Felteffekttransistorer: funktionsprincip, kredsløb, driftsformer og modellering. MOS transistorer med induceret kanal

På kredsløbsdiagrammer Du kan finde betegnelser for en felteffekttransistor af den ene eller anden type.

For ikke at blive forvirret og for at få den mest komplette idé om, hvilken slags transistor der bruges i kredsløbet, lad os sammenligne den konventionelle grafiske betegnelse for en unipolær transistor og dens karakteristiske egenskaber og funktioner.

Uanset typen af ​​felteffekttransistor har den tre terminaler. En af dem hedder Port(Z). Porten er kontrolelektroden; styrespænding påføres den. Den næste udgang kaldes Kilde(OG). Kilden ligner emitteren af ​​bipolære transistorer. Den tredje udgang kaldes Lager(MED). Drænet er den terminal, hvorfra udgangsstrømmen fjernes.

På udenlandsk elektroniske kredsløb du kan se følgende betegnelse af terminalerne på unipolære transistorer:

G- lukker (fra engelsk - G spiste "lukker", "port");

S– kilde (fra engelsk – S vores "kilde", "begyndelse");

D– lager (fra engelsk – D regn "udstrømning", "lækage").

Ved at kende de udenlandske betegnelser for vil det være let at forstå kredsløbene i importeret elektronik.

Betegnelse for en felteffekttransistor med en kontrol-p-n-junction (J-FET).

Så. Transistor med leder p-n– en overgang er angivet på diagrammerne som følger:

n-kanal J-FET

p-kanal J-FET

Afhængigt af typen af ​​bærere, der bruges til at danne den ledende kanal (det område, hvorigennem justerbar strøm), kan disse transistorer være n-kanal og p-kanal. På grafisk betegnelse Det kan ses, at n-kanaler er afbildet med en pil, der peger indad, og p-kanaler peger udad.

Betegnelse for MOS-transistor.

Unipolære MIS-type transistorer (MOSFET'er) har en lidt anden grafisk betegnelse end J-FET'er med en kontrol p-n junction. MOSFET'er kan også være enten n-kanal eller p-kanal.

MOSFET'er findes i to typer: indbygget kanal Og induceret kanal.

Hvad er forskellen?

Forskellen er, at en induceret kanaltransistor kun åbner, når en positiv eller kun en negativ påføres porten. tærskelspænding. Tærskelspænding ( U por ) er spændingen mellem gate- og source-terminalerne, hvor felteffekttransistoren åbner og drænstrøm begynder at strømme gennem den ( Ic ).

Polariteten af ​​tærskelspændingen afhænger af typen af ​​kanal. For p-kanal mosfets skal der påføres en negativ "-" spænding til porten, og for dem med en n-kanal skal der påføres en positiv "+" spænding. Mosfets med en induceret kanal kaldes også transistorer. beriget type. Derfor, hvis du hører folk tale om en beriget type mosfet, skal du vide, at dette er en transistor med en induceret kanal. Dens symbol er vist nedenfor.

n-kanal MOSFET

p-kanal MOSFET

Den største forskel mellem en MOS-transistor med en induceret kanal og en felteffekttransistor med en indbygget kanal er, at den kun åbner ved en vis værdi (U-tærskel) af en positiv eller negativ spænding (afhængigt af kanaltypen - n eller p).

En transistor med en indbygget kanal åbner allerede ved "0", og kl negativ spænding på lukkeren virker i magert tilstand(også åben, men sender mindre strøm). Hvis en positiv "+" spænding påføres porten, vil den fortsætte med at åbne og gå ind i den såkaldte berigelsestilstand- afløbsstrømmen vil stige. Dette eksempel beskriver driften af ​​en n-kanals mosfet med en indbygget kanal. De kaldes også transistorer mager type. Det følgende viser deres konventionelle repræsentation i diagrammerne.

På den konventionelle grafiske betegnelse kan du skelne en transistor med en induceret kanal fra en transistor med en indbygget kanal ved bruddet i den lodrette linje.

Nogle gange kan du i teknisk litteratur se et billede af en MOS-transistor med en fjerde terminal, som er en fortsættelse af pilen, der angiver typen af ​​kanal. Så det fjerde output er substratoutputtet. Dette billede af en mosfet bruges som regel til at beskrive en diskret (dvs. separat) transistor og bruges kun som visuel model. Under fremstillingsprocessen er substratet normalt forbundet til kildeterminalen.

MOSFET med underlagsledning

Betegnelse for en effekt MOSFET transistor

Som et resultat af at forbinde kilden og substratet i feltmosfets struktur, en indbygget diode. Denne diode påvirker ikke driften af ​​enheden, da den er forbundet i modsat retning til kredsløbet. I nogle tilfælde kan den indbyggede diode, som er dannet på grund af de teknologiske egenskaber ved fremstilling af en kraftig MOSFET, bruges i praksis. seneste generationer Power MOSFET'er har en indbygget diode, der bruges til at beskytte selve elementet.

Den indbyggede diode er muligvis ikke angivet på symbolet på en kraftig MOS-transistor, selvom en sådan diode i virkeligheden er til stede i enhver kraftig feltenhed.

Lad os nu tale om felteffekttransistorer. Hvad kan du antage ud fra deres navn alene? For det første, da de er transistorer, kan de bruges til at styre udgangsstrømmen på en eller anden måde. For det andet skal de have tre kontakter. Og for det tredje er deres arbejde baseret på p-n krydset. Hvad vil officielle kilder fortælle os om dette?

Felteffekttransistorer kaldet aktiv halvlederenheder, normalt med tre terminaler, hvor udgangsstrømmen styres af et elektrisk felt. (electrono.ru)

Definitionen bekræftede ikke kun vores antagelser, men demonstrerede også et træk ved felteffekttransistorer - udgangsstrømmen styres ved at ændre det påførte elektriske felt, dvs. spænding. Men for bipolære transistorer, som vi husker, styres udgangsstrømmen af ​​inputbasestrømmen.

En anden kendsgerning om felteffekttransistorer kan findes ved at være opmærksom på deres andet navn - unipolær. Det betyder, at kun én type ladningsbærer (enten elektroner eller huller) er involveret i strømmens flow.

De tre kontakter af felteffekttransistorer kaldes kilde(kilde til nuværende transportører), Port(kontrolelektrode) og dræne(elektrode, hvor bærere flyder). Strukturen virker simpel og ligner meget designet af en bipolær transistor. Men det kan implementeres på mindst to måder. Derfor skelnes der mellem felteffekttransistorer med kontrol p-n kryds Og med isoleret skodde.

Generelt dukkede ideen om sidstnævnte op tilbage i 20'erne af det 20. århundrede, længe før opfindelsen af ​​bipolære transistorer. Men teknologiniveauet gjorde det muligt at implementere det først i 1960. I 50'erne blev en felteffekttransistor med en kontrol-p-n-junction først teoretisk beskrevet og derefter implementeret. Og ligesom deres bipolære "brødre" spiller felteffekttransistorer stadig en stor rolle i elektronik.

Før jeg går videre til historien om fysikken i driften af ​​unipolære transistorer, vil jeg gerne minde dig om de links, hvor du kan genopfriske din viden om pn-krydset: en og to.

Felteffekttransistor med kontrol p-n kryds

Så hvordan fungerer den første type felteffekttransistor? Enheden er baseret på en halvlederplade med (for eksempel) p-type ledningsevne. I de modsatte ender har den elektroder, ved at påføre spænding, som vi vil modtage strøm fra kilde til dræn. På toppen af ​​denne plade er der et område med den modsatte type ledningsevne, hvortil den tredje elektrode er forbundet - porten. Naturligvis mellem porten og p-området under den ( kanal) sker der en p-n overgang. Og da n-laget er betydeligt på samme kanal, så vil det meste af overgangsregionen, der er udtømt for mobile ladningsbærere, falde på p-laget. Følgelig, hvis vi anvender en omvendt biasspænding til krydset, vil det, når det lukker, øge kanalmodstanden betydeligt og reducere strømmen mellem kilden og afløbet. Transistorens udgangsstrøm reguleres således ved hjælp af portens spænding (elektriske felt).

Følgende analogi kan drages: et pn-kryds er en dæmning, der blokerer strømmen af ​​ladningsbærere fra kilde til afløb. Ved at øge eller mindske den omvendte spænding på den åbner/lukker vi gateways på den og regulerer "vandforsyningen" (udgangsstrømmen).

Så i driftstilstand felteffekttransistor med en kontrol-p-n-junction, skal spændingen ved gate enten være nul (kanalen er helt åben) eller omvendt.
Hvis værdien omvendt spænding bliver så stor, at det blokerende lag lukker kanalen, så vil transistoren gå ind afskæringstilstand.

Selv med nul gate-spænding er der en omvendt spænding mellem gate og drain svarende til source-drain-spændingen. Dette er grunden til, at pn-forbindelsen har en så takket form, der udvider sig mod afløbsområdet.

Det siger sig selv, at det er muligt at lave en transistor med en n-type kanal og en p-type gate. Essensen af ​​hans arbejde vil ikke ændre sig.

Betinget grafiske billeder felteffekttransistorer er vist i figuren ( EN- med p-type kanal, b- med n-type kanal). Pilen her angiver retningen fra p-laget til n-laget.

Statiske karakteristika for en felteffekttransistor med en kontrol-p-n-junction

Da portstrømmen i driftstilstand normalt er lille eller jævn lig med nul, så vil vi ikke overveje grafer over input-karakteristika for felteffekttransistorer. Lad os gå direkte til weekenden eller lageret. Forresten kaldes de statiske, fordi der påføres en konstant spænding på porten. De der. der er ingen grund til at tage højde for frekvensmomenter, transienter mv.

Fridag (lager) kaldes drænstrømmens afhængighed af source-drain-spændingen ved en konstant gate-source-spænding. Figuren viser grafen til venstre.

Tre zoner kan tydeligt skelnes på grafen. Den første af dem er zonen med kraftig stigning i drænstrøm. Dette er den såkaldte "ohmisk" region. Kilde-dræn-kanalen opfører sig som en modstand, hvis modstand styres af spændingen ved transistorens gate.

Anden zone - mætningsområde. Hun har næsten lineær visning. Her overlapper kanalen i drain-området, hvilket øges med en yderligere stigning i source-drain-spændingen. Følgelig øges også kanalmodstanden, og drænstrømmen ændrer sig meget lidt (Ohms lov dog). Det er denne del af egenskaberne, der bruges i forstærkningsteknologi, da her er den mindste ikke-lineær forvrængning signaler og optimale værdier små signalparametre, der er afgørende for forstærkning. Disse parametre inkluderer hældningen af ​​karakteristikken, indre modstand og vinde. Betydningen af ​​alle disse obskure sætninger vil blive afsløret nedenfor.

Den tredje zone af diagrammet - nedbrydningsområdet, hvis navn taler for sig selv.

MED højre side Figuren viser en graf over et andet vigtigt forhold - portegenskaber. Den viser, hvordan drænstrømmen afhænger af gate-source spændingen ved konstant spænding mellem kilde og afløb. Og det er dens stejlhed, der er en af ​​hovedparametrene for en felteffekttransistor.

Isoleret gate felteffekt transistor

Sådanne transistorer kaldes også ofte MOS (metal-dielektrisk-semiconductor) eller MOS (metal-oxide-semiconductor) transistorer (metal-oxid-semiconductor field effect transistor, MOSFET). I sådanne enheder er porten adskilt fra kanalen af ​​et tyndt lag dielektrisk. Det fysiske grundlag for deres arbejde er effekten af ​​at ændre ledningsevnen af ​​det nærliggende lag af en halvleder ved grænsefladen med et dielektrisk under påvirkning af et tværgående elektrisk felt.
Strukturen af ​​transistorer af denne type er som følger. Der er et halvledersubstrat med p-ledningsevne, hvori der er lavet to stærkt doterede områder med n-ledningsevne (kilde og dræn). Mellem dem ligger en smal overfladenær bro, hvis ledningsevne også er n-type. Over den, på overfladen af ​​waferen, er der et tyndt lag dielektrisk (normalt siliciumdioxid - deraf i øvrigt forkortelsen MOS). Og på dette lag er lukkeren placeret - en tynd metalfilm. Selve krystallen er normalt forbundet med kilden, selvom det sker, at den er forbundet separat.

Hvis en source-drain-spænding påføres ved nul gate-spænding, vil der strømme strøm gennem kanalen mellem dem. Hvorfor ikke gennem krystallen? Fordi et af pn-krydsene vil være lukket.

Lad os nu påføre en negativ spænding i forhold til kilden til porten. Det resulterende tværgående elektriske felt vil "skubbe" elektroner fra kanalen ind i substratet. Følgelig vil kanalmodstanden stige, og strømmen, der strømmer gennem den, vil falde. Denne tilstand, hvor udgangsstrømmen falder, når portspændingen stiger, kaldes magert tilstand.
Hvis vi påfører en spænding på porten, som vil bidrage til fremkomsten af ​​et felt, der "hjælper" elektroner med at "komme" ind i kanalen fra substratet, så vil transistoren fungere i berigelsestilstand. I dette tilfælde vil modstanden af ​​kanalen falde, og strømmen gennem den vil stige.

Designet af en transistor med en isoleret gate diskuteret ovenfor svarer til designet med en kontrol p-n junction, idet der selv med nul strøm på gate og en ikke-nul source-drain spænding mellem dem er der en såkaldt indledende drænstrøm. I begge tilfælde skyldes dette, at kanalen for denne strøm indbygget ind i transistordesignet. Det vil sige, strengt taget har vi netop overvejet sådan en undertype af MOS-transistorer som transistorer med indbygget kanal.

Der er dog en anden type felteffekttransistorer med en isoleret gate - transistor med induceret (invers) kanal. Fra navnet er det allerede klart, at det adskiller sig fra den foregående - dens kanal mellem de stærkt dopede områder af drænet og kilden vises kun, når en spænding med en vis polaritet påføres porten.

Så vi påfører kun spænding til kilden og afløbet. Der vil ikke flyde nogen strøm mellem dem, da en af ​​p-n-forbindelserne mellem dem og substratet er lukket.
Lad os påføre spænding til porten (direkte i forhold til kilden). Det resulterende elektriske felt vil "trække" elektroner fra de stærkt dopede områder ind i substratet i retning af porten. Og når portspændingen når en vis værdi i den nære overflade zone, den såkaldte inversion type ledningsevne. De der. elektronkoncentrationen vil overstige hulkoncentrationen, og der vil opstå en tynd n-type kanal mellem drænet og kilden. Transistoren vil begynde at lede strøm, jo ​​stærkere jo højere gatespænding.
Fra dette design er det klart, at en transistor med en induceret kanal kun kan fungere, når den er i berigelsestilstand. Derfor findes de ofte i skiftende enheder.

Symbolerne for isolerede gate-transistorer er som følger:


Her
EN− med indbygget n-type kanal;
b− med indbygget p-type kanal;
V− med output fra substratet;
G− med en n-type induceret kanal;
d− med en induceret p-type kanal;
e− med output fra substratet.

Statiske karakteristika af MOS-transistorer

Drain-familien og drain-gate-karakteristika for en transistor med en indbygget kanal er vist i følgende figur:

De samme egenskaber for en transistor med en induceret kanal:

Eksotiske MIS-strukturer

For ikke at forvirre præsentationen, vil jeg blot anbefale links, hvor du kan læse om dem. Først og fremmest er dette alles foretrukne Wikipedia, afsnittet "MDP-strukturer særligt formål" Og her er teorien og formlerne: en lærebog om solid-state elektronik, kapitel 6, underkapitler 6.12-6.15. Læs det, det er interessant!

Generelle parametre for felteffekttransistorer

1. Maksimal drænstrøm ved en fast gate-source spænding.
2. Maksimal drænkildespænding, hvorefter der allerede sker et sammenbrud.
3. Intern (output) modstand. Det repræsenterer kanalmodstanden for vekselstrøm(gate-source spændingen er konstant).
4. Hældning af dræn-portens karakteristik. Jo større den er, jo "skarpere" er transistorens reaktion på ændringer i gatespænding.
5. Indgangsimpedans. Det bestemmes af modstanden af ​​den omvendte forspændte p-n kryds og når normalt enheder og titusinder af megohm (hvilket adskiller felteffekttransistorer fra deres bipolære "slægtninge"). Og blandt selve felteffekttransistorerne hører håndfladen til enheder med en isoleret port.
6. Gevinst- forholdet mellem ændringen i source-drain-spænding og ændringen i gate-source-spænding ved en konstant drænstrøm.

Tilslutningsordninger

Ligesom en bipolær kan en felteffekttransistor betragtes som en fire-terminal enhed, hvor to af de fire kontakter falder sammen. Der kan således skelnes mellem tre typer koblingskredsløb: med en fælles kilde, med en fælles port og med et fælles afløb. Med hensyn til egenskaber minder de meget om kredsløb med almindelig udsender, fælles base og fælles samler til bipolære transistorer.
Oftest brugt fælles kildekredsløb (EN), som giver større strøm- og effektforøgelse.
Fælles portkredsløb (b) giver næsten ingen strømforstærkning og har en lav indgangsmodstand. På grund af dette har en sådan forbindelsesordning begrænset praktisk anvendelse.
Ordning med fælles afløb (V) også kaldet kildefølger. Dens spændingsforstærkning er tæt på enhed, indgangsimpedansen er høj, og udgangsimpedansen er lav.

Forskelle mellem felteffekttransistorer og bipolære. Anvendelsesområder

Som nævnt ovenfor er den første og vigtigste forskel mellem disse to typer transistorer, at sidstnævnte styres ved at ændre strømmen og førstnævnte af spænding. Og heraf følger andre fordele ved felteffekttransistorer sammenlignet med bipolære:

• høj indgangsimpedans DC og på høj frekvens, derfor de lave kontroltab;
• høj ydeevne (på grund af fraværet af akkumulering og resorption af mindre bærere);
• da de forstærkende egenskaber af felteffekttransistorer skyldes overførslen af ​​majoritetsladningsbærere, er deres øvre grænse for effektiv forstærkning højere end den for bipolære;
• høj temperatur stabilitet;
• lavt støjniveau, da felteffekttransistorer ikke bruger fænomenet med injektion af minoritetsladningsbærere, hvilket gør bipolære transistorer"støjende";
• lavt strømforbrug.

Men med alt dette har felteffekttransistorer også en ulempe - de er "bange" statisk elektricitet Derfor stiller de, når de arbejder med dem, særligt strenge krav til beskyttelse mod denne plage.

Hvor bruges felteffekttransistorer? Ja, næsten overalt. Digital og analog integrerede kredsløb, sporing og logiske enheder, energibesparende kredsløb, flash-hukommelse... Hvad er der, endda quartz ur og tv-fjernbetjeningen fungerer på felteffekttransistorer. De er overalt, % habrowser%. Men nu ved du, hvordan de virker!

I modsætning til felteffekttransistorer med en p-n-junction, hvor porten har direkte elektrisk kontakt med det nærliggende område af den strømførende kanal, er porten i MOS-transistorer isoleret fra det specificerede område af et dielektrisk lag.

Af denne grund er MOS-transistorer klassificeret som isolerede gate-felteffekttransistorer.

MOS-transistorer (metal - dielektrisk - halvlederstruktur) er lavet af silicium. Siliciumoxid SiO2 bruges som dielektrikum. Derfor er et andet navn for disse transistorer MOS-transistorer (metaloxid-halvlederstruktur). Tilstedeværelsen af ​​et dielektrikum giver en høj indgangsmodstand for de pågældende transistorer (1012-1014 ohm).

Ris. 5.6. Symboler for MOS-transistorer med en indbygget n-type (a), p-type (b) kanal og output fra substratet (c); med en n-type (d), p-type (e) induceret kanal og output fra substratet (f)

Driftsprincippet for MOS-transistorer er baseret på virkningen af ​​at ændre ledningsevnen af ​​det nærliggende lag af en halvleder ved grænsefladen med et dielektrikum under påvirkning af et tværgående elektrisk felt. Halvlederens overfladelag er den strømførende kanal for disse transistorer. MOS transistorer er af to typer - med indbygget og med induceret kanal.

MOS-transistorer er generelt en enhed med fire elektroder. Den fjerde elektrode (substrat), som udfører en hjælpefunktion, er ledningen fra substratet af den originale halvlederwafer. MOS-transistorer kan være enten med en p- eller p-type kanal. Symbolerne for MOS-transistorer er vist i fig. 5,6 a-e.

Lad os overveje funktionerne i MOS-transistorer med en indbygget kanal. Designet af en sådan transistor med en n-type kanal er vist i fig. 5,7, a. I den originale p-type siliciumwafer skabes source-, dræn- og n-type kanalområder ved hjælp af diffusionsteknologi. SiO2-oxidlaget udfører funktionerne til at beskytte overfladen tæt på kilden og afløbet, samt isolere porten fra kanalen. Substratterminalen (hvis den findes) er nogle gange forbundet til kilden.

Drain-(output)-karakteristikaene for en felteffekttransistor med en indbygget n-type kanal til at forbinde substratet med kilden er vist i fig. 5,7, b. Udseendemæssigt er disse karakteristika tæt på karakteristikaene for en felteffekttransistor med en p-n-forbindelse. Lad os overveje karakteristikken ved Uzi = 0, som svarer til portens forbindelse til kilden. En ekstern spænding påføres source-dræn-sektionen med den positive pol mod afløbet. Da Uzi = 0, løber en strøm gennem enheden, bestemt af kanalens indledende ledningsevne. Ved den indledende sektion 0-a, når spændingsfaldet i kanalen er lille, er afhængigheden Ic(Uci) tæt på lineær. Når vi nærmer os punkt b, fører spændingsfaldet i kanalen til en stadig mere signifikant effekt af dens indsnævring (stiplet linje i fig. 5.7, a) på kanalens ledningsevne, hvilket reducerer stejlheden af ​​strømstigningen med afsnit a-b. Efter punkt b indsnævres den strømførende kanal til et minimum, hvilket medfører en begrænsning af strømstigningen og fremkomsten af ​​et fladt afsnit II på karakteristikken.

Ris. 5.7. Design af en MOS-transistor med en indbygget n-type kanal (a); dræn-port-karakteristik (b); afløbsventilkarakteristik (c)

Lad os vise indflydelsen af ​​gate-source spænding på forløbet af drænkarakteristika.

I tilfælde af påføring af en spænding til gate (Uzi Når en spænding Uzi > 0 påføres gate, tiltrækker gate-feltet elektroner ind i kanalen fra p-laget af halvlederwaferen. Koncentrationen af ​​ladningsbærere i kanalen stiger, hvilket svarer til kanalens berigelsesmåde med bærere Kanalens ledningsevne øges, strømmen Ic øges Drain-karakteristika for Uzi > 0 er placeret over den oprindelige kurve (Uzi = 0).

For en transistor er der en grænse for at øge spændingen Uсз på grund af begyndende sammenbrud af drænportsektionen, der støder op til drænet. I lagerkarakteristika svarer opdeling til opnåelse af en vis værdi Usi.pr. I tilfælde af Uzi 0 (berigelsestilstand).

Designet af en MOS-transistor med en induceret n-type kanal er vist i fig. 5.8, s. Strømledningskanalen er ikke specielt skabt her, men dannes (induceres) på grund af indstrømningen af ​​elektroner fra halvlederwaferen, når en spænding med positiv polaritet påføres porten i forhold til kilden. På grund af indstrømningen af ​​elektroner i det overfladenære lag ændres halvlederens elektriske ledningsevne, dvs. en strømledende n-type kanal induceres, der forbinder dræn- og kilderegionerne. Kanalens ledningsevne stiger med stigende spænding med positiv polaritet påført porten. Den inducerede kanaltransistor fungerer således kun i berigelsestilstand.

Drain (output) karakteristika for en felteffekttransistor med en induceret n-type kanal er vist i fig. 5,8, b. De ligner i udseende de lignende karakteristika for en transistor med en indbygget kanal og har samme karakter af afhængigheden Iс = F(Uс). Forskellen er, at transistorstrømmen styres af en spænding på en polaritet, der falder sammen med polariteten af ​​spændingen Uc. Strømmen Ic er nul ved Uzi = 0, mens dette i en transistor med en indbygget kanal kræver ændring af polariteten af ​​gatespændingen i forhold til kilden. Drain-gate-karakteristikken for en transistor med en induceret kanal er vist i fig. 5,8, c.

MOS-transistorer af begge typer produceres til det samme område af strømme og spændinger som pn-junction-transistorer. Hældningen S og den indre modstand ri har omtrent samme størrelsesorden. Hvad angår indgangsmodstanden og interelektrodekapacitanser, har MOS-transistorer bedre ydeevne end p-n-forbindelsestransistorer. Som angivet er deres inputmodstand 1012-1014 Ohm. Værdien af ​​interelektrodekapacitanserne overstiger ikke: for Szi, Ssi - 10 pF, for Szs - 2 pF. Det ækvivalente kredsløb for MOS-transistorer ligner det ækvivalente kredsløb for felteffekttransistorer med en p-n-forbindelse (se fig. 5.5).

MOS-transistorer er meget udbredt i integreret design. Mikrokredsløb baseret på MOS-transistorer har god fremstillingsevne, lave omkostninger og evnen til at fungere ved højere temperaturer. højspænding strømforsyning end mikrokredsløb baseret på bipolære transistorer.

Strømledningskanal for en MOS-transistor med en induceret kanal P- type (fig. 5.8, EN) er ikke specielt skabt, men dannes (induceres) på grund af indstrømningen af ​​elektroner fra halvlederwaferen, når en spænding med positiv polaritet påføres porten i forhold til kilden.

På grund af indstrømningen af ​​elektroner i det overfladenære lag ændres halvlederens elektriske ledningsevne, dvs. en ledende kanal induceres n-type, der forbinder afløb og kildeområder. Kanalens ledningsevne stiger med stigende spænding med positiv polaritet påført porten. Den inducerede kanaltransistor fungerer således kun i berigelsestilstand.

Output (dræn) karakteristika for en felteffekttransistor med en induceret kanal n- type (fig. 5.8, b) ligner i udseende lignende karakteristika for en transistor med en indbygget kanal og har samme karakter af afhængighed: .

Forskellen er, at transistorstrømmen styres af en spænding på en polaritet, der falder sammen med spændingens polaritet. Strømmen er nul ved = 0, mens dette i en transistor med indbygget kanal kræver ændring af polariteten af ​​gatespændingen i forhold til kilden. Drain-gate-karakteristikken for en transistor med en induceret kanal er vist i fig. 5,8, V.

MOS-transistorer af begge typer produceres til det samme område af strømme og spændinger som transistorer med s— n-overgang, hældningen har omtrent samme værdier S og indre modstand. Hvad angår indgangsmodstanden og interelektrodekapacitanser, har MOS-transistorer bedre ydeevne end transistorer med s— n-overgang. Som angivet er deres indgangsmodstand 10 12 – 10 14 ohm. Værdien af ​​interelektrodekapacitanser overstiger ikke:

for, 10 pF,

Det ækvivalente kredsløb af MOS-transistorer svarer til det ækvivalente kredsløb af felteffekttransistorer med s— n-overgang (se fig. 5.4).

På grund af manglen på diffusionskapacitans har forstærkere baseret på felteffekttransistorer fundamentalt højere frekvens end dem, der er baseret på bipolære transistorer. Impulsegenskaber iflg

venstrehåndede transistorer er væsentligt bedre end bipolære. For eksempel gør en switch baseret på en kraftig felteffekttransistor det muligt at opnå en strømimpuls med en amplitude på flere ampere med en tænd- og sluktid i størrelsesordenen nanosekunder.

Da det gate-isolerende lag af siliciumoxid er et ideelt dielektrikum og har en tykkelse på cirka 0,1 mikron, er MOS-transistorer bange for statisk elektricitet på grund af faren for termisk nedbrydning af dette lag. Det er nødvendigt at træffe særlige foranstaltninger ved opbevaring og installation af sådanne transistorer og mikrokredsløb baseret på dem: kortslut benene under opbevaring, jord loddekolben og brug et jordingsarmbånd, når du installerer dem.

MOS-transistorer er meget udbredt i integreret design. Mikrokredsløb baseret på MOS-transistorer har god fremstillingsevne, lave omkostninger og evnen til at fungere ved en højere forsyningsspænding end mikrokredsløb baseret på bipolære transistorer.

Emne 5. FELTTRANSISTORER

En felteffekttransistor er en elektrisk konverteringsenhed, hvor strømmen, der strømmer gennem kanalen, styres af et elektrisk felt, der genereres ved påføring af spænding mellem gate og kilde, og som er designet til at forstærke effekten af ​​elektromagnetiske svingninger.

Klassen af ​​felteffekttransistorer omfatter transistorer, hvis driftsprincip er baseret på brugen af ​​ladningsbærere af kun ét tegn (elektroner eller huller). Strømstyring i felteffekttransistorer udføres ved at ændre ledningsevnen af ​​den kanal, gennem hvilken transistorstrømmen flyder under påvirkning af et elektrisk felt. Som et resultat kaldes transistorer for felteffekttransistorer.

Ifølge metoden til at skabe en kanal skelnes felteffekttransistorer med en gate i form af en kontrol-p-n-forbindelse og med en isoleret gate (MDS- eller MOS-transistorer): en indbygget kanal og en induceret kanal.

Afhængigt af kanalens ledningsevne er felteffekttransistorer opdelt i: felteffekttransistorer med en p-type og n-type kanal. P-type-kanalen har hulledningsevne, og n-type-kanalen har elektronisk ledningsevne.

5.1 Felteffekttransistorer med kontrol p- n-overgang

5.1.1 Design og funktionsprincip

Felteffekttransistor med styring pn kryds er en felteffekttransistor, hvis gate er elektrisk adskilt fra kanalen af ​​en omvendt forspændt p-n-forbindelse.

Figur 5.1 – Design af en felteffekttransistor med en kontrol-p-n-junction (n-type kanal)

Figur 5.2 – Symbol felteffekttransistor med p-n-junction og n-type kanal (a), p-type kanal (b)

En felteffekttransistorkanal er et område i en halvleder, hvor strømmen af ​​hovedladningsbærerne reguleres ved at ændre dens tværsnit.

Elektroden (terminalen), hvorigennem hovedladningsbærerne kommer ind i kanalen, kaldes kilden. Elektroden, gennem hvilken de vigtigste ladningsbærere forlader kanalen, kaldes et dræn. Elektroden, der tjener til at regulere kanalens tværsnit på grund af styrespændingen, kaldes en gate.

Som regel fremstilles siliciumfelteffekttransistorer. Silicium bruges, fordi gate-strømmen, dvs. omvendt strøm pn junction er mange gange mindre end germanium.

Symboler for felteffekttransistorer med n- og p-type kanaler er vist i fig. 5.2.

Polariteten af ​​eksterne spændinger, der leveres til transistoren, er vist i fig. 5.1. Styrespændingen (input) påføres mellem porten og kilden. Spændingen Uzi er omvendt for begge p-n kryds. Bredden af ​​p-n-kryds og følgelig det effektive tværsnitsareal af kanalen, dens modstand og strømmen i kanalen afhænger af denne spænding. Efterhånden som den øges, udvides p-n-krydsene, tværsnitsarealet af den strømførende kanal falder, dens modstand øges, og følgelig falder strømmen i kanalen. Derfor, hvis en spændingskilde Uc er forbundet mellem kilden og drænet, så kan styrken af ​​drænstrømmen Ic, der strømmer gennem kanalen, styres ved at ændre modstanden (tværsnittet) af kanalen ved hjælp af den spænding, der påføres porten. Driften af ​​en felteffekttransistor med en kontrol-p-n-forbindelse er baseret på dette princip.

Ved spænding Uzi = 0 er kanaltværsnittet størst, dets modstand er minimal, og strømmen Iс er størst.

Drænstrømmen Ic init ved Uzi = 0 kaldes den initiale drænstrøm.

Spændingen Uzi, ved hvilken kanalen er fuldstændig blokeret og drænstrømmen Ic bliver meget lille (tiendedele mikroampere), kaldes afskæringsspændingen Uziots.

5.1.2 Statiske karakteristika for en felteffekttransistor med kontrol p- n-overgang

Lad os overveje strømspændingsegenskaberne for felteffekttransistorer med et p-n-kryds. For disse transistorer er to typer volt-ampere-karakteristika af interesse: dræn og dræn-gate.

Drain-(output)-karakteristikaene for en felteffekttransistor med en p-n-forbindelse og en n-type kanal er vist i fig. 5.3, a. De afspejler drænstrømmens afhængighed af spændingen Usi ved en fast spænding Usi: Ic = f (Usi) ved Usi = const.

a) b)

Figur 5.3 – Strøm-spændingskarakteristika felteffekt transistor med pn overgang og en n-type kanal: a – dræn (output); b – lager – bolt

Et træk ved en felteffekttransistor er, at kanalens ledningsevne påvirkes af både styrespændingen Uzi og spændingen Uci. Når Usi = 0, er udgangsstrømmen Ic = 0. Ved Usi > 0 (Uzi = 0) løber strømmen Ic gennem kanalen, hvilket resulterer i et spændingsfald, der stiger i retning af drænet. Det totale spændingsfald for source-dræn-sektionen er lig med Uс. En stigning i spændingen Uс forårsager en stigning i spændingsfaldet i kanalen og et fald i dens tværsnit, og følgelig et fald i kanalens ledningsevne. Ved en bestemt spænding Uс indsnævres kanalen, hvorved grænserne for begge pn-kryds lukkes, og kanalmodstanden bliver høj. Denne spænding Usi kaldes overlapningsspændingen eller mætningsspændingen Usinas. Når en omvendt spænding Uzi påføres porten, sker der en yderligere indsnævring af kanalen, og dens overlapning sker ved en lavere spændingsværdi Usinas. I driftstilstand anvendes flade (lineære) sektioner af outputkarakteristika.

Drain-gate-karakteristikken for en felteffekttransistor viser strømmen Ic's afhængighed af spændingen Uzi ved en fast spænding Usi: Ic = f (Usi) ved Usi = const (fig. 5.3, b).

5.1.3 Grundparametre

· maksimal strøm dræn Icmax (ved Uzi = 0);

· maksimal drain-source spænding Uсmax;

· afskæringsspænding Uziots;

· intern (output) modstand ri - repræsenterer modstanden af ​​transistoren mellem drain og source (kanalmodstand) for vekselstrøm:

med Uzi = const;

· hældning af drænportens karakteristik:

når Uсi = const,

viser effekten af ​​gatespænding på transistorens udgangsstrøm;

· indgangsimpedans

når Uс = transistorens const bestemmes af modstanden af ​​p-n-forbindelserne, forspændt i den modsatte retning. Indgangsmodstanden for felteffekttransistorer med en p-n-forbindelse er ret høj (når enheder og titusinder af megaohm), hvilket adskiller dem positivt fra bipolære transistorer.

5.2 Isolerede gate felteffekttransistorer

5.2.1 Design og funktionsprincip

En isoleret gate-felteffekttransistor (IGF-transistor) er en felteffekttransistor, hvis gate er elektrisk adskilt fra kanalen af ​​et dielektrisk lag.

MIS-transistorer (struktur: metal-dielektrisk-halvleder) er lavet af silicium. Siliciumoxid SiO2 bruges som dielektrikum. deraf et andet navn for disse transistorer - MOS-transistorer (struktur: metal-oxid-halvleder). Tilstedeværelsen af ​​et dielektrikum giver en høj indgangsmodstand for de pågældende transistorer (1012 ... 1014 Ohm).

Driftsprincippet for MIS-transistorer er baseret på effekten af ​​at ændre ledningsevnen af ​​det nærliggende lag af en halvleder ved grænsen med et dielektrikum under påvirkning af et tværgående elektrisk felt. Halvlederens overfladelag er den strømførende kanal for disse transistorer. MIS transistorer findes i to typer - med en indbygget kanal og med en induceret kanal.

Lad os overveje funktionerne i MIS - transistorer med en indbygget kanal. Designet af en sådan transistor med en n-type kanal er vist i fig. 5.4, ​​a. I den originale p-type silicium wafer med en relativt høj resistivitet, som kaldes substratet, ved hjælp af diffusionsteknologi skabes to stærkt doterede områder med den modsatte type elektrisk ledningsevne - n. Metalelektroder påføres disse områder - kilde og afløb. Mellem kilden og afløbet er der en tynd overfladenær kanal med n-type elektrisk ledningsevne. Overfladen af ​​halvlederkrystallen mellem kilden og drænet er dækket af et tyndt lag (ca. 0,1 μm) dielektrisk. En metalelektrode - en port - påføres det dielektriske lag. Tilstedeværelsen af ​​et dielektrisk lag tillader en sådan felteffekttransistor at levere styrespænding af begge polariteter til porten.

Figur 5.4 – Design af en MIS-transistor med en indbygget n-type kanal (a); familie af dens bestandskarakteristika (b); afløbsventilkarakteristik (c)

Når en positiv spænding påføres porten, vil det elektriske felt, der skabes i dette tilfælde, skubbe huller fra kanalen ind i substratet, og elektroner vil blive trukket ud af substratet ind i kanalen. Kanalen er beriget med de vigtigste ladningsbærere - elektroner, dens ledningsevne øges, og drænstrømmen stiger. Denne tilstand kaldes berigelsestilstand.

Når en spænding negativ i forhold til kilden påføres porten, skabes et elektrisk felt i kanalen, under påvirkning af hvilket elektroner skubbes ud af kanalen ind i substratet, og huller trækkes fra substratet ind i kanalen. Kanalen er udtømt for store ladningsbærere, dens ledningsevne falder, og drænstrømmen falder. Denne tilstand af transistoren kaldes udtømningstilstand.

I sådanne transistorer ved Usi = 0, hvis der påføres en spænding mellem drænet og kilden (Usi > 0), flyder en drænstrøm Iin, kaldet den initiale u, som er en strøm af elektroner.

Designet af en MIS-transistor med en n-type induceret kanal er vist i fig. 5,5, a