поперечное сечение.

Металлический полупроводниковый полевой транзистор (MESFET) похож на JFET, за исключением того, что затвор представляет собой диод Шоттки, а не переходной диод. Диод Шоттки представляет собой металлический выпрямляющий контакт с полупроводником по сравнению с более распространенным омическим контактом. На рисунке выше исток и сток сильно легированы (N ⁺ ). Канал слаболегированный (N ^— ).MESFET имеют более высокую скорость, чем JFET. MESET — это устройство в режиме истощения, обычно включенное, как JFET. Они используются как усилители мощности СВЧ до 30 ГГц. MESFET могут быть изготовлены из кремния, арсенида галлия, фосфида индия, карбида кремния и аллотропа углерода алмаза.

Обзор

• Полевой транзистор с униполярным переходом (FET или JFET) называется так, потому что проводимость в канале обусловлена ​​одним типом несущей
• Исток, затвор и сток JFET соответствуют эмиттеру, базе и коллектору BJT соответственно.
• Применение обратного смещения к затвору изменяет сопротивление канала за счет расширения области обеднения затворного диода.

A сегнетоэлектрический полупроводниковый полевой транзистор

1.

Miller, S. L. & McWhorter, P.J. Физика сегнетоэлектрического полевого транзистора с энергонезависимой памятью. J. Appl. Phys. 72 , 5999–6010 (1992).

Артикул Google Scholar

2.

Ишивара, Х. Текущее состояние и перспективы сегнетоэлектрической памяти полевого транзистора. J. Semicond. Technol. Sci. 1 , 1–14 (2001).

Google Scholar

3.

Ishiwara, H. FeFET и сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом. J. Nanosci. Nanotechnol. 12 , 7619–7627 (2012).

Артикул Google Scholar

4.

Мюллер, Дж.и другие. Наносекундное переключение поляризации и длительное удержание в новом MFIS-FET на основе сегнетоэлектрика HfO ₂ . IEEE Electron Device Lett. 33 , 185–187 (2012).

Артикул Google Scholar

5.

Юрчук Э. и др. Причина снижения выносливости в новых энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройствах 1T на основе HfO ₂ . В IEEE International Reliability Physics Symposium 2E.5.1–2E.5.5 (IEEE, 2014).

6.

Юрчук Э. и др. Явление захвата заряда в энергонезависимой памяти типа FeFET на основе HfO ₂ . IEEE Trans. Электронные устройства 63 , 3501–3507 (2016).

Артикул Google Scholar

7.

Muller, J. et al. Стратегии повышения износостойкости сегнетоэлектрических полевых транзисторов на основе оксида гафния. В 2016 16 th Симпозиум по технологии энергонезависимой памяти (NVMTS) 7781517 (IEEE, 2016).

8.

Chung, W., Si, M. & Ye, P. D. Безгистерезисные германиевые КМОП-транзисторы FinFET с отрицательной емкостью и двунаправленным напряжением ниже 60 мВ / дек. В материалах Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting 365–368 (IEEE, 2017).

9.

Chung, W. et al. Первые прямые экспериментальные исследования Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ Смена поляризации сегнетоэлектрика до 100 пикосекунд в германиевых сегнетоэлектрических полевых транзисторах с нанопроволокой менее 60 мВ / дек.В симпозиуме по технологии СБИС 89–90 (IEEE, 2018).

10.

Yoo, H. K. et al. Разработка скорости переключения сегнетоэлектриков в HfO, легированном кремнием ₂ для высокоскоростного применения 1T-FERAM. В материалах Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting 481–484 (IEEE, 2017).

11.

Dünkel, S. et al. Сверхмощная сверхбыстрая встроенная технология NVM на основе FeFET для 22-нм FDSOI и выше. В материалах Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting 485–488 (IEEE, 2017).

12.

Si, M. et al. Крутая отрицательная емкость без гистерезиса MoS _{2 транзистора} . Nat. Nanotechnol. 13 , 24–29 (2018).

Артикул Google Scholar

13.

Si, M., Liao, P.-Y., Qiu, G., Duan, Y. & Ye, PD Сегнетоэлектрические полевые транзисторы на основе MoS ₂ и CuInP ₂ S ₆ двумерная гетероструктура Ван-дер-Ваальса. ACS Nano 12 , 6700–6705 (2018).

Артикул Google Scholar

14.

Миколаджик, Т., Слезазек, С., Парк, М. Х. и Шредер, У. Сегнетоэлектрический оксид гафния для сегнетоэлектрической памяти с произвольным доступом и сегнетоэлектрических полевых транзисторов. MRS Bull. 43 , 340–346 (2018).

Артикул Google Scholar

15.

Li, J. et al. Сверхбыстрое переключение поляризации в тонкопленочных сегнетоэлектриках. Заявл. Phys. Lett. 84 , 1174–1176 (2004).

Артикул Google Scholar

16.

Ларсен, П. К., Кампшер, Г. Л. М., Уленаерс, М. Дж. Э., Спирингс, Г. А. С. М. и Куппенс, Р. Наносекундное переключение тонких сегнетоэлектрических пленок. Заявл. Phys. Lett. 59 , 611–613 (1991).

Артикул Google Scholar

17.

Росс, И. М. Полупроводниковое переводящее устройство. Патент США 2791760 (1957).

18.

Ма, Т. П. и Хан, Дж. П. Почему энергонезависимый сегнетоэлектрический полевой транзистор с памятью все еще неуловим? IEEE Electron Device Lett. 23 , 386–388 (2002).

Артикул Google Scholar

19.

Zhou, Y. et al. Неплоскостное пьезоэлектричество и сегнетоэлектричество в слоистых α-In ₂ Se ₃ нанофлексов. Nano Lett. 17 , 5508–5513 (2017).

Артикул Google Scholar

20.

Ding, W. et al. Прогнозирование собственных двумерных сегнетоэлектриков в материалах In ₂ Se ₃ и других III ₂ –VI ₃ ван-дер-Ваальсовых материалах. Nat. Commun. 8 , 14956 (2017).

Артикул Google Scholar

21.

Cui, C. et al. Взаимно коррелированное сегнетоэлектричество в плоскости и вне плоскости в сверхтонком двумерном слоистом полупроводнике In ₂ Se ₃ . Nano Lett. 18 , 1253–1258 (2018).

Артикул Google Scholar

22.

Xiao, J. et al. Собственное двумерное сегнетоэлектричество с дипольной синхронизацией. Phys. Rev. Lett. 120 , 227601 (2018).

Артикул Google Scholar

23.

Zheng, C. et al. Плоское сегнетоэлектричество при комнатной температуре по Ван-дер-Ваальсу In ₂ Se ₃ . Sci. Adv. 4 , eaar7720 (2018).

Артикул Google Scholar

24.

Wan, S. et al. Сегнетоэлектричество при комнатной температуре и переключаемый диодный эффект в двумерных тонких слоях α-In ₂ Se ₃ . Наноразмер 10 , 14885–14892 (2018).

Артикул Google Scholar

25.

Xue, F. et al. Настраиваемые затвором и переключаемые в разных направлениях мемристивные явления в сегнетоэлектрике Ван-дер-Ваальса. Adv. Матер. 31 , 10 (2019).

Артикул Google Scholar

26.

Lin, M. et al. Контролируемый рост атомарно тонких хлопьев In ₂ Se ₃ методом ван-дер-ваальсовой эпитаксии. J. Am. Chem. Soc. 135 , 13274–13277 (2013).

Артикул Google Scholar

27.

Zhou, J. et al. Контролируемый синтез высококачественного однослойного α-In ₂ Se ₃ посредством физического осаждения из паровой фазы. Nano Lett. 15 , 6400–6405 (2015).

Артикул Google Scholar

28.

Макклеллан, К. Дж., Ялон, Э., Смит, К. К., Сурьяванши, С. В. и Поп, Э. Эффективное легирование монослоя MoS ₂ n-типа AlO _x . В 2017 75-я ежегодная конференция по исследованиям устройств (DRC) 7999392 (IEEE, 2017).

29.

Qiu, G. et al. Высокопроизводительные КМОП-устройства с несколькими слоями теллура, основанные на технологии легирования диэлектрика с осаждением атомных слоев. В 2018 76-я ежегодная конференция по исследованиям устройств (DRC) 8442253 (IEEE, 2018).

30.

Пауэлл, М. Дж. Нестабильность захвата заряда в тонкопленочных транзисторах аморфный кремний – нитрид кремния. Заявл. Phys. Lett. 43 , 597–599 (1983).

Артикул Google Scholar

31.

Park, S.J. et al. Реконфигурируемые энергонезависимые транзисторы на основе кремниевых нанопроволок. Adv. Электрон. Матер. 4 , 1700399 (2018).

Артикул Google Scholar

Введение в полевые транзисторы (JFET) | Переходные полевые транзисторы

Транзистор — это линейное полупроводниковое устройство, которое регулирует ток с помощью электрического сигнала меньшей мощности. Транзисторы можно условно разделить на два основных подразделения: биполярные и полевые.В предыдущей главе мы изучали биполярные транзисторы, которые используют небольшой ток для управления большим током. В этой главе мы познакомимся с общей концепцией полевого транзистора — устройства, использующего небольшое напряжение для управления током — а затем сосредоточимся на одном конкретном типе: переходном полевом транзисторе. В следующей главе мы рассмотрим другой тип полевого транзистора — вариант с изолированным затвором.

Все полевые транзисторы являются униполярными, а не биполярными устройствами.То есть основной ток через них состоит либо из электронов через полупроводник N-типа, либо из дырок через полупроводник P-типа. Это становится более очевидным при просмотре физической схемы устройства:

N-канальный JFET

В соединительном полевом транзисторе или JFET управляемый ток проходит от истока к стоку или от стока к истоку, в зависимости от обстоятельств. Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Обратите внимание, что ток не должен проходить через PN-переход на своем пути между истоком и стоком: путь (называемый каналом) представляет собой непрерывный блок из полупроводникового материала.На только что показанном изображении этот канал представляет собой полупроводник N-типа. Также выпускаются полевые транзисторы с каналом P-типа:

P-канал JFET

Как правило, полевые транзисторы с N-каналом используются чаще, чем с P-каналом. Причины этого связаны с малоизвестными деталями теории полупроводников, которые я предпочел бы не обсуждать в этой главе. Как и в случае с биполярными транзисторами, я считаю, что лучший способ ввести использование полевых транзисторов — это избегать теории, когда это возможно, и вместо этого сосредоточиться на рабочих характеристиках.Единственное практическое различие между полевыми транзисторами с N- и P-каналом, о которых вам нужно позаботиться сейчас, — это смещение PN-перехода, образованного между материалом затвора и каналом.

При отсутствии напряжения между затвором и истоком канал представляет собой широко открытый путь для прохождения тока. Однако, если между затвором и истоком подается напряжение такой полярности, что оно смещает в обратном направлении PN-переход, поток между соединениями истока и стока становится ограниченным или регулируемым, как это было для биполярных транзисторов с заданной величиной базового тока.Максимальное напряжение затвор-исток «отсекает» весь ток, протекающий через исток и сток, тем самым вынуждая полевой транзистор перейти в режим отсечки. Такое поведение происходит из-за того, что область обеднения PN-перехода расширяется под действием напряжения обратного смещения, в конечном итоге занимая всю ширину канала, если напряжение достаточно велико. Это действие можно сравнить с уменьшением потока жидкости через гибкий шланг путем его сжатия: при достаточной силе шланг сжимается настолько, что полностью перекрывает поток.

Обратите внимание на то, что это рабочее поведение прямо противоположно биполярному переходному транзистору. Биполярные транзисторы обычно выключены: нет тока через базу, нет тока через коллектор или эмиттер. С другой стороны, полевые транзисторы — это нормально включенные устройства: отсутствие напряжения, приложенного к затвору, обеспечивает максимальный ток через исток и сток. Также обратите внимание, что величина тока, допустимого через JFET, определяется сигналом напряжения, а не сигналом тока, как в случае с биполярными транзисторами.Фактически, при обратном смещении PN-перехода затвор-исток должен быть почти нулевой ток через соединение затвора. По этой причине мы классифицируем JFET как устройство, управляемое напряжением, а биполярный транзистор как устройство, управляемое током.

Если PN-переход затвор-исток смещен в прямом направлении с небольшим напряжением, канал JFET «откроется» немного больше, чтобы пропустить большие токи. Однако PN-переход JFET не предназначен для обработки какого-либо значительного тока, поэтому не рекомендуется смещать переход в прямом направлении ни при каких обстоятельствах.

Это очень сжатый обзор работы JFET. В следующем разделе мы рассмотрим использование JFET в качестве переключающего устройства.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Полевые транзисторы — Основы — Полупроводниковые технологии от А до Я

1. Подложка

Основой n-канального полевого транзистора является кремниевая подложка, легированная p-примесью (бором).

2. Окисление

Поверх подложки за счет термического окисления создается тонкий слой диоксида кремния SiO ₂ (оксид затвора).Он используется для изоляции позже нанесенного затвора и подложки.

3. Депонирование

В процессе LPCVD наносится нитрид, который позже используется в качестве маскировки во время полевого окисления.

4. Фотолитография

Поверх нитрида наматывают, экспонируют и проявляют фоторезист. Таким образом формируется слой структурированного покрытия, который служит маской для травления.

5. Офорт

Только на участках, свободных от резиста, нитрид удаляется реактивным ионным травлением.

6. Сопротивление удалению

После этого резист маска удаляется в растворе влажного химического проявителя.

7. Окисление

Во время полевого окисления нитрид служит маскирующим слоем, влажное термическое окисление происходит только на оксиде без покрытия. Выращенный полевой оксид используется для боковой изоляции соседних устройств.

8. Офорт

После окисления нитрид удаляется в процессе влажного химического травления.

9. Депонирование

Посредством CVD низкого давления осаждается поликристаллический кремний, который представляет собой электрод затвора.

10. Фотолитография

Снова нанесен узор на слой фоторезиста поверх поликремния.

11. Офорт

Фоторезист, в свою очередь, служит маскирующим слоем, с помощью реактивного ионного травления на затворе формируется узор.

12. Сопротивление снятию

Резист удаляется методом влажного химического травления.

13.Окисление

Тонкий оксид (постоксид) наносится в качестве изолирующего слоя для электрода затвора, а также в качестве прокладки для последующей имплантации истока и стока.

14. Ионная имплантация

Посредством ионной имплантации с фосфором вводятся области истока и стока (n-тип). Поскольку электрод затвора действует как маска во время имплантации, ширина n-канала между истоком и стоком задается заранее. Это называется «самовыравнивание».

15.Окисление

В качестве изоляции осаждается неметалл (например, оксид). Это происходит в процессе LPCVD с TEOS, который обеспечивает хорошее покрытие этапов.

16. Фотолитография и травление

На следующем этапе структурируется слой резиста, а края контактных отверстий скругляются в процессе изотропного травления.

17. Офорт

Затем контактные отверстия открываются в процессе сильно анизотропного травления.

18. Металлизация

Контактные отверстия заполнены алюминием напылением.

19. Фотолитография

На заключительном этапе литографии формируется новая маска резиста.

20. Офорт

Рисунок переносится на нижележащую металлизацию в процессе анизотропного сухого травления.

21. Сопротивление удалению

Наконец, резистор удаляется, и остаются алюминиевые проводники для срабатывания транзистора.

Фактическая конструкция транзистора намного сложнее, так как дополнительные слои планаризации для фотолитографии необходимы или необходимо выполнить имплантацию вторичного стока и истока для точной регулировки порогового напряжения.На откосах электродов затвора могут быть сформированы дополнительные распорки (боковые стенки) для установки точной длины канала или точной настройки профиля легирования соответственно.

Полевой транзистор | Журнал Nuts & Volts

---

Необходимое устройство для современной микросхемы

Обычно используемый биполярный транзистор , в котором электроны или дырки проходят через два PN полупроводниковых перехода, по сути, является устройством усиления тока и . Хотя напряжение может быть усилено косвенно, если используются конфигурации проводки «общий эмиттер» или «общий коллектор», все же верно, что небольшая величина входного тока всегда должна течь в базовую область транзистора для целей управления.

Другой тип полупроводникового устройства, полевой транзистор , или «полевой транзистор», не так хорошо знаком многим энтузиастам электроники, возможно, потому, что его легко повредить при неправильном использовании. Полевой транзистор усиливает напряжение напрямую, а ток , необходимый для управления, настолько мал, что его невозможно измерить обычными приборами. Этот транзистор был фактически первым типом полупроводникового усилителя, теоретически предсказанным в Bell Labs еще в 1950-х годах, но он не был разработан в практическое устройство до тех пор, пока биполярный тип не стал популярным.Однако сейчас наиболее распространенным типом стали полевые транзисторы, их десятки миллионов в каждой микросхеме микропроцессора.

С таким огромным количеством транзисторов, работающих в одной микросхеме, мы, конечно, не хотим, чтобы для управления каждым из них требовался большой ток — энергия батареи будет израсходована быстро, и потребуется много тепла. удаленный. Кроме того, существует множество других приложений, в которых желателен сверхнизкий входной ток. Очевидный пример — первая ступень точного вольтметра, когда мы не хотим вызывать каких-либо новых падений напряжения путем отвода тока из исследуемой цепи.

Еще одним преимуществом полевого транзистора, вероятно, менее важным, является тот факт, что его входные и выходные характеристики аналогичны характеристикам электронных ламп. Поскольку лампы используются примерно с 1910 года, у нас есть большой опыт работы с ними, и некоторые конструкторы чувствуют себя более комфортно с полевыми транзисторами, чем с биполярными устройствами, особенно в усилителях звука. (Действительно ли это преимущество или нет, зависит не только от научных факторов, но и от эмоциональных факторов. Некоторые читатели могут признать автора настоящей статьи одним из первых сторонников этой активно обсуждаемой проблемы, поэтому мы не будем ее обсуждать. дальше сюда!)

В любом случае, полевой транзистор полностью реагирует на напряжение на управляющем электроде, и это можно использовать для регулирования довольно большого количества выходного тока и / или напряжения в двух других проводах.

JFET

Вместо того, чтобы делать транзистор, который проводит через оба PN перехода, когда он включен («биполярный»), один тип полевого транзистора может быть изготовлен только с одним PN переходом («однопереходный»). Поскольку он имеет переход, он называется juncFET или JFET, и упрощенная диаграмма поперечного сечения показана на , рис. 1, .

РИСУНОК 1. Упрощенное поперечное сечение полевого транзистора с рабочей схемой. Это N-канальный режим, режим истощения и обычно включен.Символ находится в правой части рисунка.

---

Прямоугольники, обведенные жирной линией, представляют собой твердые материалы, включая две области, которые представляют собой кремний P-типа, но не проводят заметного тока. Посередине находится область N-типа, которая может проводить весь ток. В очень простой схеме, показанной на схеме, которую читатель может легко построить, чтобы получить некоторый опыт работы с полевым транзистором, омметр выдает напряжение, а также показывает протекание тока нагрузки. Этот тип полевого транзистора обычно находится во включенном состоянии до подачи какого-либо управляющего напряжения.Если потенциометр 5K настроен так, что на «затворе» нет напряжения (перемещая его стрелку вниз, как показано на схеме), то «положительный» ток нагрузки с омметра переходит в верхний левый угол полевого транзистора, а затем вниз. в самый верхний металл, затем вниз через сплошной кремний N-типа и из транзистора через нижний металл. (Области «Бык» — изоляторы из диоксида кремния.)

Диаграмма построена не в масштабе, а прямоугольники показывают области, которые на самом деле имеют размер всего около микрона.(Более формальное обозначение размера — «микрометр», что составляет миллионную долю метра.) Металл обычно представляет собой тонкую алюминиевую или медную пленку толщиной около микрона, и вся конфигурация иногда бывает более сложной, чем показано на этой упрощенной диаграмме. Кремний P-типа (справа, как показано здесь) в основном является просто механической опорой для небольших активных областей, которые проводят. Его часто называют «субстратом».

Чтобы выключить транзистор, настройку потенциометра 5K можно увеличить, чтобы получить отрицательное управляющее напряжение.Это заряжает область P-типа, но электричество практически не течет, потому что имеется «обратносмещенный» PN переход (отрицательное напряжение на кремнии P-типа и положительное на N). Однако этот заряд сильно отталкивает электроны от очень тонкого проводящего «канала» N-типа в середине. Здесь образуется зона обеднения, содержащая меньшее количество электронов, поэтому кремний внутри овала, показанного пунктирной линией, становится внутренним (I-тип, как обозначено буквой I в скобках), который является изолирующим, и полевой транзистор перестает проводить.Такой тип поведения называется «режимом истощения». Поскольку управляющее действие осуществляется электрическим полем (а не носителями, текущими в базовую область), все устройство называется полевым транзистором или «полевым транзистором».

Один металлический электрод называется истоком, один — затвором, а третий — стоком, аналогично эмиттеру, базе и коллектору в биполярном транзисторе. Это «N-канальное» устройство, потому что ток проходит через кремний N-типа. Символ отображается справа от поперечного сечения.Другой тип JFET, устройство с «P-каналом», имеет полупроводниковые области P и N противоположного типа, поэтому стрелка в символе направлена ​​в сторону от канала. Этот тип ворот должен быть заряжен положительно, чтобы перекрыть канал, отталкивая дыры. Он не так распространен, как показанный здесь, но он существует и может быть полезен для специальных целей.

Диод постоянного тока

Интересным применением JFET является «диод постоянного тока». Общий эффект от этого аналогичен эффекту биполярного регулятора напряжения, за исключением того, что здесь регулируется ток , , а не напряжение.Это может быть очень простая схема, как показано на Рисунок 2 , диаграмма B.

РИСУНОК 2. N-канальный JFET-транзистор, подключенный к саморегулирующемуся устройству с постоянным током, с символом, показанным рядом с ним слева. Два других символа справа относятся к источникам постоянного тока, в том числе к источникам питания, например батареям.

---

Если посмотреть на отрицательный ток, который течет вверх через резистор, часть его будет отправлена ​​на затвор, который частично отключает полевой транзистор.Это отрицательная обратная связь, поэтому, если ток в цепи начинает расти, транзистор отключается еще больше. Таким образом, протекает меньше тока, пока не будет достигнут некоторый постоянный уровень тока. Полевой транзистор и потенциометр находятся внутри изоляционного пластикового «пакета». Все это вместе с источником питания, таким как батарея (здесь не показана), обозначено двумя перекрывающимися кругами, Рисунок 2 , диаграмма C. Иногда используется альтернативный символ со стрелкой вверх, особенно в Европе, как показано на диаграмме D.

МОП-транзистор

Другой тип полевого транзистора проиллюстрирован на рис. 3 , металл-оксид-полупроводник или «МОП» устройство.

РИСУНОК 3. Упрощенная диаграмма поперечного сечения полевого МОП-транзистора с рабочей схемой. Это N-канальный режим, режим улучшения и обычно выключен. Справа показаны два альтернативных символа.

---

В этом транзисторе используется изолирующий диоксид кремния для предотвращения попадания тока затвора в основной полупроводник вместо обратносмещенного перехода, который использовался в полевом транзисторе.Его иногда называют IGFET из-за изолированного затвора. Это обычно выключенное устройство, которое необходимо включить каким-либо действием, поэтому оно называется устройством «улучшенного режима». (IGFET также может быть выполнен в конфигурации режима истощения.)

На рисунке, если горшок повернут до нулевого напряжения, то ток батареи, имеющий тенденцию проходить как через лампочку, так и через транзистор, будет остановлен одним из PN-переходов. На этой диаграмме это верхний, который имеет обратное смещение.(Изначально пунктирная линия и область N посередине отсутствуют.)

Если стрелка потенциометра поднята, и теперь к затвору приложен положительный потенциал, дыры в кремнии P-типа отталкиваются, в результате чего эта область становится N-типа (как обозначено буквой N в скобках). Теперь нет соединения PN непосредственно на пути между верхней и нижней областями N-типа, потому что все это одна непрерывная область N-типа (нарисованная как вертикальная черта, с пунктирной линией как один край).Этот транзистор также является N-канальным, потому что электричество проходит через кремний N-типа, когда он включен.

Если читатель хочет получить некоторый опыт работы с полевым МОП-транзистором, можно установить амперметр, как показано на рис. 3 , , чтобы показать, что в затвор не течет измеримый ток, даже когда горит лампочка. На этой схеме мультиметр был переключен на измерение тока, и он перемещен к выводу затвора. (Эта схема также может быть использована для эксперимента с полевым транзистором. Экспериментатор должен отметить, что меры предосторожности для предотвращения повреждения МОП-устройств описаны в разделе «Чувствительность к электростатическому разряду» ниже.)

Символы для полевого МОП-транзистора показаны справа. Стрелка в данном случае указывает на то, что электрод «истока» внутренне соединен с подложкой, что часто делается, если один из PN-переходов не будет использоваться.

Если бы устройство было P-каналом, исток и сток были бы P-типа, а стрелка была бы направлена ​​в сторону от подложки N-типа.

Характеристические кривые и линия нагрузки

В типичных «спецификациях» полевых транзисторов используются форматы, аналогичные форматам электронных ламп.Форма кривых почти такая же, но напряжения обычно намного ниже. На входе — V _GS , на выходе — I _D . В этом случае MOSFET типа 2N7000 используется в N-канальном режиме расширения.

«Линия нагрузки» показана здесь пунктирной линией. Его наклон представляет собой эффект сопротивления нагрузки (например, лампочка на рис. 4 , ), и он весьма полезен как способ показать величину тока в любой ситуации.

РИСУНОК 4. Характеристические кривые для полевого МОП-транзистора 2N7000 с линией нагрузки.

---

В случае, показанном здесь, сопротивление нагрузки составляет 1000 Ом, а V _DS составляет 20 вольт. Пунктирная линия нагрузки проведена от максимально возможного напряжения (показано здесь как B) до максимально возможного тока с этой конкретной нагрузкой, который составляет 20 В / 1 кВт = 20 мА (показано как A). Если транзистор частично включен (V _GS = 3 вольта), ток стока будет около 11 мА, как показано пересечением (кружок под буквой C).

КМОП

Два МОП-транзистора противоположного типа могут быть подключены, как на рис. 5 , , в комплементарной конфигурации МОП («КМОП») .

РИСУНОК 5. Пара транзисторов CMOS . При отсутствии входного сигнала ток очень низкий.

---

Когда на вход не подается сигнал, один из транзисторов всегда «выключен», поэтому практически нулевой ток может проходить от источника питания вниз через резистор, а затем через пару транзисторов.Когда сигнал поступает на вход, ток нагрузки может поступать с выходной клеммы либо при высоком (V +), либо при низком (заземление) напряжении, в зависимости от полярности входного напряжения. Однако в ситуациях, когда нет входа, общий ток практически равен нулю.

В современных интегральных схемах миллионы транзисторов подключены параллельно, поэтому, если бы только микроампер «тока утечки» протекал через каждый из неиспользуемых транзисторов, ампер или более все равно потреблялись бы от источника питания или батареи.Это будет генерировать много тепла, а также слишком быстро разряжать батареи для портативных устройств. Поэтому почти все современные калькуляторы, портативные компьютеры, сотовые телефоны и т. Д. По возможности используют схемы CMOS.

Чувствительность к электростатическому разряду

МОП-транзистор особенно чувствителен к повреждению статическим электричеством, которое возникает, когда человек идет по ковру в сухую погоду. Искра, которую создает человек при прикосновении к металлической лицевой панели выключателя света, называется электростатическим разрядом , или «ESD», но МОП-транзистор может быть поврежден, даже если статического электричества недостаточно, чтобы образовалась видимая искра.

Статическое электричество может разрушить очень тонкий оксид кремния, изолирующий затвор. Некоторые МОП-транзисторы защищены стабилитронами, подключенными параллельно им внутри корпусов, но большинство из них не защищены. Чтобы предотвратить повреждение, люди, работающие с IGFET, всегда должны соблюдать эти две меры предосторожности:

1. Касайтесь только пластиковой изоляции руками, а не металлическими проводами;
2. Используйте заземленный браслет.

Последний представляет собой пластиковую ленту (обычно черного или розового цвета), которая проводит электричество и прикрепляется к длинному проводу.Его следует закрепить на любом запястье, касаясь кожи человека, а затем другой конец провода подсоединить к надежному заземлению, например к водопроводу. NV

---

Список деталей

JFET	N-канал
Потенциометр	5000 Ом
Силовой полевой МОП-транзистор	N-канал
Колба лампы	Вольфрам, 12 В, 40 мА
Аккумулятор	Девять вольт
Мультиметр
Антистатический браслет

---

.