А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход.
Что нам на это скажут официальные источники?Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.
ru) Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.
Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).
Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).
Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами.
Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.
Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.
Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.
Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).
Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки. Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока. Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.
Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.
е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.
Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.
На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.
Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако).
Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления.
Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.
Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.
С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.
Полевой транзистор с изолированным затвором
Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика.
Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.
А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.
Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.
Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора.
И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е.
концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения. Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:
Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа; в − с выводом от подложки; г − с индуцированным каналом n- типа; д − с индуцированным каналом р- типа; е − с выводом от подложки.
Статические характеристики МДП-транзисторов
Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:
Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:
Экзотические МДП-структуры
Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!
Общие параметры полевых транзисторов
- Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
- Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
- Внутреннее (выходное) сопротивление.
Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
- Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
- Входное сопротивление.
Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
- Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.
Схемы включения
Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком.
По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение. Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.
Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения
Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения.
И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:
- высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
- высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
- поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
- высокая температурная стабильность;
- малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
- малое потребление мощности.
Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.
Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!
Список источников:
ru.wikipedia.org dssp.petrsu.ru zpostbox.narod.ru electrono.ru radio.cybernet.name
Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4435883 http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4436509 http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4441531
Рекомендую почитать:
«Основы на пальцах», автор DI HALT (за наводку спасибо AlexeiKozlov)
Полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом
Полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET) – это однополярные устройства, как и обычные полевые транзисторы (JFET): то есть управляемый ток не должен проходить через PN переход. В транзисторе имеется PN переход, но его единственное назначение – обеспечить непроводящую обедненную область, которая используется для ограничения тока через канал.
Ниже показана структура N-канального полевого транзистора с изолированным затвором со «встроенным» каналом:
N-канальный полевой транзистор с изолированным затвором со «встроенным» каналом
Обратите внимание на то, что вывод стока соединяется с любым концом N-канала, и что вывод затвора прикреплен к металлической пластине, отделенной от канала тонким изолирующим барьером.
Этот барьер иногда выполняется из двуокиси кремния (основного химического соединения, находимого в песке), которая является очень хорошим изолятором.
Из-за конструкции Метал (затвор) – Оксид (барьер) – Полупроводник (канал) полевые транзисторы с изолированным затвором иногда называют МОП транзисторами или MOSFET транзисторами (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Однако существуют и другие типы конструкции полевых транзисторов с изолированным затвором, поэтому аббревиатуры «IGFET» и «МДП» являются лучшим описанием для этого общего класса транзисторов.
Также обратите внимание на то, что у полевого транзистора с изолированным затвором имеется четыре вывода.
На практике вывод подложки непосредственно соединен с истоком, чтобы сделать эти два вывода общими.
Обычно это соединение выполняется внутри МДП транзистора, устраняя отдельное соединение подложки, в результате чего получается трехвыводное устройство с немного отличающимся условным обозначением.
N-канальный полевой транзистор с изолированным затвором со «встроенным» каналом
Поскольку исток и подложка объединены, слои N и P МДП транзистора в конечном итоге напрямую связаны друг с другом через внешний провод. Это соединение предотвращает воздействие любого напряжения на PN переход.
В результате между этими двумя материалами существует обедненная область, но она никогда не может быть расширена или сужена.
Работа полевого транзистора основана на расширении обедненной области PN перехода, но здесь, в МДП транзисторе, этого быть не может, поэтому работа МДП транзистора должна основываться на другом эффекте.
Действительно, поскольку, когда управляющее напряжение подается между затвором и источником, проводимость канала изменяется в результате того, что обедненная область движется ближе или дальше от затвора. Другими словами, эффективная ширина канала изменяется так же, как и в полевом транзисторе, но это изменение ширины канала связано со смещением обедненной области, а не с ее расширением.
В N-канальном полевом транзисторе с изолированным затвором управляющее напряжение, прикладываемое плюсом к затвору и минусом к истоку, имеет эффект отталкивания обедненной области PN перехода, расширяющего канал N-типа и увеличивающего проводимость:
Канал расширяется для получения большей проводимости
Изменение полярности управляющего напряжения имеет противоположный эффект, притягивание обедненной области и сужение канала и, следовательно, уменьшение проводимости канала:
Канал сужается для получения меньшей проводимости
Изолированный затвор допускает использование управляющего напряжения любой полярности без опасности прямого смещения перехода, что было важно для обычных полевых транзисторов.
Этот тип полевого транзистора с изолированным затвором, хотя его называют в англоязычной литературе «depletion-type» (тип с обеднением), фактически имеет возможность либо обеднения своего канала (канал сужается), либо его насыщения (канал расширяется).
Полярность входного напряжения определяет, какое влияние будет оказываться на канал.
Понять то, какая полярность имеет какой эффект, не так сложно, как может показаться. Ключом является рассмотрение типа полупроводникового легирования, используемого в канале (N-канал или P-канал?), а затем связывание этого типа легирования с выводом источника входного напряжения, подключенного к каналу через вывод истока.
Если МДП транзистор является N-канальным, и входное напряжение подключено так, что плюс находится на затворе, а минус – на истоке, канал будет увеличен, поскольку дополнительные электроны накапливаются на канальной стороне диэлектрического барьера.
Подумайте, «минус источника соответствует N-типу, тем самым насыщая канал соответствующим типом носителей заряда (электронами) и делая его более проводящим».
И наоборот, если входное напряжение подключено к N-канальному МДП транзистору другим способом (минус подключен к затвору, а плюс – к истоку), свободные электроны будут «отняты» от канала, так как конденсатор затвор-канал будет заряжаться, что приводит к истощению канала в плане основных носителей заряда и к уменьшению его проводимости.
https://www.youtube.com/watch?v=P0h-4GEtxi8\u0026t=29s
Для P-канальных полевых транзисторов с изолированным затвором полярность входного напряжения и воздействия на канал следуют тому же правилу. То есть, требуется полярность, противоположная той, при которой N-канальный МДП транзистор либо истощается, либо насыщается:
Канал P-типа расширяется для получения большей проводимости
Канал P-типа сужается для получения меньшей проводимости
Покажем соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором:
Соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором
Когда между затвором и истоком прикладывается нулевое напряжение, полевой транзистор с изолированным затвором будет проводить ток между истоком и стоком, но не такой большой, как если бы он был насыщен соответствующим напряжением затвора. Это помещает полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом (англ.
«depletion-type» IGFET или просто D-type IGFET) в свою собственную категорию транзисторов. Биполярные транзисторы являются нормально выключенными устройствами: при отсутствии тока базы они блокируют любой ток через коллектор.
Полевые транзисторы являются нормально включенными устройствами: при прикладывании нулевого напряжения затвор-исток они обеспечивают максимальный ток стока (на самом деле, вы можете выжать из полевого транзистора бо́льшие токи стока, прикладывая небольшое напряжение прямого смещения между затвором и истоком, но на практике так никогда не стоит делать из-за риска повреждения его хрупкого PN перехода). Однако МДП транзисторы со встроенным каналом являются нормально наполовину включенными устройствами: без напряжения затвор-исток их уровень проводимости находится где-то между отсечкой и полным насыщением. Кроме того, они допускают прикладывание напряжений затвор-исток любой полярности, причем PN переход невосприимчив к повреждению из-за изолирующего барьера и, в частности, из-за прямого соединения между истоком и подложкой, предотвращающего любую разность потенциалов на переходе.
По иронии судьбы поведение проводимости МДП транзистора со встроенным каналом поразительно похоже на поведение проводимости электронной лампы из ряда триодов/тетродов/пентодов. Эти устройства были регуляторами тока, управляемыми напряжением, которые также пропускали через себя ток при прикладывании нулевого управляющего напряжения.
Управляющее напряжение одной полярности (минус на сетке, и плюс на катоде) уменьшало бы проводимость через лампу, в то время как напряжение противоположной полярности (плюс на сетке, и минус на катоде) увеличивало бы проводимость.
Интересно, что одна из более поздних конструкций транзистора демонстрирует те же основные свойства, что и самое первое активное (электронное) устройство.
Несколько анализов в SPICE продемонстрируют регулирующее ток поведение МДП транзисторов со встроенным каналом. Во-первых, тест с нулевым входным напряжением (затвор закорочен на исток) и с изменением напряжения питания от 0 до 50 вольт. На графике показан ток стока:
Тестовая схема 1n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end
Ток стока
Как и ожидалось для любого транзистора, управляемый ток остается постоянным на уровне стабилизации в широком диапазоне напряжений питания. В данном случае эта точка стабилизации составляет 10 мкА (1.
000E-05).
Теперь давайте посмотрим, что произойдет, когда мы приложим отрицательное напряжение к затвору (относительно истока) и будем изменять напряжение питания в том же диапазоне от 0 до 50 вольт:
Тестовая схема 2n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end Ток стока
Неудивительно, что ток стока теперь стабилизируется на более низком значении 2,5 мкА (по сравнению с 10 мкА при нулевом входном напряжении). Теперь давайте приложим входное напряжение другой полярности, чтобы насытить МДП транзистор:
Тестовая схема 3n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .endТок стока
При насыщении транзистора с помощью небольшого управляющего напряжения ток стока теперь увеличивается до 22,5 мкА (2.250E-05).
Из этих трех наборов значений напряжений и графиков тока должно быть очевидно, что отношение между током стока и напряжением затвор-исток нелинейно, как это было и с полевым транзистором.
При истощающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 2,5 мкА; при 0 вольт на входе ток стока поднимается до 10 мкА; и при насыщающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 22,5 мкА.
Чтобы лучше понять эту нелинейность, мы можем использовать SPICE для построения графика тока стока в зависимости от входного напряжения, изменяя напряжение от отрицательного (истощающего) значения до положительного (насыщающего) значения, поддерживая напряжение питания V1 на постоянном значении.
n-channel igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 .model mod1 nmos vto=-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i(vammeter) .endЗависимость тока стока от напряжения затвор-исток
Подобно тому, как это было с обычными полевыми транзисторами, эта присущая МДП транзисторам нелинейность может вызывать искажения в схеме усилителя, так как входной сигнал не будет воспроизводиться со 100-процентной точностью на выходе.
Также обратите внимание, что напряжение затвор-исток примерно 1 вольт в направлении истощения может пережать канал, так что тока стока практически не будет. МДП транзисторы со встроенным каналом, как и обычные полевые транзисторы, имеют определенное напряжение отсечки.
Этот параметр точно зависит от конкретного транзистора и может быть не таким, как в нашем моделировании.
Вычислив набор кривых характеристик МДП транзистора, мы увидим диаграмму, не похожую на диаграмму для обычного полевого транзистора:
Выходные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом
Оригинал статьи:
Теги
IGFET / МДП транзистор (полевой транзистор с изолированным затвором)LTspiceMOSFET / МОП транзисторSPICEМоделированиеОбучениеПолевой транзисторЭлектроника
Полевой транзистор
Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 1017 Ом).
Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.
В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).
МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.
Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом
На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N+-типа.
Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N+-типа, называемые стоком и истоком.
Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком
Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа
Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N+ находиться область P, не пропускающая электроны.
Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока Uзи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки.
В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.
Когда Uзи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок.
Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток Iси.
Чем выше напряжение на затворе транзистора Uзи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.
Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом
ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток Iси растет прямопропорционально росту напряжения Uси.
Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток Iси практически не растет.
Этот участок называют активная область.
Когда Uси превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.
Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом
Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.
Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа
Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (Uзи = 0). В результате через канал пойдет ток Iси, представляющий собой поток электронов.
Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки.
Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток Iси уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока.
Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.
Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток Iси увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.
Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом
Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными
Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)
Главные преимущества полевых транзисторов
- Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
- Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
- Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
- У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.
Главные недостатки полевых транзисторов
- У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
- Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
- Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».
- При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).
Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя. - Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт. Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки
Принцип работы полевого МОП-транзистора
Содержание статьи
МОП-транзистор (MOSFET, «металл-оксид-полупроводник») – полевой транзистор с изолированным затвором (канал разделен с затвором тонким диэлектрическим слоем). Другое название МОП-транзистора – униполярный. Основные области применения таких приборов – выполнение функций электронного переключателя и усилителя электронных сигналов в старой и современной системотехнике.
Практически все типы MOSFET имеют три вывода:
Исток – источник носителей зарядов. Является аналогом эмиттера в биполярном приборе.
Сток. Служит для приема носителей заряда от истока. Аналог коллектора биполярного транзистора.
Затвор. Выполняет функции управляющего электрода. Аналог в биполярном устройстве – база.
Особая категория – транзисторы с несколькими затворами. Они применяются в цифровой технике для организации логических элементов или в качестве ячеек памяти EEPROM.
- Основные характеристики униполярных транзисторов, учитываемые при выборе нужного прибора:
- управляющее напряжение;
- в открытом состоянии – внутреннее сопротивление и наибольшее значение допустимого постоянного тока;
- в закрытом состоянии – максимально допустимое напряжение прямого типа.
Отличие униполярных транзисторов от биполярных
МОП-транзистор управляется электрополем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность прилагаемого напряжения определяется видом канала транзистора (p или n). В отличие униполярных биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников формируется двумя типами зарядов – электронами и дырками.
Полевые (униполярные) транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в звукоусилительных устройствах. MOSFET применяют в микросхемах низкочастотных усилителей в автомобильных проигрывателях.
Типы МОП-транзисторов
Униполярные транзисторы делятся на p-канальные или n-канальные. Они могут иметь:
Собственный (встроенный) канал. Без напряжения канал открыт. Для закрытия канала необходимо подать ток определенной полярности.
Индуцированный (инверсный) канал. При отсутствии приложенного электротока он закрыт. Для его открытия прикладывают напряжение нужной полярности.
Для n-канальных транзисторов отпирающим является напряжение, положительное относительно истока. Его величина должна быть больше порогового значения, установленного для данного транзистора.
Для p-канальных моделей отпирающим будет отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору.
Принцип работы МОП-транзисторов на примере прибора с n-проводимостью
В схему униполярного транзистора с изолированным затвором и n-проводимостью входят:
Кремниевая подложка. В подложке n-типа в узлах кристаллической решетки кремния присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны, что достигается введением специальных примесей.
Диэлектрик. Служит для изоляции кремниевой подложки от электрода затвора. В качестве диэлектрика используется оксид кремния.
В большинстве MOSFET исток транзистора подключается к полупроводниковой подложке. Между стоком и истоком формируется «паразитный» диод. Ликвидировать отрицательные последствия появления такого диода и даже использовать в положительных целях позволяет его подключение анодом к истоку в n-канальных полевых транзисторах, анодом к стоку – в p-канальных приборах.
Принцип работы:
- Между затвором и истоком прикладывается плюсовое напряжение к затвору.
- Между металлическим выводом затвора и подложкой появляется электрическое поле.
- Электрическое поле притягивает к приповерхностному слою диэлектрика свободные электроны, ранее распределенные в кремниевой подложке.
- В приповерхностном слое появляется область проводимости (канал) n-типа, состоящая из свободных электронов.
- Между выводами стока и истока появляется «мост», проводящий электрический ток.
- Проводимость полевого транзистора регулируется величиной внешнего управляющего напряжения. При его снятии проводящий «мостик» исчезнет и прибор закроется.
Аналогично работает МОП-транзистор p-типа. Показанный выше принцип работы является упрощенным. Приборы, используемые на практике в схемотехнике, имеют более сложное устройство и, следовательно, более сложный принцип работы.
Преимущества и недостатки МОП-транзисторов
Униполярные транзисторы имеют довольно широкое распространение в современной системотехнике благодаря ряду преимуществ, среди которых:
- возможность мгновенного переключения;
- отсутствие вторичного пробоя;
- хорошая эффективность работы при низких напряжениях;
- стабильность при температурных колебаниях;
- низкий уровень шума при работе;
- большой коэффициент усиления сигнала;
- экономичность в плане энергопотребления;
- меньшее количество технологических операций при построении схем с использованием МОП-транзисторов по сравнению с применением биполярных приборов.
Применение этих приборов ограничивают следующие недостатки:
Важнейший минус – повышенная чувствительность к статическому электричеству.
Тонкий слой оксида кремния легко повреждается электростатическими зарядами, поэтому МОП-приборы могут выйти из строя даже при прикосновении к прибору наэлектризованными руками.
Современные устройства практически лишены этого недостатка благодаря корпусам, способным минимизировать воздействие статики. Также в них могут интегрироваться защитные устройства по типу стабилитронов.
Появление нестабильности работы при напряжении перегрузки.
Разрушение структуры, начиная от температуры +150 °C. У биполярных приборов критической является температура +200 °C.
Постоянный поиск по получению хороших эксплуатационных свойств высокомощных униполярных транзисторов привел к изобретению гибридного IGBT-транзистора. Эти устройства объединили лучшие качества биполярного и полевых транзисторов.
Другие материалы по теме
Анатолий Мельник
Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.
Загрузка...
