Tranzistoare cu efect de câmp cu circuit de comutare cu poartă izolată. Tranzistoare cu efect de câmp: principiu de funcționare, circuite, moduri de funcționare și modelare
Tranzistoare cu efect de câmp sunt dispozitive semiconductoare active, de obicei cu trei terminale, în care curentul de ieșire este controlat de un câmp electric. (electro.ru)
Definiția nu numai că a confirmat ipotezele noastre, ci a demonstrat și o caracteristică a tranzistoarelor cu efect de câmp - curentul de ieșire este controlat prin modificarea câmpului electric aplicat, de exemplu. Voltaj. Dar pentru tranzistoarele bipolare, după cum ne amintim, curentul de ieșire este controlat de curentul de bază de intrare.
Un alt fapt despre tranzistoarele cu efect de câmp poate fi găsit acordând atenție celuilalt nume al lor - unipolar. Aceasta înseamnă că un singur tip de purtător de sarcină (fie electroni, fie găuri) este implicat în procesul de curgere a curentului.
Cele trei contacte ale tranzistoarelor cu efect de câmp sunt numite sursă(sursa purtătorilor de curent), Poartă(electrodul de control) și scurgere(electrod unde curg purtătorii). Structura pare simplă și foarte asemănătoare cu designul unui tranzistor bipolar. Dar poate fi implementat în cel puțin două moduri. Prin urmare, se disting tranzistoarele cu efect de câmp cu joncțiune p-n de controlȘi cu obturator izolat.
În general, ideea acestuia din urmă a apărut în anii 20 ai secolului XX, cu mult înainte de inventarea tranzistoarelor bipolare. Dar nivelul de tehnologie a făcut posibilă implementarea acestuia abia în 1960. În anii 50, un tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control a fost mai întâi descris teoretic și apoi implementat. Și, la fel ca „frații” lor bipolari, tranzistoarele cu efect de câmp joacă încă un rol imens în electronică.
Înainte de a trece la povestea despre fizica funcționării tranzistoarelor unipolare, aș dori să vă reamintesc de legăturile în care vă puteți reîmprospăta cunoștințele despre joncțiunea pn: unu și doi.
Tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune p-n de control
Deci, cum funcționează primul tip de tranzistor cu efect de câmp? Dispozitivul se bazează pe o placă semiconductoare cu (de exemplu) conductivitate de tip p. La capetele opuse are electrozi, prin aplicarea tensiunii la care vom primi curent de la sursa la scurgere. Pe partea de sus a acestei plăci există o zonă cu tipul opus de conductivitate, la care este conectat al treilea electrod - poarta. Desigur, între poartă și regiunea p de sub ea ( canal) are loc o tranziție p-n. Și din moment ce stratul n este semnificativ la același canal, atunci cea mai mare parte a regiunii de tranziție epuizate de purtători de încărcare mobilă va cădea pe stratul p. În consecință, dacă aplicăm o tensiune de polarizare inversă joncțiunii, atunci când se închide, va crește semnificativ rezistența canalului și va reduce curentul dintre sursă și scurgere. Astfel, curentul de ieșire al tranzistorului este reglat folosind tensiunea (câmpul electric) al porții.Se poate face următoarea analogie: o joncțiune pn este un baraj care blochează fluxul purtătorilor de sarcină de la sursă la scurgere. Prin creșterea sau scăderea tensiunii inverse pe acesta, deschidem/închidem porțile de pe acesta, reglând „alimentarea cu apă” (curent de ieșire).
Deci, în mod de operare tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control, tensiunea la poartă trebuie să fie fie zero (canalul este complet deschis), fie inversă. 
Dacă tensiunea inversă devine atât de mare încât stratul de blocare închide canalul, tranzistorul va intra în modul de întrerupere.
Chiar și cu tensiunea de poartă zero, există o tensiune inversă între poartă și drenaj egală cu tensiunea sursă-dren. Acesta este motivul pentru care joncțiunea pn are o formă atât de zimțată, lărgindu-se spre regiunea de scurgere.
Este de la sine înțeles că este posibil să se realizeze un tranzistor cu un canal de tip n și o poartă de tip p. Esența operei sale nu se va schimba.
Imaginile grafice convenționale ale tranzistorilor cu efect de câmp sunt prezentate în figură ( A- cu canal de tip p, b- cu canal de tip n). Săgeata indică aici direcția de la stratul p la stratul n.
Caracteristicile statice ale unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control
Deoarece în modul de funcționare curentul de poartă este de obicei mic sau chiar zero, nu vom lua în considerare grafice ale caracteristicilor de intrare ale tranzistoarelor cu efect de câmp. Să trecem direct la weekend sau la stoc. Apropo, ele se numesc statice, deoarece pe poartă se aplică o tensiune constantă. Acestea. nu este nevoie să se țină cont de momentele de frecvență, tranzitorii etc.
Zi libera (stoc) se numește dependența curentului de scurgere de tensiunea sursă-dren la o tensiune poartă-sursă constantă. Figura arată graficul din stânga.
Trei zone pot fi distinse clar pe grafic. Prima dintre ele este zona de creștere bruscă a curentului de scurgere. Acesta este așa-numitul regiune „ohmică”.. Canalul sursă-dren se comportă ca un rezistor a cărui rezistență este controlată de tensiunea de la poarta tranzistorului.
Zona a doua - regiune de saturație. Are un aspect aproape liniar. Aici, canalul se suprapune în regiunea de scurgere, care crește odată cu o creștere suplimentară a tensiunii sursă-dren. În consecință, crește și rezistența canalului, iar curentul de scurgere se modifică foarte puțin (legea lui Ohm, totuși). Această secțiune a caracteristicii este utilizată în tehnologia de amplificare, deoarece aici există cea mai mică distorsiune a semnalului neliniar și valori optime ale parametrilor de semnal mic care sunt esențiale pentru amplificare. Acești parametri includ panta, rezistența internă și câștigul. Semnificațiile tuturor acestor fraze obscure vor fi dezvăluite mai jos.
A treia zonă a diagramei - zona de defalcare, al cărui nume vorbește de la sine.
În partea dreaptă a figurii există un grafic al unei alte relații importante - caracteristicile portii. Acesta arată cum curentul de scurgere depinde de tensiunea poartă-sursă atunci când tensiunea dintre sursă și dren este constantă. Și abruptul său este unul dintre principalii parametri ai unui tranzistor cu efect de câmp.
Tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată
Astfel de tranzistoare sunt adesea numite și tranzistori MOS (metal-dielectric-semiconductor) sau MOS (metal-oxide-semiconductor) (tranzistor cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor, MOSFET). În astfel de dispozitive, poarta este separată de canal printr-un strat subțire de dielectric. Baza fizică a activității lor este efectul modificării conductivității stratului apropiat de suprafață al unui semiconductor la interfața cu un dielectric sub influența unui câmp electric transversal.
Structura tranzistoarelor de acest tip este următoarea. Există un substrat semiconductor cu p-conductivitate, în care sunt realizate două regiuni puternic dopate cu n-conductivitate (sursă și dren). Între ele se află o punte îngustă aproape de suprafață, a cărei conductivitate este, de asemenea, de tip n. Deasupra acestuia, pe suprafața plachetei, există un strat subțire de dielectric (cel mai adesea din dioxid de siliciu - de unde, apropo, abrevierea MOS). Și pe acest strat se află obturatorul - o peliculă subțire de metal. Cristalul în sine este de obicei conectat la sursă, deși se întâmplă să fie conectat separat. Dacă se aplică o tensiune sursă-dren la o tensiune de poartă zero, atunci curentul va curge prin canalul dintre ele. De ce nu prin cristal? Pentru că una din nodurile pn va fi închisă.
Acum să aplicăm o tensiune negativă în raport cu sursa la poartă. Câmpul electric transversal rezultat va „împinge” electronii din canal în substrat. În consecință, rezistența canalului va crește și curentul care circulă prin acesta va scădea. Acest mod, în care curentul de ieșire scade pe măsură ce tensiunea de poartă crește, este numit modul slab.
Dacă aplicăm o tensiune pe poartă, care va contribui la apariția unui câmp care „ajută” electronii să „vină” în canalul din substrat, atunci tranzistorul va funcționa în modul de îmbogățire. În acest caz, rezistența canalului va scădea, iar curentul prin acesta va crește.
Proiectarea unui tranzistor cu o poartă izolată discutată mai sus este similară cu proiectarea cu o joncțiune p-n de control, prin aceea că, chiar și cu curent zero pe poartă și o tensiune de drenaj sursă diferită de zero între ele există așa-numita curent de scurgere inițial. În ambele cazuri, acest lucru se datorează faptului că canalul pentru acest curent incorporatîn designul tranzistorului. Adică, strict vorbind, tocmai am considerat un astfel de subtip de tranzistori MOS ca tranzistoare cu canal încorporat.
Cu toate acestea, există un alt tip de tranzistoare cu efect de câmp cu o poartă izolată - tranzistor cu canal indus (invers).. Din denumire este deja clar că diferă de precedentul - canalul său dintre zonele puternic dopate ale drenului și sursei apare numai atunci când la poartă este aplicată o tensiune cu o anumită polaritate.
Deci, aplicăm tensiune doar sursei și scurgerii. Nu va curge nici un curent între ele, deoarece una dintre joncțiunile pn dintre ele și substrat este închisă.
Să aplicăm tensiune la poartă (direct în raport cu sursa). Câmpul electric rezultat va „trage” electroni din regiunile puternic dopate în substrat în direcția porții. Și când tensiunea de poartă atinge o anumită valoare în zona apropiată de suprafață, așa-numita inversiune tip de conductivitate. Acestea. concentrația de electroni va depăși concentrația de gaură și va apărea un canal subțire de tip n între dren și sursă. Tranzistorul va începe să conducă curentul, cu cât este mai puternică, cu atât este mai mare tensiunea de poartă.
Din acest design, este clar că un tranzistor cu un canal indus poate funcționa numai în modul de îmbogățire. Prin urmare, ele se găsesc adesea în dispozitivele de comutare.
Simbolurile pentru tranzistoarele cu poartă izolată sunt următoarele: 
Aici
A− cu canal de tip n incorporat;
b− cu canal de tip p incorporat;
V− cu ieşire din substrat;
G− cu un canal indus de tip n;
d− cu un canal de tip p indus;
e− cu ieșire din substrat.
Caracteristicile statice ale tranzistoarelor MOS
Familia de drenaj și caracteristicile porții de drenare ale unui tranzistor cu un canal încorporat sunt prezentate în următoarea figură:
Aceleași caracteristici pentru un tranzistor cu canal indus:
Structuri exotice MIS
Pentru a nu încurca prezentarea, vreau doar să vă recomand link-uri de unde puteți citi despre ele. În primul rând, aceasta este Wikipedia favorită a tuturor, secțiunea „Special Scope MDP Structures”. Și iată teoria și formulele: un manual de electronică solidă, capitolul 6, subcapitolele 6.12-6.15. Citește, e interesant!Parametri generali ai tranzistoarelor cu efect de câmp
- Curent de scurgere maxim la o tensiune poartă-sursă fixă.
- Tensiune maximă dren-sursă, după care apare deja o defecțiune.
- Rezistență internă (de ieșire).. Reprezintă rezistența canalului pentru curent alternativ (tensiunea poartă-sursă este constantă).
- Panta caracteristicii poarta de scurgere. Cu cât este mai mare, cu atât răspunsul tranzistorului la modificările tensiunii la poartă este mai „ascuțit”.
- Impedanta de intrare. Este determinată de rezistența joncțiunii pn polarizate invers și atinge de obicei câțiva și zeci de megaohmi (ceea ce distinge tranzistoarele cu efect de câmp de „rudele” lor bipolare). Și printre tranzistoarele cu efect de câmp înșiși, palma aparține dispozitivelor cu o poartă izolată.
- Câştig- raportul dintre modificarea tensiunii sursă-dren și modificarea tensiunii poartă-sursă la un curent de dren constant.
Scheme de conectare
Ca și unul bipolar, un tranzistor cu efect de câmp poate fi considerat un dispozitiv cu patru terminale, în care două dintre cele patru contacte coincid. Astfel, se pot distinge trei tipuri de circuite de comutare: cu o sursă comună, cu o poartă comună și cu o scurgere comună. Caracteristicile lor sunt foarte asemănătoare cu emițătorul obișnuit, baza comună și circuitele colectoare comune pentru tranzistoarele bipolare.
Cel mai des folosit circuit sursă comună (A), ca oferind un câștig mai mare de curent și putere.
Circuit de poartă comun (b) nu oferă aproape nicio amplificare a curentului și are o rezistență de intrare scăzută. Din acest motiv, o astfel de schemă de conectare are o aplicație practică limitată.
Schemă cu o scurgere comună (V) numit si adeptul sursei. Câștigul său de tensiune este aproape de unitate, rezistența de intrare este mare, iar rezistența de ieșire este mică.
Diferențele dintre tranzistoarele cu efect de câmp și cele bipolare. Domenii de utilizare
După cum am menționat mai sus, prima și principala diferență dintre aceste două tipuri de tranzistoare este că acestea din urmă sunt controlate prin schimbarea curentului, iar primele de tensiune. Și de aici urmează și alte avantaje ale tranzistoarelor cu efect de câmp în comparație cu cele bipolare:- impedanță mare de intrare pentru curent continuu și la frecvență înaltă, deci pierderi reduse de control;
- performanță ridicată (datorită absenței acumulării și resorbției purtătorilor minori);
- întrucât proprietățile de amplificare ale tranzistoarelor cu efect de câmp se datorează transferului purtătorilor de sarcină majoritari, limita lor superioară a câștigului efectiv este mai mare decât cea a celor bipolare;
- stabilitate la temperaturi ridicate;
- nivel scăzut de zgomot, deoarece tranzistoarele cu efect de câmp nu utilizează fenomenul de injectare a purtătorilor de sarcină minoritari, ceea ce face ca tranzistorii bipolari să fie „zgomotoși”;
- consum redus de putere.
Unde se folosesc tranzistoarele cu efect de câmp? Da, aproape peste tot. Circuite integrate digitale și analogice, dispozitive de urmărire și logice, circuite de economisire a energiei, memorie flash... De ce, chiar și ceasurile cu quartz și telecomanda televizorului funcționează pe tranzistoarele cu efect de câmp. Sunt peste tot, % habrowser%. Dar acum știi cum funcționează!
Tranzistoarele cu efect de câmp sunt dispozitive semiconductoare active în care curentul de ieșire este controlat folosind un câmp electric (în tranzistoarele bipolare, curentul de ieșire este controlat de curentul de intrare). Tranzistoarele cu efect de câmp sunt denumite și unipolare, deoarece în fluxul curentului electric este implicat un singur tip de purtător.
Există două tipuri de tranzistoare cu efect de câmp: cu o joncțiune de control și cu o poartă izolată. Toate au trei electrozi: sursa (sursa purtătorilor de curent), poarta (electrodul de control) și scurgerea (electrodul în care curg purtătorii).
Tranzistor cu controlp— n-tranziție . Reprezentarea sa schematică este prezentată în Fig. 1.21, A Denumirea grafică convențională a acestui tranzistor este în Fig. 1.22, A, b (p- Și n-tipuri respectiv). Săgeata indică direcția departe de strat R a stratifica P(ca săgeata din imaginea emițătorului unui tranzistor bipolar). În circuitele integrate, dimensiunile liniare ale tranzistoarelor pot fi semnificativ mai mici de 1 micron.
Orez. 1.22 Proiectarea tranzistorului
Orez. 1.23 Reprezentare grafică:a – canal de tip p; b – canal de tip n
Rezistivitatea stratului n(poarta) este mult mai mică decât rezistivitatea stratului R(canal), deci zona R-n-joncțiunea, sărăcită de purtători de sarcină mobili și având o rezistivitate foarte mare, este localizată în principal în strat R.
Dacă tipurile de conductivitate ale straturilor semiconductoare din tranzistorul considerat sunt modificate în sens opus, atunci obținem un tranzistor cu efect de câmp cu un control
R-n-tranziție și canal n-tip. Dacă aplicați o tensiune pozitivă între poarta și sursa unui tranzistor cu canal p: si zi > 0,
apoi se va schimba p—n-tranzitie in sens invers.
Pe măsură ce tensiunea inversă la joncțiune crește, aceasta se extinde în principal datorită canalului (datorită diferenței de rezistivitate menționate mai sus). Creșterea lățimii de tranziție reduce grosimea canalului și, prin urmare, crește rezistența acestuia. Acest lucru are ca rezultat o scădere a curentului între sursă și scurgere. Acest fenomen vă permite să controlați curentul folosind tensiunea și câmpul electric corespunzător. Dacă tensiunea si zi este suficient de mare, canalul este complet blocat de zonă p—n-tranziție (tensiune de întrerupere).
În modul de lucru R—n- joncțiunea trebuie să fie sub tensiune inversă sau zero. Prin urmare, în modul de funcționare, curentul de poartă este aproximativ zero ( eu z? 0 ), iar curentul de scurgere este aproape egal cu curentul sursei.
La lățime R—n-tranzitia si grosimea canalului sunt direct influentate si de tensiunea dintre sursa si scurgere. Lăsa uzi= 0 și tensiune pozitivă aplicată ueste(Fig. 1.24). Această tensiune va fi aplicată decalajului poartă-dren, adică. se pare că uzs= uesteȘi R—n- joncțiunea este sub tensiune inversă.
Tensiune inversă în diferite zone R—n-tranzițiile sunt diferite. În zonele din apropierea sursei, această tensiune este practic zero, iar în zonele din apropierea drenului, această tensiune este aproximativ egală cu ueste . De aceea p—n-tranzitia va fi mai larga in acele zone care sunt mai aproape de scurgere. Putem presupune că tensiunea din canal crește liniar de la sursă la scurgere.
La ueste =Uziots canalul se va închide complet în apropierea scurgerii (Fig. 1.25). Odată cu creșterea în continuare a tensiunii ueste această zonă a canalului în care este blocat se va extinde.
Circuite de conectare a tranzistorilor . Pentru un tranzistor cu efect de câmp, ca și pentru un tranzistor bipolar, există trei circuite de comutare: circuite cu o poartă comună (03), o sursă comună (CS) și un dren comun (OS). Cele mai frecvent utilizate circuite sunt sursa comună (Fig. 1.26).
Din moment ce în modul de funcționare IC? 0, atunci caracteristicile de intrare nu sunt de obicei luate în considerare.
Caracteristicile producției (stoc). . Caracteristica de ieșire se numește dependență a formei
Unde f– o anumită funcție.
Caracteristicile de ieșire pentru un tranzistor cu R—n-joncțiunea și canalul de tip n sunt prezentate în Fig. 1.27.
Să ne întoarcem la actorii de caractere corespunzători condiției u zi= 0. În regiunea liniară ( tu esti < 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.
La tu esti> 4 V Canalul din zona de drenaj este blocat. O creștere suplimentară a tensiunii duce la o creștere foarte ușoară a curentului, deoarece odată cu creșterea tensiunii, zona în care canalul este blocat se extinde. În acest caz, rezistența decalajului sursă-dren crește, iar curentul IC practic nu se schimba. Aceasta este zona de saturație. Curent de scurgere în regiunea de saturație u zi = 0 și la o tensiune dată si si se numește curent de scurgere inițial și se notează cu eu incep. Pentru caracteristicile luate în considerare eu incep= 5 mA at si si= 10 V.
Parametrii care caracterizează proprietățile unui tranzistor de amplificare a tensiunii sunt:
1) Panta caracteristică porții S(caracteristică pantă a tranzistorului cu efect de câmp):
2) Rezistență diferențială internă Ris diff
3) Câștigă
Se poate observa că
Tranzistoare cu poartă izolată. Un tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată este un tranzistor a cărui poartă este separată electric de canal printr-un strat de dielectric. Baza fizică pentru funcționarea unor astfel de tranzistoare este efectul de câmp, care constă în modificarea concentrației purtătorilor de sarcină libere în regiunea apropiată de suprafață a semiconductorului sub influența unui câmp electric extern. În conformitate cu structura lor, se numesc astfel de tranzistori tranzistoare MOS (metal-dielectric-semiconductor) sau tranzistoare MOS (metal-oxid-semiconductor). Există două tipuri de tranzistoare MOS: cu canale induse și cu canale încorporate.
În fig. Figura 1.28 prezintă principiul unui tranzistor cu canal încorporat.
Baza (substratul) este o placă de siliciu cu conductivitate electrică p-tip. Două zone cu conductivitate electrică sunt create în el n+ -tip cu conductivitate crescută. Aceste regiuni sunt sursa si scufundarea si din ele se trag concluziile. Între scurgere și sursă există un canal aproape de suprafață cu conductivitate electrică de tip n. Zona umbrită este un strat dielectric de dioxid de siliciu (grosimea sa este de obicei de 0,1 - 0,2 µm). Deasupra stratului dielectric există o poartă sub forma unei pelicule subțiri de metal. Cristalul unui astfel de tranzistor este de obicei conectat la sursă, iar potențialul său este considerat zero. Uneori se trage o concluzie separată din cristal.
Dacă se aplică o tensiune zero pe poartă, atunci când se aplică o tensiune între dren și sursă, un curent reprezentând un flux de electroni va curge prin canal. Curentul nu va curge prin cristal, deoarece unul dintre p—n-tranzițiile sunt sub tensiune inversă. Când o tensiune de polaritate negativă este aplicată porții în raport cu sursa (și, prin urmare, cristalul), se formează un câmp electric transversal în canal, care împinge electronii din canal în zonele sursei, drenului și cristalului. Canalul devine epuizat de electroni, rezistența acestuia crește, iar curentul scade. Cu cât tensiunea de poartă este mai mare, cu atât curentul este mai mic. Acest mod este numit modul slab
. Dacă se aplică o tensiune pozitivă pe poartă, atunci sub influența câmpului, electronii vor curge din regiunile de scurgere, sursă și cristal în canal. Rezistența canalului scade, curentul crește. Acest mod este numit
modul de îmbogățire
. Dacă cristalul n-type, atunci canalul trebuie să fie de tip p și polaritatea tensiunii este inversată.
Un alt tip este tranzistor cu canal indus (invers). (Fig. 1.29). Diferă de precedentul prin faptul că canalul apare numai atunci când la poartă este aplicată o tensiune cu o anumită polaritate.
Când nu există tensiune la poartă, nu există niciun canal între sursă și scurgere
n+ -type doar cristalul este localizat p-tip și pe una dintre p-n+ -tranzițiile produc tensiune inversă. În această stare, rezistența dintre dren și sursă este mare și tranzistorul este oprit. Când o tensiune de polaritate pozitivă este aplicată la poartă, sub influența câmpului porții, electronii de conducere se vor deplasa din regiunile de dren și sursă și p-zone spre oblon. Când tensiunea de poartă atinge valoarea de deblocare (prag) (unități de volți), concentrația de electroni în stratul apropiat de suprafață crește atât de mult încât depășește concentrația de gaură și așa-numita inversiune
tip de conductivitate electrică, adică se formează un canal subțire n-tip, iar tranzistorul va începe să conducă curentul. Cu cât tensiunea de poartă este mai mare, cu atât este mai mare curentul de scurgere. Evident, un astfel de tranzistor poate funcționa numai în modul de îmbogățire. Dacă substratul n-type, apoi obțineți un canal indus p-tip. Tranzistorii cu canal indus se găsesc adesea în dispozitivele de comutare. Circuitele de comutare pentru tranzistoarele cu efect de câmp sunt similare cu circuitele de comutare pentru tranzistoarele bipolare. Trebuie remarcat faptul că un tranzistor cu efect de câmp vă permite să obțineți un câștig mult mai mare decât unul bipolar. Deținând o rezistență mare de intrare (și ieșire scăzută), tranzistoarele cu efect de câmp le înlocuiesc treptat pe cele bipolare.
Pe baza conductivității electrice a canalului, ei disting p- canal și n- tranzistoare MOS de canal. Simbolurile acestor dispozitive pe schemele electrice sunt prezentate în Fig. 1.30 . Există o clasificare a tranzistoarelor MOS în funcție de design și caracteristicile tehnologice (de obicei, în funcție de tipul de material al porții).
Orez. 1.30 Simboluri grafice ale tranzistoarelor cu efect de câmp
cu poartă izolată: a – cu canal p încorporat; b – cu încorporat
n-canal; c – cu un canal p indus; d – cu n-canal indus
Circuite integrate care conțin simultan p — tranzistorii MOS cu canale și n canale sunt numiți complementari (abreviați KMDP-IC). KMDP-IC-urile se caracterizează prin imunitate ridicată la zgomot, consum redus de energie și performanță ridicată.
Proprietăți de frecvență tranzistoarele cu efect de câmp sunt determinate de constanta de timp R.C.- circuite de poartă. Deoarece capacitatea de intrare CUzi pentru tranzistoare cu R—n-tranziția este mare (zeci de picofarad), utilizarea lor în trepte de amplificare cu impedanță mare de intrare este posibilă în domeniul de frecvență care nu depășește sute de kiloherți - unități de megaherți.
Când funcționează în circuite de comutare, viteza de comutare este complet determinată de constanta de timp a circuitului porții RC. Tranzistoarele cu efect de câmp cu poartă izolată au o capacitate de intrare mult mai mică, astfel încât proprietățile lor de frecvență sunt mult mai bune decât cele ale tranzistoarelor cu efect de câmp cu joncțiune p-n.
Să luăm în considerare principiul de funcționare al unui tranzistor MOS cu canal indus n-tip.
Cu o creștere treptată a tensiunii pozitive față de sursă 
Și 
se formează o sarcină pozitivă pe poartă, iar în stratul apropiat de suprafață al semiconductorului, se formează mai întâi un strat care este epuizat de purtătorii de substrat principali (în acest caz, găuri).
Cu o creștere în continuare 
electroni liberi p- substraturile semiconductoare (intrinseci, nu impurități) se deplasează în regiunea apropiată de suprafață de sub poartă și formează un invers indus (indus de câmp) (cu inversare în raport cu p-substrat semiconductor conductivitate) strat, care reprezintă canalul n-tip între sursă şi scurgere (Fig. 10.18).
Voltaj 
, la care apare un canal se numește prag 
. Canalul este separat de substrat prin ioni acceptori negativi, adică. stratul epuizat al purtătorului de sarcină. La 
stratul de suprafață este îmbogățit cu electroni și rezistența canalului scade. Acest mod de funcționare al tranzistorului MOS se numește modul de îmbogățire. În tranzistoarele MOS cu un canal indus, există doar un mod de îmbogățire.
|
|
Dacă 
și tensiune 
, apoi când curentul de scurgere trece prin canal 
modelul câmpului echipotenţial prezentat în Fig. 10.18, încălcat. Potențialul de suprafață sub influența curentului de scurgere crește în direcția de la sursă la dren, iar diferența de potențial dintre poartă și suprafață scade, ceea ce în cele din urmă îngustează canalul. Pe măsură ce tensiunea crește 
curent de scurgere 
este, de asemenea, în creștere cu o încetinire treptată a ratei de creștere. Când tensiunea scade pe rezistența de volum a canalului de la curentul de scurgere care curge 
compensează excesul de tensiune 
peste prag, tensiunea dintre dren și poartă va deveni egală 
iar la scurgere, stratul de epuizare se va închide cu suprafața semiconductorului, împiedicând creșterea în continuare a curentului de scurgere. 
(Fig. 10.19).
Aceasta se numește saturație a curentului de scurgere. Voltaj 
, la care curentul de scurgere se saturează 
, se numește tensiune de saturație 
.
|
|
Odată cu creșterea în continuare a tensiunii 
de mai sus 
curent de scurgere 
creste usor doar datorita scaderii lungimii canalului si, in consecinta, scaderii rezistentei canalului (Fig. 10.20).
|
|
Fenomenul de transfer al purtătorilor de sarcină (în acest caz electroni) de la canal prin regiunea de epuizare la dren este similar cu transferul de sarcini de la bază la colectorul unui tranzistor bipolar prin polarizarea inversă. pn-tranziţia sub influenţa câmpului său. Toate creșterile de tensiune 
de mai sus 
sunt aplicate în principal regiunii de epuizare de înaltă rezistență situată la dren, rezultând curentul de scurgere 
aproape nicio creștere.
Voltaj 
depinde semnificativ de tensiunea de pe substrat, deoarece pe măsură ce crește, aria epuizată de sarcini crește. De obicei în structurile MIS cu n-canalul furnizează substratului cel mai negativ potențial al circuitului, astfel încât tranziția sursă-substrat să fie întotdeauna închisă. Influența tensiunii continue între sursă și substrat poate fi luată în considerare prin includerea acesteia cu un anumit coeficient în expresia pentru 
.
În fig. 10.17 – 10.20 au fost trasate limite clare între regiunile de încărcare ale structurii MIS. În realitate, schimbarea concentrațiilor de sarcină este lină și nu există limite clar definite între zonele de încărcare.
La tensiuni mari de scurgere 
poate apărea defalcarea tranzistorului MOS și pot exista două tipuri de defecțiuni: defalcare pn- joncțiune sub scurgere și ruperea dielectricului sub poartă. Dărâma pn-tranziția are de obicei o natură de avalanșă, deoarece tranzistoarele MOS sunt de obicei realizate pe bază de siliciu. În același timp, tensiunea de avarie 
poate fi influențat de tensiunea de la poartă: deoarece potențialele de aceeași polaritate sunt aplicate drenului și porții unui tranzistor MOS cu un canal indus, atunci cu creșterea tensiunii la poartă va crește 
. Defalcarea dielectrică sub poartă poate apărea la o tensiune de poartă de numai câteva zeci de volți, deoarece grosimea stratului de dioxid de siliciu este de aproximativ 0,1 microni. Defectarea este de obicei de natură termică. Acest tip de defectare poate apărea ca urmare a acumulării de sarcini statice, deoarece rezistența de intrare a tranzistoarelor MOS este mare. Pentru a elimina posibilitatea acestui tip de defecțiune, intrarea tranzistorului MOS este adesea protejată cu o diodă zener, care limitează tensiunea la poartă.
Familia de caracteristici statice 
la 
Un tranzistor MOS cu un canal indus, construit în conformitate cu cele de mai sus, este prezentat în Fig. 10.21.
o zonă de schimbare bruscă a curentului și o zonă în care schimbarea curentului este mică.
Un parametru al familiei de caracteristici de ieșire ale unui tranzistor bipolar este curentul de bază - dispozitivul este controlat de curent; pentru un tranzistor MOS cu un canal indus, parametrul familiei de caracteristici de ieșire este tensiunea de poartă 
- aparatul este controlat de tensiune. Odată cu creșterea tensiunii 
Rezistența canalului scade și curentul de scurgere 
crește - caracteristica crește. Caracteristicile I-V de ieșire ale tranzistorului MOS părăsesc originea, în timp ce caracteristicile I-V de ieșire ale tranzistorului bipolar pot fi deplasate de-a lungul axei tensiunii.
Pe graficul familiei 
la 
MIS - tranzistor cu canal indus (Fig. 10.21) se pot distinge trei zone principale de lucru:
1 – regiune de întrerupere a curentului de ieșire: tranzistor închis ( 
), iar un curent mic circulă în circuitul de scurgere din cauza scurgerilor și a curentului invers al joncțiunii de scurgere (10 -6 A)4
2 – regiune activă (partea plată a caracteristicilor curent-tensiune de ieșire, pentru care 
Și 
) – zona unde curentul de ieșire 
rămâne practic neschimbată odată cu creșterea 
;
3 – regiune de stare deschisă (partea abruptă a caracteristicii curent-tensiune de ieșire): curent 
în acest domeniu de operare este setat de un circuit extern.
Astfel, în zona 1 punctul de operare este situat dacă tranzistorul MOS este blocat, în zona 3 - dacă este deschis; aceste zone corespund stărilor statice ale tranzistorului MOS în modul de funcționare cheie. Regiunea activă (regiunea 2) pentru modul de comutare al tranzistorului MOS este regiunea stării dinamice: în această regiune punctul de operare este situat pentru scurt timp în timpul procesului de tranziție de la o stare statică la alta (de la închis la deschis și invers. ).
În regiunea activă, punctul de funcționare se găsește atunci când tranzistorul MOS funcționează în modul de amplificare, când se menține o relație liniară între semnalele de intrare și de ieșire.
În regiunea 4 există tensiuni destul de mari 
apar fenomene de pre-defecțiune și apoi defalcare, însoțită de o creștere bruscă a curentului 
. Zona de avarie determină alegerea tensiunilor maxime admise.
Natura caracteristicilor de transmisie statică 
la 
este clar din principiul de funcționare a unui tranzistor MOS cu canal indus. Caracteristici pentru diferite tensiuni 
lăsați punctul pe axa x corespunzător lui 
.(Fig. 10.22).
Interesantă și importantă din punctul de vedere al utilizării tranzistoarelor MOS este modificarea temperaturii în caracteristicile statice ale transmisiei. Aceste modificări sunt cauzate de diferite procese fizice, care duc la faptul că, odată cu creșterea temperaturii, tensiunea de prag. 
scade.
fie atât negativ, cât și pozitiv, precum și zero la un anumit punct de funcționare al caracteristicilor statice.
De obicei, efectul de compensare a temperaturii se obține la tensiuni de poartă ușor mai mari decât 
. În plus, trebuie să se țină cont și de faptul că abruptul 
Caracteristicile de transmisie, care determină proprietățile de amplificare ale tranzistorului MOS, se modifică cu temperatura chiar și la un curent de drenaj constant constant.
Să luăm în considerare principiul de funcționare al unui tranzistor MOS cu un canal încorporat n-tip (Fig. 10.24).
Modularea rezistenței canalului conductor poate apărea atunci când tensiunea de poartă se modifică, atât polaritatea pozitivă, cât și negativă. La tensiuni 
Și 
prin canal n-tip de curent care curge. Dacă 
, apoi poarta devine încărcată negativ, iar în stratul de suprafață situat sub ea, din cauza plecării electronilor liberi din ea, apare o sarcină ionică pozitivă. Un strat epuizat de purtători majori crește rezistența canalului. La atingere 
stratul de epuizare blochează canalul și nici un curent nu curge prin el. Există un mod de tăiere. La 
canalul este îmbogățit cu purtători de sarcină (în acest caz, electroni), rezistența acestuia scade, ceea ce duce la o creștere a curentului de scurgere.
Astfel, un tranzistor MOS cu un canal încorporat poate funcționa atât în modul de îmbogățire, cât și în modul de epuizare a canalului de către purtătorii de sarcină.
Familia de caracteristici statice de ieșire și caracteristici de transmisie statică ale unui tranzistor MOS cu un canal încorporat n-tip sunt prezentate în Fig. 10.25.
|
|
|
|
caracteristici statice de ieșire |
caracteristica de transmisie |
Elementele semiconductoare sunt în continuă creștere. Fiecare nouă invenție în acest domeniu, de fapt, schimbă întreaga înțelegere a sistemelor electronice. Capacitățile de proiectare a circuitelor se schimbă și apar noi dispozitive bazate pe acestea. A trecut mult timp de la inventarea sa (1948). Structurile „p-n-p” și „n-p-n” au fost inventate De-a lungul timpului, a apărut un tranzistor MIS, care funcționează pe principiul modificării conductivității electrice a unui strat semiconductor aproape de suprafață sub influența unui câmp electric. De aici un alt nume pentru acest element - câmp.
Abrevierea MIS în sine (metal-dielectric-semiconductor) caracterizează structura internă a acestui dispozitiv. Într-adevăr, poarta sa este izolată de scurgere și sursă printr-un strat subțire neconductor. Un tranzistor MOS modern are o lungime de poartă de 0,6 microni. Doar un câmp electromagnetic poate trece prin el - acesta este ceea ce afectează starea electrică a semiconductorului.
Să ne uităm la cum funcționează și să aflăm care este principala diferență față de „fratele” său bipolar. Când apare potențialul necesar, pe poarta sa apare un câmp electromagnetic. Afectează rezistența joncțiunii dren-sursă. Iată câteva dintre beneficiile care vin odată cu utilizarea acestui dispozitiv.
La proiectarea și lucrul cu aceste elemente, este necesar să se țină cont de faptul că tranzistoarele MOS sunt foarte sensibile la supratensiune din circuit și adică, dispozitivul se poate defecta la atingerea bornelor de control. La instalare sau demontare, utilizați împământare specială.
Perspectivele de utilizare a acestui dispozitiv sunt foarte bune. Datorită proprietăților sale unice, a găsit o largă aplicație în diverse echipamente electronice. O tendință inovatoare în electronica modernă este utilizarea modulelor IGBT de putere pentru funcționarea în diferite circuite, inclusiv în cele de inducție.
Tehnologia lor de producție este în mod constant îmbunătățită. Sunt în curs de dezvoltare pentru a reduce (reduce) lungimea obturatorului. Acest lucru va îmbunătăți parametrii de performanță deja buni ai dispozitivului.
TEMA 5. TRANZISTOARE DE CÂMP
Un tranzistor cu efect de câmp este un dispozitiv de conversie electrică în care curentul care curge prin canal este controlat de un câmp electric generat de aplicarea tensiunii între poartă și sursă și care este conceput pentru a amplifica puterea oscilațiilor electromagnetice.
Clasa de tranzistoare cu efect de câmp include tranzistoarele al căror principiu de funcționare se bazează pe utilizarea purtătorilor de sarcină de un singur semn (electroni sau găuri). Controlul curentului în tranzistoarele cu efect de câmp se realizează prin modificarea conductibilității canalului prin care trece curentul tranzistorului sub influența unui câmp electric. Ca rezultat, tranzistoarele sunt numite tranzistori cu efect de câmp.
Conform metodei de creare a unui canal, tranzistoarele cu efect de câmp se disting cu o poartă sub forma unei joncțiuni p-n de control și cu o poartă izolată (tranzistoare MDS sau MOS): un canal încorporat și un canal indus.
În funcție de conductibilitatea canalului, tranzistoarele cu efect de câmp se împart în: tranzistoare cu efect de câmp cu un canal de tip p și de tip n. Canalul de tip p are conductivitate în găuri, iar canalul de tip n are conductivitate electronică.
5.1 Tranzistoare cu efect de câmp cu control p- n-tranziție
5.1.1 Proiectare și principiu de funcționare
Un tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control este un tranzistor cu efect de câmp a cărui poartă este separată electric de canal printr-o joncțiune p-n polarizată invers.
Figura 5.1 – Proiectarea unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control (canal de tip n)
Figura 5.2 – Simbol pentru un tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n și un canal de tip n (a), un canal de tip p (b)
Un canal de tranzistor cu efect de câmp este o regiune dintr-un semiconductor în care curentul purtătorilor de sarcină principal este reglat prin schimbarea secțiunii transversale.
Electrodul (terminalul) prin care purtătorii principali de sarcină intră în canal se numește sursă. Electrodul prin care purtătorii principali de sarcină părăsesc canalul se numește scurgere. Electrodul care servește la reglarea secțiunii transversale a canalului datorită tensiunii de control se numește poartă.
De regulă, se produc tranzistori cu efect de câmp de siliciu. Siliciul este folosit deoarece curentul de poartă, adică. Curentul invers al joncțiunii p-n este de multe ori mai mic decât cel al germaniului.
Simbolurile pentru tranzistoarele cu efect de câmp cu canale de tip n și p sunt prezentate în Fig. 5.2.
Polaritatea tensiunilor externe furnizate tranzistorului este prezentată în Fig. 5.1. Tensiunea de control (intrare) este aplicată între poartă și sursă. Tensiunea Uzi este inversă pentru ambele joncțiuni p-n. Lățimea joncțiunilor p-n și, în consecință, aria secțiunii transversale efective a canalului, rezistența acestuia și curentul din canal depind de această tensiune. Pe măsură ce crește, joncțiunile p-n se extind, aria secțiunii transversale a canalului care transportă curent scade, rezistența acestuia crește și, în consecință, curentul din canal scade. Prin urmare, dacă o sursă de tensiune Uc este conectată între sursă și scurgere, atunci puterea curentului de scurgere Ic care curge prin canal poate fi controlată prin modificarea rezistenței (secțiunii transversale) a canalului folosind tensiunea aplicată porții. Funcționarea unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control se bazează pe acest principiu.
La tensiunea Uzi = 0, secțiunea transversală a canalului este cea mai mare, rezistența sa este minimă și curentul Iс este cel mai mare.
Curentul de scurgere Ic init la Uzi = 0 se numește curent de scurgere inițial.
Tensiunea Uzi, la care canalul este complet blocat și curentul de scurgere Ic devine foarte mic (zecimi de microamperi), se numește tensiunea de întrerupere Uziots.
5.1.2 Caracteristicile statice ale unui tranzistor cu efect de câmp cu control p- n-tranziție
Să luăm în considerare caracteristicile curent-tensiune ale tranzistoarelor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n. Pentru aceste tranzistoare sunt de interes două tipuri de caracteristici volt-amper: drain și drain-gate.
Caracteristicile de drenaj (ieșire) ale unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n și un canal de tip n sunt prezentate în Fig. 5.3, a. Ele reflectă dependența curentului de scurgere de tensiunea Usi la o tensiune fixă Usi: Ic = f (Usi) la Usi = const.
a) b) Figura 5.3 – Caracteristicile curent-tensiune ale unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune pn și un canal de tip n: a – dren (ieșire); b – stoc - bolț
O caracteristică a unui tranzistor cu efect de câmp este că conductivitatea canalului este influențată atât de tensiunea de control Uzi, cât și de tensiunea Uci. Când Usi = 0, curentul de ieșire Ic = 0. La Usi > 0 (Uzi = 0), curentul Ic trece prin canal, rezultând o cădere de tensiune care crește în direcția drenului. Căderea totală de tensiune a secțiunii sursă-dren este egală cu Uс. O creștere a tensiunii Uс determină o creștere a căderii de tensiune în canal și o scădere a secțiunii sale transversale și, în consecință, o scădere a conductibilității canalului. La o anumită tensiune Uс, canalul se îngustează, la care limitele ambelor joncțiuni pn se închid și rezistența canalului devine mare. Această tensiune Usi se numește tensiune de suprapunere sau tensiune de saturație Usinas. Când o tensiune inversă Uzi este aplicată pe poartă, are loc o îngustare suplimentară a canalului, iar suprapunerea acestuia are loc la o valoare mai mică a tensiunii Usinas. În modul de funcționare, se utilizează secțiuni plate (liniare) ale caracteristicilor de ieșire.
Caracteristica dren-gate a unui tranzistor cu efect de câmp arată dependența curentului Ic de tensiunea Uzi la o tensiune fixă Usi: Ic = f (Usi) la Usi = const (Fig. 5.3, b).
5.1.3 Parametrii de bază
· curent de scurgere maxim Icmax (la Uzi = 0);
· tensiune maximă dren-sursă Uсmax;
· tensiune de întrerupere Uziots;
· rezistența internă (de ieșire) ri - reprezintă rezistența tranzistorului dintre dren și sursă (rezistența canalului) pentru curent alternativ:
cu Uzi = const;· panta caracteristicii poarta de scurgere:
când Uс = const,afișează efectul tensiunii de poartă asupra curentului de ieșire a tranzistorului;
· impedanta de intrare
când Uс = const al tranzistorului este determinată de rezistența joncțiunilor p-n, polarizate în sens opus. Rezistența de intrare a tranzistoarelor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n este destul de mare (atinge unități și zeci de megaohmi), ceea ce le deosebește favorabil de tranzistoarele bipolare.5.2 Tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată
5.2.1 Proiectare și principiu de funcționare
Un tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată (tranzistor IGF) este un tranzistor cu efect de câmp a cărui poartă este separată electric de canal printr-un strat dielectric.
Tranzistoarele MIS (structură: metal-dielectric-semiconductor) sunt fabricate din siliciu. Oxidul de siliciu SiO2 este folosit ca dielectric. de unde o altă denumire pentru aceste tranzistoare - tranzistoare MOS (structură: metal-oxid-semiconductor). Prezența unui dielectric asigură o rezistență mare de intrare a tranzistoarelor luate în considerare (1012 ... 1014 Ohm).
Principiul de funcționare al tranzistoarelor MIS se bazează pe efectul modificării conductivității stratului apropiat de suprafață al unui semiconductor la limita cu un dielectric sub influența unui câmp electric transversal. Stratul de suprafață al semiconductorului este canalul purtător de curent al acestor tranzistoare. Tranzistoarele MIS sunt de două tipuri - cu un canal încorporat și cu un canal indus.
Să luăm în considerare caracteristicile MIS - tranzistori cu un canal încorporat. Proiectarea unui astfel de tranzistor cu un canal de tip n este prezentată în Fig. 5.4, a. În placheta originală de siliciu de tip p cu o rezistivitate relativ mare, care se numește substrat, sunt create două regiuni puternic dopate cu tipul opus de conductivitate electrică, n, folosind tehnologia de difuzie. În aceste zone se aplică electrozi metalici - sursă și scurgere. Între sursă și scurgere există un canal subțire aproape de suprafață cu conductivitate electrică de tip n. Suprafața cristalului semiconductor dintre sursă și scurgere este acoperită cu un strat subțire (aproximativ 0,1 μm) de dielectric. Un electrod metalic – o poartă – este aplicat stratului dielectric. Prezența unui strat dielectric permite unui astfel de tranzistor cu efect de câmp să furnizeze tensiunea de control a ambelor polarități la poartă.
Figura 5.4 – Proiectarea unui tranzistor MIS cu un canal de tip n încorporat (a); familia caracteristicilor stocului său (b); caracteristica poarta de scurgere (c)
Când se aplică o tensiune pozitivă pe poartă, câmpul electric care este creat în acest caz va împinge găuri din canal în substrat, iar electronii vor fi atrași din substrat în canal. Canalul este îmbogățit cu principalii purtători de sarcină - electroni, conductivitatea acestuia crește și curentul de scurgere crește. Acest mod se numește modul de îmbogățire.
Când o tensiune negativă în raport cu sursa este aplicată pe poartă, se creează un câmp electric în canal, sub influența căruia electronii sunt împinși din canal în substrat și găurile sunt trase din substrat în canal. Canalul este epuizat de purtători de sarcină majori, conductivitatea acestuia scade și curentul de scurgere scade. Acest mod al tranzistorului se numește modul de epuizare.
În astfel de tranzistoare la Usi = 0, dacă se aplică o tensiune între dren și sursă (Usi > 0), curge un curent de dren Iin, numit u inițial, care este un flux de electroni.
Proiectarea unui tranzistor MIS cu un canal indus de tip n este prezentată în Fig. 5.5, a
