Что такое полевой транзистор. Какие бывают виды полевых транзисторов. Как работает полевой транзистор. Для чего используются полевые транзисторы. Каковы преимущества полевых транзисторов перед биполярными.
Принцип работы полевого транзистора
Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток, протекающий через канал между электродами истока и стока, управляется электрическим полем, создаваемым напряжением на затворе. Основное отличие от биполярных транзисторов заключается в том, что управление током осуществляется не током, а напряжением.
Ключевые особенности работы полевого транзистора:
- Ток протекает через полупроводниковый канал между истоком и стоком
- Проводимость канала регулируется электрическим полем, создаваемым затвором
- Затвор электрически изолирован от канала
- Ток управляется напряжением на затворе, а не током через затвор
- Входное сопротивление очень высокое (до 1015 Ом)
Основные виды полевых транзисторов
- Транзисторы с управляющим p-n переходом (JFET)
- Транзисторы с изолированным затвором (IGFET или MOSFET)
Транзисторы JFET имеют более простую структуру, но меньшую гибкость в управлении. MOSFETs обладают лучшими характеристиками и получили более широкое распространение в современной электронике.
Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом
Структура JFET транзистора включает:
- Полупроводниковый канал n- или p-типа между истоком и стоком
- Области затвора с противоположным типом проводимости по бокам канала
- p-n переход между затвором и каналом
При подаче обратного напряжения на затвор область p-n перехода расширяется, сужая канал и уменьшая его проводимость. Так осуществляется управление током через транзистор.
Принцип работы МОП-транзистора
МОП-транзистор (MOSFET) имеет следующую структуру:
- Подложка из полупроводника p- или n-типа
- Области истока и стока с противоположным типом проводимости
- Тонкий слой диэлектрика (оксида) над областью канала
- Металлический затвор поверх диэлектрика
Работа МОП-транзистора основана на эффекте поля — при подаче напряжения на затвор под действием электрического поля в приповерхностном слое полупроводника образуется проводящий канал между истоком и стоком. Изменение напряжения на затворе позволяет управлять проводимостью канала.
Основные характеристики полевых транзисторов
Ключевыми параметрами полевых транзисторов являются:
- Крутизна характеристики — отношение изменения тока стока к изменению напряжения затвор-исток
- Входная емкость — емкость между затвором и остальными электродами
- Выходная проводимость — отношение изменения тока стока к изменению напряжения сток-исток
- Пороговое напряжение — минимальное напряжение затвор-исток, при котором возникает проводящий канал
Применение полевых транзисторов
Полевые транзисторы широко используются в различных областях электроники благодаря своим уникальным свойствам:
- В аналоговых усилителях с высоким входным сопротивлением
- В ключевых схемах и логических элементах цифровых устройств
- В преобразователях напряжения и стабилизаторах
- В силовой электронике для управления большими токами
- В схемах защиты от перенапряжений
Преимущества полевых транзисторов
Основные достоинства полевых транзисторов по сравнению с биполярными:
- Очень высокое входное сопротивление
- Малая входная емкость
- Высокая плотность размещения в интегральных схемах
- Низкое энергопотребление в статическом режиме
- Высокое быстродействие
- Хорошая температурная стабильность
Эти преимущества обусловили широкое применение полевых транзисторов, особенно МОП-структур, в современной микроэлектронике.
Схемы включения полевых транзисторов
Существует три основные схемы включения полевых транзисторов:
- С общим истоком — аналог схемы с общим эмиттером для биполярных транзисторов
- С общим стоком — аналог эмиттерного повторителя
- С общим затвором — аналог схемы с общей базой
Наиболее распространенной является схема с общим истоком, обеспечивающая усиление как по напряжению, так и по току. Схема с общим стоком используется в качестве повторителя напряжения с высоким входным сопротивлением.
Особенности применения полевых транзисторов
При использовании полевых транзисторов следует учитывать некоторые их особенности:
- Чувствительность к статическому электричеству, особенно для МОП-структур
- Необходимость защиты затвора от перенапряжений
- Наличие паразитных емкостей, влияющих на быстродействие
- Зависимость параметров от температуры
- Возможность возникновения самовозбуждения в высокочастотных схемах
Правильный учет этих факторов позволяет максимально эффективно использовать преимущества полевых транзисторов в электронных устройствах.
|
Содержание Введение I Классификация микропроцессоров Классификация микропроцессоров II Архитектура микропроцессоров Основные характеристики Структура типового микропроцессора Логическая структура Устроиство управления Особенности программного и микропрограммного управления операциями Система командРежимы адресации Типы архитектуры III Организация ввода/вывода в микропроцессорной системе Организация ввода/вывода в МПС Программная модель внешнего устройства Форматы передачи данных Параллельная передача данных Последовательная передача данных Синхронный последовательный интерфейс Асинхронный последовательный интерфейс Способы обмена информацией Программно-управляемый ввод/вывод Организация прерываний в микроЭВМ Организация прямого доступа к памяти IV Память микропроцессорной системы Память микропроцессорной системы Основные характеристики полупроводниковой памяти Постоянные запоминающие устройства Полевой транзистор с плавающим затвором Оперативные запоминающие устройства Статические запоминающие устройства Динамические запоминающие устройства Запоминающие устройства с произвольной выборкой Микросхемы памяти в составе микропроцессорной системы Буферная память Стековая память V Проектирование микропроцессорных систем Проектирование МПС Уровни представления микропроцессорной системы Ошибки, неисправности, дефекты Отладка Обнаружение ошибки и диагностика неисправности Функции средств отладки Этапы проектирования микропроцессорных систем Источники ошибок Проверка правильности проекта Автономная отладка микропроцессорных систем Отладка программ Комплексная отладка микропроцессорных систем Заключение Лабораторный практикум Список литературы Список вопросов |
Постоянные запоминающие устройстваПрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и рассматриваемые здесь многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Полевой транзистор с плавающим затворомКонструкция и обозначение полевого транзистора с плавающим затвором представлены на рис. 4.1. Рис. 4.1. МОП транзистор с плавающим затвором Это р-канальный нормально закрытый МОП прибор. Здесь же показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора в состоянии логических единицы и нуля (до и после записи информационного заряда). Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал «плавает». Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор:
— или над барьером «горячих» носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки. 
Положительное смещение на верхнем затворе (относительно полупроводниковой подложки) вызовет накопление электронов в плавающем затворе при условии, что утечка электронов через верхний диэлектрический слой мала. Величина заряда Q, накопленного за время t, а значит, и пороговое напряжение, определяется как где J(t) — величина инжекционного тока в момент времени t. Рис. 4.2. . Инжекция горячих электронов в диэлектрик МДП-транзистора и другие процессы, проходящие при лавинном пробое подложки Лавинный пробой подложки вблизи стока может приводить к неод-нородной деградации транзистора и, как следствие, к ограничению по числу переключений элемента памяти.
МДП-транзистор с плавающим затвором может быть использован в качестве элемента памяти с временем хранения, равным времени диэлектрической релаксации структуры, которое может быть очень велико и, в основном, определяется низкими токами утечки через барьер Si-SiO2 (Фe=3. МНОП транзисторНа рис. 4.3 приведена конструкция МНОП транзистора (металл-нитрид кремния-оксид кремния-полупроводник). Эффект памяти основан на изменении порогового напряжения транзистора при наличии захваченного в подзатворном диэлектрике положительного или отрицательного заряда, который хранится на глубоких (1.3-1.5 эВ) ловушках, в нитриде кремния вблизи границы SiO2-Si3N4. Рис. 4.3. Конструкция МНОП транзистора: 1 — металлический затвор; 2,3 — области истока и стока соответственно; 4 — подложка. Запись информационного заряда происходит так же, как и в МОП транзисторе с плавающим затвором. Высокая эффективность захвата электронов (или дырок) связана с большим сечением захвата на ловушки (порядка 10-13 кв. Рис. 4.4. Операция записи в МНОП-структуре (зонная диаграмма). Ток в окисле Jox — туннельный ток инжекции, ток JN — ток сквозной проводимости в нитриде. В случае прямого туннелирования электронов в зону проводимости SiO2 сквозь треугольный барьер плотность тока определяется уравнением Фаулера-Нордгейма , где A — константы, Е — напряженность электрического поля. По мере накопления заряда поле на контакте уменьшается, что приводит к уменьшению скорости записи. Эффективность записи зависит также и от тока сквозной проводимости в нитриде. Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться:
<<< Содержание >>> |
2 эВ). Fe — высота потенциального барьера.
Такой элемент памяти обеспечивает возможность непрерывного считывания без разрушения информации, причем запись и считывание могут быть выполнены в очень короткое время.
см.) и большой их концентрации (порядка 1019 куб.см.).
Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов «запись-стирание» обычно не менее 105.
Полевые транзисторы
Полевые транзисторыНазад | Содержание | Вперед |
3.10. Полевые транзисторы
Полевые транзисторы,
называемые также униполярными или канальными, в отличие от биполярных имеют
большое входное сопротивление.
Полевые транзисторы подразделяются на полевые
транзисторы с управляющим p-n
переходом и с изолированным затвором. Полевые транзисторы с изолированным
затвором в свою очередь подразделяются на транзисторы со встроенным каналом
и транзисторы с индуцированным каналом. Канал в полевых транзисторах может
быть n или p типа.
Канал — это область полевого транзистора, через которую протекают основные
носители заряда. Величина тока в канале управляется электрическим полем.
Транзисторы, как правило, имеют три вывода. Вывод, от которого в канал
приходят основные носители заряда, называется истоком. Вывод, к которому
носители заряда приходят из канала, называется стоком. Вывод, на который
подается управляющее напряжение относительно истока или стока, называется
затвором. Название транзисторы получили вследствие особенностей работы.
Полевыми транзисторы называют потому, что управление током в выходной цепи
транзистора осуществляется электрическим полем во входной цепи.
Канальными
транзисторы называют потому, что ток в выходной цепи транзистора протекает
через его канал. Униполярными транзисторы называют потому, что в работе
транзистора принимают носители одной полярности. Условные обозначения
полевых транзисторов приведены в начале этой главы. В условных обозначениях
полевых транзисторов на принципиальных схемах стрелка направлена к каналу
n-типа, или от канала p-типа.
Индуцированный (наведенный электрическим полем) канал, обозначается
пунктиром.
Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим
p-n переходом с каналом
n-типа (рис. 3.40а). Знаком плюс показана
повышенная концентрация носителей заряда. Области истока и стока делаются с
повышенной проводимостью для того, чтобы уменьшить бесполезное падение
напряжения на них. Повышенной проводимостью обладает и область затвора с
целью увеличения запирающего слоя в сторону канала при увеличении
управляющего напряжения. В таких транзисторах управляющее напряжение
прикладывается к p-n
переходу затвор-исток в обратном направлении.
Если увеличивать напряжение между затвором и истоком в указанной полярности, то запирающий слой p-n перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Сопротивление канала постоянному току увеличивается и ток стока становится меньше. Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток называется стокозатворной характеристикой полевого транзистора. Стоковая характеристика полевого транзистора для схемы включения транзистора с общим истоком – это зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток.
Проставим полярность
подключения источников напряжения во входной и выходной цепях полевого
транзистора с управляющим p-n
переходом с каналом n типа для схемы включения
транзистора с общим истоком (рис. 3.41). Мы знаем определения выводов
транзистора и то, что p-n
переход затвор-исток смещается в обратном направлении.
Следовательно,
основные носители заряда электроны должны двигаться в соответствии с
определением выводов транзистора от истока к стоку, т.е. снизу вверх. Чтобы
электроны двигались в таком направлении
необходимо в выходной цепи транзистора плюс источника питания подключить к
стоку, минус к истоку. Для смещения
p-n
перехода затвор-исток в обратном направлении необходимо к затвору подключить
минус источника, а к истоку плюс. Стокозатворная характеристика полевого
транзистора с управляющим p-n
переходом с каналом
n-типа
для схемы включения транзистора с общим истоком приведена на рисунке 3.42а, а стоковые характеристики на рисунке 3.42б.
На рисунке 3.40 б схематично
показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором со
встроенным каналом
n-типа. На затвор относительно
истока такого транзистора можно подавать управляющее напряжение обеих
полярностей. Семейство стоковых характеристик данного транзистора приведено
на рисунке 3.
43 б, а на рисунке 3.43 а – одна из его
стокозатворных характеристик. При подаче на затвор относительно истока
положительного напряжения в канал
будут приходить электроны из областей стока, истока и кристалла
p-типа и ток в цепи сток-исток будет
увеличиваться. Такой режим работы называют режимом обогащения носителей
заряда в канале. При подаче на затвор относительно истока отрицательного
напряжения канал транзистора обедняется основными носителями заряда и ток
стока уменьшается. Этот режим работы транзистора называется режимом
обеднения.
Транзисторы характеризуют рядом
параметров. Начальный ток стока — это ток стока при напряжении между
затвором и истоком равном нулю и напряжении сток исток равном или
превышающем напряжение насыщения. Напряжением насыщения называют
напряжение сток-исток, начиная с которого ток стока практически не
увеличивается при увеличении напряжения сток-исток при заданном напряжении
затвор-исток.
Ток утечки затвора — это ток затвора между затвором и
остальными выводами транзистора, замкнутыми между собой. Обратный ток
перехода затвор-исток при разомкнутом выводе стока — это ток в цепи
затвор-исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и
разомкнутом выводе стока. Напряжение отсечки полевого транзистора —
это напряжение затвор-исток для транзисторов с управляющим
p-n
переходом и транзисторов с изолированным затвором со встроенным каналом, при
котором ток стока достигает заданного значения, обычно 10 мкА.
Пороговое напряжение полевого
транзистора — это напряжение
затвор-исток для транзисторов с изолированным затвором с индуцированным
каналом (рис. 3.40в), при котором ток стока достигает заданного
значения (рис. 3.44), обычно 10мкА. При отсутствии напряжения между
затвором и истоком ток в цепи сток-исток не протекает, т.к. один из
p-n
переходов оказывается включенным в обратном направлении.
При определенном
напряжении затвор-исток в области, прилежащей к затвору, наступает инверсия
проводимости и в цепи сток-исток появляется ток.
К предельным параметрам полевых транзисторов относятся: максимальный ток стока; максимально допустимые напряжения между выводами сток-исток, затвор-исток, затвор-сток; максимально допустимая мощность рассеяния; максимальная и минимальная температура окружающей среды.
Назад | Содержание | Вперед |
Полевой транзистор с изолированным затвором
Полевой транзистор с изолированным затворомДалее: Схемы силовых МОП-транзисторов Up: Транзисторные схемы Предыдущий: JFET Усилитель с общим стоком
Полевой транзистор с изолированным затвором, также известный как полупроводник на основе оксида металла.
полевой транзистор (MOSFET) похож на JFET, но демонстрирует
еще больший резистивный входной импеданс из-за тонкого слоя
диоксид кремния, который используется для изоляции затвора от
полупроводниковый канал.
Этот изолирующий слой образует емкостную связь между затвором и
корпус транзистора.
Последующее отсутствие внутреннего соединения постоянного тока с затвором делает
устройство более универсальное, чем JFET, но это также означает, что
изоляционный материал конденсатора может быть легко поврежден
внутренний разряд статического заряда, возникающий при нормальном обращении.
МОП-транзистор широко используется в крупных цифровых интегральных схемах. где его высокое входное сопротивление может привести к очень низкому энергопотреблению на компонент. Многие из этих схем имеют биполярные транзисторные соединения с внешние клеммы, тем самым делая устройства менее восприимчивыми к наносить ущерб.
МОП-транзистор бывает четырех основных типов: N-канальный, P-канальный, с истощением.
и улучшение.
Конфигурация N-канального полевого МОП-транзистора с истощением показана на рис.
рисунок 5.19а.
Его работа аналогична рассмотренному ранее N-канальному JFET:
отрицательное напряжение, приложенное к затвору, создает область с обедненным зарядом
в материале N-типа рядом с воротами, тем самым уменьшая площадь
канал проводимости между стоком и истоком.
Однако механизм образования обедненной области неизвестен.
отличается от JFET.
Поскольку затвор сделан отрицательным по отношению к источнику, более положительный
носители из материала P-типа втягиваются в N-канал, где
они объединяются со свободными отрицательными зарядами и устраняют их.
Это действие увеличивает область истощения по направлению к воротам, уменьшая
площадь N-канала и, тем самым, снижение проводимости
между стоком и истоком.
Для отрицательных приложенных напряжений затвор-исток наблюдаемый эффект
очень похож на JFET, а также примерно такого же размера.
Рисунок 5.19: а) Тип истощения или истощения-усиления
МОП-транзистор и б) МОП-транзистор усовершенствованного типа.
Однако, поскольку затвор MOSFET изолирован от канала, положительный напряжения затвор-исток также могут быть применены без потери полевого транзистора. эффект. В зависимости от деталей конструкции применение положительного напряжение затвор-исток полевого МОП-транзистора с истощением может отталкивать меньшинство положительные носители в обедненной части N-канала обратно в материал P-типа, как обсуждается ниже, тем самым увеличивая канал и уменьшая сопротивление. Если устройство демонстрирует такое поведение, оно известно как МОП-транзистор с обогащением-истощением.
Строго улучшенный полевой МОП-транзистор получается из конфигурации, показанной на рис.
рисунок 5.19б.
Ниже некоторого порога положительного напряжения затвор-исток
канал материала N-типа между стоком и истоком полностью
блокируется обедненной областью, генерируемой PN-переходом.
Поскольку напряжение затвор-исток становится более положительным, меньшинство
положительные носители отталкиваются обратно в материал P-типа, оставляя
свободные отрицательные заряды позади.
Эффект заключается в сокращении области истощения и увеличении
проводимость между стоком и истоком.
Далее: Схемы силовых МОП-транзисторов Up: Транзисторные схемы Предыдущий: JFET Усилитель с общим стоком Дуг Гингрич
Вт, 13 июля, 16:55:15 по восточному поясному времени 1999 Полевые транзисторы
Входной переход с обратным смещением имеет очень высокий входной импеданс. Наличие высокого входного импеданса сводит к минимуму помехи или «нагрузку» источника сигнала при выполнении измерения.
Это уменьшает протекание тока при заданном значении напряжения исток-сток. Модуляция напряжения затвора модулирует ток, протекающий через устройство.
