Kenttätransistorit: toimintaperiaate, piirit, toimintatavat ja mallinnus. Kenttätransistorien tyypit

Kenttätransistori on sähköinen puolijohdelaite, jonka lähtövirtaa ohjaa samanmerkkinen kenttä ja siten jännite. Muotoilusignaali syötetään hilaan ja säätelee n- tai p-tyypin kanavan johtavuutta. Toisin kuin bipolaaritransistorit, joissa signaali on muuttuvanapainen. Toinen merkki on virran muodostaminen yksinomaan pääkantoaaltojen toimesta (saman merkin).

Kenttätransistorien luokitus

Aloitetaan luokittelusta. Kenttätransistoreja on useita tyyppejä, joista jokainen toimii algoritmin mukaan:

Yleisen luokituksen lisäksi on keksitty erikoisluokittelu, joka määrittelee toimintaperiaatteet. On:

1. Kenttätransistorit ohjaus p-n-liitoksella.
2. Kenttätransistorit Schottky-esteellä.
3. Eristetyt hilakenttätransistorit:

• Sisäänrakennetulla kanavalla.
• Indusoidulla kanavalla.

Kirjallisuudessa rakenteet on järjestetty edelleen seuraavasti: ei ole käytännöllistä käyttää MOS-merkintää oksidirakenteita pidetään MOS:n (metalli, dielectric, semiconductor) erikoistapauksena. Schottky-este (MeB) on korostettava erikseen, koska se on erilainen rakenne. Muistuttaa p-n-liitoksen ominaisuuksia. Lisätään vielä, että rakenteellisesti transistori voi sisältää samanaikaisesti dielektristä (piinitridi) ja oksidia (neliarvoinen pii), kuten tapahtui KP305:n kanssa. Tällaisia ​​teknisiä ratkaisuja käyttävät ihmiset, jotka etsivät menetelmiä tuotteen ainutlaatuisten ominaisuuksien saamiseksi ja kustannusten alentamiseksi.

Kenttätransistoreiden ulkomaisista lyhenteistä yhdistelmä FET on varattu, toisinaan osoittaen ohjaustyyppiä - p-n-liitoksella. Jälkimmäisessä tapauksessa tapaamme myös JFET:n. Synonyymejä sanoja. Ulkomailla on tapana erottaa oksidi- (MOSFET, MOS, MOST - synonyymit), nitridi- (MNS, MNSFET) -kenttätransistorit. Schottky-esteen olemassaolo on merkitty SBGT:llä. Ilmeisesti aineisto on merkittävää, ja kotimainen kirjallisuus vaikenee tosiasian merkityksestä.

Kenttätransistorien elektrodit kaavioissa on merkitty seuraavasti: D (drain) - viemäri, S (lähde) - lähde, G (portti) - portti. Substraattia kutsutaan yleensä substraatiksi.

Kenttätehostetransistori laite

Kenttätransistorin ohjauselektrodia kutsutaan hilaksi. Kanava on muodostettu mielivaltaisen johtavuustyypin puolijohteesta. Ohjausjännitteen napaisuudesta riippuen se on positiivinen tai negatiivinen. Vastaavan merkin kenttä syrjäyttää vapaita kantoaaltoja, kunnes hilaelektrodin alla oleva kannas on täysin tyhjä. Saavutetaan kohdistamalla kenttä joko p-n-liitokseen tai homogeeniseen puolijohteeseen. Virrasta tulee nolla. Näin toimii kenttätransistori.

Virta kulkee lähteestä viemäriin aloittelijoita kiusaa perinteisesti kysymys näiden kahden elektrodin erottamisesta. Ei ole eroa mihin suuntaan varaukset liikkuvat. Kenttätransistori on reversiibeli. Varauksenkuljettajien yksinapaisuus selittää alhaisen kohinatason. Siksi kenttätransistoreilla on hallitseva asema tekniikassa.

Laitteiden tärkein ominaisuus on suuri tuloresistanssi, erityisesti vaihtovirralle. Ilmeinen tosiasia, joka johtuu käänteisen biasoidun p-n-liitoksen (Schottky-liitoksen) ohjauksesta tai prosessikondensaattorin kapasitanssista eristetyn hilan alueella.

Substraatti on usein seostamaton puolijohde. Kenttätransistoreille, joissa on Schottky-portti - galliumarsenidi. Puhtaassa muodossaan se on hyvä eriste, jolle asetetaan seuraavat vaatimukset osana tuotetta:

On vaikea luoda merkittävän paksuista kerrosta, joka täyttää ehtoluettelon. Siksi lisätään viides vaatimus, joka koostuu mahdollisuudesta kasvattaa alusta asteittain haluttuun kokoon.

Kenttätransistorit ohjaus p-n-liitoksella ja MeP

Tässä tapauksessa hilamateriaalin johtavuustyyppi on erilainen kuin kanavan käyttämä. Käytännössä näet useita parannuksia. Suljin koostuu viidestä kanavaan upotetusta alueesta. Pienempi jännite voi ohjata virran kulkua. Tarkoittaa voiton kasvua.

Bipolaarinen transistori

Piirit käyttävät p-n-liitoksen käänteistä esijännitettä, mitä vahvempi, sitä kapeampi kanava virtaa varten. Tietyllä jännitearvolla transistori sammuu. Eteenpäin suuntausta on vaarallista käyttää, koska voimakas käyttöpiiri voi vaikuttaa portin muotoon. Jos liitos on auki, virtaa suuri virta tai korkea jännite. Normaali tila varmistetaan oikealla napaisuuden ja muiden virtalähteen ominaisuuksien valinnalla sekä transistorin toimintapisteen valinnalla.

Joissakin tapauksissa myötäsuuntaisia ​​hilavirtoja käytetään kuitenkin tarkoituksella. On huomionarvoista, että tätä tilaa voivat käyttää ne MOS-transistorit, joissa substraatti muodostaa p-n-liitoksen kanavan kanssa. Liikkuvan lähteen varaus jaetaan portin ja viemärin kesken. Löydät alueen, jossa saadaan merkittävä virtavahvistus. Tilaa ohjataan sulkimella. Kun virta iz kasvaa (100 μA asti), piiriparametrit huononevat jyrkästi.

Vastaavaa yhteyttä käyttää ns. hilataajuuden ilmaisinpiiri. Suunnittelussa hyödynnetään hilan ja kanavan välisen p-n-liitoksen tasasuuntausominaisuuksia. Eteenpäin suuntautuvaa harhaa on vähän tai ei ollenkaan. Laitetta ohjataan edelleen hilavirralla. Tyhjennyspiirissä saadaan merkittävä signaalin vahvistus. Tasasuunnattu jännite portille on estojännite ja vaihtelee tulolain mukaan. Samanaikaisesti ilmaisun kanssa saadaan aikaan signaalin vahvistus. Tyhjennyspiirin jännite sisältää komponentit:

• Jatkuva komponentti. Ei käytetty ollenkaan.
• Signaali kantoaaltotaajuudella. Se istutetaan maahan suodatinsäiliöiden avulla.
• Signaali moduloivan signaalin taajuudella. Käsitelty upotetun tiedon poimimiseksi.

Hilataajuusilmaisimen haittana pidetään suurta epälineaarisen vääristymän kerrointa. Lisäksi tulokset ovat yhtä huonoja heikoille (käyttöominaisuuksien neliöllinen riippuvuus) ja voimakkaille (syöttyy katkaisutilaan) signaaleille. Jonkin verran parempia ovat kaksiportaiseen transistoriin perustuva vaiheilmaisin. Yhdelle ohjauselektrodille syötetään referenssisignaali ja nielulle muodostetaan informaatiokomponentti, jota vahvistaa kenttätransistor.

Suurista lineaarisista vääristymistä huolimatta tehostetta käytetään. Esimerkiksi selektiivisissä tehovahvistimissa, jotka lähettävät kapeaa taajuusspektriä annoksina. Yliaallot suodatetaan, eikä niillä ole suurta vaikutusta piirin lopulliseen laatuun.

Schottky-esteellä varustetut metalli-puolijohdetransistorit (MeS) eivät juuri eroa p-n-liitoksella varustetut transistorit. Ainakin mitä tulee toimintaperiaatteisiin. Mutta metalli-puolijohde-siirtymän erityisominaisuuksien ansiosta tuotteet pystyvät toimimaan korkeammilla taajuuksilla (kymmeniä GHz, rajataajuudet noin 100 GHz). Samalla MeP-rakenne on helpompi toteuttaa tuotannossa ja teknologisissa prosesseissa. Taajuusominaisuudet määräytyvät portin latausajan ja kantoaallon liikkuvuuden mukaan (yli 10 000 neliöcm/V s GaA:ille).

MOS-transistorit

MIS-rakenteissa portti on luotettavasti eristetty kanavasta ja ohjaus tapahtuu kokonaan kentän vaikutuksesta. Eristys suoritetaan piioksidilla tai nitridillä. Juuri näitä pinnoitteita on helpompi levittää kiteen pinnalle. On huomionarvoista, että tässä tapauksessa lähde- ja nielualueilla on myös metalli-puolijohdeliitoksia, kuten missä tahansa polaarisessa transistorissa. Monet kirjoittajat unohtavat tämän tosiasian tai mainitsevat sen ohimennen käyttämällä salaperäistä lausetta ohmic contacts.

Tämä kysymys esitettiin Schottky-diodia koskevassa aiheessa. Este ei aina esiinny metallin ja puolijohteen risteyksessä. Joissakin tapauksissa kosketin on ohminen. Tämä riippuu suurelta osin teknologisen käsittelyn ominaisuuksista ja geometrisista mitoista. Todellisten laitteiden tekniset ominaisuudet riippuvat voimakkaasti oksidikerroksen (nitridi) eri vioista. Tässä muutamia:

1. Kidehilan epätäydellisyys pinta-alueella johtuu katkenneista sidoksista materiaalien vaihtumisen rajalla. Vaikutusta aiheuttavat sekä puolijohteen vapaat atomit että epäpuhtaudet, kuten happi, jota joka tapauksessa on läsnä. Esimerkiksi käytettäessä epitaksimenetelmiä. Tämän seurauksena energiatasot näkyvät syvällä kaistavälissä.
2. Oksidin ja puolijohteen rajapinnalle (paksuus 3 nm) muodostuu ylimääräinen varaus, jonka luonnetta ei ole vielä selitetty. Oletettavasti roolia näyttelevät itse puolijohteen ja hapen viallisten atomien positiiviset vapaat tilat (reiät).
3. Natriumin, kaliumin ja muiden alkalimetallien ionisoituneiden atomien ajautuminen tapahtuu matalilla jännitteillä elektrodilla. Tämä lisää kerroksen rajoilla kertynyttä varausta. Tämän vaikutuksen estämiseksi piioksidissa käytetään fosforioksidia (anhydridiä).

N-tyypin (a) ja p-tyypin (b) kanavan indusoiman MOS-transistorin symbolit

Siinä ei ole sisäänrakennettua kanavaa lähde- ja viemärialueiden välillä. Jos hilalla ei ole jännitettä, lähteen ja nielun välinen virta ei kulje millään jännitteen napaisuudella, koska yksi p-n-liitoksista on välttämättä lukittu.

Jos hilaan kohdistetaan positiivisen polariteetin jännite suhteessa lähteeseen, niin tuloksena olevan poikittaisen sähkökentän vaikutuksesta elektronit lähde- ja nielualueilta sekä kidealueilta siirtyvät lähellä pintaa alue porttia kohti. Kun hilajännite ylittää tietyn kynnysarvon, elektronipitoisuus pintaa lähellä olevassa kerroksessa kasvaa niin paljon, että se ylittää tämän alueen reikäpitoisuuden ja tässä tapahtuu sähkönjohtavuustyypin inversio, eli ohut n-tyypin kanava muodostuu ja virta ilmestyy tyhjennyspiiriin. Mitä suurempi positiivinen hilajännite, sitä suurempi kanavan johtokyky ja sitä suurempi nieluvirta.

Siten tällainen transistori voi toimia vain rikastustilassa. Sen lähtö- ja ohjausominaisuuksien ulkonäkö on esitetty kuvassa.

Jos puolijohdekiteessä on n-tyypin sähkökäyttö, niin lähde- ja nielualueiden tulee olla p-tyyppisiä. Kanava, jolla on samantyyppinen johtavuus, indusoituu, jos hilaan kohdistetaan negatiivinen jännite suhteessa lähteeseen.

51. MIS-transistori sisäänrakennetulla kanavalla

MOS-transistorin symbolit sisäänrakennetulla n-tyypin (a) ja p-tyypin (b) kanavalla

Se on yksikidepuolijohde; yleensä pii, jossa syntyy jonkin tyyppinen sähkönjohtavuus, tässä tapauksessa p-tyyppi. Se luo kaksi aluetta, joilla on päinvastainen sähkönjohtavuus (tapauksessamme n-tyyppi), jotka on liitetty toisiinsa ohuella pinnanläheisellä kerroksella, jolla on samantyyppinen johtavuus. Näistä kahdesta vyöhykkeestä muodostetaan sähköliittimet, joita kutsutaan lähteiksi ja viemäriksi. Kanavan pinnalla on kerros eristettä (yleensä piidioksidia), jonka paksuus on luokkaa, ja sille kerrostetaan sputteroimalla ohut metallikalvo, josta tehdään myös sähköinen lähtö - portti. Joskus pohjasta vedetään myös liitin (kutsutaan substraatiksi (P)), joka on oikosuljettu lähteeseen.

Kun hilaan kohdistetaan negatiivinen jännite suhteessa lähteeseen ja siten kiteeseen, syntyy kanavaan poikittaissuuntainen sähkökenttä, joka työntää elektroneja kanava-alueelta kantaan. Kanavan pääosa kantoaalto-elektroneista on tyhjentynyt, sen vastus kasvaa ja tyhjennysvirta pienenee. Mitä enemmän negatiivista jännitettä portissa, sitä pienempi tämä virta. Tätä tilaa kutsutaan laihaksi tilaksi.

Kun hilaan kohdistetaan positiivinen jännite suhteessa lähteeseen, poikittaisen sähkökentän suunta muuttuu päinvastaiseksi ja se päinvastoin vetää puoleensa elektroneja lähde- ja nielualueelta sekä puolijohdekide. Kanavan johtavuus kasvaa ja nieluvirta kasvaa. Tätä tilaa kutsutaan rikastustilaksi.

Tarkasteltava transistori voi siis toimia sekä virtaa kuljettavan kanavan tyhjennys- että rikastusmoodissa, kuten sen lähtöominaisuudet a) ja ohjausominaisuudet b) osoittavat.

Tämän tyyppisissä transistoreissa hila erotetaan puolijohteesta eristekerroksella, joka on tavallisesti piidioksidia piilaitteissa. Näistä transistoreista käytetään lyhennettä MOS (metal-oxide-semiconductor) ja MIS (metalli-dilectric-semiconductor). Englanninkielisessä kirjallisuudessa niistä käytetään yleensä lyhennettä MOSFET tai MISFET (Metal-Oxide (Insulator)-Semiconductor FET).

MOS-transistorit puolestaan ​​​​jaetaan kahteen tyyppiin.

Vuonna ns transistorit, joissa on sisäänrakennettu (oma) kanava (tyhjennystyyppinen transistori) ja ennen kuin portti syötetään, on kanava, joka yhdistää lähteen ja viemärin.

Vuonna ns transistorit, joissa on indusoitu kanava (rikastettu transistori) yllä oleva kanava puuttuu.

MOS-transistoreille on ominaista erittäin korkea tuloresistanssi. Tällaisten transistorien kanssa työskennellessä on ryhdyttävä erityistoimenpiteisiin staattiselta sähköltä suojaamiseksi. Esimerkiksi juotettaessa kaikki johdot on oikosuljettava.

MOS-transistori sisäänrakennetulla kanavalla.

Kanavalla voi olla sekä p- että n-tyypin johtavuus. Tarkemmin sanottuna tarkastellaan p-tyypin kanavalla varustettua transistoria. Otetaan kaavamainen esitys transistorin rakenteesta (kuva 1.97), perinteinen graafinen merkintä p-tyypin kanavalla (kuva 1.98, a) ja n-tyypin kanavalla (kuva 1.98, b) ). Nuoli, kuten tavallista, osoittaa suunnan tasosta p kerrokseen n.

Kyseessä oleva transistori (ks. kuva 1.97) voi toimia kahdessa tilassa: tyhjennys- ja rikastusmoodissa.

Tyhjennystila vastaa positiivista ultraääntä. Kun tämä kasvaa, reikäpitoisuus kanavassa pienenee (koska hilapotentiaali on suurempi kuin lähdepotentiaali), mikä johtaa tyhjennysvirran laskuun.

Esitetään transistorin kytkentäkaavio (kuva 1.99).

Viemäröintiin ei vaikuta pelkästään ultraääni, vaan myös substraatin ja ultraäänilähteen välillä. Portin ohjaus on kuitenkin aina parempi, koska tulovirrat ovat paljon pienempiä. Lisäksi läsnäolo alustalla vähentää jyrkkyyttä.

Substraatti muodostaa p-n-liitoksen lähteen, viemärin ja kanavan kanssa. Transistoria käytettäessä on varottava, ettei risteystä esijännitetä eteenpäin. Käytännössä substraatti on kytketty lähteeseen (kuten kaaviossa näkyy) tai piirin pisteeseen, jonka potentiaali on suurempi kuin lähdepotentiaali (edellä olevan piirin nielupotentiaali on pienempi kuin lähdepotentiaali).

Kuvataan MOS-transistorin (sisäänrakennettu p-kanava) tyyppi KP201L lähtöominaisuudet (kuva 1.100) ja sen nieluominaisuudet (kuva 1.101).

MOS-transistori, jossa on indusoitu (indusoitu) kanava.

Kanavalla voi olla sekä p- että n-tyypin johtavuus. Tarkemmin sanottuna tarkastellaan p-tyypin kanavalla varustettua transistoria. Esitetään kaavamainen esitys transistorin rakenteesta (kuva 1.102), perinteinen graafinen merkintä transistorista, jossa on indusoitu p-tyypin kanava (Kuva 1.103, a) ja n-tyyppinen kanava (kuva 1.103, b).

Nollajännitteellä ei ole uzi-kanavaa (kuva 1.102) ja nielu on nolla. Transistori voi toimia vain rikastustilassa, joka vastaa negatiivista ultraääntä. Tässä tapauksessa ufrom > 0. Jos epäyhtälö ufrom>u kynnyksestä täyttyy, missä u kynnyksestä on ns. kynnysjännite, niin lähteen ja nielun väliin syntyy p-tyyppinen kanava, jonka läpi virta voi kulkea.

P-tyypin kanava syntyy, koska aukon pitoisuus hilan alla kasvaa ja elektronipitoisuus pienenee, jolloin aukkopitoisuus on suurempi kuin elektronipitoisuus.

Kuvattua johtavuustyypin muuttamisen ilmiötä kutsutaan johtavuustyypin inversioksi ja puolijohdekerrosta, jossa se esiintyy (ja joka on kanava), kutsutaan käänteiseksi (inversioksi). Suoraan käänteisen kerroksen alle muodostuu liikkuvista varauksenkantajista tyhjentynyt kerros. Käänteinen kerros on paljon ohuempi kuin köyhdytetty kerros (käänteisen kerroksen paksuus on 1 × 10 - 9 ... 5 × 10 - 9 m ja köyhdytetyn kerroksen paksuus on vähintään 10 kertaa suurempi).

Kuvataan transistorin kytkentäpiiri (Kuva 1.104), lähtöominaisuudet (Kuva 1.105) ja nieluominaiskäyrä (Kuva 1.106) MOS-transistorille, jossa on indusoitu p-kanava KP301B.

On hyödyllistä huomata, että Micro-Cap II -ohjelmistopaketti käyttää samaa matemaattista mallia (mutta tietysti eri parametrein) kaikentyyppisten kenttätransistorien simulointiin.

Nyt puhutaan kenttätransistoreista. Mitä voit olettaa heidän nimensä perusteella? Ensinnäkin, koska ne ovat transistoreita, niitä voidaan käyttää jollakin tavalla ohjaamaan lähtövirtaa. Toiseksi, heillä oletetaan olevan kolme kontaktia. Ja kolmanneksi, heidän työnsä perustuu p-n-risteykseen. Mitä viralliset lähteet kertovat meille tästä?

Kenttäefektitransistorit ovat aktiivisia puolijohdelaitteita, joissa on yleensä kolme napaa ja joissa lähtövirtaa ohjataan sähkökentällä. (electrono.ru)

Määritelmä ei ainoastaan ​​vahvistanut oletuksiamme, vaan osoitti myös kenttätransistoreiden ominaisuuden - lähtövirtaa ohjataan muuttamalla käytettyä sähkökenttää, ts. Jännite. Mutta bipolaaristen transistoreiden osalta, kuten muistamme, lähtövirtaa ohjataan tulokantavirralla.

Toinen tosiasia kenttätransistoreista löytyy kiinnittämällä huomiota niiden toiseen nimeen - yksinapainen. Tämä tarkoittaa, että vain yhden tyyppinen varauksen kantaja (joko elektroneja tai reikiä) on mukana virran kulkuprosessissa.

Kenttätransistorien kolmea kosketinta kutsutaan lähde(nykyisten operaattorien lähde), portti(ohjauselektrodi) ja valua(elektrodi, jossa kantajat virtaavat). Rakenne näyttää yksinkertaiselta ja hyvin samanlaiselta kuin bipolaaritransistorin rakenne. Mutta se voidaan toteuttaa ainakin kahdella tavalla. Siksi kenttätransistorit erotetaan toisistaan ohjaus p-n-liitoksella Ja eristetyllä sulkimella.

Yleensä ajatus jälkimmäisestä ilmestyi 1900-luvun 20-luvulla, kauan ennen kaksinapaisten transistorien keksintöä. Mutta tekniikan taso mahdollisti sen toteuttamisen vasta vuonna 1960. 50-luvulla kenttätransistori, jossa oli ohjaus p-n-liitoksella, kuvattiin ensin teoreettisesti ja sitten toteutettiin. Ja, kuten heidän kaksinapaiset "veljensä", kenttätransistoreilla on edelleen valtava rooli elektroniikassa.

Ennen kuin siirryn tarinaan yksinapaisten transistorien toiminnan fysiikasta, haluaisin muistuttaa teitä linkeistä, joissa voit päivittää tietosi pn-liitoksesta: yksi ja kaksi.

Kenttätransistori ohjaus p-n-liitoksella

Joten, miten ensimmäisen tyyppinen kenttätransistori toimii? Laite perustuu puolijohdelevyyn, jolla on (esimerkiksi) p-tyyppinen johtavuus. Sen vastakkaisissa päissä on elektrodit, kohdistamalla jännite, johon saamme virran lähteestä viemäriin. Tämän levyn päällä on päinvastaisen johtavuuden omaava alue, johon on liitetty kolmas elektrodi - portti. Luonnollisesti portin ja sen alla olevan p-alueen välissä ( kanava) tapahtuu p-n-siirtymä. Ja koska n-kerros on merkittävästi klo samalla kanavalla, suurin osa liikkuvista varauksenkantajista tyhjennetystä siirtymäalueesta putoaa p-kerrokseen. Vastaavasti, jos käytämme käänteistä bias-jännitettä risteykseen, niin kun se sulkeutuu, se lisää merkittävästi kanavan vastusta ja vähentää virtaa lähteen ja nielun välillä. Siten transistorin lähtövirtaa säädetään portin jännitteen (sähkökentän) avulla.

Voidaan vetää seuraava analogia: pn-liitos on pato, joka estää varauksenkuljettajien virtauksen lähteestä viemäriin. Nostamalla tai vähentämällä sen käänteistä jännitettä, avaamme/suljemme sen yhdyskäytävät säätelemällä "vesisyöttöä" (lähtövirtaa).

Joten sisään toimintatila kenttätransistori ohjaus p-n-liitoksella, jännitteen hilalla on oltava joko nolla (kanava on täysin auki) tai käänteinen.
Jos käänteinen jännite kasvaa niin suureksi, että estokerros sulkee kanavan, transistori menee sisään katkaisutila.

Jopa nollahilajännitteellä hilan ja nielun välillä on käänteinen jännite, joka on yhtä suuri kuin lähde-nielujännite. Tästä syystä pn-liitoksella on niin rosoinen muoto, joka levenee viemärialuetta kohti.

On sanomattakin selvää, että on mahdollista tehdä transistori n-tyypin kanavalla ja p-tyypin hilalla. Hänen työnsä olemus ei muutu.

Perinteiset graafiset kuvat kenttätransistoreista on esitetty kuvassa ( A- p-tyypin kanavalla, b- n-tyypin kanavalla). Tässä oleva nuoli osoittaa suunnan p-kerroksesta n-kerrokseen.

Ohjaus-p-n-liitoksella varustetun kenttätransistorin staattiset ominaisuudet

Koska toimintatilassa hilavirta on yleensä pieni tai jopa nolla, emme ota huomioon kenttätransistorien tuloominaisuuksien kuvaajia. Mennään suoraan viikonloppuun tai varastoon. Muuten, niitä kutsutaan staattisiksi, koska porttiin syötetään vakiojännite. Nuo. ei tarvitse ottaa huomioon taajuusmomentteja, transientteja jne.

Vapaapäivä (varastossa) kutsutaan nieluvirran riippuvuudeksi lähde-nielujännitteestä vakiohila-lähdejännitteellä. Kuvassa näkyy vasemmalla oleva kaavio.

Kolme vyöhykettä voidaan erottaa selvästi kaaviosta. Ensimmäinen niistä on tyhjennysvirran voimakkaan kasvun vyöhyke. Tämä on ns "ohminen" alue. Lähde-tyhjennyskanava käyttäytyy kuin vastus, jonka resistanssia ohjaa transistorin hilan jännite.

Toinen vyöhyke - kylläisyysalue. Sillä on lähes lineaarinen ulkonäkö. Tässä kanava menee päällekkäin nielualueella, mikä kasvaa lähde-nielujännitteen kasvaessa edelleen. Vastaavasti myös kanavan vastus kasvaa ja nieluvirta muuttuu hyvin vähän (Tosin Ohmin laki). Tätä ominaisuuden osaa käytetään vahvistustekniikassa, koska täällä on vähiten epälineaarista signaalisäröä ja pienten signaalien parametrien optimaaliset arvot, jotka ovat välttämättömiä vahvistukselle. Näitä parametreja ovat kaltevuus, sisäinen vastus ja vahvistus. Kaikkien näiden hämärien lauseiden merkitykset paljastetaan alla.

Kaavion kolmas vyöhyke - hajoamisalue, jonka nimi puhuu puolestaan.

Kuvan oikealla puolella on kaavio toisesta tärkeästä suhteesta - portin ominaisuudet. Se näyttää kuinka nieluvirta riippuu hilalähteen jännitteestä, kun lähteen ja nielun välinen jännite on vakio. Ja juuri sen jyrkkyys on yksi kenttätransistorin pääparametreista.

Eristetty hilakenttätransistori

Tällaisia ​​transistoreja kutsutaan usein myös nimellä MOS (metalli-dielectric-semiconductor) tai MOS (metalli-oksidi-puolijohde) transistoreiksi (metalli-oksidi-puolijohde-kenttäefektitransistor, MOSFET). Tällaisissa laitteissa portti on erotettu kanavasta ohuella kerroksella eristettä. Heidän työnsä fyysinen perusta on puolijohteen pinnanläheisen kerroksen johtavuuden muutoksen vaikutus rajapinnassa eristeen kanssa poikittaissähkökentän vaikutuksesta.
Tämän tyyppisten transistorien rakenne on seuraava. On olemassa p-johtava puolijohdesubstraatti, johon tehdään kaksi voimakkaasti seostettua aluetta, joilla on n-johtavuus (lähde ja nielu). Niiden välissä on kapea pinnanläheinen silta, jonka johtavuus on myös n-tyyppinen. Sen yläpuolella kiekon pinnalla on ohut kerros dielektristä (useimmiten piidioksidista - tästä muuten lyhenne MOS). Ja tällä kerroksella suljin sijaitsee - ohut metallikalvo. Itse kide on yleensä kytketty lähteeseen, vaikka tapahtuukin, että se kytketään erikseen.

Jos lähde-nielujännite syötetään nollahilajännitteellä, virta kulkee niiden välisen kanavan läpi. Miksei kristallin läpi? Koska yksi pn-liitoksista suljetaan.

Sovelletaan nyt jännite negatiivinen suhteessa portin lähteeseen. Tuloksena oleva poikittainen sähkökenttä "työntää" elektroneja kanavasta substraattiin. Vastaavasti kanavan vastus kasvaa ja sen läpi kulkeva virta pienenee. Tätä tilaa, jossa lähtövirta pienenee hilajännitteen kasvaessa, kutsutaan laiha tila.
Jos kohdistamme hilaan jännitteen, joka edistää kentän ilmaantumista, joka "auttaa" elektroneja "tulemaan" kanavaan substraatista, transistori toimii rikastustila. Tässä tapauksessa kanavan vastus laskee ja sen läpi kulkeva virta kasvaa.

Yllä kuvattu eristetyllä hilalla varustetun transistorin rakenne on samanlainen kuin ohjaus p-n-liitoksella siinä, että jopa nollavirran ollessa hilassa ja nollasta poikkeavalla lähdevuotojännitteellä niiden välillä on ns. alkutyhjennysvirta. Molemmissa tapauksissa tämä johtuu siitä, että tämän virran kanava sisäänrakennettu transistorin suunnitteluun. Eli tarkasti ottaen olemme juuri tarkastelleet sellaista MOS-transistorien alatyyppiä kuin transistorit sisäänrakennetulla kanavalla.

On kuitenkin olemassa toisen tyyppisiä kenttätransistoreja, joissa on eristetty portti - transistori, jossa on indusoitu (käänteinen) kanava. Nimestä on jo selvää, että se eroaa edellisestä - sen kanava viemärin ja lähteen voimakkaasti seostettujen alueiden välillä ilmestyy vain, kun portille syötetään tietyn napaisuuden jännite.

Joten syötämme jännitettä vain lähteeseen ja viemäriin. Niiden välillä ei kulje virtaa, koska yksi pn-liitoksista niiden ja substraatin välillä on suljettu.
Laitetaan jännite porttiin (suoraan suhteessa lähteeseen). Tuloksena oleva sähkökenttä "vetää" elektroneja voimakkaasti seostetuilta alueilta substraattiin portin suuntaan. Ja kun hilajännite saavuttaa tietyn arvon pinnanläheisellä vyöhykkeellä, ns inversio johtavuuden tyyppi. Nuo. elektronipitoisuus ylittää reikäkonsentraation ja nielun ja lähteen väliin ilmestyy ohut n-tyypin kanava. Transistori alkaa johtaa virtaa, mitä voimakkaampi on hilajännite.
Tästä suunnittelusta on selvää, että indusoidulla kanavalla varustettu transistori voi toimia vain rikastustilassa. Siksi niitä löytyy usein kytkinlaitteista.

Eristettyjen hilatransistorien symbolit ovat seuraavat:


Tässä
A− sisäänrakennetulla n-tyypin kanavalla;
b− sisäänrakennetulla p-tyypin kanavalla;
V− lähtönä substraatista;
G− n-tyypin indusoidulla kanavalla;
d− indusoidulla p-tyypin kanavalla;
e− substraatista tulevalla lähdöllä.

MOS-transistorien staattiset ominaisuudet

Sisäänrakennetulla kanavalla varustetun transistorin nieluperhe ja nieluportin ominaisuudet on esitetty seuraavassa kuvassa:

Samat ominaisuudet transistorilla, jossa on indusoitu kanava:

Eksoottisia MIS-rakenteita

Jotta esitys ei menisi sekaisin, haluan vain suositella linkkejä, joista voit lukea niistä. Ensinnäkin tämä on kaikkien suosikki Wikipedian osio "Special Purpose MDP Structures". Ja tässä teoria ja kaavat: puolijohdeelektroniikan oppikirja, luku 6, alaluvut 6.12-6.15. Lue, se on mielenkiintoista!

Kenttätransistorien yleiset parametrit

1. Suurin tyhjennysvirta kiinteällä hilalähteen jännitteellä.
2. Suurin tyhjennyslähteen jännite, jonka jälkeen tapahtuu jo vika.
3. Sisäinen (lähtö) vastus. Se edustaa kanavan resistanssia vaihtovirralle (hilalähteen jännite on vakio).
4. Viemäriportin ominaiskäyrän kaltevuus. Mitä suurempi se on, sitä "terävämpi" transistorin vaste hilajännitteen muutoksiin on.
5. Tuloimpedanssi. Se määräytyy käänteisen biasoidun pn-liitoksen resistanssin perusteella ja saavuttaa yleensä useita ja kymmeniä megaohmeja (joka erottaa kenttätransistorit niiden bipolaarisista "sukulaisista"). Ja itse kenttätransistoreista kämmen kuuluu laitteille, joissa on eristetty portti.
6. Saada- lähde-nielujännitteen muutoksen suhde hila-lähdejännitteen muutokseen jatkuvalla nieluvirralla.

Kytkentäkaaviot

Kuten kaksinapainen, kenttätransistoria voidaan pitää nelinapaisena laitteena, jossa kaksi neljästä koskettimesta osuu yhteen. Siten voidaan erottaa kolme tyyppisiä kytkentäpiirejä: yhteisellä lähteellä, yhteisellä portilla ja yhteisellä nielulla. Niiden ominaisuudet ovat hyvin samankaltaisia ​​kuin bipolaaristen transistorien yhteiset emitteri-, yhteinen kanta- ja yhteiset kollektoripiirit.
Useimmiten käytetty yhteinen lähdepiiri (A), koska se lisää virtaa ja tehoa.
Yhteinen porttipiiri (b) ei anna juuri lainkaan virran vahvistusta ja sen tulovastus on pieni. Tästä johtuen tällaisella kytkentäkaaviolla on rajoitettu käytännön sovellus.
Kaavio yhteisellä viemärillä (V) kutsutaan myös lähteen seuraaja. Sen jännitevahvistus on lähellä yksikköä, tuloresistanssi on korkea ja lähtöresistanssi pieni.

Erot kenttätransistorien ja bipolaaristen transistorien välillä. Käyttöalueet

Kuten edellä mainittiin, ensimmäinen ja tärkein ero näiden kahden tyyppisten transistorien välillä on, että jälkimmäisiä ohjataan muuttamalla virtaa ja ensimmäisiä jännitteellä. Ja tästä seuraa muita kenttätransistoreiden etuja verrattuna bipolaarisiin transistoreihin:

• korkea tuloimpedanssi tasavirralla ja korkealla taajuudella, joten pienet ohjaushäviöt;
• korkea suorituskyky (pienten kantajien kerääntymisen ja resorption puuttumisen vuoksi);
• koska kenttätransistorien vahvistusominaisuudet johtuvat enemmistövarauksen kantajien siirrosta, niiden tehollisen vahvistuksen yläraja on korkeampi kuin kaksinapaisten;
• korkean lämpötilan vakaus;
• alhainen melutaso, koska kenttätransistorit eivät käytä vähemmistövarauksen kantajien ruiskutusilmiötä, mikä tekee bipolaarisista transistoreista "meluisia";
• alhainen virrankulutus.

Samaan aikaan kenttätransistoreilla on kuitenkin myös haittapuoli - ne "pelkäävät" staattista sähköä, joten heidän kanssaan työskennellessään niillä on erityisen tiukat vaatimukset suojaamiseksi tältä vitsaukselta.

Missä kenttätransistoreja käytetään? Kyllä, melkein kaikkialla. Digitaaliset ja analogiset integroidut piirit, seuranta- ja loogiset laitteet, energiansäästöpiirit, flash-muisti... Miksi, jopa kvartsikellot ja television kaukosäätimet toimivat kenttätransistoreilla. Niitä on kaikkialla, % selain%. Mutta nyt tiedät kuinka ne toimivat!

Kenttätransistorit ovat aktiivisia puolijohdelaitteita, joissa lähtövirtaa ohjataan sähkökentän avulla (kaksinapaisissa transistoreissa lähtövirtaa ohjataan tulovirralla). Kenttätransistoreja kutsutaan myös unipolaariseksi, koska vain yksi kantoaaltotyyppi on mukana sähkövirran virtauksessa.

Kenttätransistoreja on kahta tyyppiä: ohjausliitoksella ja eristetyllä portilla. Kaikissa niissä on kolme elektrodia: lähde (virrankuljettajien lähde), hila (ohjauselektrodi) ja nielu (elektrodi, jossa kantoaaltoja virtaavat).

Transistori ohjauksellap- n-siirtyminen . Sen kaavamainen esitys on esitetty kuvassa. 1.21, A Tämän transistorin tavanomainen graafinen merkintä on kuvassa. 1.22, A, b (s- Ja n-tyypit). Nuoli osoittaa suunnan poispäin tasosta R kerrostaa P(kuten nuoli bipolaarisen transistorin emitterin kuvassa). Integroiduissa piireissä transistorien lineaariset mitat voivat olla huomattavasti alle 1 mikronin.

Riisi. 1.22 Transistorisuunnittelu

Riisi. 1.23 Graafinen esitys:a – p-tyypin kanava; b – kanava n-tyyppinen

Kerroksen resistanssi n(portti) on paljon pienempi kuin kerroksen ominaisvastus R(kanava), joten alue R-n-liitos, jossa liikkuvat varauksen kantajat on tyhjennetty ja jolla on erittäin korkea resistanssi, sijaitsee pääasiassa kerroksessa R.

Jos tarkasteltavan transistorin puolijohdekerrosten johtavuustyypit muutetaan päinvastaisiksi, saadaan kenttätransistori ohjauksella
R-n-siirtymä ja kanava n-tyyppi. Jos käytät positiivista jännitettä p-kanavatransistorin hilan ja lähteen välillä: ja zi > 0, sitten se muuttuu s—n- siirtyminen vastakkaiseen suuntaan.

Kun käänteinen jännite liitoksessa kasvaa, se laajenee pääasiassa kanavan takia (edellä mainitusta resistiiviserosta johtuen). Siirtymäleveyden lisääminen vähentää kanavan paksuutta ja siten lisää sen vastusta. Tämä johtaa virran laskuun lähteen ja viemärin välillä. Juuri tämän ilmiön avulla voit ohjata virtaa jännitteen ja vastaavan sähkökentän avulla. Jos jännite ja zi on riittävän suuri, alue on täysin tukossa s—n-siirtymä (katkaisujännite).

Työtilassa R—n- liitoksen on oltava käänteisen tai nollajännitteen alla. Siksi toimintatilassa hilavirta on suunnilleen nolla ( i z? 0 ), ja tyhjennysvirta on lähes yhtä suuri kuin lähdevirta.

Leveyteen R—n-siirtymään ja kanavan paksuuteen vaikuttaa myös suoraan lähteen ja nielun välinen jännite. Antaa uzi= 0 ja kytketty positiivinen jännite uOn(Kuva 1.24). Tämä jännite syötetään gate-drain-rakoon, ts. siitä käy ilmi uzs= uOn Ja R—n- risteyksessä on käänteinen jännite.

Käänteinen jännite eri alueilla R—n– Siirtymät ovat erilaisia. Lähteen lähellä olevilla alueilla tämä jännite on käytännössä nolla, ja viemärin lähellä tämä jännite on suunnilleen sama kuin uOn . Siksi s—n-siirtymä on leveämpi niillä alueilla, jotka ovat lähempänä viemäriä. Voidaan olettaa, että kanavan jännite kasvaa lineaarisesti lähteestä nieluun.

klo uon =Uziots kanava sulkeutuu kokonaan viemärin lähellä (kuva 1.25). Jännitteen lisääntyessä edelleen uOn tämä kanavan alue, jossa se on estetty, laajenee.

Transistorin kytkentäpiirit . Kenttätransistorilla, kuten bipolaarisella transistorilla, on kolme kytkentäpiiriä: piirit, joissa on yhteinen hila (03), yhteinen lähde (CS) ja yhteinen nielu (OC). Yleisimmin käytetyt piirit ovat yhteislähteitä (kuva 1.26).

Koska käyttötilassa i c? 0, silloin syöttöominaisuuksia ei yleensä oteta huomioon.

Tuotoksen (varaston) ominaisuudet . Lähtöominaisuutta kutsutaan muodon riippuvuudeksi

Missä f- jokin toiminto.

Lähtöominaisuudet transistorin kanssa R—n-liitos ja n-tyypin kanava on esitetty kuvassa. 1.27.

Siirrytään ehtoa vastaaviin hahmonäyttelijöihin u zi= 0. Lineaarisella alueella ( sinä olet < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.

klo sinä olet> 4 V Viemärialueen kanava on tukossa. Jännitteen lisäkasvu johtaa hyvin vähäiseen virran nousuun, koska jännitteen kasvaessa alue, jossa kanava on tukkeutunut, laajenee. Tässä tapauksessa lähde-tyhjennysraon vastus kasvaa ja virta kasvaa i c käytännössä ei muutu. Tämä on kylläisyysalue. Tyhjennä virta kyllästymisalueella u zi = 0 ja tietyllä jännitteellä ja si kutsutaan alkutyhjennysvirraksi ja sitä merkitään minä c aloitan. Tarkasteltavien ominaisuuksien osalta minä c aloitan= 5 mA at ja si= 10 V.

Parametrit, jotka kuvaavat transistorin ominaisuuksia vahvistaa jännitettä ovat:

1) Portin kaltevuusominaisuus S(kenttätransistorin kaltevuusominaisuus):

2) Sisäinen erovastus Ris diff

3) Voitto

Sen voi huomata

Eristetyt porttitransistorit. Eristetty hilakenttätransistori on transistori, jonka hila on sähköisesti erotettu kanavasta dielektrisellä kerroksella. Tällaisten transistorien toiminnan fyysinen perusta on kenttäilmiö, joka koostuu vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuuden muuttamisesta puolijohteen pinnanläheisellä alueella ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Rakenteensa mukaisesti tällaisia ​​transistoreja kutsutaan MOS-transistorit (metalli-eriste-puolijohde) tai MOS-transistorit (metallioksidi-puolijohde). MOS-transistoreja on kahdenlaisia: indusoiduilla ja sisäänrakennetuilla kanavilla.

Kuvassa Kuva 1.28 esittää sisäänrakennetulla kanavalla varustetun transistorin periaatetta.

Pohja (substraatti) on piikiekko, jolla on sähkönjohtavuus s-tyyppi. Siihen luodaan kaksi sähkönjohtavaa aluetta n+ -tyyppi, jossa on parannettu johtavuus. Nämä alueet ovat lähde ja nielu, ja niistä tehdään johtopäätökset. Viemärin ja lähteen välissä on pintaa lähellä oleva kanava, jonka sähkönjohtavuus on n-tyyppinen. Varjostettu alue on dielektrinen piidioksidikerros (sen paksuus on yleensä 0,1 - 0,2 µm). Dielektrisen kerroksen päällä on ohuen metallikalvon muodossa oleva portti. Tällaisen transistorin kide on yleensä kytketty lähteeseen ja sen potentiaali on nolla. Joskus kristallista tehdään erillinen johtopäätös.

Jos hilaan kohdistetaan nollajännite, niin kun jännite syötetään nielun ja lähteen väliin, elektronien virtausta edustava virta kulkee kanavan läpi. Virta ei kulje kiteen läpi, koska yksi niistä s—n-siirtymät ovat käänteisen jännitteen alaisia. Kun portille syötetään negatiivisen polariteetin jännite suhteessa lähteeseen (ja siten kiteeseen), kanavaan muodostuu poikittaissuuntainen sähkökenttä, joka työntää elektronit ulos kanavasta lähteen, nielun ja kiteen alueille. Kanava tyhjenee elektroneista, sen vastus kasvaa ja virta pienenee. Mitä suurempi hilajännite, sitä pienempi virta. Tätä tilaa kutsutaan laiha tila . Jos hilaan kohdistetaan positiivinen jännite, kentän vaikutuksesta elektronit virtaavat kanavaan nielu-, lähde- ja kidealueelta. Kanavan vastus laskee, virta kasvaa. Tätä tilaa kutsutaan rikastustila . Jos kristalli n-tyyppiä, kanavan on oltava p-tyyppinen ja jännitteen napaisuus on käänteinen.

Toinen tyyppi on transistori, jossa on indusoitu (käänteinen) kanava (Kuva 1.29). Se eroaa edellisestä siinä, että kanava ilmestyy vain, kun hilaan kohdistetaan tietyn napaisuuden jännite.

Kun portissa ei ole jännitettä, lähteen ja viemärin välillä ei ole kanavaa
n+ -tyyppi vain kristalli sijaitsee s-tyyppi ja yksi niistä p-n+ -siirtymät tuottavat käänteisen jännitteen. Tässä tilassa nielun ja lähteen välinen vastus on korkea ja transistori on kytketty pois päältä. Kun hilaan kohdistetaan positiivisen polariteetin jännite, hilakentän vaikutuksesta johtavuuselektroneja siirtyy nielu- ja lähdealueelta ja s-alueet sulkimen suuntaan. Kun hilajännite saavuttaa avaus- (kynnys-) arvonsa (volttiyksikköä), elektronipitoisuus pinnanläheisessä kerroksessa kasvaa niin paljon, että se ylittää reikäpitoisuuden, ja ns. inversio sähkönjohtavuuden tyyppi, ts. muodostuu ohut kanava n-tyyppiä, ja transistori alkaa johtaa virtaa. Mitä suurempi hilajännite on, sitä suurempi on tyhjennysvirta. Ilmeisesti tällainen transistori voi toimia vain rikastustilassa. Jos substraatti n-tyyppi, niin saat indusoidun kanavan s-tyyppi. Indusoituja kanavatransistoreja löytyy usein kytkinlaitteista. Kenttätransistorien kytkentäpiirit ovat samanlaisia ​​kuin bipolaaristen transistorien kytkentäpiirit. On huomattava, että kenttätransistori mahdollistaa paljon suuremman vahvistuksen kuin kaksinapainen. Suurella tuloresistanssilla (ja alhaisella teholla) kenttätransistorit korvaavat vähitellen bipolaariset transistorit.

Kanavan sähkönjohtavuuden perusteella ne erottavat s- kanava ja n- kanavan MOS-transistorit. Näiden laitteiden symbolit sähkökaavioissa on esitetty kuvassa. 1.30 . MOS-transistoreilla on luokitus suunnittelun ja teknisten ominaisuuksien mukaan (yleensä portin materiaalin tyypin mukaan).

Riisi. 1.30 Kenttätransistorien graafiset symbolit
eristetyllä portilla: a – sisäänrakennetulla p-kanavalla; b – sisäänrakennettu
n-kanava; c – indusoidulla p-kanavalla; d – indusoidulla n-kanavalla

Integroidut piirit, jotka sisältävät samanaikaisesti p — kanava- ja n-kanavaisia ​​MOS-transistoreja kutsutaan komplementaariseksi (lyhenne KMDP-IC). KMDP-IC:ille on ominaista korkea melunsieto, alhainen virrankulutus ja korkea suorituskyky.

Taajuusominaisuudet kenttätransistorit määräytyvät aikavakion mukaan R.C.- porttipiirit. Koska tulokapasitanssi KANSSAzi transistoreille R—n-siirtymä on suuri (kymmeniä pikofaradeja), niiden käyttö vahvistinportaissa, joissa on korkea tuloimpedanssi, on mahdollista taajuusalueella, joka ei ylitä satoja kilohertsejä - megahertsiä.

Kytkentäpiireissä toimiessa kytkentänopeus määräytyy täysin RC-porttipiirin aikavakion mukaan. Eristetyillä hila-kenttätransistoreilla on paljon pienempi tulokapasitanssi, joten niiden taajuusominaisuudet ovat paljon paremmat kuin p-n-liitoksen kenttätransistoreilla.