Tranzystory polowe: zasada działania, obwody, tryby pracy i modelowanie. Tranzystory MOS z kanałem indukowanym
NA schematy obwodów Można znaleźć oznaczenia tranzystora polowego tego czy innego typu.
Aby się nie pomylić i uzyskać najpełniejszy obraz tego, jaki rodzaj tranzystora jest zastosowany w obwodzie, porównajmy konwencjonalne oznaczenie graficzne tranzystora unipolarnego oraz jego charakterystyczne właściwości i cechy.
Niezależnie od rodzaju tranzystora polowego ma on trzy zaciski. Jeden z nich to tzw Brama(Ż.). Bramka jest elektrodą sterującą; przykładane jest do niej napięcie sterujące. Wywoływane jest następne wyjście Źródło(I). Źródło jest podobne do emitera tranzystorów bipolarnych. Trzecie wyjście jest wywoływane Magazyn(Z). Drenaż to zacisk, z którego usuwany jest prąd wyjściowy.
Na zagranicznym elektroniczne obwody widać następujące oznaczenie zacisków tranzystorów unipolarnych:
G- migawka (z angielskiego - G zjadł „żaluzję”, „bramę”);
S– źródło (z ang. – S nasze „źródło”, „początek”);
D– zapasy (z ang. – D„odpływ”, „wyciek”) deszczu.
Znając obce oznaczenia zacisków tranzystora polowego, łatwo będzie zrozumieć obwody importowanej elektroniki.
Oznaczenie tranzystora polowego ze złączem sterującym p-n (J-FET).
Więc. Tranzystor z kierownik p-n– na schematach przejście oznacza się następująco:
n-kanałowy J-FET
kanał p J-FET
W zależności od rodzaju nośników użytych do utworzenia kanału przewodzącego (obszaru, przez który przechodzi regulowany prąd), tranzystory te mogą być kanałowe n i p. NA oznaczenie graficzne Można zauważyć, że kanały n są oznaczone strzałką skierowaną do wewnątrz, a kanały p skierowane na zewnątrz.
Oznaczenie tranzystora MOS.
Unipolarne tranzystory typu MIS (MOSFET) mają nieco inne oznaczenie graficzne niż tranzystory J-FET ze sterującym złączem p-n. MOSFET mogą być również kanałami typu n lub p.
Tranzystory MOSFET występują w dwóch typach: wbudowany kanał I kanał indukowany.
Jaka jest różnica?
Różnica polega na tym, że tranzystor z kanałem indukowanym otwiera się tylko wtedy, gdy do bramki zostanie przyłożony dodatni lub tylko ujemny. próg napięcia. Próg napięcia ( U por ) to napięcie między bramką a zaciskami źródła, przy którym tranzystor polowy otwiera się i zaczyna przez niego płynąć prąd drenu ( ja c ).
Polaryzacja napięcia progowego zależy od rodzaju kanału. W przypadku mosfetów z kanałem p do bramki należy przyłożyć ujemne napięcie „-”, a w przypadku mosfetów z kanałem n należy przyłożyć dodatnie napięcie „+”. Mosfety z kanałem indukowanym nazywane są także tranzystorami. typ wzbogacony. Dlatego jeśli słyszysz ludzi mówiących o mosfecie typu wzbogaconego, powinieneś wiedzieć, że jest to tranzystor z kanałem indukowanym. Poniżej przedstawiono jego symbol.
n-kanałowy MOSFET
MOSFET z kanałem p
Główna różnica między tranzystorem MOS z kanałem indukowanym a tranzystorem polowym z wbudowanym kanałem polega na tym, że otwiera się on dopiero przy określonej wartości (próg U) napięcia dodatniego lub ujemnego (w zależności od rodzaju kanału - n lub p).
Tranzystor z wbudowanym kanałem otwiera się już przy „0” i przy napięcie ujemne na migawce działa tryb chudy(również otwarty, ale przepuszcza mniej prądu). Jeśli do bramy zostanie przyłożone napięcie dodatnie „+”, to będzie ona nadal się otwierać i przechodzić w tzw tryb wzbogacania- prąd drenu wzrośnie. Ten przykład opisuje działanie n-kanałowego mosfetu z wbudowanym kanałem. Nazywa się je również tranzystorami chudy typ. Poniżej przedstawiono ich konwencjonalną reprezentację na diagramach.
Na konwencjonalnym oznaczeniu graficznym tranzystor z kanałem indukowanym od tranzystora z kanałem wbudowanym można odróżnić po przerwie w linii pionowej.
Czasami w literaturze technicznej można zobaczyć obraz tranzystora MOS z czwartym zaciskiem, który jest kontynuacją linii strzałki wskazującej typ kanału. Zatem czwarty wynik to wynik substratu. Ten obraz mosfetu jest z reguły używany do opisu dyskretnego (tj. Oddzielnego) tranzystora i jest używany tylko jako model wizualny. Podczas procesu produkcyjnego podłoże jest zwykle podłączone do terminala źródłowego.
MOSFET z przewodem podłoża
Oznaczenie tranzystora MOSFET mocy
W wyniku połączenia źródła i podłoża w strukturze mosfet polowy, a wbudowana dioda. Dioda ta nie wpływa na działanie urządzenia, ponieważ jest podłączona do obwodu w odwrotnym kierunku. W niektórych przypadkach wbudowaną diodę, która powstaje ze względu na cechy technologiczne wytwarzania mocnego MOSFET-u, można zastosować w praktyce ostatnie pokolenia Tranzystory MOSFET mocy mają wbudowaną diodę służącą do ochrony samego elementu.
Wbudowana dioda może nie być oznaczona na symbolu mocnego tranzystora MOS, chociaż w rzeczywistości taka dioda występuje w każdym mocnym urządzeniu polowym.
Porozmawiajmy teraz o tranzystorach polowych. Czego można się domyślać na podstawie samej nazwy? Po pierwsze, ponieważ są to tranzystory, można nimi w jakiś sposób sterować prądem wyjściowym. Po drugie, mają mieć trzy kontakty. Po trzecie, ich praca opiera się na złączu p-n. Co powiedzą nam na ten temat oficjalne źródła?Tranzystory polowe nazywany aktywnym urządzenia półprzewodnikowe, zwykle z trzema zaciskami, w których prąd wyjściowy jest sterowany polem elektrycznym. (elektrono.ru)
Definicja nie tylko potwierdziła nasze przypuszczenia, ale także pokazała cechę tranzystorów polowych - sterowanie prądem wyjściowym odbywa się poprzez zmianę przyłożonego pola elektrycznego, tj. Napięcie. Ale w przypadku tranzystorów bipolarnych, jak pamiętamy, prąd wyjściowy jest kontrolowany przez wejściowy prąd bazowy.
Kolejny fakt na temat tranzystorów polowych można znaleźć, zwracając uwagę na ich inną nazwę - jednobiegunowy. Oznacza to, że w procesie przepływu prądu bierze udział tylko jeden rodzaj nośnika ładunku (elektrony lub dziury).
Nazywa się trzy styki tranzystorów polowych źródło(źródło aktualnych przewoźników), brama(elektroda kontrolna) i odpływ(elektroda, przez którą przepływają nośniki). Konstrukcja wydaje się prosta i bardzo przypomina konstrukcję tranzystora bipolarnego. Można to jednak wdrożyć na co najmniej dwa sposoby. Dlatego wyróżnia się tranzystory polowe ze złączem kontrolnym p-n I z izolowaną żaluzją.
Ogólnie rzecz biorąc, pomysł na ten ostatni pojawił się już w latach 20. XX wieku, na długo przed wynalezieniem tranzystorów bipolarnych. Ale poziom technologii umożliwił jego wdrożenie dopiero w 1960 roku. W latach 50. najpierw opisano teoretycznie, a następnie wdrożono tranzystor polowy ze złączem sterującym p-n. I podobnie jak ich bipolarni „bracia”, tranzystory polowe nadal odgrywają ogromną rolę w elektronice.
Zanim przejdę do opowieści o fizyce działania tranzystorów unipolarnych, przypominam linki, w których można odświeżyć swoją wiedzę na temat złącza pn: jedynki i dwójki.
Tranzystor polowy ze złączem sterującym p-n
Jak więc działa pierwszy typ tranzystora polowego? Urządzenie opiera się na płycie półprzewodnikowej o przewodności np. typu p. Na przeciwległych końcach posiada elektrody, poprzez przyłożenie napięcia, do którego otrzymamy prąd ze źródła do drenu. Na górze tej płytki znajduje się obszar o przeciwnym typie przewodnictwa, do którego podłączona jest trzecia elektroda – bramka. Naturalnie pomiędzy bramką a obszarem p pod nią ( kanał) następuje przejście p-n. A ponieważ warstwa n jest znacznie Na tym samym kanale, wówczas większość obszaru przejściowego pozbawionego nośników ładunku mobilnego znajdzie się na warstwie p. Odpowiednio, jeśli przyłożymy do złącza napięcie polaryzacji zaporowej, to po jego zamknięciu znacznie zwiększy się rezystancja kanału i zmniejszy się prąd między źródłem a drenem. Zatem prąd wyjściowy tranzystora jest regulowany za pomocą napięcia (pola elektrycznego) bramki.Można wyciągnąć następującą analogię: złącze pn to tama blokująca przepływ nośników ładunku od źródła do drenu. Zwiększając lub zmniejszając na nim napięcie wsteczne, otwieramy/zamykamy na nim bramy, regulując „zaopatrzenie w wodę” (prąd wyjściowy).
Więc w Tryb pracy tranzystor polowy ze złączem sterującym p-n, napięcie na bramce musi wynosić zero (kanał jest całkowicie otwarty) lub odwrotnie. 
Jeśli wartość napięcie wsteczne staje się tak duży, że warstwa blokująca zamyka kanał, wtedy tranzystor wejdzie tryb odcięcia.
Nawet przy zerowym napięciu bramki pomiędzy bramką a drenem występuje napięcie wsteczne równe napięciu źródło-dren. Dlatego złącze pn ma tak postrzępiony kształt, rozszerzając się w kierunku obszaru drenu.
Jest rzeczą oczywistą, że możliwe jest wykonanie tranzystora z kanałem typu n i bramką typu p. Istota jego twórczości nie ulegnie zmianie.
Warunkowy obrazy graficzne tranzystory polowe pokazano na rysunku ( A- z kanałem typu p, B- z kanałem typu n). Strzałka wskazuje kierunek od warstwy p do warstwy n.
Charakterystyka statyczna tranzystora polowego ze złączem sterującym p-n
Ponieważ w trybie pracy prąd bramki jest zwykle mały lub równy równy zeru, wówczas nie będziemy rozważać wykresów charakterystyk wejściowych tranzystorów polowych. Przejdźmy od razu do weekendu czyli stocku. Nawiasem mówiąc, nazywa się je statycznymi, ponieważ do bramki przykładane jest stałe napięcie. Te. nie ma potrzeby uwzględniania momentów częstotliwościowych, stanów nieustalonych itp.
Dzień wolny (magazyn) nazywa się zależnością prądu drenu od napięcia źródło-dren przy stałym napięciu bramka-źródło. Rysunek przedstawia wykres po lewej stronie.
Na wykresie można wyraźnie wyróżnić trzy strefy. Pierwsza z nich to strefa gwałtownego wzrostu prądu drenu. Jest to tzw obszar „omowy”.. Kanał źródło-dren zachowuje się jak rezystor, którego rezystancja jest kontrolowana przez napięcie na bramce tranzystora.
Druga strefa - obszar nasycenia. Prawie widok liniowy. Tutaj kanał zachodzi na siebie w obszarze drenu, co zwiększa się wraz z dalszym wzrostem napięcia źródło-dren. W związku z tym wzrasta również rezystancja kanału, a prąd drenu zmienia się bardzo nieznacznie (jednak prawo Ohma). To właśnie ta sekcja charakterystyk jest wykorzystywana w technologii wzmacniania, ponieważ tutaj jest najmniejsza zniekształcenie nieliniowe sygnały i wartości optymalne parametry małosygnałowe niezbędne do wzmocnienia. Parametry te obejmują nachylenie charakterystyki, opór wewnętrzny i zyskać. Znaczenie wszystkich tych niejasnych zwrotów zostanie ujawnione poniżej.
Trzecia strefa wykresu - obszar awarii, którego nazwa mówi sama za siebie.
Z prawa strona Rysunek przedstawia wykres innej ważnej zależności - charakterystyka bramy. Pokazuje, jak prąd drenu zależy od napięcia bramki-źródła przy stałe napięcie pomiędzy źródłem a drenem. I to właśnie jego stromość jest jednym z głównych parametrów tranzystora polowego.
Izolowany tranzystor polowy z bramką
Tranzystory takie są często nazywane tranzystorami MOS (metal-dielektryk-półprzewodnik) lub MOS (metal-tlenek-półprzewodnik) (tranzystor polowy metal-tlenek-półprzewodnik, MOSFET). W takich urządzeniach bramka jest oddzielona od kanału cienką warstwą dielektryka. Podstawą fizyczną ich pracy jest efekt zmiany przewodności warstwy przypowierzchniowej półprzewodnika na granicy faz z dielektrykiem pod wpływem poprzecznego pola elektrycznego.
Struktura tranzystorów tego typu jest następująca. Istnieje podłoże półprzewodnikowe o przewodności p, w którym utworzone są dwa silnie domieszkowane obszary o przewodności n (źródło i dren). Pomiędzy nimi znajduje się wąski mostek przypowierzchniowy, którego przewodność jest również typu n. Nad nim, na powierzchni płytki, znajduje się cienka warstwa dielektryka (najczęściej dwutlenku krzemu – stąd zresztą skrót MOS). I na tej warstwie znajduje się migawka - cienka metalowa folia. Sam kryształ jest zwykle podłączony do źródła, chociaż zdarza się, że jest on podłączony osobno. Jeśli przyłożone zostanie napięcie źródło-dren przy zerowym napięciu bramki, wówczas prąd będzie płynął przez kanał pomiędzy nimi. Dlaczego nie przez kryształ? Ponieważ jedno z węzłów pn będzie zamknięte.
Przyłóżmy teraz do bramki napięcie ujemne względem źródła. Powstałe poprzeczne pole elektryczne będzie „wypychać” elektrony z kanału do podłoża. W związku z tym rezystancja kanału wzrośnie, a przepływający przez niego prąd zmniejszy się. Nazywa się ten tryb, w którym prąd wyjściowy maleje wraz ze wzrostem napięcia bramki tryb chudy.
Jeśli do bramki przyłożymy napięcie, co przyczyni się do pojawienia się pola, które „pomaga” elektronom „wejść” do kanału z podłoża, to tranzystor będzie pracował w tryb wzbogacania. W takim przypadku rezystancja kanału spadnie, a przepływający przez niego prąd wzrośnie.
Konstrukcja tranzystora z izolowaną bramką omówiona powyżej jest podobna do konstrukcji ze kontrolnym złączem p-n w tym sensie, że nawet przy zerowym prądzie na bramce i niezerowym napięciu źródło-dren pomiędzy nimi występuje tzw. początkowy prąd drenu. W obu przypadkach wynika to z faktu, że kanał dla tego prądu wbudowany w konstrukcji tranzystora. Oznacza to, ściśle mówiąc, właśnie rozważaliśmy taki podtyp tranzystorów MOS jak tranzystory z wbudowanym kanałem.
Istnieje jednak inny typ tranzystorów polowych z izolowaną bramką - tranzystor z kanałem indukowanym (odwrotnym).. Już z nazwy wiadomo, że różni się od poprzedniego - jego kanał pomiędzy silnie domieszkowanymi obszarami drenu i źródła pojawia się dopiero po przyłożeniu do bramki napięcia o określonej polaryzacji.
Zatem przykładamy napięcie tylko do źródła i drenu. Żaden prąd nie będzie płynął między nimi, ponieważ jedno ze połączeń p-n między nimi a podłożem jest zamknięte.
Przyłóżmy napięcie do bramki (bezpośrednio względem źródła). Powstałe pole elektryczne będzie „wciągać” elektrony z silnie domieszkowanych obszarów do podłoża w kierunku bramki. A gdy napięcie bramki osiągnie określoną wartość w strefie przypowierzchniowej, tzw inwersja rodzaj przewodności. Te. stężenie elektronów przekroczy stężenie dziur, a pomiędzy drenem a źródłem pojawi się cienki kanał typu n. Tranzystor zacznie przewodzić prąd, im silniejszy, tym wyższe napięcie bramki.
Z tego projektu jasno wynika, że tranzystor z kanałem indukowanym może działać tylko w trybie wzbogacania. Dlatego często można je znaleźć w urządzeniach przełączających.
Symbole izolowanych tranzystorów bramkowych są następujące: 
Tutaj
A− z wbudowanym kanałem typu n;
B− z wbudowanym kanałem typu p;
V− z wyjściem z podłoża;
G− z kanałem indukowanym typu n;
D− z indukowanym kanałem typu p;
mi− z wyjściem z podłoża.
Charakterystyka statyczna tranzystorów MOS
Charakterystykę rodziny drenów i bramki drenu tranzystora z wbudowanym kanałem przedstawiono na poniższym rysunku:
Te same cechy dla tranzystora z kanałem indukowanym:
Egzotyczne struktury MIS
Aby nie wprowadzać zamieszania w prezentacji, chcę tylko polecić linki, gdzie można o nich przeczytać. Przede wszystkim jest to ulubiona przez wszystkich Wikipedia, sekcja „Struktury MDP specjalny cel" A oto teoria i wzory: podręcznik o elektronice półprzewodnikowej, rozdział 6, podrozdziały 6.12-6.15. Przeczytaj, to ciekawe!Ogólne parametry tranzystorów polowych
- Maksymalny prąd drenu przy stałym napięciu bramka-źródło.
- Maksymalne napięcie dren-źródło, po czym już następuje awaria.
- Rezystancja wewnętrzna (wyjściowa).. Reprezentuje rezystancję kanału dla prąd przemienny(napięcie źródłowo-bramkowe jest stałe).
- Nachylenie charakterystyki zasuwy spustowej. Im jest ono większe, tym „ostrzejsza” jest reakcja tranzystora na zmiany napięcia bramki.
- Impedancja wejściowa. Jest to określane na podstawie rezystancji spolaryzowanej odwrotnie złącze p-n i zwykle osiąga jednostki i dziesiątki megaomów (co odróżnia tranzystory polowe od ich bipolarnych „krewnych”). A wśród samych tranzystorów polowych dłoń należy do urządzeń z izolowaną bramką.
- Osiągać- stosunek zmiany napięcia źródło-dren do zmiany napięcia bramka-źródło przy stałym prądzie drenu.
Schematy połączeń
Podobnie jak bipolarny, tranzystor polowy można uznać za urządzenie z czterema zaciskami, w którym pokrywają się dwa z czterech styków. Zatem można wyróżnić trzy typy obwodów przełączających: ze wspólnym źródłem, ze wspólną bramką i ze wspólnym drenem. Pod względem właściwości są bardzo podobne do obwodów z wspólny emiter, wspólna podstawa i wspólny kolekcjoner dla tranzystorów bipolarnych.
Najczęściej używany wspólny obwód źródłowy (A), ponieważ zapewnia większy przyrost prądu i mocy.
Wspólny obwód bramki (B) prawie nie daje wzmocnienia prądu i ma niską rezystancję wejściową. Z tego powodu taki schemat połączeń ma ograniczone zastosowanie praktyczne.
Schemat ze wspólnym odpływem (V) nazywane również zwolennik źródła. Wzmocnienie napięcia jest bliskie jedności, rezystancja wejściowa jest wysoka, a rezystancja wyjściowa mała.
Różnice pomiędzy tranzystorami polowymi i bipolarnymi. Obszary zastosowań
Jak wspomniano powyżej, pierwszą i główną różnicą pomiędzy tymi dwoma typami tranzystorów jest to, że te drugie sterowane są poprzez zmianę prądu, a te pierwsze poprzez napięcie. Z tego wynikają inne zalety tranzystorów polowych w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi:- wysoka impedancja wejściowa DC i dalej Wysoka częstotliwość, stąd niskie straty sterowania;
- wysoka wydajność (ze względu na brak akumulacji i resorpcji mniejszych nośników);
- ponieważ właściwości wzmacniające tranzystorów polowych wynikają z przeniesienia większości nośników ładunku, ich górna granica efektywnego wzmocnienia jest wyższa niż w przypadku tranzystorów bipolarnych;
- stabilność w wysokiej temperaturze;
- niski poziom szumów, ponieważ tranzystory polowe nie wykorzystują zjawiska wtryskiwania nośników ładunku mniejszościowego, co powoduje tranzystory bipolarne"hałaśliwy";
- niskie zużycie energii.
Gdzie stosuje się tranzystory polowe? Tak, prawie wszędzie. Cyfrowe i analogowe obwody scalone, śledzenie i urządzenia logiczne, obwody oszczędzające energię, pamięć flash... Co tam w ogóle jest zegarek kwarcowy i pilot telewizora działają na tranzystorach polowych. Są wszędzie, % przeglądarka%. Ale teraz już wiesz, jak działają!
W przeciwieństwie do tranzystorów polowych ze złączem p-n, w których bramka ma bezpośredni kontakt elektryczny z pobliskim obszarem kanału przewodzącego prąd, w tranzystorach MOS bramka jest odizolowana od określonego obszaru warstwą dielektryka.
Z tego powodu tranzystory MOS są klasyfikowane jako tranzystory polowe z izolowaną bramką.
Tranzystory MOS (struktura metal - dielektryk - półprzewodnik) wykonane są z krzemu. Jako dielektryk stosuje się tlenek krzemu SiO2. Stąd inna nazwa tych tranzystorów - tranzystory MOS (struktura metal-tlenek-półprzewodnik). Obecność dielektryka zapewnia wysoką rezystancję wejściową rozważanych tranzystorów (1012-1014 omów).
Ryż. 5.6. Symbole tranzystorów MOS z wbudowanym kanałem typu n (a), typu p (b) i wyjściem z podłoża (c); z kanałem indukowanym typu n (d), typu p (e) i wyjściem z podłoża (f)
Zasada działania tranzystorów MOS opiera się na efekcie zmiany przewodności warstwy przypowierzchniowej półprzewodnika na granicy faz z dielektrykiem pod wpływem poprzecznego pola elektrycznego. Warstwa powierzchniowa półprzewodnika jest kanałem przewodzącym prąd tych tranzystorów. Tranzystory MOS są dwojakiego rodzaju - z wbudowanym i indukowanym kanałem.
Tranzystory MOS są zazwyczaj urządzeniami czteroelektrodowymi. Czwarta elektroda (podłoże), która pełni funkcję pomocniczą, jest wyprowadzeniem z podłoża oryginalnej płytki półprzewodnikowej. Tranzystory MOS mogą mieć kanał typu p lub p. Symbole tranzystorów MOS pokazano na ryc. 5,6 a–e.
Rozważmy cechy tranzystorów MOS z wbudowanym kanałem. Projekt takiego tranzystora z kanałem typu n pokazano na ryc. 5.7, A. W oryginalnej płytce krzemowej typu p obszary źródła, drenu i kanału typu n są tworzone przy użyciu technologii dyfuzyjnej. Warstwa tlenku SiO2 pełni funkcję zabezpieczającą powierzchnię w pobliżu źródła i drenu oraz izoluje zasuwę od kanału. Terminal substratu (jeśli jest) jest czasami podłączony do źródła.
Charakterystykę drenu (wyjściową) tranzystora polowego z wbudowanym kanałem typu n dla przypadku podłączenia podłoża do źródła pokazano na ryc. 5.7, ur. Z wyglądu cechy te są zbliżone do właściwości tranzystora polowego ze złączem p-n. Rozważmy charakterystykę przy Uzi = 0, która odpowiada połączeniu bramki ze źródłem. Do sekcji źródło-dren przykładane jest napięcie zewnętrzne, biegunem dodatnim skierowanym w stronę drenu. Ponieważ Uzi = 0, przez urządzenie przepływa prąd określony przez początkową przewodność kanału. Na początkowym odcinku 0-a, gdy spadek napięcia w kanale jest niewielki, zależność Ic(Uci) ma charakter zbliżony do liniowego. W miarę zbliżania się do punktu b spadek napięcia w kanale powoduje coraz bardziej znaczący wpływ jego zwężenia (linia przerywana na ryc. 5.7, a) na przewodność kanału, co zmniejsza stromość wzrostu prądu o sekcja a-b. Po punkcie b kanał prądowy zwęża się do minimum, co powoduje ograniczenie narastania prądu i pojawienie się na charakterystyce płaskiego odcinka II.
Ryż. 5.7. Projekt tranzystora MOS z wbudowanym kanałem typu n (a); charakterystyka zasuwy drenażowej (b); charakterystyka zasuwy drenażowej (c)
Pokażemy wpływ napięcia bramka-źródło na przebieg charakterystyki drenu.
W przypadku przyłożenia do bramki napięcia (Uzi). Po przyłożeniu do bramki napięcia Uzi > 0 pole bramkowe przyciąga do kanału elektrony z warstwy p płytki półprzewodnikowej. Stężenie nośników ładunku w kanale wzrasta, co odpowiada trybowi wzbogacenia kanału w nośniki. Przewodność kanału wzrasta, wzrasta prąd Ic. Charakterystyki drenu dla Uzi > 0 znajdują się powyżej pierwotnej krzywej (Uzi = 0).
W przypadku tranzystora istnieje ograniczenie wzrostu napięcia Uсз z powodu wystąpienia awarii sekcji dren-brama sąsiadującej z drenem. W charakterystyce zapasów podział odpowiada osiągnięciu określonej wartości Usi.pr. W przypadku Uzi 0 (tryb wzbogacania).
Konstrukcję tranzystora MOS z indukowanym kanałem typu n pokazano na rys. 5.8, s. 2 Kanał przewodzenia prądu nie jest tu specjalnie tworzony, ale powstaje (indukuje się) w wyniku napływu elektronów z płytki półprzewodnikowej, gdy do bramki zostanie przyłożone napięcie o dodatniej polaryzacji względem źródła. W wyniku napływu elektronów do warstwy przypowierzchniowej zmienia się przewodność elektryczna półprzewodnika, tj. indukowany jest kanał przewodzący typu n, łączący obszary drenu i źródła. Przewodność kanału wzrasta wraz ze wzrostem napięcia o dodatniej polaryzacji przyłożonego do bramki. Zatem tranzystor z kanałem indukowanym działa tylko w trybie wzbogacania.
Charakterystykę drenu (wyjściową) tranzystora polowego z indukowanym kanałem typu n pokazano na ryc. 5.8, ur. Są one podobne w wyglądzie do podobnych charakterystyk tranzystora z wbudowanym kanałem i mają ten sam charakter zależności Iс = F(Uс). Różnica polega na tym, że prąd tranzystora jest sterowany napięciem o jednej polaryzacji, pokrywającej się z polaryzacją napięcia Uc. Prąd Ic wynosi zero przy Uzi = 0, natomiast w tranzystorze z wbudowanym kanałem wymaga to zmiany polaryzacji napięcia bramki względem źródła. Charakterystykę dren-bramka tranzystora z kanałem indukowanym pokazano na ryc. 5.8, ok.
Tranzystory MOS obu typów są produkowane dla tego samego zakresu prądów i napięć, co tranzystory złączowe pn. Nachylenie S i opór wewnętrzny ri mają w przybliżeniu ten sam rząd wielkości. Jeśli chodzi o rezystancję wejściową i pojemności międzyelektrodowe, tranzystory MOS mają lepszą wydajność niż tranzystory ze złączem p-n. Jak wskazano, ich rezystancja wejściowa wynosi 1012–1014 omów. Wartość pojemności międzyelektrodowych nie przekracza: dla Szi, Ssi – 10 pF, dla Szs – 2 pF. Obwód zastępczy tranzystorów MOS jest podobny do obwodu zastępczego tranzystorów polowych ze złączem p-n (patrz ryc. 5.5).
Tranzystory MOS są szeroko stosowane w konstrukcjach zintegrowanych. Mikroukłady oparte na tranzystorach MOS mają dobrą produktywność, niski koszt i zdolność do pracy w wyższych temperaturach. Wysokie napięcie zasilanie niż mikroukłady oparte na tranzystorach bipolarnych.
Kanał przewodzenia prądu tranzystora MOS z kanałem indukowanym P- typ (ryc. 5.8, A) nie jest specjalnie tworzony, ale powstaje (indukowany) w wyniku napływu elektronów z płytki półprzewodnikowej, gdy do bramki zostanie przyłożone napięcie o dodatniej polaryzacji względem źródła.
W wyniku napływu elektronów do warstwy przypowierzchniowej zmienia się przewodność elektryczna półprzewodnika, tj. indukowany jest kanał przewodzący N-typ łączący obszary drenu i źródła. Przewodność kanału wzrasta wraz ze wzrostem napięcia o dodatniej polaryzacji przyłożonego do bramki. Zatem tranzystor z kanałem indukowanym działa tylko w trybie wzbogacania.
Charakterystyka wyjściowa (drenowa) tranzystora polowego z kanałem indukowanym N- typ (ryc. 5.8, B) mają podobny wygląd do podobnych charakterystyk tranzystora z wbudowanym kanałem i mają ten sam charakter zależności: .
Różnica polega na tym, że prąd tranzystora jest kontrolowany przez napięcie o jednej polaryzacji, pokrywającej się z polaryzacją napięcia. Prąd wynosi zero przy = 0, natomiast w tranzystorze z wbudowanym kanałem wymaga to zmiany polaryzacji napięcia bramki względem źródła. Charakterystykę dren-bramka tranzystora z kanałem indukowanym pokazano na ryc. 5,8, V.
Tranzystory MOS obu typów są produkowane dla tego samego zakresu prądów i napięć, co tranzystory P— N-przejście, nachylenie ma w przybliżeniu takie same wartości S i opór wewnętrzny. Jeśli chodzi o rezystancję wejściową i pojemność międzyelektrodową, tranzystory MOS mają lepszą wydajność niż tranzystory z P— N-przemiana. Jak wskazano, ich rezystancja wejściowa wynosi 10 12 – 10 14 omów. Wartość pojemności międzyelektrodowych nie przekracza:
dla , 10 pF,
Obwód zastępczy tranzystorów MOS jest podobny do obwodu zastępczego tranzystorów polowych P— N-przejście (patrz ryc. 5.4).
Ze względu na brak pojemności dyfuzyjnej wzmacniacze oparte na tranzystorach polowych charakteryzują się zasadniczo wyższą częstotliwością niż wzmacniacze oparte na tranzystorach bipolarnych. Właściwości impulsu wg
Tranzystory lewoskrętne są znacznie lepsze niż bipolarne. Na przykład przełącznik oparty na mocnym tranzystorze polowym umożliwia uzyskanie impulsu prądowego o amplitudzie kilku amperów z czasem włączania i wyłączania rzędu nanosekund.
Ponieważ warstwa izolująca bramkę z tlenku krzemu jest idealnym dielektrykiem i ma grubość około 0,1 mikrona, tranzystory MOS boją się elektryczności statycznej ze względu na niebezpieczeństwo przebicia termicznego tej warstwy. Podczas przechowywania i instalowania takich tranzystorów i opartych na nich mikroukładów należy podjąć specjalne środki: zewrzeć nogi podczas przechowywania, uziemić lutownicę i użyć bransoletki uziemiającej podczas ich instalowania.
Tranzystory MOS są szeroko stosowane w konstrukcjach zintegrowanych. Mikroukłady oparte na tranzystorach MOS charakteryzują się dobrą wydajnością, niskim kosztem i możliwością pracy przy wyższym napięciu zasilania niż mikroukłady oparte na tranzystorach bipolarnych.
TEMAT 5. TRANZYSTORY POLOWE
Tranzystor polowy to urządzenie przetwarzające prąd elektryczny, w którym prąd przepływający przez kanał jest kontrolowany przez pole elektryczne generowane przez przyłożenie napięcia pomiędzy bramką a źródłem, i które ma za zadanie wzmacniać moc oscylacji elektromagnetycznych.
Klasa tranzystorów polowych obejmuje tranzystory, których zasada działania opiera się na zastosowaniu nośników ładunku tylko jednego znaku (elektronów lub dziur). Sterowanie prądem w tranzystorach polowych odbywa się poprzez zmianę przewodności kanału, przez który przepływa prąd tranzystora pod wpływem pola elektrycznego. W rezultacie tranzystory nazywane są tranzystorami polowymi.
Ze względu na sposób tworzenia kanału, tranzystory polowe rozróżnia się z bramką w postaci sterującego złącza p-n oraz z bramką izolowaną (tranzystory MDS lub MOS): kanał wbudowany i kanał indukowany.
W zależności od przewodności kanału tranzystory polowe dzielą się na: tranzystory polowe z kanałem typu p i typu n. Kanał typu p ma przewodność dziurową, a kanał typu n ma przewodność elektronową.
5.1 Tranzystory polowe z kontrolą p- n-przejście
5.1.1 Konstrukcja i zasada działania
Tranzystor polowy ze sterowaniem złącze pn jest tranzystorem polowym, którego bramka jest elektrycznie oddzielona od kanału za pomocą złącza p-n o polaryzacji zaporowej.
Rysunek 5.1 – Projekt tranzystora polowego ze złączem sterującym p-n (kanał typu n)
Rysunek 5.2 – Symbol tranzystor polowy ze złączem p-n i kanałem typu n (a), kanałem typu p (b)
Kanał tranzystora polowego to obszar w półprzewodniku, w którym prąd głównych nośników ładunku jest regulowany poprzez zmianę jego Przekrój.
Elektrodę (zacisk), przez którą główne nośniki ładunku wchodzą do kanału, nazywa się źródłem. Elektrodę, przez którą główne nośniki ładunku opuszczają kanał, nazywa się drenem. Elektrodę służącą do regulacji przekroju kanału pod wpływem napięcia sterującego nazywa się bramką.
Z reguły produkowane są krzemowe tranzystory polowe. Stosowany jest krzem, ponieważ prąd bramki, tj. prąd wsteczny Złącze pn jest wielokrotnie mniejsze niż złącze germanu.
Symbole tranzystorów polowych z kanałami typu n i p pokazano na ryc. 5.2.
Biegunowość napięć zewnętrznych dostarczanych do tranzystora pokazano na ryc. 5.1. Napięcie sterujące (wejściowe) podawane jest pomiędzy bramkę a źródło. Napięcie Uzi jest odwrotne dla obu złączy p-n. Od tego napięcia zależy szerokość złączy p-n, a co za tym idzie, efektywna powierzchnia przekroju kanału, jego rezystancja i prąd w kanale. Wraz ze wzrostem rozszerzają się złącza p-n, zmniejsza się pole przekroju poprzecznego kanału przewodzącego prąd, zwiększa się jego rezystancja, a w konsekwencji maleje prąd w kanale. Dlatego też, jeśli pomiędzy źródłem a drenem zostanie podłączone źródło napięcia Uc, wówczas natężenie prądu drenu Ic przepływającego przez kanał można regulować poprzez zmianę rezystancji (przekroju) kanału za pomocą napięcia przyłożonego do bramki. Na tej zasadzie opiera się działanie tranzystora polowego ze złączem sterującym p-n.
Przy napięciu Uzi = 0 przekrój kanału jest największy, jego rezystancja jest minimalna, a prąd Iс jest największy.
Prąd drenu Ic init przy Uzi = 0 nazywany jest początkowym prądem drenu.
Napięcie Uzi, przy którym kanał jest całkowicie zablokowany, a prąd drenu Ic staje się bardzo mały (dziesiąte części mikroampera), nazywane jest napięciem odcięcia Uziots.
5.1.2 Charakterystyka statyczna tranzystora polowego ze sterowaniem p- n-przejście
Rozważmy charakterystykę prądowo-napięciową tranzystorów polowych ze złączem p-n. W przypadku tych tranzystorów interesujące są dwa typy charakterystyk woltoamperowych: dren i bramka drenażowa.
Charakterystykę drenu (wyjściową) tranzystora polowego ze złączem p-n i kanałem typu n pokazano na ryc. 5.3, za. Odzwierciedlają one zależność prądu drenu od napięcia Usi przy napięciu stałym Usi: Ic = f (Usi) przy Usi = const.
a) b) Rysunek 5.3 – Charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystor polowy z przejście pn oraz kanał typu n: a – dren (wyjście); b – kolba – śruba
Cechą tranzystora polowego jest to, że na przewodność kanału wpływa zarówno napięcie sterujące Uzi, jak i napięcie Uci. Gdy Usi = 0, prąd wyjściowy Ic = 0. Przy Usi > 0 (Uzi = 0) prąd Ic przepływa przez kanał, powodując spadek napięcia, który wzrasta w kierunku drenu. Całkowity spadek napięcia na odcinku źródło-dren jest równy Uс. Wzrost napięcia Uс powoduje wzrost spadku napięcia w kanale i zmniejszenie jego przekroju, a w konsekwencji zmniejszenie przewodności kanału. Przy pewnym napięciu Uс kanał zwęża się, przy czym granice obu złączy pn zamykają się i rezystancja kanału staje się wysoka. To napięcie Usi nazywane jest napięciem nakładania się lub napięciem nasycenia Usinas. Po przyłożeniu do bramki napięcia wstecznego Uzi następuje dodatkowe zwężenie kanału, a przy niższej wartości napięcia Usinas następuje jego nakładanie się. W trybie pracy wykorzystywane są płaskie (liniowe) przekroje charakterystyki wyjściowej.
Charakterystyka dren-brama tranzystora polowego pokazuje zależność prądu Ic od napięcia Uzi przy stałym napięciu Usi: Ic = f (Usi) przy Usi = const (ryc. 5.3, b).
5.1.3 Podstawowe parametry
· maksymalny prąd drenaż Icmax (przy Uzi = 0);
· maksymalne napięcie dren-źródło Uсmax;
· odcięcie napięcia Uziotów;
· rezystancja wewnętrzna (wyjściowa) ri - reprezentuje rezystancję tranzystora pomiędzy drenem a źródłem (rezystancja kanału) dla prądu przemiennego:
gdzie Uzi = stała;· nachylenie charakterystyki zasuwy:
gdy Uс = const,wyświetla wpływ napięcia bramki na prąd wyjściowy tranzystora;
· impedancja wejściowa
gdy Uс = const tranzystora jest określona przez rezystancję złącz p-n, spolaryzowaną w przeciwnym kierunku. Rezystancja wejściowa tranzystorów polowych ze złączem p-n jest dość wysoka (osiąga jednostki i dziesiątki megaomów), co korzystnie odróżnia je od tranzystorów bipolarnych.5.2 Tranzystory polowe z izolowaną bramką
5.2.1 Konstrukcja i zasada działania
Tranzystor polowy z izolowaną bramką (tranzystor IGF) to tranzystor polowy, którego bramka jest elektrycznie oddzielona od kanału warstwą dielektryka.
Tranzystory MIS (budowa: metal-dielektryk-półprzewodnik) wykonane są z krzemu. Jako dielektryk stosuje się tlenek krzemu SiO2. stąd inna nazwa tych tranzystorów - tranzystory MOS (budowa: metal-tlenek-półprzewodnik). Obecność dielektryka zapewnia wysoką rezystancję wejściową rozważanych tranzystorów (1012 ... 1014 omów).
Zasada działania tranzystorów MIS opiera się na efekcie zmiany przewodności warstwy przypowierzchniowej półprzewodnika na granicy z dielektrykiem pod wpływem poprzecznego pola elektrycznego. Warstwa powierzchniowa półprzewodnika jest kanałem przewodzącym prąd tych tranzystorów. Tranzystory MIS występują w dwóch rodzajach – z kanałem wbudowanym i kanałem indukowanym.
Rozważmy cechy MIS - tranzystorów z wbudowanym kanałem. Projekt takiego tranzystora z kanałem typu n pokazano na ryc. 5.4, a. W oryginalnym waflu krzemowym typu p o stosunkowo wysokiej oporność, które nazywa się podłożem, wykorzystując technologię dyfuzyjną, powstają dwa silnie domieszkowane obszary o przeciwnym typie przewodnictwa elektrycznego - n. Do tych obszarów - źródła i drenażu przykładane są elektrody metalowe. Pomiędzy źródłem a drenem znajduje się cienki kanał przypowierzchniowy o przewodności elektrycznej typu n. Powierzchnia kryształu półprzewodnika pomiędzy źródłem a drenem pokryta jest cienką warstwą (około 0,1 μm) dielektryka. Na warstwę dielektryka nałożona jest metalowa elektroda – bramka. Obecność warstwy dielektrycznej pozwala takiemu tranzystorowi polowemu dostarczać do bramki napięcie sterujące obu biegunów.
Rysunek 5.4 – Projekt tranzystora MIS z wbudowanym kanałem typu n (a); rodzina cech charakterystycznych stada (b); charakterystyka zasuwy drenażowej (c)
Kiedy do bramki zostanie przyłożone napięcie dodatnie, powstałe w tym przypadku pole elektryczne wypchnie dziury z kanału do podłoża, a elektrony zostaną wyciągnięte z podłoża do kanału. Kanał wzbogaca się o główne nośniki ładunku - elektrony, zwiększa się jego przewodność i zwiększa się prąd drenu. Ten tryb nazywa się trybem wzbogacania.
Po przyłożeniu do bramki napięcia ujemnego w stosunku do źródła w kanale powstaje pole elektryczne, pod wpływem którego elektrony są wypychane z kanału do podłoża, a z podłoża do kanału wyciągane są dziury. Kanał jest pozbawiony głównych nośników ładunku, jego przewodność maleje, a prąd drenu maleje. Ten tryb pracy tranzystora nazywany jest trybem wyczerpania.
W takich tranzystorach przy Usi = 0, jeśli między dren a źródło zostanie przyłożone napięcie (Usi > 0), płynie prąd drenu Iin, zwany początkowym u, który jest przepływem elektronów.
Konstrukcję tranzystora MIS z kanałem indukowanym typu n pokazano na rys. 5,5, A