Принцип работы полевого транзистора с индуцированным каналом. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Основные схемы включения полевых транзисторов

Полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами. Особенностью их является то, что ток выхода управляется электрическим полем и напряжением одной полярности. Регулирующий сигнал поступает на затвор и осуществляет регулировку проводимости перехода транзистора. Этим они отличаются от биполярных транзисторов, в которых сигнал возможен с разной полярностью. Другим отличительным свойством полевого транзистора является образование электрического тока основными носителями одной полярности.

На следующем изображении мы видим реальный транзистор, а справа - символ, используемый в. электронные схемы. Стоит отметить, что они всегда имеют 3 контакта и называются эмиттером, базой и коллекционером. Очень важно знать, как идентифицировать все 3 контакта при подключении. В случае фигуры 1 будет излучателем, 2 - сборником, а 3 - базой.

Транзистор - это компонент, который в основном имеет две функции. Мы поговорим о воде, чтобы понять, как это работает. Чтобы понять эти 3 состояния, мы сделаем это с помощью гидравлического сравнения, которое легче понять. Получается небольшой сигнал, который становится большим. Начнем. На рисунке мы видим водопроводный кран в трех разных состояниях. текущий Открывать или закрывать, чтобы вырезать или пропускать ток через цепь. Сначала мы представляем, что транзистор является водопроводным краном, подобным таковому на рисунке.

Разновидности

Существует множество разных видов полевых транзисторов, действующих со своими особенностями. Разберемся, по каким признакам классифицируются полевые транзисторы.

Тип проводимости. От нее зависит полюсность напряжения управления.
Структура: диффузионные, сплавные, МДП, с барьером Шоттки.
Количество электродов: бывают транзисторы с 3-мя или 4-мя электродами. В варианте с 4-мя электродами подложка является отдельной частью, что дает возможность управлять прохождением тока по переходу.
Материал изготовления : наиболее популярными стали приборы на основе германия, кремния. В маркировке транзистора буква означает материал полупроводника. В транзисторах, производимых для военной техники, материал маркируется цифрами.
Тип применения: обозначается в справочниках, на маркировке не указан. На практике известно пять групп применения «полевиков»: в усилителях низкой и высокой частоты, в качестве электронных ключей, модуляторов, усилителей постоянного тока.
Интервал рабочих параметров: набор данных, при которых полевики могут работать.
Особенности устройства: унитроны, гридисторы, алкатроны. Все приборы имеют свои отличительные данные.
Количество элементов конструкции: комплементарные, сдвоенные и т. д.

Но транзистор также может выполнять функции усилителя. текущий. Как вы можете видеть на следующем рисунке. В транзисторе, когда ток не достигает базы. Как можно было заметить на предыдущем рисунке. Клапан находится в состоянии покоя и ничего не делает. Он работает как открытый переключатель между эмиттером и коллектором. Теперь работа транзистора такая же. клапан открывается в зависимости от давления, которое приходит. Ток в канале контролируется напряжением в третьем терминале под названием «Врат».

Ну. называемых запретными зонами. Внутренняя структура. транзистор будет вырезать и действовать как открытый переключатель. График или уравнение, связывающее эти две переменные, называется выходным уравнением. и т.д. таких как: аналоговые коммутаторы.

Кроме основной классификации «полевиков», имеется специальная классификация, имеющая принцип действия:

Полевые транзисторы с р-n переходом, который осуществляет управление.
Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
«Полевики» с изолированным затвором, которые делятся:
— с индукционным переходом;
— со встроенным переходом.

На рисунке 14 показан источник стока и подложка. Как правило. что делает их строительным кирпичом современных цифровых интегральных схем. 15. Контроль этого тока осуществляется за счет изменения площади пространственного заряда, которая появляется в канале под дверью. Эта область опорожнения увеличивается с увеличением приложенного напряжения между дверью и источником.

Между источником и сливом ток будет циркулировать через приложенное напряжение между этими терминалами. Единственное различие заключается в том, что он может работать как с положительным, так и с отрицательным напряжением затвора. В этом случае канал уже создан. Вы можете найти устройства с 4 терминалами или всего 3 терминала. Но полярности напряжения и направления тока меняются на противоположные.

В научной литературе предлагается вспомогательная классификация. В ней говорится, что полупроводник на основе барьера Шоттки необходимо выделить в отдельный класс, так как это отдельная структура. В один и тот же транзистор может входить сразу оксид и диэлектрик, как в транзисторе КП 305. Такие методы применяют для образования новых свойств полупроводника, либо для снижения их стоимости.

Страница, связанная с этой темой

Характеристики дренажа будут следующими: Рис. В микроволновой области. они построены почти полностью с арсенидом галлия. Теория схем и электронных устройств. Транзистор - Активный компонент - Электронный компонент - Силовая электроника. Символы чаще всего имеют три предела, которые являются утечкой, источником и сеткой. Однако технология, необходимая для ее создания, была недоступна до.

Основной принцип основан на полевом эффекте, применяемом для наложения слоя металла, оксидного слоя и полупроводникового слоя, обычно в микроэлектронике слой металла представляет собой чаще всего заменяется поликристаллическим кремнием. Когда разность потенциалов между затвором и подложкой равна нулю, ничего не происходит, поэтому эта зона инверсии является областью, где тип носителей заряда отличается от типа остального субстрата, создавая таким образом «канал» проводимости.

На схемах полевики имеют обозначения выводов: G – затвор, D – сток, S – исток. Подложку транзистора называют «substrate».

Конструктивные особенности

Электрод управления полевым транзистором в электронике получил название затвора. Его переход выполняют из полупроводника с любым видом проводимости. Полярность напряжения управления может быть с любым знаком. Электрическое поле определенной полярности выделяет свободные электроны до того момента, пока на переходе не закончатся свободные электроны. Это достигается воздействием электрического поля на полупроводник, после чего величина тока приближается к нулю. В этом заключается действие полевого транзистора.

В общем, мы соединяем источник с массой, но и с субстратом. Дренаж берется до потенциала выше, чем у источника и подложки, создавая таким образом электростатическое поле между источником, подложкой и сливом. В покое возможны два случая. В обоих случаях ток исток-исток модулируется напряжением затвора. В типе усиления необходимо применить положительное напряжение к затвору для обеспечения инверсии емкости затвора-подложки: транзистор ведет от определенного порога. В типе истощения транзистор является проводящим, когда затвор к земле, поэтому его необходимо довести до отрицательного напряжения, чтобы остановить проводимость.

Электрический ток проходит от истока к стоку. Разберем отличия этих двух выводов транзистора. Направление движения электронов не имеет значения. Полевики обладают свойством обратимости. В радиотехнике полевые транзисторы нашли свою популярность, так как они не образуют шумов по причине униполярности носителей заряда.

Главной особенностью полевых транзисторов является значительная величина сопротивления входа. Это особенно заметно по переменному току. Эта ситуация получается по причине управления по обратному переходу Шоттки с определенным смещением, или по емкости конденсатора возле затвора.

Когда приводы транзисторов, увеличение смещения между сливом и источником увеличивает ток. Из напряжения стока, превышающего напряжение затвора минус пороговое напряжение, электростатическое поле между подложкой и затвором изменяется локально вблизи дренажа. Электронный канал исчезает, ток насыщается, и любое увеличение напряжения стока за пределами напряжения насыщения приводит к еще более быстрому исчезновению электронного канала, а также к небольшому увеличению или без увеличения. от тока.

При постоянном напряжении исток-исток ток насыщения колеблется как квадрат напряжения сетки-подложки. В противном случае говорят, что он проходит, он проводит ток между дренажем и источником. Тем не менее, у них очень разные характеристики. Устройство представляет собой устройство с контролируемым током, в котором выход коллектора или излучателя является функцией тока в базе.

Материалом подложки выступает нелегированный полупроводник. Для «полевиков» с переходом Шоттки вместо подложки закладывают арсенид галлия, который в чистом виде является хорошим изолятором.

К нему предъявляются требования:

На практике оказывается трудным создание структурного слоя со сложным составом, отвечающим необходимым условиям. Поэтому дополнительным требованием является возможность медленного наращивания подложки до необходимых размеров.

Однако есть поле, создаваемое напряжением на воротах. Это позволяет ток между источником и сливом. Этот ток может быть разрезан или открыт напряжением затвора. В этом транзисторе напряжение на электроде затвора, изолированном от оксида, может генерировать канал проводимости между источником и утечкой других контактов.

Микроэлектронные технологии со временем выделялись для процесса миниатюризации физических размеров элементарных устройств, что позволило значительно повысить его производительность и обеспечить экспоненциальное увеличение масштаба интеграции схем при одинаковых издержках производства, что они поддерживаются пропорционально расширению совершенной поверхности кремния.

Полевые транзисторы с р- n переходом

В такой конструкции тип проводимости затвора имеет отличия от проводимости перехода. Практически применяются различные доработки. Затвор может быть изготовлен из нескольких областей. В итоге наименьшим напряжением можно осуществлять управление прохождением тока, что повышает коэффициент усиления.

Электронные схемы можно разделить на два больших функционально различных класса: аналоговых и цифровых схем. Первые характеризуются фактом генерации, обработки и передачи переменных сигналов непрерывно со временем. Из-за характера схем и устройств, которые их составляют, эти сигналы обычно представлены напряжениями или электрическими токами. Цифровые схемы, наоборот, подходят для представления сигналов, восприимчивых к принятию дискретного числа логических состояний, которые в большинстве случаев являются просто такими же, как и два, к которым обычно привязаны значения 0 и 1.

В разных схемах применяется обратный вид перехода со смещением. Чем больше смещение, тем меньше ширина перехода для прохождения тока. При определенной величине напряжения транзистор закрывается. Применение прямого смещения не рекомендуется, так как мощная цепь управления может оказать влияние на затвор. Во время открытого перехода проходит значительный ток, или повышенное напряжение. Работа в нормальном режиме создается путем правильного выбора полюсов и других свойств источника питания, а также подбором точки работы транзистора.

Аналоговые схемы можно классифицировать как линейные или нелинейные. Первые выполняют линейные функции, такие как усиление, интеграция и фильтрация, последние выполняют функции, которые включают нелинейные операции, такие как генерация колебаний, амплитудная модуляция и преобразование частоты.

Цифровые схемы могут быть комбинаторными или последовательными. Соединительные схемы характеризуются тем, что выходной сигнал зависит исключительно от значения входов в рассматриваемом времени, а также от характера схемы. С другой стороны, состояние последовательной цепи зависит не только от значения входов в настоящее время, но и от последовательности значений, принимаемых входами в прошлом. Поэтому последовательная схема оснащена памятью. Примерами последовательных схем являются, по сути, воспоминания, регистры и машины конечного состояния, обеспечивающие визуальное представление классификации схем.

Во многих случаях специально применяют непосредственные токи затвора. Такой режим могут применять и транзисторы, у которых подложка образует переход вида р-n. Заряд от истока разделяется на сток и затвор. Существует область с большим коэффициентом усиления тока. Этот режим управляется затвором. Однако, при возрастании тока эти параметры резко падают.

Мотивация использования цифровых электронных схем, даже если информационное содержание аналогового сигнала намного выше, связано с тем, что шум и искажение неизбежно вводятся в процессе обработки аналоговых сигналов. И наоборот, цифровой сигнал, даже если он ухудшен, должен быть просто признан как 0 или 1 и, при необходимости, восстановлен на его низком или высоком уровне. Кроме того, используя достаточно большое количество бит, можно представить значение физической величины с большой точностью по желанию.

На технологию внедрения влияют производительность и стоимость. Для цифровых приложений доминирующей технологией является то, что в ней используются кремниевые оксидно-оксидно-полупроводниковые полевые транзисторы из кремния. Общая производительность операционного усилителя зависит от характеристик каждой из его частей. Каждый из них оптимизирован, что позволяет, наконец, получить систему в одном чипе, способном удовлетворить все возрастающие потребности разработчиков аналоговых схем. Для них требуются маломощные операционные усилители с ограниченным отключенным входом и выходом, низким уровнем шума в широких частотных диапазонах, низким напряжением питания, сильным отказом от возможных изменений напряжения питания, токами входного смещения все больше и больше небольшой, высокий коэффициент открытой цепи, высокая скорость изменения, высокий выходной ток и т.д. усилители с усиленным усилителем, усиливающие непрерывные или чередующиеся сигналы, первоначально были задуманы для выполнения линейных операций, таких как сумма, вычитание, деривация и интеграция, а также для решения дифференциальных уравнений.

Подобное подключение применяется в схеме частотного затворного детектора. Он применяет свойства выпрямления перехода канала и затвора. В таком случае прямое смещение равно нулю. Транзистор также управляется затворным током. В цепи стока образуется большое усиление сигнала. Напряжение для затвора изменяется по закону входа и является запирающим для затвора.

Они используются в области предварительного усиления малых сигналов даже при наличии нежелательных напряжений: в этом случае операционные усилители называются для приборов и характеризуются исключительной производительностью. Для получения ОУ с конкретными характеристиками требуются все более точные технологические процессы, очень точные сегменты процесса и материалы лучшего качества, то есть кремниевые срезы с минимальным количеством дефектов и методов окисления, ионная имплантация, осаждение материалов и травления большой воспроизводимости.

Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:

Постоянная величина. Не применяется.
Сигнал несущей частоты. Отводится на заземление с применением фильтров.
Сигнал с модулирующей частотой. Подвергается обработке для получения из него информации.

В качестве недостатка затворного детектора целесообразно выделить значительный коэффициент искажений. Результаты для него отрицательные для сильных и слабых сигналов. Немного лучший итог показывает фазовый детектор, выполненный на транзисторе с двумя затворами. Опорный сигнал подается на один их электродов управления, а информационный сигнал, усиленный «полевиком», появляется на стоке.

Однако инновационные схемы и интеллектуальные устройства одинаково важны, что может дать конечный компонент желаемым характеристикам. ОУ-усилитель можно рассматривать как сложную электронную схему, образованную следующими основными блоками: входной дифференциальный усилитель, способный усиливать разностные сигналы и максимально ослаблять сигналы синфазного сигнала, ряд промежуточных усилителей, интегратор и выходной каскад, возможно, с низким импедансом. Например, для космических приложений, где ошибки должны быть сведены к минимуму, выбор компонентов играет решающую роль, а операционный усилитель выбирается и даже термически обрабатывается.

Несмотря на значительные искажения, этот эффект имеет свое назначение. В избирательных усилителях, которые пропускают определенную дозу некоторого спектра частот. Гармонические колебания фильтруются и не влияют на качество действия схемы.

Транзисторы МеП, что означает – металл-полупроводник, с переходом Шоттки практически не отличаются от транзисторов с р-n переходом. Так как переход МеП имеет особые свойства, эти транзисторы могут функционировать на повышенной частоте. А также, структура МеП простая в изготовлении. Характеристики по частоте зависят от времени заряда затворного элемента.

В последние годы существующие генераторы, устойчивые к колебаниям температуры, ввели множество функциональных схем: аналого-цифровые преобразователи, интерфейсы для измерения свойств датчиков, используемых для обнаружения физических, химических и биологических величин, генераторы линейные и нелинейные сигналы времени для приложений в области оптических измерений и т.д. Современные зеркала имеют важную характеристику обеспечения тока, который не зависит от температуры. Они не идеальные генераторы тока в том смысле, что они не имеют очень высоких выходных сопротивлений, но для значений сопротивлений нагрузки, которые не слишком велики, они имеют единственную характеристику для генерации этих токов, которые не чувствительны к температуре в стандартных рабочих интервалах.

МДП-транзисторы

База элементов полупроводников постоянно расширяется. Каждая новая разработка изменяет электронные системы. На их базе появляются новые приборы и устройства. МДП-транзистор действует путем изменения проводимости полупроводникового слоя с помощью электрического поля. От этого и появилось название – полевой.

Обозначение МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-полупроводник. Это дает характеристику состава прибора. Затвор изолирован от истока и стока тонким диэлектриком. МДП транзистор современного вида имеет размер затвора 0,6 мкм, через который может протекать только электромагнитное поле. Оно оказывает влияние на состояние полупроводника.

При возникновении нужного потенциала на затворе возникает электромагнитное поле, которое оказывает влияние на сопротивление участка стока-истока.

Достоинствами такого применения прибора является:

Повышенное сопротивление входа прибора. Это свойство актуально для применения в цепях со слабым током.
Небольшая емкость участка сток-исток дает возможность применять МДП-транзистор в устройствах высокой частоты. При передаче сигнала искажений не наблюдается.
Прогресс в новых технологиях производства полупроводников привел к разработке транзисторов IGBT, которые включают в себя положительные моменты биполярных и полевых приборов. Силовые модули на их основе широко применяются в приборах плавного запуска и преобразователях частоты.

При разработке таких элементов нужно учесть, что МДП-транзисторы имеют большую чувствительность к повышенному напряжению и статическому электричеству. Транзистор может сгореть при касании к его выводам управления. Следовательно, при их установке необходимо применять специальное заземление.

Такие транзисторы обладают многими уникальными свойствами (например, управление электрическим полем), поэтому они популярны в составе электронной аппаратуры. Также следует отметить, что технологии изготовления транзисторов постоянно обновляется.

Полевой транзистор с управляющим электронно-дырочным переходом имеет 2 невыпрямляющих контакта к области полупроводника, через которую проходит ток и один (либо два) управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в обратном направлении .

Изменением обратного напряжения на переходе управляют шириной перехода, тем самым изменяется толщина слоя полупроводника, по которому протекает ток.

Область полупроводника, по которой протекает ток основных носителей, называется каналом .

Электрод, из которого основные носители входят в канал, называется истоком .

Электрод, через который основные носители уходят из канала, называется стоком .

Электрод, служащий для управления толщиной канала, называется затвором.

Различают два типа полевых транзисторов:

Канал в полевых транзисторах может иметь проводимость -типа и-типа. Однако при использовании канала-типа будут худшие частотные свойства, хуже стабильность параметров и выше уровень шумов по сравнению с каналом-типа.

Устройство и графическое изображение различных полевых транзисторов на основе кристалла полупроводника -типа приведено на рисунках.

Транзистор с управляющим переходом	МДП транзистор с индуцированным каналом	МДП транзистор со встроенным каналом

Ток в полевых транзисторах обусловлен движением в канале только основных носителей заряда (это дрейф основных носителей заряда под действием электрического поля). Управляющее поле создается обратным напряжением на управляющем

переходе или на затворе в МДП транзисторах. Токи в цепи управления (в затворе) имеют малую величину, и, следовательно, входное дифференциальное сопротивление цепи управления велико.

С точки зрения проводимости и входных токов и сопротивления, полевые транзисторы близки к электронным лампам. Поэтому, как и в лампах, усилительные свойства полевых транзисторов принято характеризовать крутизной характеристики, определяющей зависимость выходного тока (тока стока) от напряжения, приложенного ко входной цепи (цепи затвора).

Принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом.

Графическое изображение транзистора и его включение по схеме с общим истоком приведено на рисунке.

Из рисунка видно, что электрическое сопротивление канала между истоком и стоком зависит от толщины канала. Толщина канала может уменьшаться за счет изменения ширины

перехода. Ширина

перехода зависит от приложенного к нему обратного напряжения, то есть изменяется при изменении отрицательного напряжения затвор-исток

.

Следовательно, изменяя напряжение затвор-исток, можно управлять электрическим сопротивлением канала.

При подаче положительного напряжения между стоком и истоком

под действием электрического поля возникает дрейф основных носителей зарядов в канале-типа от стока к истоку.

В результате приложения положительного напряжения между стоком и истоком изменяется электрическое поле в теле полупроводника, что приводит к изменению конфигурации

перехода –будет наблюдаться вытягивание запирающего слоя по направлению к стоку.

Объясняется данный процесс следующим образом. Если не учитывать сопротивление канала, можно считать, что потенциал у стока соответствует напряжению

. Тогда для

перехода потенциал на переходе у стока будет определяться величиной

и тем самым увеличивается потенциальный барьер на переходе и его ширина. В тоже самое время потенциал у истока остается неизменным и определяется напряжением

.

Приложение положительного напряжения

вызывает не только протекание тока стокапо каналу, но и изменение конфигурации самого канала. Значение тока стока определяется сопротивлением канала.

Ток затвора обусловлен движением неосновных носителей зарядов через обратно смещенный электронно-дырочный переход. Ввиду незначительной концентрации неосновных носителей заряда ток затворамал.

Током стока можно управлять напряжением затвор-исток

. При некотором значении напряжения

ширина перехода может возрасти до такой величины, что весь канал будет перекрыт. При этом ток стока будет равен нулю и транзистор запирается.

Напряжение

, при котором транзистор запирается, называется напряжением отсечки

.

Как отмечалось выше, увеличение ширины электронно-дырочного перехода также происходит и при возрастании напряжения сток-исток

. Можно предположить, что при этом также возможно полное запирание канала.

Практически полного запирания канала не наблюдается, то есть в цепи стока протекает некоторый ток. Это связано с тем, что возрастание напряжения сток-исток приводит к вытягиванию запирающего слоя в направлении стока и при этом всегда остается некоторая конечная толщина канала.

Выходные вольт-амперные характеристики полевого транзистора определяют зависимость тока стока от напряжения на стоке

при фиксированном напряжении затвора:

Типичное семейство выходных статических характеристик полевого транзистора с управляющим

переходом и-каналом приведено на рис. . На рис. приведены статические характеристики передачи полевого транзистора с управляющим

переходом и-каналом.

Выходные статические характеристики полевого транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом (рис.) имеют два характерных участка:

начальный участок –крутая зависимость тока стока от напряжения сток-исток;

пологий участок –ток стока практически не зависит от напряжения сток- исток.

При фиксированном значении напряжения

проводящий канал имеет определенное сопротивление, зависящее от его длины и поперечного сечения. Поэтому при начальном увеличении напряжения

сопротивление остается практически постоянным и ток на выходе возрастает пропорционально напряжению. Однако по мере роста напряжения

к управляющему электронно-дырочному переходу прикладывается все большее обратное напряжение (в области стока), что приводит к уменьшению площади поперечного сечения канала, и как следствие, его сопротивления.

При некотором значении напряжения сток-исток, получившим название напряжения насыщения

-происходит полное перекрытие канала и в дальнейшем не наблюдается роста стока при увеличении напряжения

.

Очевидно, что наибольшее значение тока стока будет при нулевом напряжении затвор-исток. Чем больше абсолютное значение напряжения затвор-исток тем меньше начальное поперечное сечение канала, и, следовательно, выше его сопротивление.

При больших значениях напряжения сток-исток может возникнуть электрический пробой обратно смещенного перехода затвор-исток. Пробой электронно-дырочных переходов кремниевых полевых транзисторов носит лавинный характер.

Статические характеристики передачи (рис.) представляют зависимость тока насыщения стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

Основным рабочим режимом полевых транзисторов с управляющим

переходом являетсярежим насыщения тока стока .

Статические характеристики передачи дают возможность определить один из основных параметров транзистора, характеризующий его усилительные свойства - крутизну характеристики

, представляющую отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе.

Для полевых транзисторов с управляющим

переходом характерно то, что их максимальная проводимость наблюдается при нулевом смещении на затворе. С ростом смещения (по абсолютной величине) проводимость канала уменьшается. Смещение для полевых транзисторов управляющим

переходом имееттолько одну полярность, которая соответствует отсутствию инжекции основных носителей через переход.

Для полевых транзисторов с изолированным затвором характерно наличие диэлектрического слоя между металлическим электродом затвора и материалом полупроводника.

Наличие диэлектрика снимает ограничение на полярность управляющего напряжения - оно может быть как положительным, так и отрицательным.