Справочник по полевым транзисторам: Справочник по полевым транзисторам и их импортным аналогам

Bei diesem Transistor ist die Halbleiterstruktur bedingte Inversdiode (auch Bodydiode genannt, siehe Aufbau eines n-MOSFET) mit im Vergleich zu gewöhnlichen Leistungs-MOSFETs, который поддерживает kurzen Schaltzeiten ausgestaten. Das wird durch die Dotierung mit Schwermetallen erreicht, welche die Speicherladung und die Sperrverzögerungszeit signifikant vermindert. ^[1]

Dadurch ist es möglich, индуктивный Lasten in sehr kurzen Zeitspannen zu schalten.Meist werden FredFETs in so genannten Vierquadrantenstellern und anderen Anwendungen mit einer Vollbrücke (H-Brücke) aus MOSFET-Schaltern eingesetzt. Он использует инверсионный диод, который используется в качестве источника энергии для индуктивного использования MOSFET, созданного с помощью специальных датчиков MOSFET. Teilweise lässt sich dies vermeiden, indem der MOSFET im Moment des Leitens der Bodydiode eingeschaltet wird, wodurch er den Stromfluss der Diode übernimmt und diese sich bereits erholen kann.Bei hohen Arbeitsfrequenzen oder geringem Aussteuergrad, kombiniert mit hohem Blindstrom, reicht diese Zeit für die Diode jedoch nicht aus, um freizuwerden. Bedeutender ist daher ein weiterer Zerstörmechanismus, der darauf beruht, dass es bei noch nicht freigewordener Bodydiode und einer an ihr erzwungenen Sperrspannung zum Durchbruch Welder parasitärenForderSystems, механическая структура в динамике. ^{[2] [3]}

Allerdings weisen schnelle Gleichrichterdioden, auch als Fast-Recovery-Gleichrichterdioden bezeichnet, die extern als Freilaufdiode parallel zu der internen Inversdiode weshalsereschelte nversdiode werdensereste.Dies folgt aus dem Umstand, dass eine externe Diode und deren Aufbau unabhängig von der MOSFET-Struktur auf geringe Schaltzeiten und Flussspannung optimiert werden kann. ^[4] Штамп позолоченный, изготовленный из шнеллена Gleichrichterdioden, штамп на основе Halbleitermaterial Карбид кремния (SiC) basieren. Bei geringen Arbeitsspannungen können als Freilaufdioden Silizium-Schottkydioden eingesetzt werden, die nicht nur wesentlich schneller sind, sondern aufgrund ihrer geringen Flussspannung den Inversen Stromfluss volüberstämende ödiode.

Die Abkürzung FREDFET bezeichnet manchmal auch den Begriff гаснущий диод FET (FET mit Freilauf-Löschdiode).

• Джон Харпер: МОП-транзисторы с корпусным диодом Шнеллера . В: elektronik Industrie . № 5, 2007, S. 30–31 (PDF [abgerufen am 23. Februar 2013]).

1. ↑ Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule . 1.Auflage. ISLE Verlag, 1998, ISBN 978-3-932633-24-9, S. 27 (версия в формате PDF). Версия в формате PDF (Memento des Originals vom 20. Dezember 2011 im Internet Archive ) Информация: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. @ 1 @ 2Vorlage: Webachiv / IABot / www.semikron.com
2. ↑ Hubert Aigner, Kenneth Dierberger, Denis Grafham: Улучшение полномостового преобразователя ZVT с фазовым сдвигом для безотказной работы в экстремальных условиях при сварке и подобных применениях .В: Отчет о конференции — Ежегодное собрание Общества отраслевых приложений IEEE . Группа 2. IEEE INC, 1998, S. 1341–1348, DOI: 10.1109 / IAS.1998.730318.
3. ↑ Александр Фил, Томас Ву: Режимы отказа полевого МОП-транзистора в полномостовых импульсных источниках питания с переключением при нулевом напряжении . В: Конференция и выставка по прикладной силовой электронике, 2001. APEC 2001. Шестнадцатый ежегодный IEEE . Группа 2, 2001 г., С. 1247–1252, DOI: 10.1109 / APEC.2001.912525 (PDF).
4. ↑ Джонатан Додж: Учебное пособие Power MOSFET .В: Джонатан . № 12, 2006, С. 1–4 (PDF).
   Auch: Джонатан Додж: Power MOSFET Tutorial . In: Application note APT (Advanced Power Technology) . Band 403, 2004 (PDF).

определение field_effect_transistor и синонимов field_effect_transistor (английский)

Мощный N-канальный полевой транзистор

Полевой транзистор (FET) — это транзистор, который использует электрическое поле для управления формой и, следовательно, проводимостью канала одного типа носителя заряда в полупроводниковом материале. Полевые транзисторы иногда называют униполярными транзисторами , чтобы противопоставить их работу с одной несущей и работу с двумя несущими биполярных (переходных) транзисторов (BJT).Концепция полевого транзистора предшествовала BJT, хотя физически он не был реализован до после BJT из-за ограничений полупроводниковых материалов и относительной простоты изготовления BJT по сравнению с полевыми транзисторами в то время.

История

Полевой транзистор был впервые запатентован Джулиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году и Оскаром Хейлом в 1934 году, но практические полупроводниковые устройства (JFET, полевой транзистор с переходным затвором) были разработаны намного позже, после того, как эффект транзистора был обнаружен. и объяснена командой Уильяма Шокли из Bell Labs в 1947 году.MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), который в значительной степени вытеснил JFET и оказал более сильное влияние на развитие электроники, был впервые предложен Давоном Кангом в 1960 году. ^[1]

Основная информация

полевых транзисторов — это устройства с основным носителем заряда. Устройство состоит из активного канала, по которому основные носители заряда, электроны или дырки, проходят от истока к стоку. Проводники истока и стока подключены к полупроводнику через омические контакты.Проводимость канала является функцией потенциала, приложенного к затвору, по отношению к источнику.

Три терминала FET: ^[2]

• Источник (S), через который большинство носителей входят в канал. Обычный ток, поступающий в канал в точке S, обозначается I _S .

• Дренаж (D), через который большинство носителей покидают канал. Обычный ток, поступающий в канал в точке D, обозначается I _D .Напряжение от стока к источнику составляет В _DS .

• Gate (G), терминал, который модулирует проводимость канала. Подавая напряжение на G, можно управлять I _D .

Подробнее о терминалах

Поперечное сечение полевого МОП-транзистора n-типа

Все полевые транзисторы имеют затвор , сток и исток клеммы, которые примерно соответствуют базовому , коллектору и эмиттеру BJT.Большинство полевых транзисторов также имеют четвертый вывод, называемый корпусом , основанием , основанием или подложкой . Этот четвертый вывод служит для смещения транзистора в работу; редко используется нетривиальный вывод на корпусе в схемотехнике, но его наличие важно при настройке физической схемы интегральной схемы. Размер затвора, длина L на схеме — это расстояние между истоком и стоком. Ширина — это расширение транзистора, на схеме перпендикулярно поперечному сечению.Обычно ширина намного больше, чем длина ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 мкм до примерно 30 ГГц.

Названия терминалов относятся к их функциям. Терминал ворот можно рассматривать как управляющий открытием и закрытием физических ворот. Этот затвор позволяет электронам проходить через или блокирует их прохождение, создавая или устраняя канал между истоком и стоком. Электроны текут от вывода истока к выводу стока, если на них влияет приложенное напряжение.Тело просто относится к основной части полупроводника, в котором находятся затвор, исток и сток. Обычно клемма корпуса подключается к самому высокому или самому низкому напряжению в цепи, в зависимости от типа. Вывод на корпусе и вывод источника иногда соединяются вместе, поскольку источник также иногда подключается к наивысшему или наименьшему напряжению в цепи, однако есть несколько вариантов использования полевых транзисторов, которые не имеют такой конфигурации, например, затворы передачи и каскодные схемы. .

Работа на полевом транзисторе

ВАХ и выходной график n-канального JFET транзистора.

Полевой транзистор управляет потоком электронов (или электронных дырок) от истока к стоку, влияя на размер и форму «проводящего канала», создаваемого напряжением (или отсутствием напряжения), приложенным к клеммам затвора и истока (для простота обсуждения, это предполагает, что тело и источник связаны). Этот проводящий канал представляет собой «поток», по которому электроны текут от истока к стоку.

В устройстве с n-канальным режимом обеднения отрицательное напряжение затвор-исток заставляет область обеднения расширяться по ширине и вторгаться в канал с боков, сужая канал. Если область истощения расширяется, чтобы полностью закрыть канал, сопротивление канала от истока до стока становится большим, и полевой транзистор фактически выключается, как переключатель. Точно так же положительное напряжение затвор-исток увеличивает размер канала и позволяет электронам легко течь.

И наоборот, в n-канальном устройстве с расширенным режимом положительное напряжение затвор-исток необходимо для создания проводящего канала, поскольку он не существует естественным образом внутри транзистора. Положительное напряжение привлекает свободно плавающие электроны внутри тела к затвору, образуя проводящий канал. Но сначала необходимо привлечь достаточное количество электронов около затвора, чтобы противодействовать ионам легирующей примеси, добавленным в тело полевого транзистора; это формирует область, свободную от мобильных несущих, называемую областью истощения, и это явление упоминается как пороговое напряжение полевого транзистора.Дальнейшее увеличение напряжения затвор-исток привлечет к затвору еще больше электронов, которые смогут создать токопроводящий канал от истока к стоку; этот процесс называется инверсия .

Для устройств с расширенным или обедненным режимом при напряжениях сток-исток, намного меньших, чем напряжения затвор-исток, изменение напряжения затвора приведет к изменению сопротивления канала, а ток стока будет пропорционален напряжению стока (относительно напряжение источника). В этом режиме полевой транзистор работает как переменный резистор, и говорят, что полевой транзистор работает в линейном режиме или в омическом режиме . ^{[3] [4]}

Если напряжение сток-исток увеличивается, это создает значительное асимметричное изменение формы канала из-за градиента потенциала напряжения от истока к стоку. Форма области инверсии становится «защемленной» около дренажного конца канала. При дальнейшем увеличении напряжения сток-исток точка отсечки канала начинает перемещаться от стока к истоку. Сообщается, что полевой транзистор находится в режиме насыщения ; ^[5] некоторые авторы называют его активным режимом , для лучшей аналогии с рабочими областями биполярного транзистора. ^{[6] [7]} Режим насыщения или область между омическим состоянием и насыщением используется, когда необходимо усиление. Промежуточная область иногда считается частью омической или линейной области, даже если ток стока не является приблизительно линейным с напряжением стока.

Даже несмотря на то, что проводящий канал, образованный напряжением затвор-исток, больше не соединяет исток со стоком во время режима насыщения, поток носителей не блокируется. Рассматривая снова n-канальное устройство, в корпусе p-типа существует обедненная область, окружающая проводящий канал и области стока и истока.Электроны, составляющие канал, могут свободно выходить из канала через область обеднения, если они притягиваются к стоку напряжением сток-исток. Область обеднения свободна от носителей и имеет сопротивление, подобное кремнию. Любое увеличение напряжения сток-исток увеличит расстояние от стока до точки отсечки, увеличивая сопротивление из-за области истощения пропорционально приложенному напряжению сток-исток. Это пропорциональное изменение приводит к тому, что ток сток-исток остается относительно постоянным независимо от изменений напряжения сток-исток и в отличие от работы в линейном режиме.Таким образом, в режиме насыщения полевой транзистор ведет себя как источник постоянного тока, а не как резистор, и может наиболее эффективно использоваться в качестве усилителя напряжения. В этом случае напряжение затвор-исток определяет уровень постоянного тока через канал.

Композиция

Полевой транзистор может быть сконструирован из ряда полупроводников, из которых кремний является наиболее распространенным. Большинство полевых транзисторов изготавливаются с использованием обычных методов обработки объемных полупроводников с использованием монокристаллической полупроводниковой пластины в качестве активной области или канала.

Среди наиболее необычных материалов корпуса — аморфный кремний, поликристаллический кремний или другие аморфные полупроводники в тонкопленочных транзисторах или органические полевые транзисторы, основанные на органических полупроводниках; Часто изоляторы и электроды затворов OFET также изготавливаются из органических материалов. Такие полевые транзисторы изготавливаются из различных материалов, таких как карбид кремния (SiC), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и арсенид индия-галлия (InGaAs). В июне 2011 года IBM объявила, что успешно использовала полевые транзисторы на основе графена в интегральной схеме. ^{[8] [9]} Эти транзисторы имеют частоту отсечки 100 ГГц, что намного выше, чем у стандартных кремниевых полевых транзисторов. ^[10]

Типы полевых транзисторов

Полевые транзисторы истощенного типа при типичных напряжениях. JFET, поликремниевый MOSFET, MOSFET с двойным затвором, MOSFET с металлическим затвором, MESFET. обеднение, электроны, дырки, металл, изолятор. Вверху = источник, внизу = сток, слева = затвор, справа = масса. Напряжения, приводящие к образованию каналов, не показаны

Канал полевого транзистора легирован для получения полупроводника N-типа или полупроводника P-типа.Сток и исток могут быть легированы противоположным типом по отношению к каналу, в случае полевых транзисторов в режиме обеднения, или легированы легированием аналогичного типа по отношению к каналу, как в полевых транзисторах в режиме улучшения. Полевые транзисторы отличаются также методом изоляции между каналом и затвором. Типы полевых транзисторов:

• CNTFET (полевой транзистор из углеродных нанотрубок)
• DEPFET — это полевой транзистор, сформированный на полностью обедненной подложке, который одновременно действует как датчик, усилитель и узел памяти.Его можно использовать как датчик изображения (фотона).
• DGMOSFET — это полевой МОП-транзистор с двойным затвором.
• DNAFET — это специализированный полевой транзистор, который действует как биосенсор, использующий ворота, состоящие из одноцепочечных молекул ДНК, для обнаружения совпадающих цепей ДНК.
• FREDFET (эпитаксиальный диодный полевой транзистор с быстрым обратным или быстрым восстановлением) — это специализированный полевой транзистор, предназначенный для обеспечения очень быстрого восстановления (выключения) основного диода.
• HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов), также называемый HFET (гетероструктурный полевой транзистор), может быть изготовлен с использованием технологии запрещенной зоны в тройном полупроводнике, таком как AlGaAs.Полностью обедненный материал с широкой запрещенной зоной образует изоляцию между затвором и корпусом.
• HIGFET (полевой транзистор с изолированным затвором) в настоящее время используется в основном в исследовательских целях. [1]
• IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) — это устройство для управления мощностью. Он имеет структуру, похожую на полевой МОП-транзистор, связанный с биполярным основным проводящим каналом. Они обычно используются в диапазоне рабочего напряжения сток-исток 200–3000 В. Силовые МОП-транзисторы по-прежнему являются предпочтительным устройством для напряжений сток-исток от 1 до 200 В.
• ISFET (ионно-чувствительный полевой транзистор), используемый для измерения концентрации ионов в растворе; когда концентрация ионов (например, H ⁺ , см. pH-электрод) изменяется, ток через транзистор соответственно изменяется.
• В JFET (полевой транзистор) используется обратносмещенный p-n переход для отделения затвора от корпуса.
• MESFET (полевой транзистор металл-полупроводник) заменяет p-n переход полевого транзистора с барьером Шоттки; используется в GaAs и других полупроводниковых материалах AIIIBV.
• В MODFET (полевой транзистор с модуляцией легирования) используется структура с квантовыми ямами, образованная постепенным легированием активной области.
• MOSFET (полевой транзистор металл – оксид – полупроводник) использует изолятор (обычно SiO ₂ ) между затвором и корпусом.
• NOMFET — полевой транзистор с органической памятью в виде наночастиц. [2]
• OFET — это полевой транзистор с органическим эффектом, в канале которого используется органический полупроводник.
• GNRFET — это полевой транзистор, в канале которого используется графеновая нанолента.
• VeSFET (полевой транзистор с вертикальной щелью) представляет собой полевой транзистор квадратной формы без перехода с узкой щелью, соединяющей исток и сток в противоположных углах. Два затвора занимают другие углы и контролируют ток через щель. [3] [4]
• TFET (туннельный полевой транзистор) основан на межполосном туннелировании ^[11]

Преимущества полевого транзистора

Основным преимуществом полевого транзистора является высокое входное сопротивление порядка 100 МОм или более.Таким образом, это устройство, управляемое напряжением, которое демонстрирует высокую степень изоляции между входом и выходом. Это униполярное устройство, зависящее только от тока большинства. Он менее шумный, поэтому его можно найти в FM-тюнерах для тихого приема. Он относительно невосприимчив к радиации. Он не показывает напряжения смещения при нулевом токе стока и, следовательно, представляет собой отличный прерыватель сигнала. Обычно он имеет лучшую термическую стабильность, чем BJT. ^[2]

Недостатки полевого транзистора

Он имеет относительно низкое произведение коэффициента усиления и полосы пропускания по сравнению с BJT.Недостатком полевого МОП-транзистора является то, что он очень чувствителен к перегрузкам, что требует особого обращения во время установки. ^[12]

Использует

находят применение в переключении катушек зажигания двигателей внутреннего сгорания, где важны возможности быстрого переключения и блокировки напряжения.

Наиболее часто используемый полевой транзистор — это МОП-транзистор. Технологический процесс CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник) является основой для современных цифровых интегральных схем.В этом технологическом процессе используется схема, в которой (обычно «режим улучшения») p-канальный полевой МОП-транзистор и n-канальный полевой МОП-транзистор соединены последовательно, так что, когда один из них включен, другой выключен.

Хрупкий изолирующий слой полевого МОП-транзистора между затвором и каналом делает его уязвимым для электростатических повреждений во время работы. Обычно это не проблема после того, как устройство было установлено в правильно спроектированной цепи.