Униполярные транзисторы: принцип работы, виды и применение

Что такое униполярный транзистор. Как устроены полевые транзисторы. Какие бывают виды полевых транзисторов. Где применяются униполярные транзисторы. Каковы преимущества полевых транзисторов перед биполярными.

Что такое униполярный транзистор

Униполярный транзистор, также называемый полевым транзистором — это полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется под действием электрического поля, создаваемого входным сигналом. Основное отличие униполярных транзисторов от биполярных заключается в том, что в них используются носители заряда только одного знака — электроны или дырки.

Полевые транзисторы имеют три основных электрода:

• Исток — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда
• Сток — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда
• Затвор — управляющий электрод, изменяющий проводимость канала

Принцип работы полевого транзистора основан на изменении проводимости канала между истоком и стоком под действием поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе. Чем больше напряжение на затворе, тем сильнее открывается канал и увеличивается ток через транзистор.

Основные виды полевых транзисторов

Существует несколько основных типов полевых транзисторов:

1. 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 приводит к изменению его ширины и, соответственно, ширины проводящего канала.

2. МДП-транзисторы с изолированным затвором

В МДП-транзисторах (металл-диэлектрик-полупроводник) затвор изолирован от канала слоем диэлектрика, обычно оксида кремния. МДП-транзисторы бывают двух видов:

• С индуцированным каналом — канал образуется только при подаче напряжения на затвор
• Со встроенным каналом — канал существует изначально и изменяется под действием напряжения на затворе

3. Транзисторы с барьером Шоттки

В этих транзисторах вместо p-n-перехода используется контакт металл-полупроводник (барьер Шоттки). Они обладают высоким быстродействием.

Преимущества полевых транзисторов

Полевые транзисторы имеют ряд важных преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами:

• Очень высокое входное сопротивление (до 10^14 Ом)
• Малый уровень шумов, особенно на низких частотах
• Высокая температурная стабильность
• Отсутствие эффекта накопления заряда
• Возможность работы как с положительным, так и с отрицательным напряжением на затворе

Эти преимущества обусловлены тем, что в полевых транзисторах используются носители только одного знака и отсутствует инжекция неосновных носителей.

Основные характеристики полевых транзисторов

Важнейшими характеристиками полевых транзисторов являются:

• Крутизна характеристики — отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе
• Внутреннее сопротивление — отношение изменения напряжения на стоке к вызванному им изменению тока стока
• Коэффициент усиления — произведение крутизны на внутреннее сопротивление
• Пороговое напряжение — напряжение на затворе, при котором начинает протекать заметный ток стока

Эти параметры определяют усилительные и частотные свойства полевых транзисторов в различных схемах включения.

Применение полевых транзисторов

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

• Входные каскады усилителей с высоким входным сопротивлением
• Малошумящие усилители, особенно на низких частотах
• Аналоговые ключи и коммутаторы
• Источники тока, управляемые напряжением
• Преобразователи напряжение-частота
• Генераторы, управляемые напряжением
• Цифровые интегральные схемы (технология КМОП)

Особенно широкое распространение получили МДП-транзисторы в интегральных микросхемах благодаря простоте их изготовления и высокой плотности размещения на кристалле.

Схемы включения полевых транзисторов

Существует три основные схемы включения полевых транзисторов:

1. С общим истоком

Это наиболее распространенная схема, обеспечивающая усиление как по току, так и по напряжению. Входной сигнал подается на затвор, выходной снимается со стока. Коэффициент усиления по напряжению может достигать нескольких сотен.

2. С общим стоком

В этой схеме входной сигнал подается на затвор, а выходной снимается с истока. Она обеспечивает усиление по току при коэффициенте усиления по напряжению близком к единице. Имеет очень высокое входное и низкое выходное сопротивление.

3. С общим затвором

Входной сигнал подается на исток, выходной снимается со стока. Эта схема обеспечивает наибольшее усиление по напряжению, но имеет низкое входное сопротивление. Применяется в основном на высоких частотах.

Выбор конкретной схемы включения зависит от требований к входному и выходному сопротивлению, коэффициенту усиления и частотным свойствам усилительного каскада.

Особенности работы полевых транзисторов

При работе с полевыми транзисторами следует учитывать ряд их особенностей:

• Высокая чувствительность к статическому электричеству из-за тонкого слоя диэлектрика под затвором
• Наличие паразитной емкости затвор-сток, ухудшающей частотные свойства
• Зависимость порогового напряжения от температуры
• Возможность самовозбуждения на высоких частотах из-за проходной емкости

Для борьбы с этими эффектами применяются специальные схемотехнические решения и технологические приемы при производстве транзисторов.

Перспективы развития полевых транзисторов

Основные направления совершенствования полевых транзисторов включают:

• Уменьшение размеров для повышения быстродействия и плотности размещения
• Применение новых материалов (GaN, SiC) для работы при высоких температурах и мощностях
• Создание трехмерных структур для увеличения плотности транзисторов
• Разработка транзисторов на основе графена и других двумерных материалов

Эти инновации позволят создавать еще более быстродействующие и энергоэффективные электронные устройства на основе полевых транзисторов.

Униполярные транзисторы. Тема 7

Тема 7.2 Униполярные транзисторы

Устройство и принцип действия униполярного транзистора Униполярными, или полевыми, транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Оба на звания этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности:

прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управление током канала осуществляется при помощи электрического поля.

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком ( ц йстоком ( а управляющий электрод называется затвором (Оа Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторь делят ся на две группы: с управляющим р-п-п и с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистор изол затвором И приведено на рис. 5.1 а, а полевого транзистора с управляющим переходом (ПТУП) — на рис.5.16.

В полевых т с изолiюевышым за электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокисв кремния iО Электроды стока и иётока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утёчки затвора пренебрежи мо мал даже при повышенных температурах. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. При обеденном канале этiек ‘грическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется iа-iдуцированiiым. Еслй канал обогащен носителями зарядов, то он назь встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднениiо

канала носителями зарядов i о- -б

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную дроводимость, то он назЫвается п-каналом. Каналы с дыроч ной проводимостью называются р-каналами’. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором мргут быть четырех типов: с каналом п- или р-типов,

1

2. .

каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные схематичные изображения этих типов транзисторов приведены на рис.: 5.2. Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве. Канал транзистора изображается вертикальной штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплош ная — встроенный. Исток и сток действуют как невьшрямляющие контакты, по этому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, напр2iвление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальцой динией, параллельной каналу. Вывод затвора

Г (7 7 ‚5 7

обращен к электроду истока. б — Уело полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр.

Первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К кремний, Л — арсенид галлия). Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе гшл транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далеё идет двухзнаi1ньий номер раз работки транзистора. Пятая буква соотвествует разбраковке по параметрам. На пример, транзистор КПЗО2А — кремниевый, полевой, малой мощности, высоко

частотный. (/ ‚7 )

Устройство полевого транзистора с управляющим р-п-переходо на рис. 5.1 6. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного р-п-перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулировать ток в канале. На рис. 5.1 6 приведен полевой транзистор с каналом р-типа и за твором, вьшолненным из областей п-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводимос ти канала, поэтому полевые транзисторьи с

управляющим р-п-переходом работа а) б) с только на обеднение канала носителями

зарядов.

Условное схематическое изображение полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом приведено на рис. 5.3. Поскольку ПТУП могут работать только с обеднением канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображении

с

и

п-канал р-канал

Рис. 5.3. Условные обозначсния полевьтх, транзисторов с управляющим

р-п-переходом

сплошной линией, которая имеет контактьи с электродами стока и истока. На правление стрелки на выводе затвора указывает тип проводимости канала.

Таким образом, полный набор разновидностей полевых тра.нзисторов, имею щихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Их типовые передаточные характеристики приведены на рис. 5.4. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, на правление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в на в не выпускают ся только ПТИЗ со встроенным каналом р-типа. 7 .

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристи гiолевых транзисторов с кацалом п-типа расположены в верхней половине графи ка и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительно му напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом р-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрица тельное значение тока и отрицательное напряжение на стоке.

Характеристики

Лекция 5. Униполярные транзисторы

ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным I При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки становится близким к нулю.

Характеристики ГIТИЗ с индуцированньим каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах про исходит при напряжении на затворе больше порогового значения 1 Увеличе ние напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока Такие транзисторьт могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения па затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

На рис. 5.5 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУГI с каналом п-типа. Характеристики других тйпов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением па затворе и полярностью приложепных Напря жений. На этих вольт-амперньих характеристиках можно выделить две области:

линейную и насыщения.

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки пере гиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от iтапряже ния па затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока сто ка от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходньи с характеристиками электровакуумньих пен тодов. Осо б еiiности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопро тивление, управляемое напряжением юта затворе, а в области насыщения — как

усилительный элемент. Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях.

Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора определя ется уравнением

(5.1)

где / — постоянный коэффициент, зависящйй от конструкции транзистора, (1 поро говое напряжение (или напряжение отсечки), и напряжение между затвором и истоком, и — напряжение между стоком и истоком.

На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенньим выражением, пола гая в (5.1) и

(5.2)

Выражение (5.2) позволяет определить сопротивление канала в линейной об ласти

(5.3)

Из выражения (5 3) следует, что при и, сопротивление канала будет мини мальным /?I,, 1/(2IсЦд. Если напряжение на затворе стремится к пороговому зна ченяiо щ — (I то сопротивление канала возрастает до бесконечности: ]?

График зависимости сопротивления канала от ‘управляющего напряжения на зат воре приведен на рис.5. 6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротив ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

(5.4)

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке Ц нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способЁостью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых трап зисторов с изолированньхм затвором достигает долей ома (0,5 … 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым соб ственным сопротивлением канала.

С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговому значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается,

56

что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной п мостью. Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ спрсобен пропускать доста точно большой ток (до IОА и выше). Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управляющим напряжением, чем обычно и пользуются при создании силовых ключей. Схема замещения кшоча на полевом транзисторе приведена на рис. 5.6 6.

Область насыщения. В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением

(5.5)

из которого следует его полная независимость от напряжёния на стоке. Практи чески такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (5.5) можно найти начальный ток стока при условии, что щ О:

(5.6)

Выражение (5.6) показывает, что значение коэффициента 1’, введенного в фор муле (5.1), можно установить экспериментально, измерив на ток стока ‘СНаЧ и гтороговое напряжение Ц, (или напряжение отсечки (] так как

(5.7)

Поскольку полевые транзисторьт в области насыщения используются в основ ном как усилительньие приборы, то для оценки их усилительных свойств найдем значение крутизньи вольт-амперной характеристики:

а

(5. 8)

Из уравнения (5.8) следует, чтё максимальное значение крутизна имеет при и = О. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис. 6.13. Это обо значение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изобра жается как в ГIТИЗ, а электроды коллектора и эмитгера изображаются как у

биполярного транзистора.

Область безопасной работы БТИЗ подобна ПТИЗ, т. е. в ней отсутствует уча сток вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 6.13 6 приведена область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа ЮВТ с максимальным рабочим напряжением 1200 В при длительности им пульса I0мкс. Поскольку в основу транзисторов типа ЮВТ. положены ПТИЗ с

индуцировашым каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5. ..6 В.

Бьистродействяе БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисто ров, по значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. i ния показали, что для большинства транзисторов типа ЮВТ времена включения я выклiочеiшя не превышают 0,5… 1,Омкс.

Статический индукционный трахiзистор (СИТ) представляет собой полевой трапз с управляющим р-п-переходом, который может работать как при обратном смещенйи затвора (режим полевого транзистора), так и при прямом смещении затвора (режим бипогiярпого транзистора). В результате смешанного управления открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база биполярного транзистора, а при запирании транзистора на затвор подается обратное запирающее напряжение. В отличие от биполярного транзистора обратное напряжение, подаваемое па затвор транзистора, может достигать 30 В, что значительно ускоряет процесс рассасьивания пеЪсновных носи телей, которые появляются в канале при прямом смещении затвора.

В настоящее время имеются две разновидности СИТ транзисторов. Первая разновидность транзисторов, называемых просто СИТ, представляет со бёй нормально открытый прибор с управляющим р-п-переходом. В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь сток-исток находится в проводящем состояния. Перевод траязистора в непроводящее состояние осуществляется при

Униполярный транзистор | это… Что такое Униполярный транзистор?

Полевой транзистор — 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 называются униполярными (в отличие от биполярных).

Содержание 1 История создания полевых транзисторов 2 Схемы включения полевых транзисторов 3 Классификация полевых транзисторов 3.1 Транзисторы с управляющим p-n переходом 3.2 Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) 3.2.1 МДП-транзисторы с индуцированным каналом 3. 2.2 МДП-транзисторы со встроенным каналом 3.2.3 МДП-структуры специального назначения 4 Области применения полевых транзисторов 5 Примечания

История создания полевых транзисторов

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 в 1966 году.

Схемы включения полевых транзисторов

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 (метал — 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. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

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 колебании 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 транзистора.

3. Дальнейшее увеличение U₃u 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 это 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 популярнотсь и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для создания 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 разветвленной конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в CCCР 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, имеюших 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, присушее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности.^[2][3]

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 надежность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 поядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, обладающие малыми нелинейными и динамическими искажениями.

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. Дьяконоваю- 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.

Что такое униполярный/полевой транзистор?

FET

Содержание

Полевой транзистор (FET)  – также известный как Униполярный транзистор , трехполюсный (три электрода), управляемый напряжением электронный полупроводниковый компонент 8 0 способность усиливать электрический сигнал. Семейство полевых транзисторов состоит из группы нескольких типов различных компонентов, общей чертой которых является косвенное влияние электрического поля на сопротивление полупроводника или сопротивление тонкого непроводящего слоя. Теоретически полевым транзистором можно управлять без расхода энергии. В работе компонента принимает участие только один тип носителей нагрузки, отсюда и однополярное название, а управление выходным током осуществляется с помощью электрического поля (полевые транзисторы).

FET –  Внутренняя конструкция и принцип работы

Униполярный транзистор имеет три электрода:

• Слив «D» – электрод, до которого доходят носители нагрузки. Ток стока – I _D , напряжение сток-исток – В _DS ,
• Ворота «G» – электрод, управляющий потоком зарядов. Ток затвора – I _G , напряжение затвор-исток – В _ГС ,
• Источник «S» – электрод, от которого в канал стекают носители нагрузки. Ток источника обозначается как I _S .

Это эквиваленты электродов в биполярных транзисторах . Два из них: Drain и Source подключены к правильно легированному полупроводниковому кристаллу. Между этими концами создается канал, по которому течет ток. Третий конец размещается вдоль канала: Ворота , благодаря которым мы можем контролировать поток тока. В случае соединения нескольких МОП-транзисторов в интегральную схему часто используется четвертый электрод: B — Body (или Bulk ) для того, чтобы смещать подложку. Но вообще этот конец связан с/с источником.

---

Полевой транзистор – Задания для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи на полевые транзисторы, посетите этот раздел нашего сайта, где вы можете найти самые разнообразные электронные задания.

---

Разделение полевых транзисторов

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

Рис. 1. Разделение полевых транзисторов

JFET – конструкция и принцип работы

JFET транзистор состоит из слоя полупроводника n-типа в N-канальных JFET транзисторах или полупроводника p-типа в P-канальных JFET транзисторы. Эти слои образуют канал. Электроды присоединяют к обоим концам канала. В транзисторах JFET затвор изолирован от канала переходом с обратным смещением (с очень высоким входным сопротивлением).

Транзисторы JFET должны быть поляризованы таким образом, чтобы несущие перемещались от истока к стоку, а переход затвор-канал был смещен в обратном направлении.

Существует два варианта этого перехода:

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

Канал, по которому будет течь ток, находится между стоком и истоком. Шириной канала (его сопротивлением) можно управлять, изменяя напряжение затвор-исток (В _ГС ). Повышение напряжения V _GS (которое смещает переход в обратном направлении) вызывает сужение канала вплоть до его полного «закрытия» — ток не будет течь. К напряжению V _GS добавляется падение напряжения между конкретной точкой канала и источником (V _DS ). Увеличение значения напряжения V _DS в конечном итоге подключит обедненные слои и заблокирует канал, насытив транзистор. Значение тока стока I _D не будет увеличиваться независимо от дальнейшего увеличения напряжения V _DS , и транзистор становится очень хорошим компонентом крутизны.

• P-N JFET (нормально включен)

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

MOSFET (металло-оксидно-полупроводниковый полевой транзистор) – конструкция и принцип работы

В транзисторе MOSFET затвор изолирован от канала диэлектрическим слоем. Область, отмеченная «N+», представляет собой сильнолегированный полупроводник типа «N». В случае Э МОП-транзисторов с напряжением 9 В0029 ГС = 0, канал заблокирован (его сопротивление принимает значение МОм и ток I _D не течет). При увеличении напряжения канала V _GS увеличивается его проводимость и после достижения определенного значения, называемого пороговым напряжением V _T , через канал становится возможным протекание тока стока I _D . Ток стока MOSFET регулируется сигналом напряжения затвора величиной до нескольких вольт, что обеспечивает совместимость со всеми МОП-системами, особенно с КМОП. Мощность, необходимая для его управления, очень мала, а безопасная рабочая зона больше по сравнению с БЮТ транзисторы . Кроме того, время переключения также короче по сравнению с BJT.

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

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

• Режим обеднения MOSFET – D MOS (нормально включен):

Рис. 4. Символы D MOS

• Режим расширения MOSFET – E MOS (нормально выключен):

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

FET – Режимы работы

Существует три режима работы транзисторов:

• Режим отсечки: |V _GS | > |В _Т | в любом |V _DS |,
• Активный режим  (также известный как линейный или ненасыщенный): |V _ГС | < |В _Т | и |V _DS | <= |V _DSsat |,
• Режим насыщения : |V _GS | < |В _Т | и |V _DS | => |V _DSsat |.

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

FET – Основные параметры

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

FET –  Вольт-амперные характеристики

Передаточные характеристики – описывают отношение тока стока I _D от напряжения затвор-исток V _GS к определенному напряжению сток-исток V _GS .

• JFET «N»:

Рис. 7. JFET «N»

• D MOS «N»:

Рис. 8. D MOS «N»

• E MOS «N»:

Рис. 9. Э МОП «N»

• Характеристики стока (для полевого транзистора типа «N») – описывает отношение стока I _D ток от сток-исток В _DS напряжение с определенным затвор-исток В _GS напряжение. Область характеристик была разделена на две части: активную и насыщенную область.

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

Практическое применение – Unipolar MOSFET – NMOS транзистор

. Такое использование в основном работает в приложениях микроконтроллера, оно используется для управления сигналом от микроконтроллера к внешним приемникам.

Для этого упражнения нам понадобятся следующие вещи:

• Макетная плата, (Elegoo 3pcs MB-102 Макетная плата)
• Светодиод (можно и зуммер) (Взять Шанзон 100шт),
• Резистор 220 и 1 кОм (750 шт., набор резисторов 30 значений),
• Транзистор NMOS BUZ11 (Получить FAIRCHILD BUZ11),
• Батарея 3В,
• Блок питания 9В.

Схема подключения цепей выглядит следующим образом:

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

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

Рис. 12. Иллюстрация подключения макетной платы

Система после подключения питания 9В не проявляла никаких действий. После подключения батареи к цепи светодиод начал светиться. Это самый простой способ проиллюстрировать принцип действия напряжения В _T (напряжение пробоя) в униполярных транзисторах. В транзисторе БУЗ11 диапазон напряжения VGSTh находится в пределах от 2,1 до 4 В. При использовании батарей 3В получаем достаточное напряжение для открытия канала между стоком и истоком в униполярном транзисторе. После этого светодиод начинает светиться.

Рис. 13. Еще одна иллюстрация подключения и работы макетной платы транзистор, между током на светодиоде I(D1). Дополнительно на осциллограмме видно напряжение VDS, вид осциллограммы зависит от времени включения транзистора.

Рис. 14. Иллюстрация подключения макетной платы

Fehler 404

Fehler 404 изображение/svg+xml

Auswahl von Land und Sprache beeinflusst Deine Geschäftsbedingungen, Produktpreise und Sonderangebote

Sprache

Верунг

Preise

нетто

брутто

нетто

брутто

Nutze diesuchmaschine, um Themen zu finden, die Dich interessieren:

Каталог Ви кауфт человек Хильфе

или zurück zu: Дом

Abonnieren Sie jetzt

В том же информационном бюллетене вы найдете самые интересные и интересные сведения о новых продуктах, товарах и услугах на веб-сайте TME.
Hier können Sie sich auch von der Liste abmelden.

* Pflichtfeld

AnmeldenAuf Mitteilungsblatt verzichten

Ich habe mich mit der Ordnung des TME-Bulletins bekannt gemacht und erteile meine Zustimmung, damit das elektronische Informationsbulletin des TME-Dienstes meine E-Mail-Adresse geschickt wird. Ordnung des TME-Bulletins

*

1. Transfer Multisort Elektronik sp. о.о. mit Sitz в Лодзи, Адрес: ул. Устронная 41, 93-350 Łódź teilt hiermit mit, dass sie der Administrator Ihrer personenbezogenen Daten sein wird.
2. Ein Datenschutzbeauftragter wird beim Administrator der personenbezogenen Daten ernannt und kann per E-Mail unter [email protected] kontaktiert werden.
3. Ihre Daten werden verarbeitet auf Grundlage von Art. 6 Абс. 1 лит. a) der Verordnung des Europäischen Parlaments und des Rates (EU) 2016/679 vom 27. April 2016 zum Schutz natürlicher Personen bei der Verarbeitung personenbezogener Daten und zum freien Datenverkehr und zur Aufhebung der Richtlinie 95/46/EG (nachstehend «DSGVO» genannt), um an die angegebene E-Mail-Adresse den elektronischen Newsletter von TME zu senden.
4. Die Angabe der Daten ist freiwillig, jedoch für den Versand des Newsletters erforderlich.
5. Ihre personenbezogenen Daten werden gespeichert, bis Ihre Einwilligung für die Verarbeitung Ihre personenbezogenen Daten widerufen.
6. Sie haben das Recht auf Zugang, Berichtigung, Löschung oder Einschränkung der Verarbeitung Ihrer Daten;
Soweit Ihre personenbezogenen Daten aufgrund einer Einwilligung verarbeitet werden, haben Sie das Recht, die Einwilligung zu widerufen. Der Widerruf der Einwilligung berührt nicht die Rechtmäßigkeit der Verarbeitung auf der Grundlage der Einwilligung vor dem Widerruf.
7. Soweit Ihre Daten zum Zwecke des Vertragsabschlusses und der Vertragsabwicklung oder aufgrund Ihrer Einwilligung verarbeitet werden, haben Sie auch das Recht, Ihre personenbezogenen Daten zu übertragen, d. час von der verantwortlichen Stelle in structurierter, allgemein üblicher und maschinenlesbarer Form zu erhalten. Sie können diese Daten einen anderen Datenadministrator übersenden.
8. Sie haben auch das Recht, eine Beschwerde bei der für Datenschutz zuständigen Aufsichtsbehörde einzureichen.

больше Венигер

TME-Newsletter abonnieren

Ангбот — Рабат — Нойхайтен. Sei auf dem Laufenden mit dem Angebot von TME

AGB zum Информационный бюллетень Auf Mitteilungsblatt verzichten

Daten werden verarbeitet

Die Operation wurde erfolgreich durchgeführt.

Ein unerwarteter Fehler ist aufgetreten. Bitte versuche noch einmal.

Логин

Пароль

Логин и пароль заранее.