الترانزستورات ذات التأثير الميداني: مبدأ التشغيل والدوائر وأنماط التشغيل والنمذجة. ترانزستورات MOS ذات قناة مستحثة

على مخططات الدوائريمكنك العثور على تسميات لترانزستور التأثير الميداني من نوع أو آخر.

من أجل عدم الخلط والحصول على فكرة أكثر اكتمالا عن نوع الترانزستور المستخدم في الدائرة، دعونا نقارن التعيين الرسومي التقليدي للترانزستور أحادي القطب وخصائصه وميزاته المميزة.

بغض النظر عن نوع ترانزستور التأثير الميداني، فهو يحتوي على ثلاث أطراف. واحد منهم يسمى بوابة(ض). البوابة هي قطب التحكم الذي يتم تطبيق جهد التحكم عليه. يسمى الإخراج التالي مصدر(و). المصدر مشابه لباعث الترانزستورات ثنائية القطب. يسمى الإخراج الثالث مخزون(مع). الصرف هو المحطة التي تتم إزالة تيار الإخراج منها.

على الأجنبية الدوائر الإلكترونيةيمكنك رؤية التسمية التالية لأطراف الترانزستورات أحادية القطب:

ز- مصراع (من الإنجليزية - زأكل "مصراع"، "بوابة")؛

س– المصدر (من الإنجليزية – سالمصدر "المصدر"، "البداية")؛

د– المخزون (من الإنجليزية – دالمطر "تدفق" ، "تسرب").

بمعرفة التسميات الأجنبية لمحطات الترانزستور ذات التأثير الميداني، سيكون من السهل فهم دوائر الإلكترونيات المستوردة.

تعيين ترانزستور ذو تأثير ميداني مع وصلة تحكم p-n (J-FET).

لذا. الترانزستور مع مدير ص-ن– يتم تحديد الانتقال في المخططات على النحو التالي:

ن-قناة J-FET

ف قناة J-FET

اعتمادًا على نوع الناقلات المستخدمة لتشكيل القناة الموصلة (المنطقة التي يتم من خلالها تيار قابل للتعديل) ، يمكن أن تكون هذه الترانزستورات ذات قناة n وقناة p. على التسمية الرسوميةيمكن ملاحظة أن القنوات n مصورة بسهم يشير إلى الداخل، والقنوات p تشير إلى الخارج.

تعيين الترانزستور MOS.

تتمتع الترانزستورات أحادية القطبية من النوع MIS (MOSFETs) بتسمية رسومية مختلفة قليلاً عن ترانزستورات J-FETs مع وصلة تحكم p-n، ويمكن أيضًا أن تكون الترانزستورات MOSFET إما قناة n أو قناة p.

الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) موجودة في نوعين: قناة مدمجةو القناة المستحثة.

ماهو الفرق؟

الفرق هو أن ترانزستور القناة المستحثة يفتح فقط عندما يتم تطبيق إشارة إيجابية أو سلبية فقط على البوابة. عتبة الجهد. عتبة الجهد ( ش بور ) هو الجهد بين أطراف البوابة والمصدر الذي يفتح عنده ترانزستور التأثير الميداني ويبدأ تيار التصريف بالتدفق عبره ( جيم ).

تعتمد قطبية عتبة الجهد على نوع القناة. بالنسبة للموسفيتات ذات القناة p، يجب تطبيق جهد سالب "-" على البوابة، وبالنسبة لأولئك الذين لديهم قناة n، يجب تطبيق جهد موجب "+". تسمى الموسفيت ذات القناة المستحثة أيضًا بالترانزستورات. النوع المخصب. لذلك، إذا سمعت أشخاصًا يتحدثون عن نوع mosfet المخصب، فيجب أن تعلم أن هذا ترانزستور بقناة مستحثة. يظهر رمزها أدناه.

ن قناة MOSFET

ف قناة MOSFET

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين ترانزستور MOS بقناة مستحثة وترانزستور تأثير المجال بقناة مدمجة في أنه يفتح فقط عند قيمة معينة (عتبة U) لجهد موجب أو سلبي (حسب نوع القناة - ن أو ع).

يفتح الترانزستور ذو القناة المدمجة بالفعل عند "0" وعند الجهد السلبيعلى مصراع يعمل في وضع العجاف(مفتوح أيضًا، لكنه يمر بتيار أقل). إذا تم تطبيق جهد "+" إيجابي على البوابة، فسوف تستمر في الفتح والذهاب إلى ما يسمى وضع الإثراء- سوف يزيد تيار الصرف. هذا المثاليصف تشغيل mosfet ذو القناة n مع قناة مدمجة وتسمى أيضًا الترانزستورات نوع العجاف. ويبين ما يلي تمثيلها التقليدي في الرسوم البيانية.

في التعيين الرسومي التقليدي، يمكنك التمييز بين الترانزستور ذي القناة المستحثة والترانزستور ذي القناة المدمجة عن طريق الفاصل في الخط العمودي.

في بعض الأحيان، في الأدبيات التقنية، يمكنك رؤية صورة ترانزستور MOS مع محطة رابعة، وهي استمرار لخط السهم الذي يشير إلى نوع القناة. لذا، فإن الإخراج الرابع هو إخراج الركيزة. تُستخدم صورة الموسفيت هذه، كقاعدة عامة، لوصف ترانزستور منفصل (أي منفصل) وتستخدم فقط النموذج البصري. أثناء عملية التصنيع، يتم عادةً توصيل الركيزة بالطرف المصدر.

MOSFET مع الرصاص الركيزة

تعيين ترانزستور الطاقة MOSFET

نتيجة لربط المصدر والركيزة في بنية المجال mosfet، أ الصمام الثنائي المدمج. لا يؤثر هذا الصمام الثنائي على تشغيل الجهاز، لأنه متصل في الاتجاه المعاكس للدائرة. في بعض الحالات، يمكن استخدام الصمام الثنائي المدمج، والذي تم تشكيله بسبب الميزات التكنولوجية لتصنيع MOSFET القوي، في الممارسة العملية الأجيال الأخيرةتحتوي وحدات Power MOSFETs على صمام ثنائي مدمج يستخدم لحماية العنصر نفسه.

قد لا يتم الإشارة إلى الصمام الثنائي المدمج على رمز ترانزستور MOS القوي، على الرغم من وجود مثل هذا الصمام الثنائي في الواقع في أي جهاز ميداني قوي.

الآن دعونا نتحدث عن الترانزستورات ذات التأثير الميداني. ماذا يمكنك أن تفترض من أسمائهم وحدها؟ أولاً، نظرًا لأنها ترانزستورات، فيمكن استخدامها للتحكم بطريقة أو بأخرى في تيار الإخراج. ثانيًا، من المفترض أن يكون لديهم ثلاث جهات اتصال. وثالثا، يعتمد عملهم على تقاطع P-N. فماذا ستخبرنا المصادر الرسمية عن ذلك؟

تأثير الترانزستور الميدانيسمى نشط أجهزة أشباه الموصلات، عادةً بثلاثة أطراف، حيث يتم التحكم في تيار الخرج بواسطة مجال كهربائي. (electrono.ru)

لم يؤكد التعريف افتراضاتنا فحسب، بل أظهر أيضًا سمة من سمات ترانزستورات التأثير الميداني - يتم التحكم في تيار الخرج عن طريق تغيير المجال الكهربائي المطبق، أي. الجهد االكهربى. لكن بالنسبة للترانزستورات ثنائية القطب، كما نتذكر، يتم التحكم في تيار الخرج بواسطة تيار قاعدة الإدخال.

يمكن تعلم حقيقة أخرى حول الترانزستورات ذات التأثير الميداني من خلال الانتباه إلى اسمها الآخر - أحادي القطب. وهذا يعني أن نوعًا واحدًا فقط من حاملات الشحنة (إما الإلكترونات أو الثقوب) يشارك في عملية تدفق التيار.

تسمى الاتصالات الثلاثة للترانزستورات ذات التأثير الميداني مصدر(مصدر الناقلات الحالية)، بوابة(قطب التحكم) و بالُوعَة(القطب حيث تتدفق الناقلات). يبدو الهيكل بسيطًا ويشبه إلى حد كبير تصميم الترانزستور ثنائي القطب. ولكن يمكن تنفيذه بطريقتين على الأقل. ولذلك، تتميز الترانزستورات ذات التأثير الميداني مع تقاطع التحكم p-nو مع مصراع معزول.

بشكل عام، ظهرت فكرة هذا الأخير في العشرينات من القرن العشرين، قبل وقت طويل من اختراع الترانزستورات ثنائية القطب. لكن مستوى التكنولوجيا جعل من الممكن تنفيذه فقط في عام 1960. في الخمسينيات من القرن الماضي، تم وصف الترانزستور ذو التأثير الميداني مع وصلة التحكم p-n لأول مرة نظريًا ثم تم تنفيذه. ومثل "إخوانهم" ثنائي القطب، لا تزال ترانزستورات التأثير الميداني تلعب دورًا كبيرًا في مجال الإلكترونيات.

قبل الانتقال إلى قصة فيزياء تشغيل الترانزستورات أحادية القطب، أود أن أذكرك بالروابط التي يمكنك من خلالها تحديث معرفتك حول تقاطع pn: واحد واثنان.

ترانزستور التأثير الميداني مع وصلة التحكم p-n

إذًا، كيف يعمل النوع الأول من ترانزستور التأثير الميداني؟ يعتمد الجهاز على لوحة شبه موصلة ذات موصلية من النوع p (على سبيل المثال). في الأطراف المقابلة يوجد أقطاب كهربائية، من خلال تطبيق الجهد الذي سنستقبل عليه التيار من المصدر إلى المصرف. يوجد أعلى هذه اللوحة منطقة ذات نوع معاكس من الموصلية، والتي يتصل بها القطب الثالث - البوابة. وبطبيعة الحال، بين البوابة والمنطقة p تحتها ( قناة) يحدث انتقال p-n. وبما أن الطبقة n بشكل ملحوظ فينفس القناة، فإن معظم المنطقة الانتقالية المستنفدة من حاملات الشحن المتنقلة سوف تقع على الطبقة p. وفقًا لذلك، إذا قمنا بتطبيق جهد انحياز عكسي على الوصلة، فعندما يتم إغلاقها، فإنها ستزيد بشكل كبير من مقاومة القناة وتقليل التيار بين المصدر والصرف. وبالتالي، يتم تنظيم تيار الخرج للترانزستور باستخدام الجهد (المجال الكهربائي) للبوابة.

يمكن استخلاص التشبيه التالي: تقاطع pn هو سد يمنع تدفق ناقلات الشحنة من المصدر إلى المصرف. من خلال زيادة أو تقليل الجهد العكسي عليه، نقوم بفتح/إغلاق البوابات عليه، وتنظيم "إمدادات المياه" (تيار الخرج).

لذلك، في وضع التشغيلترانزستور تأثير المجال مع وصلة تحكم p-n، يجب أن يكون الجهد عند البوابة إما صفرًا (القناة مفتوحة بالكامل) أو عكسيًا.
إذا كانت القيمة الجهد العكسييصبح كبيرًا جدًا بحيث تغلق طبقة الحجب القناة، ثم يدخل الترانزستور وضع القطع.

حتى مع وجود جهد البوابة صفر، يوجد جهد عكسي بين البوابة والمصرف يساوي جهد المصدر والصرف. هذا هو السبب في أن الوصلة pn لها شكل خشن يتسع باتجاه منطقة التصريف.

وغني عن القول أنه من الممكن صنع ترانزستور بقناة من النوع n وبوابة من النوع p. جوهر عمله لن يتغير.

الشرط الصور الرسوميةتظهر ترانزستورات التأثير الميداني في الشكل ( أ- مع قناة من النوع p، ب- مع قناة من النوع n). يشير السهم هنا إلى الاتجاه من الطبقة p إلى الطبقة n.

الخصائص الثابتة لترانزستور التأثير الميداني مع تقاطع التحكم p-n

نظرًا لأنه في وضع التشغيل، يكون تيار البوابة عادةً صغيرًا أو متساويًا يساوي الصفر، فلن نأخذ في الاعتبار الرسوم البيانية لخصائص إدخال ترانزستورات التأثير الميداني. دعنا نذهب مباشرة إلى عطلة نهاية الأسبوع أو المخزون. بالمناسبة، يطلق عليهم اسم ثابت لأنه يتم تطبيق جهد ثابت على البوابة. أولئك. ليست هناك حاجة لمراعاة لحظات التردد والعابرين وما إلى ذلك.

يوم عطلة (مخزون) يسمى اعتماد تيار التصريف على جهد تصريف المصدر عند جهد ثابت لمصدر البوابة. يوضح الشكل الرسم البياني على اليسار.

يمكن تمييز ثلاث مناطق بوضوح على الرسم البياني. أولها منطقة الزيادة الحادة في تيار التصريف. هذا هو ما يسمى منطقة "أومية".. تتصرف قناة استنزاف المصدر مثل المقاوم الذي يتم التحكم في مقاومته بواسطة الجهد عند بوابة الترانزستور.

المنطقة الثانية - منطقة التشبع. لديها تقريبا عرض خطي. هنا، تتداخل القناة في منطقة التصريف، والتي تزداد مع زيادة أخرى في جهد مصدر التصريف. وبناءً على ذلك، تزداد أيضًا مقاومة القناة، ولا يتغير تيار الصرف إلا قليلاً (قانون أوم). هذا هو القسم من الخصائص المستخدمة في تكنولوجيا التضخيم، حيث أن الأصغر هنا تشويه غير خطيإشارات و القيم المثلىمعلمات الإشارة الصغيرة ضرورية للتضخيم. وتشمل هذه المعلمات ميل الخاصية، المقاومة الداخليةوكسب. سيتم الكشف أدناه عن معاني كل هذه العبارات غير المفهومة.

المنطقة الثالثة من المخطط - منطقة الانهيار، الذي اسمه يتحدث عن نفسه.

مع الجانب الأيمنيوضح الشكل رسمًا بيانيًا لعلاقة مهمة أخرى - خصائص البوابة. يوضح كيف يعتمد تيار التصريف على جهد مصدر البوابة عند الجهد المستمربين المصدر والصرف. ويعد انحداره أحد المعالم الرئيسية لترانزستور التأثير الميداني.

ترانزستور ذو تأثير ميداني معزول

غالبًا ما تسمى هذه الترانزستورات أيضًا بترانزستورات MOS (أشباه الموصلات العازلة المعدنية) أو ترانزستورات MOS (أشباه الموصلات بأكسيد المعدن) (ترانزستور تأثير المجال بأكسيد المعدن وأشباه الموصلات ، MOSFET). في مثل هذه الأجهزة، يتم فصل البوابة عن القناة بطبقة رقيقة من العازل الكهربائي. الأساس المادي لعملهم هو تأثير تغيير موصلية الطبقة القريبة من السطح لأشباه الموصلات عند الواجهة مع عازل تحت تأثير مجال كهربائي عرضي.
هيكل الترانزستورات من هذا النوع هو كما يلي. هناك ركيزة من أشباه الموصلات ذات الموصلية p، حيث يتم تصنيع منطقتين مشبعتين بشدة بموصلية n (المصدر والصرف). بينهما يوجد جسر ضيق قريب من السطح، وتكون موصليته أيضًا من النوع n. وفوقها، على سطح الرقاقة، توجد طبقة رقيقة من العازل الكهربائي (عادة ثاني أكسيد السيليكون - ومن هنا بالمناسبة اختصار MOS). وعلى هذه الطبقة يوجد مصراع - فيلم معدني رفيع. عادة ما تكون البلورة نفسها متصلة بالمصدر، على الرغم من أنها متصلة بشكل منفصل.

إذا تم تطبيق جهد المصدر والصرف عند جهد البوابة صفر، فإن التيار سوف يتدفق عبر القناة بينهما. لماذا ليس من خلال الكريستال؟ لأنه سيتم إغلاق أحد تقاطعات pn.

الآن دعونا نطبق جهدًا سلبيًا بالنسبة للمصدر على البوابة. سوف يقوم المجال الكهربائي المستعرض الناتج "بدفع" الإلكترونات من القناة إلى الركيزة. وبناءً على ذلك، ستزداد مقاومة القناة، وسيقل التيار المتدفق عبرها. يُسمى هذا الوضع، الذي يتناقص فيه تيار الخرج مع زيادة جهد البوابة وضع العجاف.
إذا طبقنا جهدًا على البوابة، مما سيساهم في ظهور حقل "يساعد" الإلكترونات على "القدوم" إلى القناة من الركيزة، فسيعمل الترانزستور في وضع الإثراء. في هذه الحالة ستنخفض مقاومة القناة ويزداد التيار من خلالها.

إن تصميم الترانزستور ببوابة معزولة تمت مناقشته أعلاه يشبه التصميم بوصلة تحكم p-n حيث أنه حتى مع وجود تيار صفر على البوابة وجهد تصريف المصدر غير صفر بينهما يوجد ما يسمى تيار التصريف الأولي. وفي كلتا الحالتين يرجع ذلك إلى أن القناة لهذا التيار بنيت فيفي تصميم الترانزستور. وهذا يعني، بالمعنى الدقيق للكلمة، لقد نظرنا للتو في هذا النوع الفرعي من ترانزستورات MOS الترانزستورات مع قناة مدمجة.

ومع ذلك، هناك نوع آخر من الترانزستورات ذات التأثير الميداني مع بوابة معزولة - الترانزستور مع القناة المستحثة (المعكوسة).. من الواضح بالفعل من الاسم أنه يختلف عن السابق - تظهر قناته بين مناطق الصرف والمصدر شديدة التنشيط فقط عند تطبيق جهد قطبية معينة على البوابة.

لذلك، نحن نطبق الجهد فقط على المصدر والصرف. لن يتدفق أي تيار بينهما، نظرًا لأن إحدى الوصلات pn بينهما وبين الركيزة مغلقة.
دعونا نطبق الجهد على البوابة (بالنسبة مباشرة للمصدر). سوف يقوم المجال الكهربائي الناتج "بسحب" الإلكترونات من المناطق شديدة التنشيط إلى الركيزة في اتجاه البوابة. وعندما يصل جهد البوابة إلى قيمة معينة في المنطقة القريبة من السطح، فإن ما يسمى ب انقلابنوع الموصلية. أولئك. سيتجاوز تركيز الإلكترون تركيز الثقب، وستظهر قناة رفيعة من النوع n بين المصرف والمصدر. سيبدأ الترانزستور في توصيل التيار، وكلما كان جهد البوابة أقوى.
يتضح من هذا التصميم أن الترانزستور ذو القناة المستحثة لا يمكن أن يعمل إلا عندما يكون في وضع التخصيب. ولذلك غالبا ما توجد في تبديل الأجهزة.

رموز ترانزستورات البوابة المعزولة هي كما يلي:


هنا
أ- مع قناة مدمجة من النوع n؛
ب- مع قناة مدمجة من النوع p؛
الخامس- مع الإخراج من الركيزة؛
ز- بقناة مستحثة من النوع n؛
د- مع قناة مستحثة من النوع p؛
ه- مع الإخراج من الركيزة.

الخصائص الثابتة للترانزستورات MOS

يتم عرض عائلة التصريف وخصائص بوابة التصريف للترانزستور المزود بقناة مدمجة في الشكل التالي:

نفس الخصائص للترانزستور ذو القناة المستحثة:

هياكل MIS الغريبة

لكي لا تخلط بين العرض التقديمي، أريد فقط أن أوصي بالروابط التي يمكنك أن تقرأ عنها. بداية، هذه هي ويكيبيديا المفضلة لدى الجميع، القسم "هياكل MDP غرض خاص" وهنا النظرية والصيغ: كتاب مدرسي عن إلكترونيات الحالة الصلبة، الفصل 6، الفصول الفرعية 6.12-6.15. اقرأها، إنها مثيرة للاهتمام!

المعلمات العامة للترانزستورات ذات التأثير الميداني

1. الحد الأقصى لتيار التصريفعند جهد مصدر بوابة ثابت.
2. الحد الأقصى لجهد مصدر الصرف، وبعد ذلك يحدث الانهيار بالفعل.
3. المقاومة الداخلية (الإخراج).. وهو يمثل مقاومة القناة ل التيار المتناوب(جهد مصدر البوابة ثابت).
4. منحدر خاصية بوابة الصرف. كلما كان أكبر، كانت استجابة الترانزستور "أكثر حدة" للتغيرات في جهد البوابة.
5. مقاومة المدخلات. يتم تحديده من خلال المقاومة المنحازة العكسية السندات الإذنية تقاطعوعادة ما تصل إلى وحدات وعشرات الميجا أوم (وهو ما يميز ترانزستورات التأثير الميداني عن "أقاربها" ثنائي القطب). ومن بين الترانزستورات ذات التأثير الميداني نفسها، تنتمي راحة اليد إلى الأجهزة ذات البوابة المعزولة.
6. يكسب- نسبة التغير في جهد مصدر الصرف إلى التغير في جهد مصدر البوابة عند تيار تصريف ثابت.

مخططات الاتصال

مثل الترانزستور ثنائي القطب، يمكن اعتبار الترانزستور ذو التأثير الميداني بمثابة جهاز ذو أربعة أطراف، حيث يتطابق اثنان من جهات الاتصال الأربعة. وبالتالي، يمكن التمييز بين ثلاثة أنواع من دوائر التبديل: مع مصدر مشترك، مع بوابة مشتركة ومع استنزاف مشترك. من حيث الخصائص، فهي مشابهة جدًا للدوائر ذات باعث مشتركوقاعدة مشتركة و جامع مشتركللترانزستورات ثنائية القطب.
غالبا ما تستخدم دائرة المصدر المشترك (أ) ، كما يعطي مكاسب أكبر للتيار والطاقة.
دائرة البوابة المشتركة (ب) لا يعطي أي تضخيم حالي تقريبًا وله مقاومة منخفضة للإدخال. ولهذا السبب، فإن مخطط الاتصال هذا له تطبيق عملي محدود.
مخطط مع استنزاف مشترك (الخامس) أيضا يسمى تابع المصدر. كسب الجهد الخاص به قريب من الوحدة، ومقاومة الإدخال عالية ومقاومة الإخراج منخفضة.

الاختلافات بين الترانزستورات ذات التأثير الميداني والترانزستورات ثنائية القطب. مجالات الاستخدام

كما ذكرنا أعلاه، فإن الفرق الأول والرئيسي بين هذين النوعين من الترانزستورات هو أن الأخير يتم التحكم فيه عن طريق تغيير التيار، والأول عن طريق الجهد. ومن هذا تتبع المزايا الأخرى للترانزستورات ذات التأثير الميداني مقارنة بالترانزستورات ثنائية القطب:

• مقاومة المدخلات العالية العاصمةو على تردد عاليومن هنا خسائر السيطرة المنخفضة.
• الأداء العالي (بسبب عدم تراكم وامتصاص الناقلات الثانوية) ؛
• نظرًا لأن خصائص تضخيم ترانزستورات التأثير الميداني ترجع إلى نقل حاملات الشحن ذات الأغلبية، فإن الحد الأعلى للكسب الفعال الخاص بها أعلى من الترانزستورات ثنائية القطب؛
• ارتفاع درجة الحرارة الاستقرار.
• مستوى ضوضاء منخفض، حيث أن الترانزستورات ذات التأثير الميداني لا تستخدم ظاهرة حقن حاملات الشحنة الأقلية، مما يجعل الترانزستورات ثنائية القطب"مزعج"؛
• انخفاض استهلاك الطاقة.

ومع ذلك، مع كل هذا، فإن الترانزستورات ذات التأثير الميداني لها أيضًا عيب - فهي "خائفة" كهرباء ساكنةلذلك، عند العمل معهم، لديهم متطلبات صارمة بشكل خاص للحماية من هذه الآفة.

أين تستخدم الترانزستورات ذات التأثير الميداني؟ نعم، في كل مكان تقريبًا. الرقمية والتناظرية دوائر متكاملةوالتتبع و الأجهزة المنطقية، والدوائر الموفرة للطاقة، وذاكرة الفلاش... ما هو الموجود هناك أيضًا كوارتزويعمل جهاز التحكم عن بعد الخاص بالتلفزيون على ترانزستورات ذات تأثير ميداني. انهم في كل مكان، ٪ هابروسر%. ولكن الآن أنت تعرف كيف يعملون!

على عكس ترانزستورات التأثير الميداني ذات الوصلة p-n، حيث يكون للبوابة اتصال كهربائي مباشر مع المنطقة القريبة من القناة الحاملة للتيار، في ترانزستورات MOS، يتم عزل البوابة عن المنطقة المحددة بواسطة طبقة عازلة.

لهذا السبب، يتم تصنيف ترانزستورات MOS على أنها ترانزستورات ذات تأثير مجال البوابة المعزولة.

تصنع ترانزستورات MOS (المعدنية – العازلة – شبه الموصلة) من السيليكون. يستخدم أكسيد السيليكون SiO2 كمادة عازلة. ومن هنا اسم آخر لهذه الترانزستورات - ترانزستورات MOS (هيكل أشباه الموصلات من أكسيد المعدن). يوفر وجود عازل مقاومة عالية لمدخلات الترانزستورات قيد النظر (1012-1014 أوم).

أرز. 5.6. رموز ترانزستورات MOS ذات قناة مدمجة من النوع n (a) والنوع p (b) والإخراج من الركيزة (c) ؛ مع القناة المستحثة من النوع n (d) والنوع p (e) والإخراج من الركيزة (f)

يعتمد مبدأ تشغيل ترانزستورات MOS على تأثير تغيير موصلية الطبقة القريبة من السطح لأشباه الموصلات عند الواجهة مع عازل تحت تأثير مجال كهربائي عرضي. الطبقة السطحية لأشباه الموصلات هي القناة الحاملة للتيار لهذه الترانزستورات. تنقسم ترانزستورات MOS إلى نوعين - ذات قناة مدمجة وقناة مستحثة.

ترانزستورات MOS بشكل عام عبارة عن جهاز ذو أربعة أقطاب. القطب الرابع (الركيزة)، الذي يؤدي وظيفة مساعدة، هو الرصاص من الركيزة من رقاقة أشباه الموصلات الأصلية. يمكن أن تكون ترانزستورات MOS إما بقناة من النوع p أو p. تظهر رموز ترانزستورات MOS في الشكل. 5.6 أ.ه.

دعونا نفكر في ميزات ترانزستورات MOS ذات القناة المدمجة. يظهر الشكل تصميم مثل هذا الترانزستور بقناة من النوع n. 5.7، أ. في رقاقة السيليكون الأصلية من النوع p، يتم إنشاء مناطق المصدر والصرف والقنوات من النوع n باستخدام تقنية الانتشار. تؤدي طبقة أكسيد SiO2 وظائف حماية السطح القريب من المصدر والصرف، بالإضافة إلى عزل البوابة عن القناة. أحيانًا تكون محطة الركيزة (إن وجدت) متصلة بالمصدر.

تظهر في الشكل خصائص التصريف (الإخراج) لترانزستور التأثير الميداني مع قناة مدمجة من النوع n لحالة توصيل الركيزة بالمصدر. 5.7، ب. في المظهر، هذه الخصائص قريبة من خصائص ترانزستور التأثير الميداني مع تقاطع p-n. دعونا نفكر في الخاصية عند Uzi = 0، والتي تتوافق مع اتصال البوابة بالمصدر. يتم تطبيق جهد خارجي على قسم تصريف المصدر بحيث يكون القطب الموجب باتجاه الصرف. بما أن Uzi = 0، يتدفق تيار عبر الجهاز، ويتم تحديده بواسطة الموصلية الأولية للقناة. في القسم الأولي 0-a، عندما يكون انخفاض الجهد في القناة صغيرًا، يكون الاعتماد Ic(Uci) قريبًا من الخطي. مع اقترابنا من النقطة ب، يؤدي انخفاض الجهد في القناة إلى تأثير متزايد الأهمية لتضييقها (الخط المنقط في الشكل 5.7، أ) على موصلية القناة، مما يقلل من انحدار الزيادة الحالية بمقدار القسم أ-ب. بعد النقطة b، تضيق القناة الحاملة للتيار إلى الحد الأدنى، مما يؤدي إلى الحد من زيادة التيار وظهور قسم مسطح II على الخاصية.

أرز. 5.7. تصميم ترانزستور MOS بقناة مدمجة من النوع n (أ) ؛ خاصية بوابة الصرف (ب) ؛ خاصية بوابة الصرف (ج)

دعونا نظهر تأثير جهد مصدر البوابة على مسار خصائص الصرف.

في حالة تطبيق جهد على البوابة (عوزي) عند تطبيق جهد عوزي > 0 على البوابة، يجذب مجال البوابة الإلكترونات إلى القناة من الطبقة p لرقاقة أشباه الموصلات. تركيز حاملات الشحنة في القناة يزيد، وهو ما يتوافق مع طريقة إثراء القناة بالحاملات، وتزداد موصلية القناة، ويزيد التيار Ic. وتقع خصائص التصريف لـ Uzi > 0 فوق المنحنى الأصلي (Uzi = 0).

بالنسبة للترانزستور، هناك حد لزيادة الجهد Uсз بسبب بداية انهيار قسم بوابة الصرف المجاور للصرف. في خصائص المخزون، يتوافق الانهيار مع تحقيق قيمة معينة Usi.pr. في حالة عوزي 0 (وضع التخصيب).

يظهر الشكل 1 تصميم ترانزستور MOS مع قناة مستحثة من النوع n. 5.8، ص. لم يتم إنشاء قناة التوصيل الحالية خصيصًا هنا، ولكنها تتشكل (مستحدثة) نتيجة لتدفق الإلكترونات من رقاقة أشباه الموصلات عند تطبيق جهد قطبي موجب على البوابة بالنسبة للمصدر. بسبب تدفق الإلكترونات في الطبقة القريبة من السطح، تتغير الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات، أي. يتم إحداث قناة من النوع n موصلة للتيار، تربط مناطق الصرف والمصدر. تزداد موصلية القناة مع زيادة جهد القطبية الإيجابية المطبق على البوابة. وبالتالي، فإن ترانزستور القناة المستحثة يعمل فقط في وضع التخصيب.

يظهر الشكل 1 خصائص التصريف (الخرج) لترانزستور التأثير الميداني مع قناة مستحثة من النوع n. 5.8، ب. إنها متشابهة في المظهر مع الخصائص المماثلة للترانزستور ذي القناة المدمجة ولها نفس طبيعة الاعتماد Iс = F(Uс). الفرق هو أن تيار الترانزستور يتم التحكم فيه بجهد قطبي واحد، يتزامن مع قطبية الجهد Uc. التيار Ic هو صفر عند Uzi = 0، بينما في الترانزستور ذو القناة المدمجة، يتطلب ذلك تغيير قطبية جهد البوابة بالنسبة للمصدر. تظهر في الشكل خاصية بوابة التصريف للترانزستور ذي القناة المستحثة. 5.8، ج.

يتم إنتاج ترانزستورات MOS من كلا النوعين لنفس نطاق التيارات والفولتية مثل ترانزستورات الوصلة pn. المنحدر S والمقاومة الداخلية ri لهما نفس الحجم تقريبًا. أما بالنسبة لمقاومة المدخلات والسعات بين الأقطاب الكهربائية، فإن ترانزستورات MOS تتمتع بأداء أفضل من ترانزستورات الوصلة p-n. كما هو موضح، فإن مقاومة المدخلات هي 1012-1014 أوم. لا تتجاوز قيمة السعات البينية: لـ Szi، Ssi - 10 pF، لـ Szs - 2 pF. تشبه الدائرة المكافئة لترانزستورات MOS الدائرة المكافئة لترانزستورات التأثير الميداني ذات الوصلة p-n (انظر الشكل 5.5).

تستخدم ترانزستورات MOS على نطاق واسع في التصميم المتكامل. تتمتع الدوائر الدقيقة المعتمدة على ترانزستورات MOS بقدرة تصنيع جيدة وتكلفة منخفضة وقدرة على العمل في درجات حرارة أعلى. الجهد العاليإمدادات الطاقة من الدوائر الدقيقة القائمة على الترانزستورات ثنائية القطب.

قناة التوصيل الحالية لترانزستور MOS مع قناة مستحثة ف-النوع (الشكل 5.8، أ) لم يتم إنشاؤه خصيصًا، ولكنه يتشكل (يُستحث) نتيجة لتدفق الإلكترونات من رقاقة أشباه الموصلات عند تطبيق جهد قطبي موجب على البوابة بالنسبة للمصدر.

بسبب تدفق الإلكترونات في الطبقة القريبة من السطح، تتغير الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات، أي. يتم إحداث قناة موصلة ن-نوع ربط مناطق الصرف والمصدر. تزداد موصلية القناة مع زيادة جهد القطبية الإيجابية المطبق على البوابة. وبالتالي، فإن ترانزستور القناة المستحثة يعمل فقط في وضع التخصيب.

خصائص الخرج (التصريف) لترانزستور التأثير الميداني بقناة مستحثة ن- النوع (الشكل 5.8، ب) تتشابه في المظهر مع الخصائص المماثلة للترانزستور ذي القناة المدمجة ولها نفس طبيعة الاعتماد: .

الفرق هو أن تيار الترانزستور يتم التحكم فيه من خلال جهد قطبي واحد، يتزامن مع قطبية الجهد. التيار هو صفر عند = 0، بينما في الترانزستور ذو القناة المدمجة، يتطلب ذلك تغيير قطبية جهد البوابة بالنسبة للمصدر. تظهر في الشكل خاصية بوابة التصريف للترانزستور ذي القناة المستحثة. 5.8, الخامس.

يتم إنتاج ترانزستورات MOS من كلا النوعين لنفس نطاق التيارات والفولتية مثل الترانزستورات ص— ن-الانتقال، المنحدر له نفس القيم تقريبًا سوالمقاومة الداخلية . أما بالنسبة لمقاومة المدخلات والسعات بين الأقطاب الكهربائية، فإن ترانزستورات MOS تتمتع بأداء أفضل من الترانزستورات ذات ص— ن-انتقال. كما هو موضح، مقاومة المدخلات هي 10 12 – 10 14 أوم. لا تتجاوز قيمة السعات بين الأقطاب:

ل، 10 الجبهة الوطنية،

الدائرة المكافئة لترانزستورات MOS تشبه الدائرة المكافئة لترانزستورات التأثير الميداني ص— ن-الانتقال (انظر الشكل 5.4).

نظرًا لنقص سعة الانتشار، فإن مكبرات الصوت المعتمدة على ترانزستورات التأثير الميداني تكون ترددها أعلى بشكل أساسي من تلك المعتمدة على الترانزستورات ثنائية القطب. خصائص الدافع وفقا ل

تعتبر الترانزستورات اليسرى أفضل بكثير من الترانزستورات ثنائية القطب. على سبيل المثال، يتيح التبديل المعتمد على ترانزستور تأثير ميداني قوي الحصول على نبض حالي بسعة عدة أمبيرات مع وقت تشغيل وإيقاف بترتيب النانو ثانية.

نظرًا لأن الطبقة العازلة للبوابة من أكسيد السيليكون هي عازل مثالي ويبلغ سمكها حوالي 0.1 ميكرون، فإن ترانزستورات MOS تخشى الكهرباء الساكنة بسبب خطر الانهيار الحراري لهذه الطبقة. من الضروري اتخاذ تدابير خاصة عند تخزين وتركيب هذه الترانزستورات والدوائر الدقيقة المبنية عليها: قم بتقصير الأرجل أثناء التخزين وتأريض مكواة اللحام واستخدام سوار التأريض عند تثبيتها.

تستخدم ترانزستورات MOS على نطاق واسع في التصميم المتكامل. تتمتع الدوائر الدقيقة المعتمدة على ترانزستورات MOS بقدرة تصنيع جيدة وتكلفة منخفضة وقدرة على العمل بجهد إمداد أعلى من الدوائر الدقيقة المعتمدة على الترانزستورات ثنائية القطب.

الموضوع 5. الترانزستورات الميدانية

الترانزستور ذو التأثير الميداني هو جهاز تحويل كهربائي يتم فيه التحكم في التيار المتدفق عبر القناة بواسطة مجال كهربائي يتولد عن طريق تطبيق الجهد بين البوابة والمصدر، وهو مصمم لتضخيم قوة التذبذبات الكهرومغناطيسية.

تشتمل فئة الترانزستورات ذات التأثير الميداني على الترانزستورات التي يعتمد مبدأ تشغيلها على استخدام حاملات الشحنة ذات إشارة واحدة فقط (إلكترونات أو ثقوب). يتم التحكم الحالي في الترانزستورات ذات التأثير الميداني عن طريق تغيير موصلية القناة التي يتدفق من خلالها تيار الترانزستور تحت تأثير المجال الكهربائي. ونتيجة لذلك، تسمى الترانزستورات ترانزستورات التأثير الميداني.

وفقًا لطريقة إنشاء القناة، تتميز الترانزستورات ذات التأثير الميداني ببوابة على شكل وصلة تحكم p-n وبوابة معزولة (ترانزستورات MDS أو MOS): قناة مدمجة وقناة مستحثة.

اعتمادًا على موصلية القناة، تنقسم ترانزستورات التأثير الميداني إلى: ترانزستورات التأثير الميداني بقناة من النوع p وقناة من النوع n. تحتوي القناة من النوع p على موصلية ثقب، والقناة من النوع n لها موصلية إلكترونية.

5.1 تأثير الترانزستور الميدانمع التحكم ف- ن-الانتقال

5.1.1 التصميم ومبدأ التشغيل

ترانزستور التأثير الميداني مع التحكم السندات الإذنية تقاطعهو ترانزستور ذو تأثير مجالي، يتم فصل بوابته كهربائيًا عن القناة بواسطة تقاطع p-n متحيز عكسيًا.

الشكل 5.1 - تصميم ترانزستور ذو تأثير ميداني مع وصلة تحكم p-n (قناة من النوع n)

الشكل 5.2 - رمزترانزستور تأثير المجال مع تقاطع p-n وقناة من النوع n (a) وقناة من النوع p (b)

قناة الترانزستور ذات التأثير الميداني هي منطقة في شبه الموصل يتم فيها تنظيم تيار حاملات الشحنة الرئيسية عن طريق تغيير المقطع العرضي.

يسمى القطب (الطرفي) الذي تدخل من خلاله حاملات الشحنة الرئيسية إلى القناة بالمصدر. يسمى القطب الذي تغادر من خلاله حاملات الشحنة الرئيسية القناة بالصرف. يسمى القطب الذي يعمل على تنظيم المقطع العرضي للقناة بسبب جهد التحكم بالبوابة.

وكقاعدة عامة، يتم إنتاج ترانزستورات السيليكون ذات التأثير الميداني. يستخدم السيليكون لأن البوابة الحالية، أي. تيار عكسيتقاطع pn أصغر بعدة مرات من الجرمانيوم.

تظهر في الشكل 1 رموز ترانزستورات التأثير الميداني ذات القنوات من النوع n وp. 5.2.

يظهر الشكل قطبية الفولتية الخارجية الموردة للترانزستور. 5.1. يتم تطبيق جهد التحكم (الإدخال) بين البوابة والمصدر. الجهد Uzi هو عكسي لكلا الوصلات p-n. يعتمد عرض تقاطعات p-n وبالتالي مساحة المقطع العرضي الفعالة للقناة ومقاومتها والتيار في القناة على هذا الجهد. ومع زيادتها، تتوسع وصلات p-n، وتقل مساحة المقطع العرضي للقناة الحاملة للتيار، وتزداد مقاومتها، وبالتالي ينخفض ​​التيار في القناة. لذلك، إذا كان مصدر الجهد Uc متصلاً بين المصدر والمصرف، فيمكن التحكم في قوة تيار الصرف Ic المتدفق عبر القناة عن طريق تغيير المقاومة (المقطع العرضي) للقناة باستخدام الجهد المطبق على البوابة. يعتمد تشغيل ترانزستور التأثير الميداني مع وصلة التحكم p-n على هذا المبدأ.

عند الجهد Uzi = 0، يكون المقطع العرضي للقناة أكبر، وتكون مقاومتها ضئيلة، ويكون التيار Iс هو الأكبر.

يسمى تيار التصريف Ic عند Uzi = 0 بتيار التصريف الأولي.

يُطلق على جهد Uzi ، الذي يتم عنده حظر القناة تمامًا ويصبح تيار التصريف Ic صغيرًا جدًا (أعشار الميكرو أمبير) ، جهد القطع Uziots.

5.1.2 الخصائص الثابتة لترانزستور التأثير الميداني مع التحكم p- ن-الانتقال

دعونا نفكر في خصائص الجهد الحالي للترانزستورات ذات التأثير الميداني ذات الوصلة p-n. بالنسبة لهذه الترانزستورات، هناك نوعان من خصائص الفولت أمبير ذات أهمية: الصرف وبوابة الصرف.

يظهر الشكل 1 خصائص التصريف (الخرج) لترانزستور التأثير الميداني مع تقاطع p-n وقناة من النوع n. 5.3، أ. إنها تعكس اعتماد تيار الصرف على جهد Usi عند جهد ثابت Usi: Ic = f (Usi) عند Usi = const.

أ) ب)

الشكل 5.3 - خصائص الجهد الحاليترانزستور التأثير الميداني مع الانتقال عوقناة من النوع n: أ - الصرف (الإخراج)؛ ب - الأسهم - الترباس

من مميزات ترانزستور التأثير الميداني أن موصلية القناة تتأثر بكل من جهد التحكم Uzi والجهد Uci. عندما يكون Usi = 0، فإن تيار الخرج Ic = 0. وعند Usi > 0 (Uzi = 0)، يتدفق التيار Ic عبر القناة، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد الذي يزداد في اتجاه التصريف. إجمالي انخفاض الجهد لقسم تصريف المصدر يساوي Uс. تؤدي الزيادة في الجهد Uс إلى زيادة انخفاض الجهد في القناة وانخفاض مقطعها العرضي، وبالتالي انخفاض موصلية القناة. عند جهد معين Uс، تضيق القناة، حيث تغلق حدود كلا الوصلتين pn وتصبح مقاومة القناة عالية. ويسمى هذا الجهد Usi بجهد التداخل أو جهد التشبع Usinas. عندما يتم تطبيق جهد عكسي Uzi على البوابة، يحدث تضييق إضافي للقناة، ويحدث تداخلها عند قيمة جهد أقل لـ Usinas. في وضع التشغيل، يتم استخدام المقاطع المسطحة (الخطية) لخصائص الإخراج.

تُظهر خاصية بوابة التصريف لترانزستور التأثير الميداني اعتماد التيار Ic على جهد Uzi عند جهد ثابت Usi: Ic = f (Usi) عند Usi = const (الشكل 5.3، ب).

5.1.3 المعلمات الأساسية

· الحد الأقصى الحالياستنزاف Icmax (في عوزي = 0)؛

· الحد الأقصى لجهد مصدر الصرف Uсmax؛

· قطع الجهد Uziots.

· المقاومة الداخلية (الخرج) ri - تمثل مقاومة الترانزستور بين المصرف والمصدر (مقاومة القناة) للتيار المتردد:

مع عوزي = const؛

· ميل خاصية بوابة الصرف:

عندما Uс = ثابت،

يعرض تأثير جهد البوابة على تيار خرج الترانزستور؛

· مقاومة المدخلات

عندما Uс = const يتم تحديد الترانزستور من خلال مقاومة الوصلات p-n، المتحيزة في الاتجاه المعاكس. مقاومة الإدخال للترانزستورات ذات التأثير الميداني ذات الوصلة p-n عالية جدًا (تصل إلى وحدات وعشرات الميجا أوم)، مما يميزها بشكل إيجابي عن الترانزستورات ثنائية القطب.

5.2 الترانزستورات ذات التأثير الميداني للبوابة المعزولة

5.2.1 التصميم ومبدأ التشغيل

ترانزستور تأثير المجال ذو البوابة المعزولة (ترانزستور IGF) هو ترانزستور ذو تأثير ميداني يتم فصل بوابته كهربائيًا عن القناة بواسطة طبقة عازلة.

ترانزستورات MIS (الهيكل: معدن عازل لأشباه الموصلات) مصنوعة من السيليكون. يستخدم أكسيد السيليكون SiO2 كمادة عازلة. ومن هنا اسم آخر لهذه الترانزستورات - ترانزستورات MOS (الهيكل: أشباه الموصلات بأكسيد المعدن). يوفر وجود عازل مقاومة دخل عالية للترانزستورات قيد النظر (1012 ... 1014 أوم).

يعتمد مبدأ تشغيل ترانزستورات MIS على تأثير تغيير موصلية الطبقة القريبة من السطح لأشباه الموصلات عند الحدود مع عازل تحت تأثير مجال كهربائي عرضي. الطبقة السطحية لأشباه الموصلات هي القناة الحاملة للتيار لهذه الترانزستورات. تأتي ترانزستورات MIS في نوعين - مع قناة مدمجة وقناة مستحثة.

دعونا نفكر في ميزات MIS - الترانزستورات ذات القناة المدمجة. يظهر الشكل تصميم مثل هذا الترانزستور بقناة من النوع n. 5.4، أ. في رقاقة السيليكون الأصلية من النوع p ذات نسبة عالية نسبيًا المقاومة النوعية، والتي تسمى الركيزة، باستخدام تقنية الانتشار، يتم إنشاء منطقتين مخدرتين بشدة مع النوع المعاكس من التوصيل الكهربائي - ن. يتم تطبيق أقطاب معدنية على هذه المناطق - المصدر والصرف. توجد بين المصدر والمصرف قناة رفيعة قريبة من السطح ذات موصلية كهربائية من النوع n. سطح بلورة أشباه الموصلات بين المصدر والمصرف مغطى بطبقة رقيقة (حوالي 0.1 ميكرومتر) من العازل الكهربائي. يتم تطبيق قطب معدني – بوابة – على الطبقة العازلة. يسمح وجود طبقة عازلة لمثل هذا الترانزستور ذو التأثير الميداني بتزويد البوابة بجهد التحكم لكلا القطبين.

الشكل 5.4 - تصميم ترانزستور MIS بقناة مدمجة من النوع n (أ) ؛ عائلة خصائص مخزونها (ب) ؛ خاصية بوابة الصرف (ج)

عندما يتم تطبيق جهد إيجابي على البوابة، فإن المجال الكهربائي الذي يتم إنشاؤه في هذه الحالة سوف يدفع الثقوب من القناة إلى الركيزة، وسيتم سحب الإلكترونات من الركيزة إلى القناة. يتم إثراء القناة بحاملات الشحنة الرئيسية - الإلكترونات، وتزداد موصليتها ويزداد تيار الصرف. ويسمى هذا الوضع وضع الإثراء.

عندما يتم تطبيق جهد سلبي بالنسبة للمصدر على البوابة، يتم إنشاء مجال كهربائي في القناة، تحت تأثير الإلكترونات التي يتم دفعها خارج القناة إلى الركيزة، ويتم سحب الثقوب من الركيزة إلى القناة. يتم استنفاد القناة من حاملات الشحن الرئيسية، وتقل موصليتها وينخفض ​​تيار التصريف. يسمى هذا الوضع للترانزستور بوضع الاستنفاد.

في مثل هذه الترانزستورات عند Usi = 0، إذا تم تطبيق جهد بين المصرف والمصدر (Usi > 0)، يتدفق تيار تصريف Iin، يسمى u الأولي، وهو عبارة عن تدفق للإلكترونات.

يظهر الشكل 1 تصميم ترانزستور MIS مع قناة مستحثة من النوع n. 5.5، أ