Τρανζίστορ πεδίου με μονωμένο κύκλωμα μεταγωγής πύλης. Τρανζίστορ πεδίου: αρχή λειτουργίας, κυκλώματα, τρόποι λειτουργίας και μοντελοποίηση
Τρανζίστορ εφέ πεδίουείναι ενεργές συσκευές ημιαγωγών, συνήθως με τρεις ακροδέκτες, στους οποίους το ρεύμα εξόδου ελέγχεται από ηλεκτρικό πεδίο. (electrono.ru)
Ο ορισμός όχι μόνο επιβεβαίωσε τις υποθέσεις μας, αλλά έδειξε επίσης ένα χαρακτηριστικό των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου - το ρεύμα εξόδου ελέγχεται αλλάζοντας το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο, δηλ. Τάση. Αλλά για τα διπολικά τρανζίστορ, όπως θυμόμαστε, το ρεύμα εξόδου ελέγχεται από το ρεύμα βάσης εισόδου.
Ένα άλλο γεγονός για τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου μπορεί να βρεθεί δίνοντας προσοχή στο άλλο τους όνομα - μονοπολική. Αυτό σημαίνει ότι μόνο ένας τύπος φορέα φορτίου (είτε ηλεκτρόνια είτε οπές) εμπλέκεται στη διαδικασία της ροής του ρεύματος.
Οι τρεις επαφές των τρανζίστορ εφέ πεδίου ονομάζονται πηγή(πηγή τρεχουσών εταιρειών), πύλη(ηλεκτρόδιο ελέγχου) και διοχετεύω(ηλεκτρόδιο όπου ρέουν οι φορείς). Η δομή φαίνεται απλή και πολύ παρόμοια με τη σχεδίαση ενός διπολικού τρανζίστορ. Αλλά μπορεί να εφαρμοστεί με τουλάχιστον δύο τρόπους. Επομένως, διακρίνονται τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με έλεγχο p-n διασταύρωσηΚαι με μονωμένο παντζούρι.
Γενικά, η ιδέα του τελευταίου εμφανίστηκε στη δεκαετία του 20 του 20ου αιώνα, πολύ πριν από την εφεύρεση των διπολικών τρανζίστορ. Αλλά το επίπεδο της τεχνολογίας κατέστησε δυνατή την εφαρμογή του μόνο το 1960. Στη δεκαετία του '50, ένα τρανζίστορ πεδίου με μια σύνδεση ελέγχου p-n περιγράφηκε αρχικά θεωρητικά και στη συνέχεια εφαρμόστηκε. Και, όπως τα διπολικά «αδέρφια» τους, τα τρανζίστορ πεδίου εξακολουθούν να παίζουν τεράστιο ρόλο στα ηλεκτρονικά.
Πριν προχωρήσουμε στην ιστορία για τη φυσική της λειτουργίας των μονοπολικών τρανζίστορ, θα ήθελα να σας υπενθυμίσω τους συνδέσμους όπου μπορείτε να ανανεώσετε τις γνώσεις σας σχετικά με τη διασταύρωση pn: ένα και δύο.
Τρανζίστορ εφέ πεδίου με έλεγχο p-n διασταύρωση
Λοιπόν, πώς λειτουργεί ο πρώτος τύπος τρανζίστορ πεδίου; Η συσκευή βασίζεται σε μια πλάκα ημιαγωγών με (για παράδειγμα) αγωγιμότητα τύπου p. Στα απέναντι άκρα έχει ηλεκτρόδια, με την εφαρμογή τάσης στα οποία θα λαμβάνουμε ρεύμα από την πηγή στην αποχέτευση. Στην κορυφή αυτής της πλάκας υπάρχει μια περιοχή με τον αντίθετο τύπο αγωγιμότητας, στην οποία συνδέεται το τρίτο ηλεκτρόδιο - η πύλη. Φυσικά, μεταξύ της πύλης και της p-περιοχής κάτω από αυτήν ( Κανάλι) συμβαίνει μια μετάβαση p-n. Και δεδομένου ότι το n-στρώμα είναι σημαντικά στοτο ίδιο κανάλι, τότε το μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μετάβασης που έχει εξαντληθεί από φορητές φόρτισης κινητής τηλεφωνίας θα πέσει στο επίπεδο p. Αντίστοιχα, εάν εφαρμόσουμε αντίστροφη τάση πόλωσης στη διασταύρωση, τότε όταν κλείσει, θα αυξήσει σημαντικά την αντίσταση του καναλιού και θα μειώσει το ρεύμα μεταξύ πηγής και αποστράγγισης. Έτσι, το ρεύμα εξόδου του τρανζίστορ ρυθμίζεται χρησιμοποιώντας την τάση (ηλεκτρικό πεδίο) της πύλης.Μπορεί να γίνει η ακόλουθη αναλογία: ένας κόμβος pn είναι ένα φράγμα που εμποδίζει τη ροή των φορέων φορτίου από την πηγή στην αποχέτευση. Αυξάνοντας ή μειώνοντας την αντίστροφη τάση σε αυτό, ανοίγουμε/κλείνουμε τις πύλες σε αυτό, ρυθμίζοντας την «παροχή νερού» (ρεύμα εξόδου).
Έτσι, μέσα τρόπο λειτουργίαςτρανζίστορ φαινομένου πεδίου με σύνδεση ελέγχου p-n, η τάση στην πύλη πρέπει να είναι είτε μηδέν (το κανάλι είναι πλήρως ανοιχτό) είτε αντίστροφη. 
Εάν η αντίστροφη τάση γίνει τόσο μεγάλη που το στρώμα μπλοκαρίσματος κλείνει το κανάλι, το τρανζίστορ θα μπει λειτουργία αποκοπής.
Ακόμη και με μηδενική τάση πύλης, υπάρχει αντίστροφη τάση μεταξύ πύλης και αποστράγγισης ίση με την τάση πηγής-αποχέτευσης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η διασταύρωση pn έχει τόσο οδοντωτό σχήμα, που διευρύνεται προς την περιοχή αποστράγγισης.
Είναι αυτονόητο ότι είναι δυνατή η κατασκευή ενός τρανζίστορ με κανάλι τύπου n και πύλη τύπου p. Η ουσία της δουλειάς του δεν θα αλλάξει.
Οι συμβατικές γραφικές εικόνες των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου φαίνονται στο σχήμα ( ΕΝΑ- με κανάλι τύπου p, σι- με κανάλι τύπου n). Το βέλος εδώ υποδεικνύει την κατεύθυνση από το επίπεδο p προς το στρώμα n.
Στατικά χαρακτηριστικά ενός τρανζίστορ πεδίου με διασταύρωση p-n ελέγχου
Δεδομένου ότι στον τρόπο λειτουργίας το ρεύμα πύλης είναι συνήθως μικρό ή ακόμα και μηδενικό, δεν θα εξετάσουμε γραφήματα των χαρακτηριστικών εισόδου των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου. Πάμε κατευθείαν στο Σαββατοκύριακο ή στο απόθεμα. Παρεμπιπτόντως, ονομάζονται στατικά επειδή εφαρμόζεται σταθερή τάση στην πύλη. Εκείνοι. δεν χρειάζεται να ληφθούν υπόψη οι ροπές συχνότητας, τα μεταβατικά κ.λπ.
Ρεπό (στοκ) ονομάζεται η εξάρτηση του ρεύματος αποστράγγισης από την τάση πηγής-αποχέτευσης σε σταθερή τάση πύλης-πηγής. Το σχήμα δείχνει το γράφημα στα αριστερά.
Τρεις ζώνες διακρίνονται ξεκάθαρα στο γράφημα. Το πρώτο από αυτά είναι η ζώνη απότομης αύξησης του ρεύματος αποστράγγισης. Αυτό είναι το λεγόμενο «ωμική» περιοχή. Το κανάλι πηγής-αποχέτευσης συμπεριφέρεται σαν μια αντίσταση της οποίας η αντίσταση ελέγχεται από την τάση στην πύλη του τρανζίστορ.
Δεύτερη ζώνη - περιοχή κορεσμού. Έχει σχεδόν γραμμική εμφάνιση. Εδώ, το κανάλι επικαλύπτεται στην περιοχή αποστράγγισης, η οποία αυξάνεται με περαιτέρω αύξηση της τάσης πηγής-αποχέτευσης. Αντίστοιχα, η αντίσταση του καναλιού αυξάνεται επίσης και το ρεύμα αποστράγγισης αλλάζει πολύ λίγο (νόμος του Ohm, ωστόσο). Είναι αυτό το τμήμα του χαρακτηριστικού που χρησιμοποιείται στην τεχνολογία ενίσχυσης, καθώς εδώ υπάρχει η ελάχιστη μη γραμμική παραμόρφωση σήματος και οι βέλτιστες τιμές των παραμέτρων μικρού σήματος που είναι απαραίτητες για την ενίσχυση. Αυτές οι παράμετροι περιλαμβάνουν την κλίση, την εσωτερική αντίσταση και το κέρδος. Οι έννοιες όλων αυτών των σκοτεινών φράσεων θα αποκαλυφθούν παρακάτω.
Η τρίτη ζώνη του διαγράμματος - περιοχή βλάβης, το όνομα του οποίου μιλάει από μόνο του.
Στη δεξιά πλευρά του σχήματος υπάρχει ένα γράφημα μιας άλλης σημαντικής σχέσης - χαρακτηριστικά πύλης. Δείχνει πώς το ρεύμα αποστράγγισης εξαρτάται από την τάση της πύλης-πηγής όταν η τάση μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης είναι σταθερή. Και είναι η κλίση του που είναι μια από τις κύριες παραμέτρους ενός τρανζίστορ πεδίου.
Τρανζίστορ εφέ πεδίου με μόνωση πύλης
Τέτοια τρανζίστορ ονομάζονται επίσης συχνά MOS (μετάλλου-διηλεκτρικού-ημιαγωγού) ή MOS (μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού) τρανζίστορ (τρανζίστορ εφέ πεδίου μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού, MOSFET). Σε τέτοιες συσκευές, η πύλη διαχωρίζεται από το κανάλι με ένα λεπτό στρώμα διηλεκτρικού. Η φυσική βάση της δουλειάς τους είναι η επίδραση της αλλαγής της αγωγιμότητας του στρώματος κοντά στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού στη διεπαφή με ένα διηλεκτρικό υπό την επίδραση ενός εγκάρσιου ηλεκτρικού πεδίου.
Η δομή των τρανζίστορ αυτού του τύπου είναι η εξής. Υπάρχει ένα ημιαγωγικό υπόστρωμα με p-αγωγιμότητα, στο οποίο κατασκευάζονται δύο βαριά ντοπαρισμένες περιοχές με n-αγωγιμότητα (πηγή και αποστράγγιση). Ανάμεσά τους βρίσκεται μια στενή γέφυρα κοντά στην επιφάνεια, η αγωγιμότητα της οποίας είναι επίσης τύπου n. Πάνω από αυτό, στην επιφάνεια της γκοφρέτας, υπάρχει ένα λεπτό στρώμα διηλεκτρικού (συνήθως διοξείδιο του πυριτίου - εξ ου και, παρεμπιπτόντως, η συντομογραφία MOS). Και σε αυτό το στρώμα βρίσκεται το κλείστρο - μια λεπτή μεταλλική μεμβράνη. Ο ίδιος ο κρύσταλλος συνήθως συνδέεται με την πηγή, αν και συμβαίνει να συνδέεται χωριστά. Εάν εφαρμόζεται τάση πηγής-αποχέτευσης σε μηδενική τάση πύλης, τότε το ρεύμα θα ρέει μέσω του καναλιού μεταξύ τους. Γιατί όχι μέσα από το κρύσταλλο; Επειδή ένας από τους κόμβους pn θα κλείσει.
Τώρα ας εφαρμόσουμε μια αρνητική τάση σε σχέση με την πηγή στην πύλη. Το εγκάρσιο ηλεκτρικό πεδίο που προκύπτει θα «σπρώξει» ηλεκτρόνια από το κανάλι μέσα στο υπόστρωμα. Αντίστοιχα, η αντίσταση του καναλιού θα αυξηθεί και το ρεύμα που ρέει μέσα από αυτό θα μειωθεί. Αυτή η λειτουργία, στην οποία το ρεύμα εξόδου μειώνεται καθώς αυξάνεται η τάση της πύλης, ονομάζεται λιτή λειτουργία.
Εάν εφαρμόσουμε μια τάση στην πύλη, η οποία θα συμβάλει στην εμφάνιση ενός πεδίου που "βοηθά" τα ηλεκτρόνια να "έρθουν" στο κανάλι από το υπόστρωμα, τότε το τρανζίστορ θα λειτουργήσει σε λειτουργία εμπλουτισμού. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίσταση του καναλιού θα μειωθεί και το ρεύμα που διαπερνά αυτό θα αυξηθεί.
Ο σχεδιασμός ενός τρανζίστορ με μονωμένη πύλη που συζητήθηκε παραπάνω είναι παρόμοιος με τον σχεδιασμό με μια σύνδεση ελέγχου p-n, καθώς ακόμη και με μηδενικό ρεύμα στην πύλη και μια μη μηδενική τάση πηγής-αποχέτευσης μεταξύ τους υπάρχει η λεγόμενη αρχικό ρεύμα αποστράγγισης. Και στις δύο περιπτώσεις αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το κανάλι για αυτό το ρεύμα ενσωματωμένοστον σχεδιασμό του τρανζίστορ. Δηλαδή, μιλώντας αυστηρά, μόλις εξετάσαμε έναν τέτοιο υποτύπο τρανζίστορ MOS όπως τρανζίστορ με ενσωματωμένο κανάλι.
Ωστόσο, υπάρχει ένας άλλος τύπος τρανζίστορ πεδίου με μονωμένη πύλη - τρανζίστορ με επαγόμενο (αντίστροφο) κανάλι. Από το όνομα είναι ήδη σαφές ότι διαφέρει από το προηγούμενο - το κανάλι του μεταξύ των περιοχών με έντονη πρόσμιξη της αποχέτευσης και της πηγής εμφανίζεται μόνο όταν εφαρμόζεται τάση ορισμένης πολικότητας στην πύλη.
Έτσι, εφαρμόζουμε τάση μόνο στην πηγή και την αποστράγγιση. Δεν θα ρέει ρεύμα μεταξύ τους, καθώς μία από τις συνδέσεις p-n μεταξύ τους και του υποστρώματος είναι κλειστή.
Ας εφαρμόσουμε τάση στην πύλη (άμεση σε σχέση με την πηγή). Το προκύπτον ηλεκτρικό πεδίο θα «τραβήξει» ηλεκτρόνια από τις βαριά ντοπαρισμένες περιοχές στο υπόστρωμα προς την κατεύθυνση της πύλης. Και όταν η τάση της πύλης φτάσει σε μια ορισμένη τιμή στη ζώνη κοντά στην επιφάνεια, το λεγόμενο αντιστροφήτύπος αγωγιμότητας. Εκείνοι. η συγκέντρωση ηλεκτρονίων θα υπερβεί τη συγκέντρωση της οπής και θα εμφανιστεί ένα λεπτό κανάλι τύπου n μεταξύ του αγωγού και της πηγής. Το τρανζίστορ θα αρχίσει να μεταφέρει ρεύμα, όσο ισχυρότερο είναι η τάση της πύλης.
Από αυτό το σχέδιο είναι σαφές ότι ένα τρανζίστορ με επαγόμενο κανάλι μπορεί να λειτουργήσει μόνο όταν βρίσκεται σε λειτουργία εμπλουτισμού. Ως εκ τούτου, βρίσκονται συχνά σε συσκευές μεταγωγής.
Τα σύμβολα για τα μονωμένα τρανζίστορ πύλης είναι τα εξής: 
Εδώ
ΕΝΑ− με ενσωματωμένο κανάλι τύπου n.
σι− με ενσωματωμένο κανάλι τύπου p.
V− με έξοδο από το υπόστρωμα.
σολ− με επαγόμενο κανάλι τύπου n.
ρε− με επαγόμενο κανάλι τύπου p.
μι− με έξοδο από το υπόστρωμα.
Στατικά χαρακτηριστικά τρανζίστορ MOS
Η οικογένεια αποστράγγισης και τα χαρακτηριστικά της πύλης αποστράγγισης ενός τρανζίστορ με ενσωματωμένο κανάλι παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα:
Τα ίδια χαρακτηριστικά για ένα τρανζίστορ με επαγόμενο κανάλι:
Εξωτικές δομές MIS
Για να μην μπερδεύουμε την παρουσίαση, θέλω απλώς να προτείνω συνδέσμους όπου μπορείτε να διαβάσετε σχετικά. Πρώτα απ 'όλα, αυτή είναι η αγαπημένη σε όλους Wikipedia, ενότητα "Δομές MDP Ειδικού Σκοπού". Και εδώ είναι η θεωρία και οι τύποι: ένα εγχειρίδιο για τα ηλεκτρονικά στερεάς κατάστασης, κεφάλαιο 6, υποκεφάλαια 6.12-6.15. Διαβάστε το, έχει ενδιαφέρον!Γενικές παράμετροι τρανζίστορ φαινομένου πεδίου
- Μέγιστο ρεύμα αποστράγγισηςσε σταθερή τάση πύλης-πηγής.
- Μέγιστη τάση πηγής αποστράγγισης, μετά την οποία εμφανίζεται ήδη μια βλάβη.
- Εσωτερική αντίσταση (εξόδου).. Αντιπροσωπεύει την αντίσταση καναλιού για εναλλασσόμενο ρεύμα (η τάση πύλης-πηγής είναι σταθερή).
- Χαρακτηριστικό κλίσης της πύλης αποχέτευσης. Όσο μεγαλύτερο είναι, τόσο πιο «οξεία» είναι η απόκριση του τρανζίστορ στις αλλαγές στην τάση της πύλης.
- Αντίσταση εισόδου. Καθορίζεται από την αντίσταση της αντίστροφης πόλωσης σύνδεσης pn και συνήθως φτάνει πολλά και δεκάδες megohms (πράγμα που διακρίνει τα τρανζίστορ πεδίου από τους διπολικούς «συγγενείς» τους). Και μεταξύ των ίδιων των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, η παλάμη ανήκει σε συσκευές με μονωμένη πύλη.
- Κέρδος- ο λόγος της αλλαγής στην τάση πηγής-αποχέτευσης προς τη μεταβολή της τάσης πύλης-πηγής σε σταθερό ρεύμα αποστράγγισης.
Σχέδια σύνδεσης
Όπως ένα διπολικό, ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου μπορεί να θεωρηθεί ως μια συσκευή τεσσάρων ακροδεκτών, στην οποία συμπίπτουν δύο από τις τέσσερις επαφές. Έτσι, μπορούν να διακριθούν τρεις τύποι κυκλωμάτων μεταγωγής: με κοινή πηγή, με κοινή πύλη και με κοινή αποστράγγιση. Τα χαρακτηριστικά τους είναι πολύ παρόμοια με τα κοινά κυκλώματα εκπομπού, κοινής βάσης και κοινού συλλέκτη για διπολικά τρανζίστορ.
Πιο συχνά χρησιμοποιείται κύκλωμα κοινής πηγής (ΕΝΑ), καθώς δίνει μεγαλύτερο ρεύμα και κέρδος ισχύος.
Κοινό κύκλωμα πύλης (σι) δεν δίνει σχεδόν καμία ενίσχυση ρεύματος και έχει χαμηλή αντίσταση εισόδου. Εξαιτίας αυτού, ένα τέτοιο σχήμα σύνδεσης έχει περιορισμένη πρακτική εφαρμογή.
Σχέδιο με κοινό αγωγό (V) επίσης λέγεται οπαδός της πηγής. Το κέρδος τάσης του είναι κοντά στη μονάδα, η αντίσταση εισόδου είναι υψηλή και η αντίσταση εξόδου είναι μικρή.
Διαφορές μεταξύ τρανζίστορ φαινομένου πεδίου και διπολικών. Τομείς χρήσης
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η πρώτη και κύρια διαφορά μεταξύ αυτών των δύο τύπων τρανζίστορ είναι ότι τα τελευταία ελέγχονται με αλλαγή του ρεύματος και τα πρώτα από την τάση. Και από αυτό ακολουθούν άλλα πλεονεκτήματα των τρανζίστορ πεδίου σε σύγκριση με τα διπολικά:- υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου για συνεχές ρεύμα και σε υψηλή συχνότητα, επομένως χαμηλές απώλειες ελέγχου.
- υψηλή απόδοση (λόγω της απουσίας συσσώρευσης και απορρόφησης δευτερευόντων φορέων).
- Δεδομένου ότι οι ενισχυτικές ιδιότητες των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου οφείλονται στη μεταφορά των πλείστων φορέων φορτίου, το ανώτερο όριο ενεργού κέρδους τους είναι υψηλότερο από αυτό των διπολικών.
- σταθερότητα σε υψηλή θερμοκρασία.
- χαμηλό επίπεδο θορύβου, δεδομένου ότι τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου δεν χρησιμοποιούν το φαινόμενο της έγχυσης φορέων μειοψηφίας φορτίου, το οποίο κάνει τα διπολικά τρανζίστορ «θορυβώδη».
- χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
Πού χρησιμοποιούνται τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου; Ναι, σχεδόν παντού. Ψηφιακά και αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα, συσκευές παρακολούθησης και λογικής, κυκλώματα εξοικονόμησης ενέργειας, μνήμη flash... Γιατί, ακόμη και τα ρολόγια χαλαζία και το τηλεχειριστήριο της τηλεόρασης λειτουργούν σε τρανζίστορ πεδίου. Αυτοί είναι παντού, % πρόγραμμα περιήγησης%. Αλλά τώρα ξέρετε πώς λειτουργούν!
Τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου είναι συσκευές ενεργών ημιαγωγών στις οποίες το ρεύμα εξόδου ελέγχεται χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό πεδίο (στα διπολικά τρανζίστορ, το ρεύμα εξόδου ελέγχεται από το ρεύμα εισόδου). Τα τρανζίστορ πεδίου ονομάζονται επίσης μονοπολικά, καθώς μόνο ένας τύπος φορέα εμπλέκεται στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος.
Υπάρχουν δύο τύποι τρανζίστορ πεδίου: με διασταύρωση ελέγχου και με μονωμένη πύλη. Όλα έχουν τρία ηλεκτρόδια: πηγή (πηγή φορέων ρεύματος), πύλη (ηλεκτρόδιο ελέγχου) και αποχέτευση (ηλεκτρόδιο όπου ρέουν οι φορείς).
Τρανζίστορ με έλεγχοΠ- n-μετάβαση . Η σχηματική του αναπαράσταση φαίνεται στο Σχ. 1.21, ΕΝΑΗ συμβατική γραφική ονομασία αυτού του τρανζίστορ βρίσκεται στο Σχ. 1.22, ΕΝΑ, σι (Π- Και n-τύποι αντίστοιχα). Το βέλος δείχνει την κατεύθυνση μακριά από το στρώμα Rνα στρώσω Π(όπως το βέλος στην εικόνα του πομπού ενός διπολικού τρανζίστορ). Σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, οι γραμμικές διαστάσεις των τρανζίστορ μπορεί να είναι σημαντικά μικρότερες από 1 micron.
Ρύζι. 1.22 Σχεδίαση τρανζίστορ
Ρύζι. 1.23 Γραφική αναπαράσταση:a – κανάλι τύπου p. β – κανάλι n-τύπου
Αντίσταση στρώσης n(πύλη) είναι πολύ μικρότερη από την ειδική αντίσταση του στρώματος R(κανάλι), άρα η περιοχή R-n-η διασταύρωση, η οποία έχει εξαντληθεί από φορητές φόρτισης κινητής τηλεφωνίας και έχει πολύ υψηλή ειδική αντίσταση, βρίσκεται κυρίως στο στρώμα R.
Εάν οι τύποι αγωγιμότητας των στρωμάτων ημιαγωγών στο εξεταζόμενο τρανζίστορ αλλάξουν προς το αντίθετο, τότε λαμβάνουμε ένα τρανζίστορ πεδίου με έλεγχο
R-n-μετάβαση και κανάλι n-τύπος. Εάν εφαρμόσετε θετική τάση μεταξύ της πύλης και της πηγής ενός τρανζίστορ καναλιού p: και ζι > 0,
τότε θα μετατοπιστεί Π—n-μετάβαση προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Καθώς η αντίστροφη τάση στη διασταύρωση αυξάνεται, διαστέλλεται κυρίως λόγω του καναλιού (λόγω της προαναφερθείσας διαφοράς στην ειδική αντίσταση). Η αύξηση του πλάτους μετάβασης μειώνει το πάχος του καναλιού και, ως εκ τούτου, αυξάνει την αντίστασή του. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρεύματος μεταξύ πηγής και αποστράγγισης. Είναι αυτό το φαινόμενο που σας επιτρέπει να ελέγχετε το ρεύμα χρησιμοποιώντας τάση και το αντίστοιχο ηλεκτρικό πεδίο. Αν η τάση και ζιείναι αρκετά μεγάλο, το κανάλι είναι εντελώς αποκλεισμένο από την περιοχή Π—n-μετάβαση (τάση αποκοπής).
Σε λειτουργία λειτουργίας R—n- η διασταύρωση πρέπει να είναι υπό αντίστροφη ή μηδενική τάση. Επομένως, στον τρόπο λειτουργίας, το ρεύμα πύλης είναι περίπου μηδέν ( i z? 0 ), και το ρεύμα αποστράγγισης είναι σχεδόν ίσο με το ρεύμα της πηγής.
Στο πλάτος R—n-Η μετάβαση και το πάχος του καναλιού επηρεάζονται επίσης άμεσα από την τάση μεταξύ πηγής και αποστράγγισης. Αφήνω uzi= 0 και εφαρμόζεται θετική τάση uείναι(Εικ. 1.24). Αυτή η τάση θα εφαρμοστεί στο κενό πύλης-αποχέτευσης, δηλ. Τελικά φαίνεται πως uzs= uείναιΚαι R—n- η διασταύρωση είναι υπό αντίστροφη τάση.
Αντίστροφη τάση σε διάφορες περιοχές R—n- οι μεταβάσεις είναι διαφορετικές. Σε περιοχές κοντά στην πηγή, αυτή η τάση είναι πρακτικά μηδενική και σε περιοχές κοντά στην αποχέτευση, αυτή η τάση είναι περίπου ίση με uείναι .Να γιατί Π—n-η μετάβαση θα είναι ευρύτερη σε εκείνες τις περιοχές που είναι πιο κοντά στην αποχέτευση. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι η τάση στο κανάλι αυξάνεται γραμμικά από την πηγή στην αποστράγγιση.
Στο uείναι =Uziωττο κανάλι θα κλείσει τελείως κοντά στην αποχέτευση (Εικ. 1.25). Με περαιτέρω αύξηση της τάσης uείναιαυτή η περιοχή του καναλιού στο οποίο είναι μπλοκαρισμένο θα επεκταθεί.
Κυκλώματα σύνδεσης τρανζίστορ . Για ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, όπως και για ένα διπολικό τρανζίστορ, υπάρχουν τρία κυκλώματα μεταγωγής: κυκλώματα με κοινή πύλη (03), κοινή πηγή (CS) και κοινή αποστράγγιση (OS). Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα κυκλώματα είναι η κοινή πηγή (Εικ. 1.26).
Αφού σε κατάσταση λειτουργίας γ? 0, τότε τα χαρακτηριστικά εισόδου συνήθως δεν λαμβάνονται υπόψη.
Χαρακτηριστικά παραγωγής (απόθεμα). . Το χαρακτηριστικό εξόδου ονομάζεται εξάρτηση της φόρμας
Οπου φά– κάποια λειτουργία.
Χαρακτηριστικά εξόδου για τρανζίστορ με R—n-η διασταύρωση και το κανάλι τύπου n φαίνονται στο Σχ. 1.27.
Ας στραφούμε στους ηθοποιούς χαρακτήρων που αντιστοιχούν στην συνθήκη u zi= 0. Στη γραμμική περιοχή ( u είσαι < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.
Στο u είσαι> 4 V Το κανάλι στην περιοχή αποστράγγισης είναι φραγμένο. Μια περαιτέρω αύξηση της τάσης οδηγεί σε μια πολύ μικρή αύξηση του ρεύματος, καθώς με την αύξηση της τάσης η περιοχή στην οποία είναι φραγμένο το κανάλι διαστέλλεται. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίσταση του κενού πηγής-αποχέτευσης αυξάνεται και το ρεύμα γπρακτικά δεν αλλάζει. Αυτή είναι η περιοχή κορεσμού. Ρεύμα αποστράγγισης στην περιοχή κορεσμού ου ζι = 0 και σε δεδομένη τάση και si ονομάζεται αρχικό ρεύμα αποστράγγισης και συμβολίζεται με ξεκινάω. Για τα υπό εξέταση χαρακτηριστικά ξεκινάω= 5 mA στο και si= 10 V.
Οι παράμετροι που χαρακτηρίζουν τις ιδιότητες ενός τρανζίστορ για την ενίσχυση της τάσης είναι:
1) Χαρακτηριστικό κλίσης της πύλης μικρό(χαρακτηριστικό κλίσης του τρανζίστορ πεδίου):
2) Εσωτερική διαφορική αντίσταση Ris diff
3) Κέρδος
Μπορεί να παρατηρηθεί ότι
Μονωμένα τρανζίστορ πύλης.Ένα τρανζίστορ εφέ πεδίου μονωμένης πύλης είναι ένα τρανζίστορ του οποίου η πύλη διαχωρίζεται ηλεκτρικά από το κανάλι με ένα στρώμα διηλεκτρικού. Η φυσική βάση για τη λειτουργία τέτοιων τρανζίστορ είναι το φαινόμενο πεδίου, το οποίο συνίσταται στην αλλαγή της συγκέντρωσης των ελεύθερων φορέων φορτίου στην περιοχή κοντά στην επιφάνεια του ημιαγωγού υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Σύμφωνα με τη δομή τους, τέτοια τρανζίστορ ονομάζονται Τρανζίστορ MOS (μέταλλο-διηλεκτρικό-ημιαγωγός) ή Τρανζίστορ MOS (μέταλλο-οξείδιο-ημιαγωγός).Υπάρχουν δύο τύποι τρανζίστορ MOS: με επαγωγικά και με ενσωματωμένα κανάλια.
Στο Σχ. Το σχήμα 1.28 δείχνει την αρχή ενός τρανζίστορ με ενσωματωμένο κανάλι.
Η βάση (υπόστρωμα) είναι μια γκοφρέτα πυριτίου με ηλεκτρική αγωγιμότητα Π-τύπος. Σε αυτό δημιουργούνται δύο περιοχές με ηλεκτρική αγωγιμότητα n+ -τύπου με αυξημένη αγωγιμότητα. Αυτές οι περιοχές είναι η πηγή και η καταβόθρα και από αυτές εξάγονται τα συμπεράσματα. Μεταξύ της αποστράγγισης και της πηγής υπάρχει ένα κανάλι κοντά στην επιφάνεια με ηλεκτρική αγωγιμότητα τύπου n. Η σκιασμένη περιοχή είναι ένα διηλεκτρικό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (το πάχος του είναι συνήθως 0,1 - 0,2 μm). Στην κορυφή του διηλεκτρικού στρώματος υπάρχει μια πύλη με τη μορφή λεπτής μεταλλικής μεμβράνης. Ο κρύσταλλος ενός τέτοιου τρανζίστορ συνήθως συνδέεται με την πηγή και το δυναμικό του θεωρείται μηδέν. Μερικές φορές ένα ξεχωριστό συμπέρασμα εξάγεται από τον κρύσταλλο.
Εάν εφαρμόζεται μηδενική τάση στην πύλη, τότε όταν εφαρμόζεται τάση μεταξύ του αγωγού και της πηγής, ένα ρεύμα που αντιπροσωπεύει μια ροή ηλεκτρονίων θα ρέει μέσω του καναλιού. Το ρεύμα δεν θα ρέει μέσα από τον κρύσταλλο, αφού ένα από Π—n- οι μεταβάσεις είναι υπό αντίστροφη τάση. Όταν εφαρμόζεται μια τάση αρνητικής πολικότητας στην πύλη σε σχέση με την πηγή (και επομένως τον κρύσταλλο), σχηματίζεται ένα εγκάρσιο ηλεκτρικό πεδίο στο κανάλι, το οποίο ωθεί τα ηλεκτρόνια έξω από το κανάλι στις περιοχές της πηγής, της αποστράγγισης και του κρυστάλλου. Το κανάλι εξαντλείται από ηλεκτρόνια, η αντίστασή του αυξάνεται και το ρεύμα μειώνεται. Όσο υψηλότερη είναι η τάση της πύλης, τόσο χαμηλότερο είναι το ρεύμα. Αυτή η λειτουργία ονομάζεται λιτή λειτουργία
. Εάν εφαρμοστεί θετική τάση στην πύλη, τότε υπό την επίδραση του πεδίου, τα ηλεκτρόνια θα ρέουν από την αποστράγγιση, την πηγή και τις περιοχές κρυστάλλου στο κανάλι. Η αντίσταση του καναλιού πέφτει, το ρεύμα αυξάνεται. Αυτή η λειτουργία ονομάζεται
λειτουργία εμπλουτισμού
. Αν το κρύσταλλο n-type, τότε το κανάλι πρέπει να είναι τύπου p και η πολικότητα τάσης αντιστρέφεται.
Άλλος τύπος είναι τρανζίστορ με επαγόμενο (αντίστροφο) κανάλι (Εικ. 1.29). Διαφέρει από το προηγούμενο στο ότι το κανάλι εμφανίζεται μόνο όταν εφαρμόζεται τάση ορισμένης πολικότητας στην πύλη.
Όταν δεν υπάρχει τάση στην πύλη, δεν υπάρχει κανάλι μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης
n+ -πληκτρολογήστε μόνο το κρύσταλλο βρίσκεται Π-τύπου και σε ένα από p-nΟι μεταβάσεις + - παράγουν αντίστροφη τάση. Σε αυτή την κατάσταση, η αντίσταση μεταξύ αποστράγγισης και πηγής είναι υψηλή και το τρανζίστορ είναι απενεργοποιημένο. Όταν εφαρμόζεται τάση θετικής πολικότητας στην πύλη, υπό την επίδραση του πεδίου πύλης, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας θα μετακινηθούν από τις περιοχές αποστράγγισης και πηγής και Π-περιοχές προς το παντζούρι. Όταν η τάση της πύλης φτάσει στην τιμή ξεκλειδώματος (κατώφλι) της (μονάδες βολτ), η συγκέντρωση ηλεκτρονίων στο στρώμα κοντά στην επιφάνεια αυξάνεται τόσο πολύ που υπερβαίνει τη συγκέντρωση της οπής και η λεγόμενη αντιστροφή
τύπος ηλεκτρικής αγωγιμότητας, δηλ. σχηματίζεται ένα λεπτό κανάλι n-τύπου, και το τρανζίστορ θα αρχίσει να μεταφέρει ρεύμα. Όσο υψηλότερη είναι η τάση της πύλης, τόσο υψηλότερο είναι το ρεύμα αποστράγγισης. Προφανώς, ένα τέτοιο τρανζίστορ μπορεί να λειτουργήσει μόνο σε λειτουργία εμπλουτισμού. Αν το υπόστρωμα n-πληκτρολογήστε, τότε λαμβάνετε ένα επαγόμενο κανάλι Π-τύπος. Τρανζίστορ επαγόμενου καναλιού βρίσκονται συχνά σε συσκευές μεταγωγής. Τα κυκλώματα μεταγωγής για τρανζίστορ φαινομένου πεδίου είναι παρόμοια με τα κυκλώματα μεταγωγής για διπολικά τρανζίστορ. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ένα τρανζίστορ πεδίου σάς επιτρέπει να αποκτήσετε πολύ υψηλότερο κέρδος από ένα διπολικό. Διαθέτοντας υψηλή αντίσταση εισόδου (και χαμηλή απόδοση), τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου αντικαθιστούν σταδιακά τα διπολικά.
Με βάση την ηλεκτρική αγωγιμότητα του καναλιού, διακρίνουν Π- κανάλι και n-τρανζίστορ MOS καναλιού. Τα σύμβολα αυτών των συσκευών στα ηλεκτρικά διαγράμματα φαίνονται στο Σχ. 1.30 . Υπάρχει μια ταξινόμηση των τρανζίστορ MOS σύμφωνα με το σχεδιασμό και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά (συνήθως ανάλογα με τον τύπο του υλικού της πύλης).
Ρύζι. 1,30 Γραφικά σύμβολα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου
με μονωμένη πύλη: α – με ενσωματωμένο κανάλι p. β – με ενσωματωμένο
n-κανάλι; c – με επαγόμενο p-κανάλι. d – με επαγόμενο n-κανάλι
Ολοκληρωμένα κυκλώματα που περιέχουν ταυτόχρονα p — Τα τρανζίστορ MOS καναλιών και n καναλιών ονομάζονται συμπληρωματικά (συντομογραφία KMDP-IC). Τα KMDP-IC χαρακτηρίζονται από υψηλή θόρυβο, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και υψηλή απόδοση.
Ιδιότητες συχνότηταςΤα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου καθορίζονται από τη σταθερά χρόνου R.C.- κυκλώματα πύλης. Δεδομένου ότι η χωρητικότητα εισόδου ΜΕziγια τρανζίστορ με R—n-η μετάβαση είναι μεγάλη (δεκάδες picofarads), η χρήση τους σε στάδια ενισχυτή με υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου είναι δυνατή σε εύρος συχνοτήτων που δεν υπερβαίνει τις εκατοντάδες kilohertz - μονάδες megahertz.
Όταν λειτουργεί σε κυκλώματα μεταγωγής, η ταχύτητα μεταγωγής καθορίζεται πλήρως από τη σταθερά χρόνου του κυκλώματος πύλης RC. Τα μονωμένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου πύλης έχουν πολύ χαμηλότερη χωρητικότητα εισόδου, επομένως οι ιδιότητες συχνότητάς τους είναι πολύ καλύτερες από εκείνες των τρανζίστορ φαινομένου διασταύρωσης p-n.
Ας εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας ενός τρανζίστορ MOS με επαγόμενο κανάλι n-τύπος.
Με σταδιακή αύξηση της τάσης θετική σε σχέση με την πηγή 
Και 
σχηματίζεται ένα θετικό φορτίο στην πύλη και στο στρώμα πλησίον της επιφάνειας του ημιαγωγού, σχηματίζεται πρώτα ένα στρώμα που εξαντλείται από τους κύριους φορείς του υποστρώματος (σε αυτή την περίπτωση, οπές).
Με περαιτέρω ανάπτυξη 
ελεύθερα ηλεκτρόνια Π- τα υποστρώματα ημιαγωγών (εγγενή, όχι ακαθαρσίες) μετακινούνται στην περιοχή κοντά στην επιφάνεια κάτω από την πύλη και σχηματίζουν ένα επαγόμενο (επαγόμενο από το πεδίο) αντίστροφο (με αναστροφή σε σχέση με Π-υποστρώματος αγωγιμότητα ημιαγωγού) στρώμα, που είναι το κανάλι n-πληκτρολογήστε μεταξύ πηγής και αποστράγγισης (Εικ. 10.18).
Τάση 
, στο οποίο εμφανίζεται ένα κανάλι ονομάζεται κατώφλι 
. Το κανάλι διαχωρίζεται από το υπόστρωμα με αρνητικά ιόντα δέκτη, δηλ. στρώμα εξαντλημένο από φορέα φόρτισης. Στο 
το επιφανειακό στρώμα εμπλουτίζεται με ηλεκτρόνια και η αντίσταση του καναλιού μειώνεται. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας του τρανζίστορ MOS ονομάζεται τρόπος εμπλουτισμού. Στα τρανζίστορ MOS με επαγόμενο κανάλι, υπάρχει μόνο ένας τρόπος εμπλουτισμού.
|
|
Αν 
και τάσης 
, τότε όταν το ρεύμα αποστράγγισης ρέει μέσα από το κανάλι 
μοτίβο ισοδυναμικού πεδίου που φαίνεται στο Σχ. 10.18, παραβ. Το επιφανειακό δυναμικό υπό την επίδραση του ρεύματος αποστράγγισης αυξάνεται προς την κατεύθυνση από την πηγή προς την αποχέτευση και η διαφορά δυναμικού μεταξύ της πύλης και της επιφάνειας μειώνεται, γεγονός που περιορίζει τελικά το κανάλι. Όσο αυξάνεται η τάση 
ρεύμα αποστράγγισης 
αυξάνεται επίσης με σταδιακή επιβράδυνση του ρυθμού ανάπτυξης. Όταν η τάση πέφτει στην αντίσταση όγκου του καναλιού από το ρεύμα αποστράγγισης που ρέει 
αντισταθμίζει την υπερβολική τάση 
πάνω από το κατώφλι, η τάση μεταξύ της αποστράγγισης και της πύλης θα γίνει ίση 
και στην αποχέτευση, το στρώμα εξάντλησης θα κλείσει με την επιφάνεια του ημιαγωγού, αποτρέποντας την περαιτέρω ανάπτυξη του ρεύματος αποστράγγισης 
(Εικ. 10.19).
Αυτό ονομάζεται κορεσμός ρεύματος αποστράγγισης. Τάση 
, στο οποίο κορεσθεί το ρεύμα αποστράγγισης 
, ονομάζεται τάση κορεσμού 
.
|
|
Με περαιτέρω αύξηση της τάσης 
πάνω από 
ρεύμα αποστράγγισης 
αυξάνεται ελαφρά μόνο λόγω μείωσης του μήκους του καναλιού και, κατά συνέπεια, μείωσης της αντίστασης του καναλιού (Εικ. 10.20).
|
|
Το φαινόμενο της μεταφοράς φορέων φορτίου (σε αυτή την περίπτωση ηλεκτρονίων) από το κανάλι μέσω της περιοχής εξάντλησης προς την αποχέτευση είναι παρόμοιο με τη μεταφορά φορτίων από τη βάση στον συλλέκτη ενός διπολικού τρανζίστορ μέσω της αντίστροφης πόλωσης pn-μετάβαση υπό την επίδραση του πεδίου της. Όλες οι αυξήσεις τάσης 
πάνω από 
εφαρμόζονται κυρίως στην περιοχή εξάντλησης υψηλής αντίστασης που βρίσκεται στην αποχέτευση, με αποτέλεσμα το ρεύμα αποστράγγισης 
σχεδόν καμία αύξηση.
Τάση 
εξαρτάται σημαντικά από την τάση στο υπόστρωμα, καθώς καθώς αυξάνεται, αυξάνεται και η περιοχή που εξαντλείται από φορτία. Συνήθως σε δομές MIS με n-Το κανάλι παρέχει το πιο αρνητικό δυναμικό του κυκλώματος στο υπόστρωμα έτσι ώστε η μετάβαση πηγή-υπόστρωμα να είναι πάντα κλειστή. Η επίδραση της τάσης συνεχούς ρεύματος μεταξύ της πηγής και του υποστρώματος μπορεί να ληφθεί υπόψη συμπεριλαμβάνοντάς την με έναν ορισμένο συντελεστή στην έκφραση για 
.
Στο Σχ. 10.17 – 10.20 σχεδιάστηκαν σαφή όρια μεταξύ των περιοχών φόρτισης της δομής MIS. Στην πραγματικότητα, η αλλαγή στις συγκεντρώσεις φορτίου είναι ομαλή και δεν υπάρχουν σαφώς καθορισμένα όρια μεταξύ των περιοχών φορτίου.
Σε υψηλές τάσεις αποστράγγισης 
μπορεί να συμβεί βλάβη του τρανζίστορ MOS και μπορεί να υπάρχουν δύο τύποι βλάβης: βλάβη pn- διασταύρωση κάτω από την αποχέτευση και διάσπαση του διηλεκτρικού κάτω από την πύλη. Επαθε βλάβη pn-Η μετάβαση έχει συνήθως χαρακτήρα χιονοστιβάδας, αφού τα τρανζίστορ MOS κατασκευάζονται συνήθως με βάση το πυρίτιο. Ταυτόχρονα, η τάση διάσπασης 
μπορεί να επηρεαστεί από την τάση στην πύλη: αφού δυναμικά ίδιας πολικότητας εφαρμόζονται στην αποστράγγιση και την πύλη ενός τρανζίστορ MOS με επαγόμενο κανάλι, τότε με την αύξηση της τάσης στην πύλη θα αυξηθεί 
. Η διηλεκτρική διάσπαση κάτω από την πύλη μπορεί να συμβεί σε μια τάση πύλης μόνο μερικών δεκάδων βολτ, καθώς το πάχος του στρώματος διοξειδίου του πυριτίου είναι περίπου 0,1 μικρά. Η διάσπαση είναι συνήθως θερμικής φύσης. Αυτός ο τύπος βλάβης μπορεί να συμβεί ως αποτέλεσμα της συσσώρευσης στατικών φορτίων, καθώς η αντίσταση εισόδου των τρανζίστορ MOS είναι υψηλή. Για να εξαλειφθεί η πιθανότητα αυτού του τύπου βλάβης, η είσοδος του τρανζίστορ MOS προστατεύεται συχνά με μια δίοδο zener, η οποία περιορίζει την τάση στην πύλη.
Οικογένεια στατικών χαρακτηριστικών 
στο 
Ένα τρανζίστορ MOS με επαγόμενο κανάλι, κατασκευασμένο σύμφωνα με τα παραπάνω, φαίνεται στο Σχ. 10.21.
μια περιοχή απότομης αλλαγής του ρεύματος και μια περιοχή όπου η αλλαγή στο ρεύμα είναι μικρή.
Μια παράμετρος της οικογένειας των χαρακτηριστικών εξόδου ενός διπολικού τρανζίστορ είναι το ρεύμα βάσης - η συσκευή ελέγχεται από ρεύμα. για ένα τρανζίστορ MOS με επαγόμενο κανάλι, η παράμετρος της οικογένειας χαρακτηριστικών εξόδου είναι η τάση πύλης 
- η συσκευή ελέγχεται από την τάση. Με αυξανόμενη τάση 
Η αντίσταση του καναλιού μειώνεται και το ρεύμα αποστράγγισης 
αυξάνεται - το χαρακτηριστικό πηγαίνει ψηλότερα. Τα χαρακτηριστικά I-V εξόδου του τρανζίστορ MOS φεύγουν από την αρχή, ενώ τα χαρακτηριστικά εξόδου I-V του διπολικού τρανζίστορ μπορούν να μετατοπιστούν κατά μήκος του άξονα τάσης.
Στο γράφημα της οικογένειας 
στο 
MIS - τρανζίστορ με επαγόμενο κανάλι (Εικ. 10.21) διακρίνονται τρεις κύριες περιοχές εργασίας:
1 – Περιοχή αποκοπής ρεύματος εξόδου: τρανζίστορ κλειστό ( 
), και ένα μικρό ρεύμα ρέει στο κύκλωμα αποστράγγισης λόγω διαρροής και αντίστροφου ρεύματος της διασταύρωσης αποστράγγισης (10 -6 A)4
2 – ενεργή περιοχή (επίπεδο μέρος των χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης εξόδου, για την οποία 
Και 
) – η περιοχή όπου το ρεύμα εξόδου 
παραμένει ουσιαστικά αμετάβλητη με την ανάπτυξη 
;
3 – περιοχή ανοιχτής κατάστασης (απότομο τμήμα του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης εξόδου): ρεύμα 
σε αυτόν τον τομέα λειτουργίας ρυθμίζεται από ένα εξωτερικό κύκλωμα.
Έτσι, στην περιοχή 1 το σημείο λειτουργίας βρίσκεται εάν το τρανζίστορ MOS είναι κλειδωμένο, στην περιοχή 3 - εάν είναι ανοιχτό. αυτές οι περιοχές αντιστοιχούν στις στατικές καταστάσεις του τρανζίστορ MOS στον τρόπο λειτουργίας κλειδιού. Η ενεργή περιοχή (περιοχή 2) για τη λειτουργία μεταγωγής του τρανζίστορ MOS είναι η περιοχή της δυναμικής κατάστασης: σε αυτήν την περιοχή το σημείο λειτουργίας βρίσκεται για λίγο κατά τη διαδικασία μετάβασης από τη μια στατική κατάσταση στην άλλη (από κλειστή σε ανοιχτή και αντίστροφα ).
Στην ενεργή περιοχή, το σημείο λειτουργίας βρίσκεται όταν το τρανζίστορ MOS λειτουργεί σε λειτουργία ενίσχυσης, όταν διατηρείται μια γραμμική σχέση μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου.
Στην περιοχή 4 υπάρχουν αρκετά υψηλές τάσεις 
συμβαίνουν φαινόμενα πριν από τη διάσπαση, και στη συνέχεια βλάβη, που συνοδεύεται από απότομη αύξηση του ρεύματος 
. Η περιοχή διάσπασης καθορίζει την επιλογή των μέγιστων επιτρεπόμενων τάσεων.
Η φύση των χαρακτηριστικών στατικής μετάδοσης 
στο 
είναι σαφές από την αρχή λειτουργίας ενός τρανζίστορ MOS επαγόμενου καναλιού. Χαρακτηριστικά για διαφορετικές τάσεις 
αφήστε το σημείο στον άξονα x που αντιστοιχεί 
.(Εικ. 10.22).
Ενδιαφέρουσα και σημαντική από την άποψη της χρήσης τρανζίστορ MOS είναι η αλλαγή θερμοκρασίας στα στατικά χαρακτηριστικά της μετάδοσης. Αυτές οι αλλαγές προκαλούνται από διάφορες φυσικές διεργασίες, οι οποίες οδηγούν στο γεγονός ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας η τάση κατωφλίου 
μειώνεται.
να είναι αρνητικό και θετικό, καθώς και μηδέν σε ένα ορισμένο σημείο λειτουργίας των στατικών χαρακτηριστικών.
Τυπικά, το αποτέλεσμα αντιστάθμισης θερμοκρασίας επιτυγχάνεται σε τάσεις πύλης ελαφρώς υψηλότερες από 
. Επιπλέον, πρέπει επίσης να λάβει κανείς υπόψη ότι η απότομη 
Τα χαρακτηριστικά μετάδοσης, τα οποία καθορίζουν τις ιδιότητες ενίσχυσης του τρανζίστορ MOS, αλλάζουν με τη θερμοκρασία ακόμη και σε σταθερό σταθερό ρεύμα αποστράγγισης.
Ας εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας ενός τρανζίστορ MOS με ενσωματωμένο κανάλι n-τύπου (Εικ. 10.24).
Η διαμόρφωση της αντίστασης του αγώγιμου καναλιού μπορεί να συμβεί όταν η τάση της πύλης αλλάζει, τόσο θετική όσο και αρνητική πολικότητα. Σε τάσεις 
Και 
μέσω του καναλιού n-είδος ρεύματος που ρέει. Αν 
, τότε η πύλη φορτίζεται αρνητικά και στο επιφανειακό στρώμα που βρίσκεται κάτω από αυτήν, λόγω της απομάκρυνσης ελεύθερων ηλεκτρονίων από αυτήν, εμφανίζεται ένα θετικό φορτίο ιόντων. Ένα στρώμα που δεν περιέχει κύριους φορείς αυξάνει την αντίσταση του καναλιού. Φτάνοντας 
το στρώμα εξάντλησης μπλοκάρει το κανάλι και δεν ρέει ρεύμα μέσα από αυτό. Υπάρχει μια λειτουργία αποκοπής. Στο 
το κανάλι εμπλουτίζεται με φορείς φορτίου (σε αυτή την περίπτωση, ηλεκτρόνια), η αντίστασή του μειώνεται, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος αποστράγγισης.
Έτσι, ένα τρανζίστορ MOS με ενσωματωμένο κανάλι μπορεί να λειτουργήσει τόσο στη λειτουργία εμπλουτισμού όσο και στη λειτουργία εξάντλησης του καναλιού από φορείς φόρτισης.
Οικογένεια στατικών χαρακτηριστικών εξόδου και χαρακτηριστικών στατικής μετάδοσης τρανζίστορ MOS με ενσωματωμένο κανάλι n-ο τύπος φαίνεται στο Σχ. 10.25.
|
|
|
|
στατικά χαρακτηριστικά εξόδου |
χαρακτηριστικό μετάδοσης |
Τα στοιχεία ημιαγωγών αυξάνονται συνεχώς. Κάθε νέα εφεύρεση σε αυτόν τον τομέα, στην πραγματικότητα, αλλάζει ολόκληρη την κατανόηση των ηλεκτρονικών συστημάτων. Οι δυνατότητες σχεδίασης κυκλωμάτων αλλάζουν και εμφανίζονται νέες συσκευές που βασίζονται σε αυτές. Έχει περάσει πολύς καιρός από την εφεύρεσή του (1948). Οι δομές "p-n-p" και "n-p-n" εφευρέθηκαν Με την πάροδο του χρόνου, εμφανίστηκε ένα τρανζίστορ MIS, που λειτουργεί με βάση την αρχή της αλλαγής της ηλεκτρικής αγωγιμότητας ενός στρώματος ημιαγωγών κοντά στην επιφάνεια υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Εξ ου και ένα άλλο όνομα για αυτό το στοιχείο - πεδίο.
Η ίδια η συντομογραφία MIS (μέταλλο-διηλεκτρικό-ημιαγωγός) χαρακτηρίζει την εσωτερική δομή αυτής της συσκευής. Πράγματι, η πύλη του είναι απομονωμένη από την αποχέτευση και την πηγή με ένα λεπτό μη αγώγιμο στρώμα. Ένα σύγχρονο τρανζίστορ MOS έχει μήκος πύλης 0,6 microns. Μόνο ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να περάσει μέσα από αυτό - αυτό είναι που επηρεάζει την ηλεκτρική κατάσταση του ημιαγωγού.
Ας δούμε πώς λειτουργεί και ας μάθουμε ποια είναι η κύρια διαφορά του από τον διπολικό «αδελφό» του. Όταν εμφανιστεί το απαιτούμενο δυναμικό, εμφανίζεται ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στην πύλη του. Επηρεάζει την αντίσταση της διασταύρωσης αποστράγγισης-πηγής. Ακολουθούν ορισμένα από τα οφέλη που προκύπτουν από τη χρήση αυτής της συσκευής.
Κατά το σχεδιασμό και την εργασία με αυτά τα στοιχεία, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη ότι τα τρανζίστορ MOS είναι πολύ ευαίσθητα στην υπέρταση στο κύκλωμα και ότι, δηλαδή, η συσκευή μπορεί να αποτύχει όταν αγγίζει τους ακροδέκτες ελέγχου. Κατά την εγκατάσταση ή την αποσυναρμολόγηση, χρησιμοποιήστε ειδική γείωση.
Οι προοπτικές χρήσης αυτής της συσκευής είναι πολύ καλές. Λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του, έχει βρει ευρεία εφαρμογή σε διάφορους ηλεκτρονικούς εξοπλισμούς. Μια καινοτόμος τάση στα σύγχρονα ηλεκτρονικά είναι η χρήση μονάδων ισχύος IGBT για λειτουργία σε διάφορα κυκλώματα, συμπεριλαμβανομένων και επαγωγικών.
Η τεχνολογία παραγωγής τους βελτιώνεται συνεχώς. Γίνονται εξελίξεις για την κλιμάκωση (μείωση) του μήκους του κλείστρου. Αυτό θα βελτιώσει τις ήδη καλές παραμέτρους απόδοσης της συσκευής.
ΘΕΜΑ 5. ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΠΕΔΙΟΥ
Ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου είναι μια ηλεκτρική συσκευή μετατροπής στην οποία το ρεύμα που ρέει μέσω του καναλιού ελέγχεται από ένα ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από την εφαρμογή τάσης μεταξύ της πύλης και της πηγής και το οποίο έχει σχεδιαστεί για να ενισχύει την ισχύ των ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων.
Η κατηγορία των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου περιλαμβάνει τρανζίστορ των οποίων η αρχή λειτουργίας βασίζεται στη χρήση φορέων φορτίου μόνο ενός πρόσημου (ηλεκτρόνια ή οπές). Ο έλεγχος ρεύματος στα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου πραγματοποιείται αλλάζοντας την αγωγιμότητα του καναλιού μέσω του οποίου ρέει το ρεύμα του τρανζίστορ υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, τα τρανζίστορ ονομάζονται τρανζίστορ φαινομένου πεδίου.
Σύμφωνα με τη μέθοδο δημιουργίας ενός καναλιού, τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου διακρίνονται με μια πύλη με τη μορφή σύνδεσης ελέγχου p-n και με μια μονωμένη πύλη (τρανζίστορ MDS ή MOS): ένα ενσωματωμένο κανάλι και ένα κανάλι επαγωγής.
Ανάλογα με την αγωγιμότητα του καναλιού, τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου χωρίζονται σε: τρανζίστορ πεδίου με κανάλι τύπου p και n. Το κανάλι τύπου p έχει αγωγιμότητα οπής και το κανάλι τύπου n έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα.
5.1 Τρανζίστορ πεδίου με έλεγχο p- n-μετάβαση
5.1.1 Σχεδιασμός και αρχή λειτουργίας
Ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με μια σύνδεση ελέγχου p-n είναι ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου του οποίου η πύλη διαχωρίζεται ηλεκτρικά από το κανάλι με μια ανάστροφη πόλωση σύνδεση p-n.
Εικόνα 5.1 – Σχεδιασμός τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με διασταύρωση ελέγχου p-n (κανάλι τύπου n)
Εικόνα 5.2 – Σύμβολο για ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με μια σύνδεση p-n και ένα κανάλι τύπου n (a), ένα κανάλι τύπου p (b)
Ένα κανάλι τρανζίστορ με επίδραση πεδίου είναι μια περιοχή σε έναν ημιαγωγό στην οποία το ρεύμα των κύριων φορέων φορτίου ρυθμίζεται αλλάζοντας τη διατομή του.
Το ηλεκτρόδιο (τερματικό) μέσω του οποίου οι κύριοι φορείς φορτίου εισέρχονται στο κανάλι ονομάζεται πηγή. Το ηλεκτρόδιο μέσω του οποίου οι κύριοι φορείς φορτίου εγκαταλείπουν το κανάλι ονομάζεται αποστράγγιση. Το ηλεκτρόδιο που χρησιμεύει για τη ρύθμιση της διατομής του καναλιού λόγω της τάσης ελέγχου ονομάζεται πύλη.
Κατά κανόνα, παράγονται τρανζίστορ πεδίου πυριτίου. Το πυρίτιο χρησιμοποιείται επειδή το ρεύμα πύλης, δηλ. Το αντίστροφο ρεύμα της σύνδεσης p-n είναι πολλές φορές μικρότερο από αυτό του γερμανίου.
Σύμβολα για τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με κανάλια τύπου n και p φαίνονται στην Εικ. 5.2.
Η πολικότητα των εξωτερικών τάσεων που παρέχονται στο τρανζίστορ φαίνεται στο Σχ. 5.1. Η τάση ελέγχου (εισόδου) εφαρμόζεται μεταξύ της πύλης και της πηγής. Η τάση Uzi είναι αντίστροφη και για τις δύο συνδέσεις p-n. Το πλάτος των κόμβων p-n και, κατά συνέπεια, η αποτελεσματική περιοχή διατομής του καναλιού, η αντίστασή του και το ρεύμα στο κανάλι εξαρτώνται από αυτήν την τάση. Καθώς αυξάνεται, οι διασταυρώσεις p-n επεκτείνονται, η περιοχή διατομής του καναλιού που μεταφέρει ρεύμα μειώνεται, η αντίστασή του αυξάνεται και, κατά συνέπεια, το ρεύμα στο κανάλι μειώνεται. Επομένως, εάν μια πηγή τάσης Uc είναι συνδεδεμένη μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης, τότε η ισχύς του ρεύματος αποστράγγισης Ic που ρέει μέσω του καναλιού μπορεί να ελεγχθεί αλλάζοντας την αντίσταση (διατομή) του καναλιού χρησιμοποιώντας την τάση που εφαρμόζεται στην πύλη. Η λειτουργία ενός τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με μια σύνδεση ελέγχου p-n βασίζεται σε αυτήν την αρχή.
Στην τάση Uzi = 0, η διατομή του καναλιού είναι μεγαλύτερη, η αντίστασή του είναι ελάχιστη και το ρεύμα Iс είναι το μεγαλύτερο.
Το ρεύμα αποστράγγισης Ic init στο Uzi = 0 ονομάζεται αρχικό ρεύμα αποστράγγισης.
Η τάση Uzi, στην οποία το κανάλι είναι εντελώς φραγμένο και το ρεύμα αποστράγγισης Ic γίνεται πολύ μικρό (δέκα των μικροαμπέρ), ονομάζεται τάση διακοπής Uziots.
5.1.2 Στατικά χαρακτηριστικά ενός τρανζίστορ πεδίου με έλεγχο p- n-μετάβαση
Ας εξετάσουμε τα χαρακτηριστικά τάσης ρεύματος των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με διασταύρωση p-n. Για αυτά τα τρανζίστορ, δύο τύποι χαρακτηριστικών βολτ-αμπέρ παρουσιάζουν ενδιαφέρον: το drain και το drain-gate.
Τα χαρακτηριστικά αποστράγγισης (εξόδου) ενός τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με σύνδεση p-n και κανάλι τύπου n φαίνονται στο Σχήμα. 5.3, α. Αντικατοπτρίζουν την εξάρτηση του ρεύματος αποστράγγισης από την τάση Usi σε σταθερή τάση Usi: Ic = f (Usi) σε Usi = const.
α) β) Εικόνα 5.3 – Χαρακτηριστικά τάσης ρεύματος ενός τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με διασταύρωση pn και κανάλι τύπου n: a – drain (έξοδος). β – κοντάκι – μπουλόνι
Ένα χαρακτηριστικό ενός τρανζίστορ φαινομένου πεδίου είναι ότι η αγωγιμότητα του καναλιού επηρεάζεται τόσο από την τάση ελέγχου Uzi όσο και από την τάση Uci. Όταν Usi = 0, το ρεύμα εξόδου Ic = 0. Σε Usi > 0 (Uzi = 0), το ρεύμα Ic ρέει μέσω του καναλιού, με αποτέλεσμα μια πτώση τάσης που αυξάνεται προς την κατεύθυνση της αποστράγγισης. Η συνολική πτώση τάσης του τμήματος πηγής-αποχέτευσης είναι ίση με Uс. Η αύξηση της τάσης Uс προκαλεί αύξηση της πτώσης τάσης στο κανάλι και μείωση της διατομής του και, κατά συνέπεια, μείωση της αγωγιμότητας του καναλιού. Σε μια συγκεκριμένη τάση Uс, το κανάλι στενεύει, οπότε τα όρια και των δύο κόμβων pn κλείνουν και η αντίσταση του καναλιού γίνεται υψηλή. Αυτή η τάση Usi ονομάζεται τάση επικάλυψης ή τάση κορεσμού Usinas. Όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση Uzi στην πύλη, εμφανίζεται ένα πρόσθετο στένωση του καναλιού και η επικάλυψη του γίνεται σε χαμηλότερη τιμή τάσης Usinas. Στον τρόπο λειτουργίας, χρησιμοποιούνται επίπεδα (γραμμικά) τμήματα των χαρακτηριστικών εξόδου.
Το χαρακτηριστικό πύλης αποστράγγισης ενός τρανζίστορ φαινομένου πεδίου δείχνει την εξάρτηση του ρεύματος Ic από την τάση Uzi σε σταθερή τάση Usi: Ic = f (Usi) στο Usi = const (Εικ. 5.3, b).
5.1.3 Βασικές παράμετροι
· Μέγιστο ρεύμα αποστράγγισης Icmax (στο Uzi = 0);
· μέγιστη τάση πηγής αποστράγγισης Uсmax;
· Τάση αποκοπής Uziots;
· εσωτερική αντίσταση (εξόδου) ri - αντιπροσωπεύει την αντίσταση του τρανζίστορ μεταξύ αποστράγγισης και πηγής (αντίσταση καναλιού) για εναλλασσόμενο ρεύμα:
με Uzi = const;· Χαρακτηριστικό κλίσης της πύλης αποστράγγισης:
όταν Us = const,εμφανίζει την επίδραση της τάσης πύλης στο ρεύμα εξόδου του τρανζίστορ.
· αντίσταση εισόδου
όταν Uс = το κόστος του τρανζίστορ προσδιορίζεται από την αντίσταση των συνδέσεων p-n, που ωθούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η αντίσταση εισόδου των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με σύνδεση p-n είναι αρκετά υψηλή (φθάνει σε μονάδες και δεκάδες megaohms), γεγονός που τα διακρίνει ευνοϊκά από τα διπολικά τρανζίστορ.5.2 Τρανζίστορ εφέ πεδίου με μόνωση πύλης
5.2.1 Σχεδιασμός και αρχή λειτουργίας
Ένα τρανζίστορ πεδίου με μόνωση πύλης (IGF transistor) είναι ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου του οποίου η πύλη διαχωρίζεται ηλεκτρικά από το κανάλι με ένα διηλεκτρικό στρώμα.
Τα τρανζίστορ MIS (δομή: μέταλλο-διηλεκτρικό-ημιαγωγός) είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο. Το οξείδιο του πυριτίου SiO2 χρησιμοποιείται ως διηλεκτρικό. εξ ου και ένα άλλο όνομα για αυτά τα τρανζίστορ - τρανζίστορ MOS (δομή: μεταλλικό-οξείδιο-ημιαγωγός). Η παρουσία ενός διηλεκτρικού παρέχει υψηλή αντίσταση εισόδου των υπό εξέταση τρανζίστορ (1012 ... 1014 Ohm).
Η αρχή λειτουργίας των τρανζίστορ MIS βασίζεται στην επίδραση της αλλαγής της αγωγιμότητας του στρώματος κοντά στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού στο όριο με ένα διηλεκτρικό υπό την επίδραση ενός εγκάρσιου ηλεκτρικού πεδίου. Το επιφανειακό στρώμα του ημιαγωγού είναι το κανάλι μεταφοράς ρεύματος αυτών των τρανζίστορ. Τα τρανζίστορ MIS διατίθενται σε δύο τύπους - με ενσωματωμένο κανάλι και με επαγόμενο κανάλι.
Ας εξετάσουμε τα χαρακτηριστικά του MIS - τρανζίστορ με ενσωματωμένο κανάλι. Ο σχεδιασμός ενός τέτοιου τρανζίστορ με κανάλι τύπου n φαίνεται στο Σχ. 5.4, α. Στην αρχική γκοφρέτα πυριτίου τύπου p με σχετικά υψηλή ειδική αντίσταση, η οποία ονομάζεται υπόστρωμα, δημιουργούνται δύο περιοχές με έντονη πρόσμιξη με τον αντίθετο τύπο ηλεκτρικής αγωγιμότητας, n, χρησιμοποιώντας τεχνολογία διάχυσης. Σε αυτές τις περιοχές εφαρμόζονται μεταλλικά ηλεκτρόδια - πηγή και αποστράγγιση. Μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης υπάρχει ένα λεπτό κανάλι κοντά στην επιφάνεια με ηλεκτρική αγωγιμότητα τύπου n. Η επιφάνεια του κρυστάλλου ημιαγωγού μεταξύ της πηγής και της αποχέτευσης καλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα (περίπου 0,1 μm) διηλεκτρικού. Ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο - μια πύλη - εφαρμόζεται στο διηλεκτρικό στρώμα. Η παρουσία ενός διηλεκτρικού στρώματος επιτρέπει σε ένα τέτοιο τρανζίστορ φαινομένου πεδίου να παρέχει τάση ελέγχου και των δύο πολικοτήτων στην πύλη.
Εικόνα 5.4 – Σχεδιασμός τρανζίστορ MIS με ενσωματωμένο κανάλι τύπου n (a). οικογένεια των χαρακτηριστικών του αποθέματος (β)· χαρακτηριστικό πύλης αποστράγγισης (γ)
Όταν εφαρμόζεται θετική τάση στην πύλη, το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται σε αυτήν την περίπτωση θα ωθήσει οπές από το κανάλι στο υπόστρωμα και τα ηλεκτρόνια θα τραβήξουν έξω από το υπόστρωμα στο κανάλι. Το κανάλι εμπλουτίζεται με τους κύριους φορείς φορτίου - ηλεκτρόνια, η αγωγιμότητά του αυξάνεται και το ρεύμα αποστράγγισης αυξάνεται. Αυτή η λειτουργία ονομάζεται λειτουργία εμπλουτισμού.
Όταν μια αρνητική τάση σε σχέση με την πηγή εφαρμόζεται στην πύλη, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο στο κανάλι, υπό την επίδραση του οποίου τα ηλεκτρόνια ωθούνται έξω από το κανάλι μέσα στο υπόστρωμα και οι οπές αντλούνται από το υπόστρωμα στο κανάλι. Το κανάλι εξαντλείται από κύριους φορείς φορτίου, η αγωγιμότητά του μειώνεται και το ρεύμα αποστράγγισης μειώνεται. Αυτή η λειτουργία του τρανζίστορ ονομάζεται λειτουργία εξάντλησης.
Σε τέτοια τρανζίστορ σε Usi = 0, εάν εφαρμόζεται τάση μεταξύ της αποστράγγισης και της πηγής (Usi > 0), ρέει ένα ρεύμα αποστράγγισης Iin, που ονομάζεται αρχικό u, το οποίο είναι μια ροή ηλεκτρονίων.
Ο σχεδιασμός ενός τρανζίστορ MIS με επαγόμενο κανάλι τύπου n φαίνεται στο Σχ. 5.5, α
