Toepassing van MIS-transistors. Veldeffecttransistors: werkingsprincipe, circuits, bedrijfsmodi en modellering

Halfgeleiderelementen voortdurend groeien. Elke nieuwe uitvinding op dit gebied verandert in feite het hele begrip van elektronische systemen. De mogelijkheden voor circuitontwerp veranderen en er verschijnen nieuwe apparaten die daarop zijn gebaseerd. Sinds de uitvinding (1948) is er veel tijd verstreken. "p-n-p"- en "n-p-n"-structuren werden uitgevonden. In de loop van de tijd verscheen er een MOS-transistor, die werkte volgens het principe van het veranderen van de elektrische geleidbaarheid van een halfgeleiderlaag aan het oppervlak onder invloed van een elektrisch veld. Vandaar een andere naam voor dit element: veld.

De afkorting MIS zelf (metaal-diëlektrisch-halfgeleider) kenmerkt interne structuur dit apparaat. De poort is inderdaad geïsoleerd van de afvoer en de bron door een dunne, niet-geleidende laag. Een moderne MOS-transistor heeft een poortlengte van 0,6 micron. Er kan alleen een elektromagnetisch veld doorheen gaan - dit beïnvloedt de elektrische toestand van de halfgeleider.

Laten we eens kijken hoe het werkt en ontdekken wat het belangrijkste verschil is met zijn bipolaire "broer". Wanneer het vereiste potentieel verschijnt, verschijnt er een elektromagnetisch veld op de poort. Het beïnvloedt de junctieweerstand van de drain-source-overgang. Hier zijn enkele van de voordelen die het gebruik van dit apparaat met zich meebrengt.

Bij het ontwerpen en werken met deze elementen moet er rekening mee worden gehouden dat MOS-transistoren erg gevoelig zijn voor overspanning in het circuit en dat wil zeggen dat het apparaat kan falen bij het aanraken van de bedieningsterminals. Gebruik bij het installeren of demonteren een speciale aarding.

De vooruitzichten voor het gebruik van dit apparaat zijn zeer goed. Vanwege zijn unieke eigenschappen heeft het een brede toepassing gevonden in verschillende elektronische apparatuur. Een innovatieve trend in de moderne elektronica is het gebruik van vermogens-IGBT-modules voor gebruik in verschillende circuits, inclusief inductiecircuits.

Hun productietechnologie wordt voortdurend verbeterd. Er zijn ontwikkelingen gaande om de sluiterlengte te schalen (verkleinen). Dit zal de toch al goede prestatieparameters van het apparaat verbeteren.

Laten we nu eens kijken wat veldeffecttransistors zijn. Veldeffecttransistoren zeer gebruikelijk in zowel oude als moderne circuits. Tegenwoordig worden apparaten met een geïsoleerde poort in grotere mate gebruikt; vandaag zullen we het hebben over de soorten veldeffecttransistors en hun kenmerken. In het artikel zal ik op verschillende plaatsen een vergelijking maken met bipolaire transistors.

Definitie

Een veldeffecttransistor is een volledig bestuurbare halfgeleiderschakelaar die wordt bestuurd door een elektrisch veld. Dit is vanuit praktisch oogpunt het belangrijkste verschil met bipolaire transistors, die door stroom worden bestuurd. Het elektrische veld wordt gecreëerd door een spanning die op de poort wordt aangelegd ten opzichte van de bron. De polariteit van de stuurspanning is afhankelijk van het type transistorkanaal. Er is hier een goede analogie met elektronische vacuümbuizen.

Een andere naam voor veldeffecttransistors is unipolair. "UNO" betekent één. In veldeffecttransistors wordt de stroom, afhankelijk van het type kanaal, slechts door één type drager gedragen: gaten of elektronen. In bipolaire transistors werd de stroom gevormd uit twee soorten ladingsdragers: elektronen en gaten, ongeacht het type apparaat. Veldeffecttransistoren in algemeen geval kan worden onderverdeeld in:

transistoren mee beheerder p-n-overgang;

geïsoleerde poorttransistoren.

Beide kunnen n-kanaal en p-kanaal zijn; er moet een positieve stuurspanning worden aangelegd op de poort van de eerste om de schakelaar te openen, en voor de laatste moet een negatieve stuurspanning ten opzichte van de bron worden aangelegd.

Alle soorten veldeffecttransistors hebben drie aansluitingen (soms vier, maar zelden ontmoette ik ze alleen op Sovjet-transistors en deze waren verbonden met het lichaam).

1. Bron (bron van ladingsdragers, analoog van een bipolaire zender).

2. Afvoer (ontvanger van ladingsdragers van de bron, analoog van de collector van een bipolaire transistor).

3. Poort (stuurelektrode, analoog van het rooster op lampen en de basis op bipolaire transistors).

Transistor met pn-besturingsovergang

De transistor bestaat uit de volgende gebieden:

4. Sluiter.

In de afbeelding zie je de schematische structuur van zo'n transistor, de aansluitingen zijn verbonden met de gemetalliseerde delen van de gate, source en drain. In een specifiek circuit (dit is een p-kanaalapparaat) is de poort een n-laag en heeft minder weerstand dan het kanaalgebied (p-laag), en het p-n-overgangsgebied bevindt zich om deze reden meer in het p-gebied.

a - n-type veldeffecttransistor, b - p-type veldeffecttransistor

Om het gemakkelijker te onthouden, onthoudt u de diodeaanduiding, waarbij de pijl van het p-gebied naar het n-gebied wijst. Ook hier.

De eerste toestand is het aanleggen van externe spanning.

Als er een spanning wordt aangelegd op een dergelijke transistor, plus op de drain en minus op de source, zal er een grote stroom doorheen stromen, deze zal alleen worden beperkt door de kanaalweerstand, externe weerstanden en interne weerstand voeding. Er kan een analogie worden getrokken met een normaal gesloten sleutel. Deze stroom wordt Iinit genoemd of de initiële afvoerstroom bij Uzi = 0.

Een veldeffecttransistor met een p-n-besturingsovergang, zonder dat er een stuurspanning op de poort wordt aangelegd, is maximaal open.

De spanning op de drain en source wordt als volgt aangelegd:

De belangrijkste ladingsdragers worden via de bron geïntroduceerd!

Dit betekent dat als de transistor een p-kanaal is, de positieve pool van de stroombron met de bron is verbonden, omdat De hoofddragers zijn gaten (positieve ladingsdragers) - dit is de zogenaamde gatengeleiding. Als een n-kanaaltransistor op de bron wordt aangesloten, wordt de negatieve pool van de voeding namelijk gebruikt daarin zijn de belangrijkste ladingsdragers elektronen (negatieve ladingsdragers).

Bron is de bron van de meeste ladingdragers.

Hier zijn de resultaten van het modelleren van een dergelijke situatie. Aan de linkerkant bevindt zich een p-kanaaltransistor en aan de rechterkant een n-kanaaltransistor.

Tweede toestand - breng spanning aan op de poort

Wanneer een positieve spanning wordt aangelegd op de poort ten opzichte van de bron (Uzi) voor een p-kanaal en negatief voor een n-kanaal, wordt deze in de tegenovergestelde richting verschoven en breidt het gebied van de p-n-overgang zich uit in de richting van het kanaal. Als gevolg hiervan neemt de kanaalbreedte af en neemt de stroom af. De poortspanning waarbij de stroom niet meer door de schakelaar stroomt, wordt de afsnijspanning genoemd.

De uitschakelspanning is bereikt en de sleutel is volledig gesloten. De afbeelding met de simulatieresultaten toont deze toestand voor een p-kanaal (links) en n-kanaal (rechts) sleutel. Trouwens, op Engels zo'n transistor wordt een JFET genoemd.

De bedrijfsmodus van de transistor is wanneer de spanning Uzi nul of omgekeerd is. Door de sperspanning kun je “de transistor bedekken”; deze wordt gebruikt in klasse A-versterkers en andere circuits waar soepele regeling vereist is.

De cutoff-modus treedt op wanneer Uzi = Ucutoff voor elke transistor, deze is verschillend, maar wordt in ieder geval in de tegenovergestelde richting toegepast.

Karakteristieken, stroom-spanningskarakteristiek

De uitgangskarakteristiek is een grafiek die de afhankelijkheid toont van de drainstroom van Usi (toegepast op de drain- en source-terminals), bij verschillende spanningen sluiter

Kan in drie gebieden worden verdeeld. Aan het begin (aan de linkerkant van de grafiek) zien we het ohmse gebied - in deze opening gedraagt ​​de transistor zich als een weerstand, de stroom neemt bijna lineair toe, bereikt een bepaald niveau, gaat naar het verzadigingsgebied (in het midden van de grafiek) grafiek).

Aan de rechterkant van de grafiek zien we dat de stroom weer begint toe te nemen, dit is het doorslaggebied, de transistor mag hier niet worden geplaatst. De bovenste tak in de figuur is de stroom bij nul Uzi; we zien dat de stroom hier de grootste is.

Hoe hoger de Uzi-spanning, hoe lager de afvoerstroom. Elke tak verschilt 0,5 volt bij de poort. Wat we hebben bevestigd door modellering.

De drain-gate-karakteristiek wordt hier getoond, d.w.z. afhankelijkheid van de drainstroom van de gate-spanning bij dezelfde drain-source-spanning (in in dit voorbeeld 10V), hier is de rastersteek ook 0,5V, we zien opnieuw dat hoe dichter de Uzi-spanning bij 0 ligt, hoe groter de afvoerstroom.

In bipolaire transistors was er zo'n parameter als de huidige overdrachtscoëfficiënt of versterking, deze werd aangeduid als B of H21e of Hfe. In het veld wordt, om het vermogen weer te geven om de spanning te verhogen, een helling gebruikt, aangegeven met de letter S

Dat wil zeggen, de helling laat zien met hoeveel milliampère (of ampère) de afvoerstroom toeneemt wanneer de poort-bronspanning toeneemt met het aantal volt bij een constante afvoer-bronspanning. Deze kan worden berekend op basis van de drain-gate-karakteristiek; in het bovenstaande voorbeeld is de helling ongeveer 8 mA/V.

Verbindingsschema's

Net als bipolaire transistors zijn er drie typische schakelcircuits:

1. Met een gemeenschappelijke bron (a). Het wordt het meest gebruikt, het geeft versterking in stroom en vermogen.

2. Met een gemeenschappelijke sluiter (b). Zelden gebruikt, lage ingangsimpedantie, geen versterking.

3. Met een gemeenschappelijke afvoer (c). De spanningsversterking ligt dicht bij 1, de ingangsimpedantie is hoog en de uitgangsimpedantie is laag. Een andere naam is bronvolger.

Kenmerken, voordelen, nadelen

Het belangrijkste voordeel van een veldeffecttransistor hoge ingangsimpedantie. Ingangsimpedantie is de verhouding tussen stroom en poortbronspanning. Het werkingsprincipe ligt in de besturing met behulp van een elektrisch veld, dat ontstaat wanneer er spanning op wordt gezet. Dat is veldeffecttransistoren zijn spanningsgestuurd.

• verbruikt vrijwel geen stuurstroom, Dit vermindert controleverlies, signaalvervorming, overstroom van de signaalbron...

Op gemiddelde frequentie De kenmerken van veldeffecttransistors zijn beter dan die van bipolaire Dit komt door het feit dat er minder tijd nodig is voor de “resorptie” van ladingsdragers in de gebieden van de bipolaire transistor. Sommige modern bipolaire transistoren kan superieur zijn aan die in het veld, dit komt door het gebruik van meer geavanceerde technologieën, het verkleinen van de breedte van de basis en andere dingen.

Het lage ruisniveau van veldeffecttransistoren is te wijten aan de afwezigheid van een ladingsinjectieproces, zoals bipolaire.

Stabiliteit onder temperatuurveranderingen.

Een laag stroomverbruik in geleidende toestand betekent een grotere efficiëntie van uw apparaten.

Het eenvoudigste voorbeeld van het gebruik van hoge ingangsimpedantie zijn apparaten om verbinding mee te maken elektro-akoestische gitaren van piëzo-pickups en elektrische gitaren met elektromagnetische pickups tot lineaire ingangen met lage ingangsimpedantie.

Een lage ingangsimpedantie kan dips in het ingangssignaal veroorzaken, waardoor de vorm ervan wordt vervormd verschillende graden afhankelijk van de signaalfrequentie. Dit betekent dat je dit moet vermijden door een trap met een hoge ingangsimpedantie te introduceren. Hier eenvoudigste schema zo'n apparaat. Geschikt voor het aansluiten van elektrische gitaren lijningang computer-audiokaarten. Hiermee wordt het geluid helderder en het timbre rijker.

Het grootste nadeel is dat dergelijke transistors bang zijn voor statische elektriciteit. Je kunt een element met geëlektrificeerde handen pakken, en het zal onmiddellijk mislukken; dit is een gevolg van het besturen van de sleutel met behulp van het veld. Het wordt aanbevolen om ermee te werken in diëlektrische handschoenen, verbonden via een speciale armband met aarde, met een laagspanningssoldeerbout met een geïsoleerde punt, en de transistordraden kunnen met draad worden vastgebonden om ze tijdens de installatie kort te sluiten.

Moderne apparaten zijn hier praktisch niet bang voor, omdat ze ingebouwd kunnen zijn beschermende apparaten type zenerdiodes die worden geactiveerd wanneer de spanning wordt overschreden.

Soms hebben beginnende radioamateurs angsten die het absurde bereiken, zoals het opzetten van aluminiumhoeden op hun hoofd. Hoewel alles wat hierboven is beschreven verplicht is, is het niet naleven van eventuele voorwaarden geen garantie voor het falen van het apparaat.

Veldeffecttransistoren met geïsoleerde poort

Dit type transistoren wordt actief gebruikt als halfgeleidergestuurde schakelaars. Bovendien werken ze meestal in de sleutelmodus (twee standen "aan" en "uit"). Ze hebben verschillende namen:

1. MOS-transistor (metaal-diëlektrische halfgeleider).

2. MOSFET (metaaloxide-halfgeleider).

3. MOSFET-transistor (metaaloxide-halfgeleider).

Onthoud: dit zijn slechts variaties op één naam. Het diëlektricum, of oxide zoals het ook wordt genoemd, speelt de rol van isolator voor de poort. In het onderstaande diagram wordt de isolator tussen het n-gebied nabij de poort en de poort weergegeven als een wit gebied met stippen. Het is gemaakt van siliciumdioxide.

Diëlektricum is uitgesloten elektrisch contact tussen de poortelektrode en het substraat. In tegenstelling tot de controle-pn-overgang werkt deze niet volgens het principe van het uitbreiden van de junctie en het blokkeren van het kanaal, maar volgens het principe van het veranderen van de concentratie van ladingsdragers in de halfgeleider onder invloed van een extern elektrisch veld. MOSFET's zijn er in twee soorten:

1. Met ingebouwd kanaal.

2. Met geïnduceerd kanaal

In het schema zie je een transistor met een ingebouwd kanaal. Hieruit kun je al raden dat het principe van zijn werking lijkt op een veldeffecttransistor met een p-n-besturingsovergang, d.w.z. Wanneer de poortspanning nul is, vloeit er stroom door de schakelaar.

Nabij de source en drain worden twee gebieden gecreëerd met een verhoogd gehalte aan onzuivere ladingsdragers (n+) met verhoogde geleidbaarheid. Het substraat wordt (in dit geval) een P-type basis genoemd.

Houd er rekening mee dat het kristal (substraat) verbonden is met de bron; veel grafische symbolen zijn op deze manier getekend. Wanneer de poortspanning toeneemt, verschijnt er een transversaal elektrisch veld in het kanaal, het stoot ladingsdragers (elektronen) af en het kanaal sluit wanneer de drempel Uzi wordt bereikt.

Wanneer een negatieve poort-bronspanning wordt aangelegd, daalt de afvoerstroom en begint de transistor uit te schakelen - dit wordt de uitputtingsmodus genoemd.

Wanneer een positieve spanning op de poortbron wordt aangelegd, vindt het omgekeerde proces plaats: elektronen worden aangetrokken, de stroom neemt toe. Dit is de verrijkingsmodus.

Al het bovenstaande geldt voor MOS-transistoren met een ingebouwd N-type kanaal. Als een p-type kanaal alle woorden "elektronen" vervangt door "gaten", zijn de spanningspolariteiten omgekeerd.

Volgens de datasheet van deze transistor ligt de drempelspanning van de poortbron rond de één volt, en de typische waarde is 1,2 V. Laten we dit eens controleren.

De stroom werd in microampères. Als je de spanning nog iets verhoogt, verdwijnt deze volledig.

Ik koos willekeurig een transistor en kwam een ​​​​redelijk gevoelig apparaat tegen. Ik zal proberen de polariteit van de spanning te veranderen, zodat de poort een positief potentieel heeft, en de verrijkingsmodus controleren.

Bij een poortspanning van 1V nam de stroom vier keer toe vergeleken met die bij 0V (eerste afbeelding in deze sectie). Hieruit volgt dat het, in tegenstelling tot het vorige type transistors en bipolaire transistors, zowel kan werken om de stroom te verhogen als te verlagen zonder extra bedrading. Deze verklaring is erg grof, maar in eerste instantie heeft ze bestaansrecht.

Hier is alles bijna hetzelfde als in een transistor met een stuurovergang, met uitzondering van de aanwezigheid van een verrijkingsmodus in de uitgangskarakteristiek.

De drain-gate-karakteristiek laat duidelijk zien dat een negatieve spanning ervoor zorgt dat de schakelaar leegraakt en sluit, en dat een positieve poortspanning ervoor zorgt dat de schakelaar rijker wordt en verder opengaat.

MOSFET's met een geïnduceerd kanaal geleiden geen stroom als er geen spanning aan de poort staat, of beter gezegd: er is stroom, maar deze is extreem klein, omdat Dit tegenstroom tussen het substraat en de hooggedoteerde drain- en sourcegebieden.

Een veldeffecttransistor met een geïsoleerde poort en een geïnduceerd kanaal is analoog aan een normaal open schakelaar; er vloeit geen stroom.

In aanwezigheid van poort-bronspanning, omdat overwegen we een n-type geïnduceerd kanaal, dan is de spanning positief, onder invloed van het veld worden negatieve ladingsdragers aangetrokken naar het poortgebied.

Dit creëert een "corridor" voor elektronen van bron naar afvoer, waardoor er een kanaal verschijnt, de transistor opent en er stroom doorheen begint te stromen. Ons substraat is van het p-type, de belangrijkste daarin zijn positieve ladingsdragers (gaten), er zijn heel weinig negatieve ladingsdragers, maar onder invloed van het veld worden ze gescheiden van hun atomen en begint hun beweging. Vandaar het gebrek aan geleidbaarheid bij afwezigheid van spanning.

De uitgangskarakteristiek herhaalt exact die van de vorige, het enige verschil is dat de Uzi-spanningen positief worden.

De drain-gate-karakteristiek laat hetzelfde zien, de verschillen zitten opnieuw in de spanningen aan de gate.

Bij het overwegen van de stroom-spanningskarakteristieken is het uiterst belangrijk om zorgvuldig te kijken naar de waarden die langs de assen zijn geschreven.

Op de schakelaar staat een spanning van 12 V, maar bij de gate hebben we 0. Er vloeit geen stroom door de transistor.

Dit betekent dat de transistor volledig open is; als hij er niet was, zou de stroom in dit circuit 12/10 = 1,2 A zijn. Later bestudeerde ik hoe deze transistor werkt en ontdekte dat hij bij 4 volt begint te openen.

Door 0,1V toe te voegen, merkte ik dat met elke tiende volt de stroom steeds meer groeit, en bij 4,6 volt is de transistor bijna volledig open, het verschil met de poortspanning van 20V in de afvoerstroom is slechts 41 mA, bij 1.1 Dit is onzin.

Dit experiment weerspiegelt dat de geïnduceerde kanaaltransistor alleen wordt ingeschakeld wanneer de drempelspanning wordt bereikt, waardoor hij perfect kan werken als schakelaar in puls circuits. Eigenlijk is IRF740 een van de meest voorkomende.

Uit de resultaten van poortstroommetingen bleek dat veldeffecttransistoren feitelijk vrijwel geen stuurstroom verbruiken. Bij een spanning van 4,6 volt was de stroom slechts 888 nA (nano!!!).

Bij een spanning van 20V was deze 3,55 µA (micro). Voor een bipolaire transistor zou dit ongeveer 10 mA zijn, afhankelijk van de versterking, wat tienduizenden keren meer is dan voor een veldeffecttransistor.

Niet alle toetsen openen met dergelijke spanningen; dit is te wijten aan het ontwerp en de circuitontwerpkenmerken van de apparaten waarop ze worden gebruikt.

Een geloste container vereist op het eerste moment een grote laadstroom, en zeldzame besturingsapparaten (pwm-controllers en microcontrollers) hebben sterke output, dus gebruiken ze stuurprogramma's voor veld poorten, zowel in veldeffecttransistoren als in (bipolair met geïsoleerde poort). Dit is een versterker die een ingangssignaal omzet in een uitgangssignaal van een zodanige omvang en stroomsterkte dat voldoende is om de transistor aan en uit te zetten. De laadstroom wordt ook beperkt door een weerstand die in serie is geschakeld met de poort.

Bovendien kunnen sommige poorten ook worden bestuurd vanaf de microcontrollerpoort via een weerstand (dezelfde IRF740). We hebben dit onderwerp aangeroerd.

Ze lijken op veldeffecttransistors met een stuurpoort, maar verschillen daarin dat op de UGO, net als in de transistor zelf, de poort gescheiden is van het substraat en de pijl in het midden het type kanaal aangeeft, maar vanuit de richting is gericht. substraat naar het kanaal als het een n-kanaals mosfet is - naar de sluiter en omgekeerd.

Voor toetsen met een geïnduceerd kanaal:

Het zou er zo uit kunnen zien:

Let op de Engelse namen van de pinnen; deze worden vaak aangegeven in datasheets en diagrammen.

Voor toetsen met een ingebouwd kanaal:

Symbolen van een MOS-transistor geïnduceerd door een n-type (a) en p-type (b) kanaal

Het heeft geen ingebouwd kanaal tussen de source- en drainregio's. Als er geen spanning aan de poort staat, zal de stroom tussen de bron en de afvoer bij geen enkele spanningspolariteit vloeien, aangezien een van de pn-overgangen noodzakelijkerwijs vergrendeld zal zijn.

Als een spanning met positieve polariteit wordt aangelegd op de poort ten opzichte van de bron, zullen elektronen uit de bron- en afvoergebieden, evenals uit de kristalgebieden, onder invloed van het resulterende transversale elektrische veld naar het nabije oppervlak bewegen. gebied richting de poort. Wanneer de poortspanning een bepaalde drempelwaarde overschrijdt, zal de elektronenconcentratie in de laag aan het oppervlak zo sterk toenemen dat deze de gatconcentratie in dit gebied overschrijdt en zal hier een inversie van het type elektrische geleidbaarheid optreden, d.w.z. een dunne laag. Er zal een n-type kanaal worden gevormd en er zal een stroom verschijnen in het afvoercircuit. Hoe groter de positieve poortspanning, hoe groter de kanaalgeleiding en hoe groter de afvoerstroom.

Een dergelijke transistor kan dus alleen in de verrijkingsmodus werken. Het uiterlijk van de uitgangskarakteristieken en besturingskarakteristieken wordt getoond in Fig.

Als een halfgeleiderkristal een elektrische aandrijving van het n-type heeft, moeten de source- en drain-gebieden van het p-type zijn. Een kanaal met hetzelfde type geleidbaarheid zal worden geïnduceerd als er een negatieve spanning op de poort wordt aangelegd ten opzichte van de bron.

51. MIS-transistor met ingebouwd kanaal

Symbolen van een MOS-transistor met een ingebouwd n-type (a) en p-type (b) kanaal

Het is een halfgeleider met één kristal; meestal silicium, waar een bepaald type elektrische geleidbaarheid wordt gecreëerd, in dit geval p-type. Het creëert twee gebieden met elektrische geleidbaarheid van het tegenovergestelde type (in ons geval het n-type), die met elkaar zijn verbonden door een dunne laag aan het oppervlak met hetzelfde type geleidbaarheid. Uit deze twee zones worden elektrische aansluitingen gevormd, die source en drain worden genoemd. Op het oppervlak van het kanaal bevindt zich een laag diëlektricum (meestal siliciumdioxide) met een dikte in de orde van , en door sputteren wordt er een dunne metaalfilm op afgezet, waaruit ook een elektrische output wordt gemaakt: de poort. Soms wordt ook een terminal van de basis getrokken (het substraat (P) genoemd), die wordt kortgesloten naar de bron.

Wanneer een negatieve spanning wordt aangelegd op de poort ten opzichte van de bron, en dus op het kristal, ontstaat er een transversaal elektrisch veld in het kanaal, dat elektronen van het kanaalgebied naar de basis zal duwen. Het kanaal is uitgeput van de meerderheidsdragers - elektronen, de weerstand ervan neemt toe en de afvoerstroom neemt af. Hoe meer negatieve spanning op de poort, hoe minder deze stroom. Deze modus wordt de lean-modus genoemd.

Wanneer een positieve spanning wordt aangelegd op de poort, ten opzichte van de bron, zal de richting van het transversale elektrische veld in de tegenovergestelde richting veranderen en zal het integendeel elektronen aantrekken uit de bron- en afvoergebieden, evenals uit de halfgeleider kristal. De geleidbaarheid van het kanaal neemt toe en de afvoerstroom neemt toe. Deze modus wordt de verrijkingsmodus genoemd.

De beschouwde transistor kan dus werken in zowel uitputtings- als verrijkingsmodi van het stroomvoerende kanaal, zoals geïllustreerd door zijn uitgangskarakteristieken a) en besturingskarakteristiek b).

Veldeffecttransistor

Geschiedenis van de creatie van veldeffecttransistors

Het idee van een veldeffecttransistor met geïsoleerde poort werd in 1926-1928 door Lilienfeld voorgesteld. Objectieve moeilijkheden bij de implementatie van dit ontwerp maakten het echter pas in 1960 mogelijk om het eerste werkende apparaat van dit type te creëren. In 1953 stelden en implementeerden Dakey en Ross een ander ontwerp van een veldeffecttransistor - met een pn-overgang. Ten slotte werd een derde FET-ontwerp, de Schottky-barrière FET, in 1966 door Mead voorgesteld en geïmplementeerd.

Veldeffecttransistorcircuits

Classificatie van veldeffecttransistors

Op basis van hun fysieke structuur en werkingsmechanisme worden veldeffecttransistors conventioneel verdeeld in twee groepen. De eerste wordt gevormd transistoren mee beheerder van de wijk overgang of een metaal-halfgeleiderovergang (Schottky-barrière), de tweede - transistors bestuurd door een geïsoleerde elektrode(sluiter), zogenaamd MIS-transistors (metaal - diëlektricum - halfgeleider).

Transistors met p-n-besturingsovergang

Rijst. 1. Ontwerp van een veldeffecttransistor met een p-n-besturingsovergang

Een veldeffecttransistor met een p-n-besturingsovergang is een veldeffecttransistor waarvan de poort is geïsoleerd (dat wil zeggen elektrisch gescheiden) van het kanaal door een p-n-overgang die in de tegenovergestelde richting is voorgespannen.

In een halfgeleiderkristal met een relatief hoge soortelijke weerstand, dat een substraat wordt genoemd, ontstaan ​​twee zwaar gedoteerde gebieden met het tegengestelde type geleidbaarheid ten opzichte van het substraat. Op deze gebieden worden metalen elektroden aangebracht - bron en afvoer. De afstand tussen de zwaar gedoteerde source- en draingebieden kan minder dan een micron bedragen. Het oppervlak van het halfgeleiderkristal tussen de source en drain is bedekt met een dunne laag (ongeveer 0,1 μm) diëlektricum. Omdat de initiële halfgeleider voor veldeffecttransistoren gewoonlijk silicium is, wordt een laag siliciumdioxide Si02, die door oxidatie bij hoge temperatuur op het oppervlak van een siliciumkristal is gegroeid, als diëlektricum gebruikt. Op de diëlektrische laag wordt een metalen elektrode, een poort, aangebracht. Het resultaat is een structuur bestaande uit een metaal, een diëlektricum en een halfgeleider. Daarom worden veldeffecttransistors met een geïsoleerde poort vaak MOS-transistors genoemd.

De ingangsweerstand van MOS-transistors kan 10 10 ... 10 14 Ohm bereiken (voor veldeffecttransistors met een p-n-besturingsovergang 10 7 ... 10 9), wat een voordeel is bij het bouwen van apparaten met hoge precisie.

Er zijn twee soorten MOS-transistors: met een geïnduceerd kanaal en met een ingebouwd kanaal.

In MOS-transistors met een geïnduceerd kanaal (Fig. 2, a) is er geen geleidend kanaal tussen de zwaar gedoteerde gebieden van de source en drain en daarom verschijnt een merkbare drainstroom alleen bij een bepaalde polariteit en bij een bepaalde waarde van de poortspanning ten opzichte van de bron, die de drempelspanning wordt genoemd ( U ZIPor).

In MOS-transistors met een ingebouwd kanaal (Fig. 2, b), nabij het oppervlak van de halfgeleider onder de poort bij nulspanning op de poort ten opzichte van de bron, bevindt zich een inverse laag - een kanaal dat de bron verbindt de afvoer.

Getoond in afb. De 2 FET-structuren met geïsoleerde poort hebben een substraat met n-type geleidbaarheid. Daarom hebben de zwaar gedoteerde gebieden onder de source en drain, evenals de geïnduceerde en ingebedde kanalen, p-type geleidbaarheid. Als soortgelijke transistors worden gemaakt op een substraat met elektrische geleidbaarheid van het p-type, zal hun kanaal een elektrische geleidbaarheid van het n-type hebben.

MOS-transistors met geïnduceerd kanaal

Wanneer de poortspanning ten opzichte van de bron nul is, en wanneer er spanning op de drain staat, blijkt de drainstroom verwaarloosbaar te zijn. Het vertegenwoordigt tegenstroom p-n-overgang tussen het substraat en het zwaar gedoteerde draingebied. Bij een negatieve potentiaal e op de poort (voor de structuur getoond in figuur 2, a) als resultaat van de penetratie van het elektrische veld door de diëlektrische laag in de halfgeleider bij lage poortspanningen (lagere U ZIPor) nabij het oppervlak van de halfgeleider onder de poort, verschijnt een veldeffectlaag zonder de meerderheid van de dragers en verschijnt er een ruimteladingsgebied, bestaande uit geïoniseerde, niet-gecompenseerde onzuiverheidsatomen. Bij poortspanningen groot U ZIPor, verschijnt er een inverse laag op het oppervlak van de halfgeleider onder de poort, het kanaal dat de bron met de afvoer verbindt. De dikte en dwarsdoorsnede van het kanaal zullen veranderen met veranderingen in de poortspanning, en de afvoerstroom, dat wil zeggen de stroom in het belastingscircuit en een relatief krachtige stroombron, zal dienovereenkomstig veranderen. Dit is hoe de afvoerstroom wordt geregeld in een veldeffecttransistor met een geïsoleerde poort en een geïnduceerd kanaal.

Vanwege het feit dat de poort door een diëlektrische laag van het substraat is gescheiden, is de stroom in het poortcircuit verwaarloosbaar en is het vermogen dat wordt verbruikt door de signaalbron in het poortcircuit en dat nodig is om de relatief grote afvoerstroom te regelen ook klein. . Een MOS-transistor met geïnduceerd kanaal kan dus versterking produceren elektromagnetische trillingen qua spanning en vermogen.

Het principe van vermogensversterking in MOS-transistors kan worden beschouwd vanuit het oogpunt van de overdracht van energie en een constant elektrisch veld (energie- en krachtbron in het uitgangscircuit) door ladingsdragers naar een wisselend elektrisch veld. In een MOS-transistor daalde, voordat het kanaal verscheen, bijna alle voedingsspanning in het draincircuit over de halfgeleider tussen de source en drain, waardoor een relatief grote constante component van de elektrische veldsterkte ontstond. Onder invloed van spanning op de gate ontstaat er in de halfgeleider onder de gate een kanaal waarlangs ladingsdragers - gaten - van source naar drain bewegen. De gaten, die in de richting van de constante component van het elektrische veld bewegen, worden door dit veld versneld en hun energie neemt toe als gevolg van de energie- en krachtbron in het afvoercircuit. Gelijktijdig met de opkomst van het kanaal en het verschijnen van mobiele ladingsdragers daarin, neemt de spanning aan de drain af, dat wil zeggen dat de momentane waarde van de variabele component van het elektrische veld in het kanaal tegengesteld is aan de constante component. Daarom worden gaten geremd door een wisselend elektrisch veld, waardoor ze een deel van hun energie krijgen.

MOS-transistors met ingebouwd kanaal

Rijst. 3. Weekend statische kenmerken(a) en statische transmissiekarakteristieken (b) van een MOS-transistor met een geïntegreerd kanaal.

In deze schakeling wordt een MOS-transistor met een geïsoleerde poort en een geïnduceerd kanaal gebruikt als niet-lineair element.

Door de aanwezigheid van een ingebouwd kanaal in een dergelijke MOS-transistor bij nul-poortspanning (zie figuur 2, b), zullen de dwarsdoorsnede en de geleidbaarheid van het kanaal veranderen wanneer de poortspanning verandert, zowel negatieve als positieve polariteit . Een MOS-transistor met een ingebouwd kanaal kan dus in twee modi werken: in de modus van verrijking en in de modus van uitputting van het kanaal door ladingsdragers. Dit kenmerk van MOS-transistoren met een ingebouwd kanaal wordt ook weerspiegeld in de verschuiving van de statische uitgangskarakteristieken wanneer de poortspanning en de polariteit ervan veranderen (Fig. 3).

De statische transmissiekarakteristieken (Fig. 3, b) komen voort uit het punt op de abscis-as dat overeenkomt met de uitschakelspanning U ZIots, dat wil zeggen de spanning tussen de poort en de bron van een MOS-transistor met een ingebouwd kanaal dat werkt in een uitputtingsmodus waarbij de afvoerstroom een ​​vooraf bepaalde lage waarde bereikt.

Berekeningsformules afhankelijk van spanning U ZI

1. Transistor is gesloten

Drempelwaarde van MOS-transistorspanning

2. Parabolische sectie. src = "electronica3_files/225a3fd373dd6b9811a34cdd9a08cd73.png">

Specifieke transconductantie van de transistor.

3. Verdere stijging U 3 u leidt tot een overgang naar een vlak niveau.

TIR-structuren voor speciale doeleinden

In metaalnitride-oxide-halfgeleiderstructuren (MNOS) bestaat het diëlektricum onder de poort uit twee lagen: een laag SiO 2-oxide en een dikke laag Si 3 N 4-nitride. Tussen de lagen worden elektronenvallen gevormd, die, wanneer een positieve spanning (28..30 V) wordt aangelegd op de poort van de MNOS-structuur, elektronen opvangen die door een dunne laag SiO 2 tunnelen. De resulterende negatief geladen ionen verhogen de drempelspanning en hun lading kan bij afwezigheid van stroom tot meerdere jaren worden opgeslagen, omdat de SiO2-laag ladingslekkage voorkomt. Wanneer een grote negatieve spanning (28...30 V) op de poort wordt aangelegd, wordt de opgebouwde lading opgelost, waardoor de drempelspanning aanzienlijk wordt verlaagd.

Metaaloxide-halfgeleider (MOS)-structuren met drijvende poort en lawine-injectie hebben een poort gemaakt van polykristallijn silicium die geïsoleerd is van andere delen van de structuur. Lawine-afbraak van de p-n-overgang van het substraat en de afvoer of bron waarnaar hoge spanning, laat elektronen door de oxidelaag naar de poort dringen, waardoor er een negatieve lading op verschijnt. Dankzij de isolerende eigenschappen van het diëlektricum kan deze lading tientallen jaren behouden blijven. Het verwijderen van elektrische lading uit de poort wordt uitgevoerd met behulp van ioniserende ultraviolette straling kwarts lampen, terwijl de fotostroom ervoor zorgt dat elektronen kunnen recombineren met gaten.

Vervolgens werden veldeffecttransistorstructuren met dubbele poortgeheugen ontwikkeld. Een in het diëlektricum ingebouwde poort wordt gebruikt om een ​​lading op te slaan die de status van het apparaat bepaalt, en een externe (gewone) poort, bestuurd door pulsen met tegengestelde polariteit, wordt gebruikt om lading op het ingebouwde (interne) apparaat te introduceren of te verwijderen. hek. Dit is hoe cellen en vervolgens flash-geheugenchips verschenen, die tegenwoordig erg populair zijn geworden en opvallende concurrenten zijn geworden van harde schijven in computers.

Om ultragrootschalige geïntegreerde schakelingen (VLSI) te creëren, werden subminiatuur microveldeffecttransistors gemaakt. Ze zijn gemaakt met behulp van nanotechnologie met een geometrische resolutie van minder dan 100 nm. In dergelijke apparaten bereikt de dikte van het poortdiëlektricum verschillende atomaire lagen. Er worden verschillende constructies gebruikt, waaronder constructies met drie poorten. De apparaten werken in micro-power-modus. IN moderne microprocessoren Het aantal apparaten van Intel Corporation varieert van tientallen miljoenen tot 2 miljard. De nieuwste microveldeffecttransistors zijn gemaakt op gespannen silicium, hebben een metalen poort en gebruiken een nieuw gepatenteerd poortdiëlektrisch materiaal op basis van hafniumverbindingen.

In de laatste kwart eeuw hebben veldeffecttransistoren met hoog vermogen, voornamelijk van het MIS-type, een snelle ontwikkeling doorgemaakt. Ze bestaan ​​uit meerdere laagvermogenstructuren of structuren met een vertakte poortconfiguratie. Dergelijke HF- en microgolfapparaten werden voor het eerst gemaakt in de USSR door specialisten van het Pulsar Research Institute V.V. Bachurin (siliciumapparaten) en V. Ya Vaxemburg (galliumarsenide-apparaten). prof. Dyakonova V. P. (Smolensk-afdeling van MPEI). Dit opende de ontwikkeling van krachtige schakelende (puls)veldeffecttransistors met speciale structuren die hoge bedrijfsspanningen en stromen hebben (afzonderlijk tot 500-1000 V en 50-100 A). Dergelijke apparaten worden vaak bestuurd door lage (tot 5 V) spanningen, hebben een lage open weerstand (tot 0,01 Ohm) voor apparaten met hoge stroomsterkte, hoge transconductantie en korte (enkele tot tientallen ns) schakeltijden. Ze hebben niet het fenomeen van accumulatie van dragers in de structuur en het fenomeen van verzadiging dat inherent is aan bipolaire transistors. Dankzij dit vervangen veldeffecttransistoren met hoog vermogen met succes bipolaire transistoren met hoog vermogen op het gebied van vermogenselektronica met laag en middelhoog vermogen.

Toepassingsgebieden van veldeffecttransistors

Een aanzienlijk deel daarvan wordt geproduceerd in huidige moment veldeffecttransistors maken deel uit van CMOS-structuren, die zijn opgebouwd uit veldeffecttransistors met kanalen van verschillende (p- en n-) geleidbaarheidstypen en worden veel gebruikt in digitale en analoge geïntegreerde schakelingen.

Vanwege het feit dat veldeffecttransistors worden bestuurd door het veld (de spanning die op de poort wordt toegepast) en niet door de stroom die door de basis vloeit (zoals bij bipolaire transistors), verbruiken veldeffecttransistors aanzienlijk minder energie en, wat is vooral belangrijk in circuits van wacht- en volgapparatuur, en ook bij laagverbruik- en energiebesparende programma's (implementatie van slaapmodi).

Uitstekende voorbeelden van apparaten op basis van veldeffecttransistors zijn kwartspolshorloges en afstandsbedieningen. afstandsbediening voor televisie. Door het gebruik van CMOS-structuren kunnen deze apparaten tot meerdere jaren functioneren, omdat ze vrijwel geen energie verbruiken.

De toepassingsgebieden van veldeffecttransistoren met hoog vermogen ontwikkelen zich in een enorm tempo. Hun toepassing in radiozendapparatuur Hiermee kunt u een grotere zuiverheid van het spectrum van uitgezonden radiosignalen verkrijgen, het interferentieniveau verminderen en de betrouwbaarheid van radiozenders vergroten. IN vermogenselektronica Belangrijke veldeffecttransistors met hoog vermogen vervangen en vervangen met succes bipolaire transistors met hoog vermogen. In stroomomvormers maken ze het mogelijk om de conversiefrequentie met 1-2 ordes van grootte te verhogen en de grootte en het gewicht van stroomomvormers sterk te verminderen. Bij apparaten hoog vermogen veldgestuurde bipolaire transistors (IGBT's) worden gebruikt om thyristors met succes te verplaatsen. Bij eindversterkers audiofrequenties Hoogwaardige veldeffecttransistors uit de HiFi- en HiEnd-klasse vervangen met succes elektronische buizen met hoog vermogen en lage niet-lineaire en dynamische vervormingen.
Tegenwoordig gebruiken veel bekende merken die zich bezighouden met de productie van audioversterkingsapparatuur en hun leveranciers http://musicmag.com.ua/hi-fi-stereo/usiliteli-moschnosti veldeffecttransistors als vervanging van volledige kwaliteit elektronische buizen, maar met veel meer technologische parameters, waaronder compactheid en pretentieloosheid tegen mechanische belasting.

Bij transistors van dit type wordt de poort gescheiden van de halfgeleider door een laag diëlektricum, wat bij siliciumapparaten meestal siliciumdioxide is. Deze transistors worden afgekort als MOS (metal-oxide-semiconductor) en MIS (metal-diëlektrische-halfgeleider). In de Engelstalige literatuur worden ze meestal afgekort als MOSFET of MISFET (Metal-Oxide (Insulator) -Semiconductor FET).

MOS-transistors zijn op hun beurt verdeeld in twee typen.

In de zgn transistors met ingebouwd (eigen) kanaal (transistor van het depletietype) en voordat de poort wordt gevoed, is er een kanaal dat de bron en de afvoer verbindt.

In de zgn transistors met een geïnduceerd kanaal (verrijkte transistor) het bovenstaande kanaal ontbreekt.

MOS-transistors kenmerken zich door een zeer hoge ingangsweerstand. Bij het werken met dergelijke transistors moeten speciale voorzorgsmaatregelen worden genomen ter bescherming tegen statische elektriciteit. Bij het solderen moeten bijvoorbeeld alle kabels worden kortgesloten.

MOS-transistor met ingebouwd kanaal.

Het kanaal kan zowel p-type als n-type geleidbaarheid hebben. Laten we, om specifiek te zijn, eens kijken naar een transistor met een p-type kanaal. Laten we een schematische weergave geven van de structuur van de transistor (Fig. 1.97), voorwaardelijk grafische aanduiding transistor met een p-type kanaal (Fig. 1.98, a) en met een n-type kanaal (Fig. 1.98, b). De pijl geeft, zoals gebruikelijk, de richting aan van laag p naar laag n.

De transistor in kwestie (zie figuur 1.97) kan in twee modi werken: uitputting en verrijking.

De uitputtingsmodus komt overeen met een positieve echografie. Naarmate dit toeneemt, neemt de gatconcentratie in het kanaal af (aangezien de poortpotentiaal groter is dan de bronpotentiaal), wat leidt tot een afname van de afvoerstroom.

Laten we het transistoraansluitschema tonen (Fig. 1.99).

De drainage wordt niet alleen beïnvloed door het ultrasoon geluid, maar ook tussen het substraat en de bron van het ultrasoon geluid. Poortbesturing verdient echter altijd de voorkeur omdat de ingangsstromen veel lager zijn. Bovendien vermindert de aanwezigheid op het substraat de steilheid.

Het substraat vormt een p-n-overgang met de source, drain en channel. Bij gebruik van een transistor moet erop worden gelet dat deze junctie niet in voorwaartse richting is voorgespannen. In de praktijk is het substraat verbonden met de source (zoals weergegeven in het diagram) of met een punt in het circuit dat een potentieel heeft dat groter is dan het source-potentiaal (het drain-potentieel in het bovenstaande circuit minder potentieel bron).

Laten we de uitgangskarakteristieken van een MOS-transistor (ingebouwd p-kanaal) type KP201L (Fig. 1.100) en zijn drainkarakteristiek (Fig. 1.101) weergeven.

MOS-transistor met een geïnduceerd (geïnduceerd) kanaal.

Het kanaal kan zowel p-type als n-type geleidbaarheid hebben. Laten we, om specifiek te zijn, eens kijken naar een transistor met een p-type kanaal. Laten we een schematische weergave geven van de structuur van de transistor (Fig. 1.102), een conventionele grafische aanduiding van een transistor met een geïnduceerd p-type kanaal (Fig. 1.103, a) en een n-type kanaal (Fig. 1.103, b ).

Bij nulspanning is er geen uzi-kanaal (Fig. 1.102) en is de drain nul. De transistor kan alleen werken in de verrijkingsmodus, wat overeenkomt met een negatieve echografie. In dit geval is uvan > 0. Als aan de ongelijkheid uvan>u van drempel is voldaan, waarbij uvan drempel de zogenaamde drempelspanning is, verschijnt er een p-type kanaal tussen de bron en de afvoer, waar stroom doorheen kan stromen.

Het p-type kanaal ontstaat doordat de gatenconcentratie onder de poort toeneemt en de elektronenconcentratie afneemt, waardoor de gatenconcentratie groter wordt dan de elektronenconcentratie.

Het beschreven fenomeen van het veranderen van het type geleidbaarheid wordt inversie van het geleidbaarheidstype genoemd, en de halfgeleiderlaag waarin het voorkomt (en die een kanaal is) wordt inversie (inversie) genoemd. Direct onder de inverse laag wordt een laag gevormd die is ontdaan van mobiele ladingsdragers. De inverse laag is veel dunner dan de uitgeputte laag (de dikte van de inverse laag is 1 × 10 – 9 ... 5 × 10 – 9 m, en de dikte van de uitgeputte laag is 10 keer of meer groter).

Laten we het transistorschakelcircuit (Fig. 1.104), de uitgangskarakteristieken (Fig. 1.105) en de drain-gate-karakteristiek (Fig. 1.106) weergeven voor een MOS-transistor met een geïnduceerd p-kanaal KP301B.

Het is nuttig op te merken dat het Micro-Cap II-softwarepakket hetzelfde gebruikt wiskundig model(maar uiteraard met verschillende parameters).