Transistorafvoerbronpoort. Veldeffecttransistors: werkingsprincipe, circuits, bedrijfsmodi en modellering

Laten we eens kijken naar het werkingsprincipe van een MOS-transistor met een geïnduceerd kanaal N-type.

Met een geleidelijke toename van de spanning positief ten opzichte van de bron
En
er wordt een positieve lading gevormd op de poort, en in de laag aan het oppervlak van de halfgeleider wordt eerst een laag gevormd die ontdaan is van de hoofddragers van het substraat (in in dit geval- gaten).

Met verdere groei
vrije elektronen P- halfgeleidersubstraten (intrinsiek, geen onzuiverheid) bewegen naar het nabije oppervlakgebied onder de poort en vormen een geïnduceerde (veldgeïnduceerde) inverse (met inversie ten opzichte van P-substraathalfgeleidergeleidbaarheid) laag, die het kanaal is N-type tussen bron en afvoer (Fig. 10.18).

Spanning
, waarbij een kanaal verschijnt, wordt drempelwaarde genoemd
. Het kanaal wordt van het substraat gescheiden door negatieve acceptorionen, d.w.z. ladingsdrager uitgeputte laag. Bij
de oppervlaktelaag wordt verrijkt met elektronen en de kanaalweerstand neemt af. Deze werkingsmodus van de MOS-transistor wordt de verrijkingsmodus genoemd. Bij MOS-transistoren met een geïnduceerd kanaal is er alleen sprake van een verrijkingsmodus.

Als
en spanning
, dan wanneer de afvoerstroom door het kanaal stroomt equipotentiaal veldpatroon getoond in Fig. 10.18, geschonden. De oppervlaktepotentiaal onder invloed van de drainstroom neemt toe in de richting van source naar drain, en het potentiaalverschil tussen de gate en het oppervlak neemt af, waardoor het kanaal uiteindelijk smaller wordt. Naarmate de spanning toeneemt
afvoerstroom groeit ook met een geleidelijke vertraging van het groeitempo. Wanneer de spanning over de volumeweerstand van het kanaal daalt door de stromende afvoerstroom compenseert overtollige spanning
boven de drempel wordt de spanning tussen de drain en de gate gelijk
en bij de drain zal de depletielaag zich sluiten met het oppervlak van de halfgeleider, waardoor verdere groei van de drainstroom wordt voorkomen (Afb. 10.19).

Dit wordt drainstroomverzadiging genoemd. Spanning
, waarbij de afvoerstroom verzadigt , wordt verzadigingsspanning genoemd
.

Met verdere verhoging van de spanning
over
afvoerstroom neemt alleen iets toe als gevolg van een afname van de kanaallengte en dientengevolge een afname van de kanaalweerstand (Fig. 10.20).

Het fenomeen van de overdracht van ladingsdragers (in dit geval elektronen) van het kanaal via het uitputtingsgebied naar de afvoer is vergelijkbaar met de overdracht van ladingen van de basis naar de collector van een bipolaire transistor via de omgekeerde voorspanning. pn-transitie onder invloed van zijn vakgebied. Alle spanningsverhogingen
over
worden voornamelijk toegepast op het uitputtingsgebied met hoge weerstand dat zich bij de afvoer bevindt, wat resulteert in de afvoerstroom vrijwel geen stijging.

Spanning
hangt aanzienlijk af van de spanning op het substraat, aangezien naarmate deze toeneemt, het gebied zonder lading toeneemt. Meestal in MIS-structuren met N-kanaal levert de meest negatieve potentiaal van de schakeling aan het substraat, zodat de bron-substraatovergang altijd gesloten is. Met de invloed van de gelijkspanning tussen de bron en het substraat kan rekening worden gehouden door deze met een bepaalde coëfficiënt op te nemen in de uitdrukking voor
.

In afb. 10.17 – 10.20 uur werden er duidelijke grenzen getrokken tussen de ladingsgebieden van de MIS-structuur. In werkelijkheid verloopt de verandering in ladingsconcentraties soepel en zijn er geen scherp gedefinieerde grenzen tussen ladingsgebieden.

Bij hoge afvoerspanningen
Er kan een defect aan de MOS-transistor optreden, en er kunnen twee soorten defecten optreden: defect pn- kruising onder de afvoer en afbraak van het diëlektricum onder de poort. Uitsplitsing pn-overgang heeft meestal een lawinekarakter, aangezien MOS-transistoren meestal op basis van silicium worden gemaakt. Tegelijkertijd de doorslagspanning
kan worden beïnvloed door de spanning aan de gate: aangezien potentiëlen met dezelfde polariteit worden aangelegd aan de drain en gate van een MOS-transistor met een geïnduceerd kanaal, zal deze bij toenemende spanning aan de gate toenemen
. Diëlektrische doorslag onder de poort kan optreden bij een poortspanning van slechts enkele tientallen volts, aangezien de dikte van de siliciumdioxidelaag ongeveer 0,1 micron bedraagt. De afbraak is meestal thermisch van aard. Dit type storing kan optreden als gevolg van de accumulatie van statische ladingen, omdat de ingangsweerstand van MOS-transistoren hoog is. Om de mogelijkheid van dit soort storingen te elimineren, wordt de ingang van de MOS-transistor vaak beschermd met een zenerdiode, die de spanning aan de poort beperkt.

Familie van statische kenmerken
bij
Een MOS-transistor met een geïnduceerd kanaal, opgebouwd in overeenstemming met het bovenstaande, wordt getoond in Fig. 10.21.

een gebied met een scherpe stroomverandering en een gebied waar de stroomverandering klein is.

Een parameter uit de familie van uitgangskarakteristieken van een bipolaire transistor is de basisstroom: het apparaat wordt bestuurd door stroom; voor een MOS-transistor met een geïnduceerd kanaal is de parameter van de familie van uitgangskarakteristieken de poortspanning
- het apparaat is spanningsgestuurd. Bij toenemende spanning
De kanaalweerstand neemt af en de afvoerstroom neemt af neemt toe - het kenmerk gaat hoger. De uitgangs-I-V-karakteristieken van de MOS-transistor verlaten de oorsprong, terwijl de uitgangs-I-V-karakteristieken van de bipolaire transistor langs de spanningsas kunnen worden verschoven.

Op de familiegrafiek
bij
MIS - transistor met een geïnduceerd kanaal (Fig. 10.21) Er kunnen drie hoofdwerkgebieden worden onderscheiden:

1 – uitgangsstroom-afsnijgebied: transistor gesloten (
), en er vloeit een kleine stroom in het afvoercircuit als gevolg van lek- en tegenstroom van de afvoerovergang (10 -6 A)4

2 – actief gebied (vlak deel van de uitgangsstroom-spanningskarakteristieken, waarvoor
En
) – het gebied waar de uitgangsstroom blijft vrijwel onveranderd met de groei
;

3 – open toestandsgebied (steil deel van de uitgangsstroom-spanningskarakteristiek): stroom in dit werkingsgebied wordt ingesteld door een extern circuit.

In gebied 1 bevindt het werkpunt zich dus als de MOS-transistor vergrendeld is, in gebied 3 - als deze open is; deze gebieden komen overeen met de statische toestanden van de MOS-transistor in de sleutelbedrijfsmodus. Het actieve gebied (gebied 2) voor de schakelmodus van de MOS-transistor is het gebied van de dynamische toestand: in dit gebied bevindt het werkpunt zich kortstondig tijdens het overgangsproces van de ene statische toestand naar de andere (van gesloten naar open en omgekeerd ).

In het actieve gebied wordt het werkpunt gevonden wanneer de MOS-transistor in versterkingsmodus wordt bedreven, wanneer een lineaire relatie tussen de ingangs- en uitgangssignalen wordt gehandhaafd.

In regio 4 zijn er behoorlijk hoge spanningen
Er doen zich pre-uitvalverschijnselen voor, en vervolgens een storing, vergezeld van een scherpe toename van de stroom . Het doorslaggebied bepaalt de keuze van maximaal toelaatbare spanningen.

De aard van de statische transmissiekarakteristieken
bij
blijkt duidelijk uit het werkingsprincipe van een MOS-transistor met geïnduceerd kanaal. Kenmerken voor verschillende spanningen
laat het punt op de x-as dat overeenkomt met
.(Afb. 10.22).

Interessant en belangrijk vanuit het oogpunt van het gebruik van MOS-transistors is de temperatuurverandering in de statische eigenschappen van de transmissie. Deze veranderingen worden veroorzaakt door verschillende fysieke processen, die ertoe leiden dat bij toenemende temperatuur de drempelspanning toeneemt
neemt af.

zowel negatief als positief zijn, evenals nul op een bepaald werkingspunt van de statische kenmerken.

Typisch wordt het temperatuurcompensatie-effect verkregen bij poortspanningen die iets hoger zijn dan
. Daarnaast moet men ook rekening houden met de steilheid De transmissiekarakteristieken, die de versterkingseigenschappen van de MOS-transistor bepalen, veranderen met de temperatuur, zelfs bij een constante constante afvoerstroom.

Laten we eens kijken naar het werkingsprincipe van een MOS-transistor met een ingebouwd kanaal N-type (Fig. 10.24).

Modulatie van de geleidende kanaalweerstand kan optreden wanneer de poortspanning verandert, zowel positieve als negatieve polariteit. Bij spanningen
En
via het kanaal N-soort stroom die vloeit. Als
, dan wordt de poort negatief geladen en in de oppervlaktelaag die zich eronder bevindt, verschijnt er, als gevolg van het vertrek van vrije elektronen daaruit, een positieve ionenlading. Een laag zonder grote dragers verhoogt de kanaalweerstand. Bij het bereiken
de uitputtingslaag blokkeert het kanaal en er stroomt geen stroom doorheen. Er is een uitschakelmodus. Bij
het kanaal is verrijkt met ladingsdragers (in dit geval elektronen), de weerstand neemt af, wat leidt tot een toename van de afvoerstroom.

Een MOS-transistor met een ingebouwd kanaal kan dus zowel in de modus van verrijking als in de modus van uitputting van het kanaal door ladingsdragers werken.

Familie van statische uitgangskarakteristieken en statische transmissiekarakteristieken van een MOS-transistor met een ingebouwd kanaal N-type worden getoond in Fig. 10.25.


weekend statische kenmerken	transmissie karakteristiek

Lezing 14.

Dergelijke transistoren worden afgekort als MOS-transistors. Er kunnen twee typen zijn: geïnduceerde kanaaltransistors en ingebedde kanaaltransistors. In de eerste daarvan ontstaat het kanaal onder invloed van een stuurspanning die wordt aangelegd tussen de poort en de bron. Bij afwezigheid van een dergelijke spanning zijn deze transistors uitgeschakeld (vandaar normaal gesproken uitgeschakelde transistors genoemd). In gevallen waarin een dergelijke transistor als normaal gesloten wordt gebruikt elektronische sleutel Voor de besturing ervan is geen spanning nodig om het poortpotentieel voortdurend te verschuiven. Indien de transistor echter op de juiste wijze is voorgespannen, zal hij fungeren als een lineaire versterker voor wisselspanningssignalen.

Bij transistors van het tweede type wordt tijdens het productieproces een geleidend kanaal gecreëerd. Daarom zijn ze normaal gesproken open en kunnen ze een AC-signaal versterken, zelfs zonder de poortpotentiaal te beïnvloeden. Als transistors met een geïnduceerd kanaal alleen kunnen werken in de modus van het verrijken van het kanaal met vrije stroomdragers vereiste soort, dan kunnen transistors met een ingebouwd kanaal zowel in verrijkings- als uitputtingsmodi werken. Vergeleken met initiële staat De kanaalweerstand van deze transistoren kan worden vergroot of verkleind met behulp van een extern stuursignaal.

In MOS-transistors (in tegenstelling tot transistors met controle p-p- junctie) wordt de metalen poort geïsoleerd van het kanaal in het grootste deel van de halfgeleider door een diëlektrische laag. Bovendien hebben MOS-transistoren ook een vierde aansluiting, het substraat (P) genoemd.

Bedrijfsprincipes MOS-transistors met geïnduceerde kanalen R-type en P- ze zijn kwalitatief niet verschillend. Hier kan, zoals bij elke MOS-transistor, de stuurspanning zowel tussen de poort en het substraat, als onafhankelijk op het substraat en de poort worden aangelegd.

Wanneer er een negatieve spanning op de poort wordt gezet U De elektronen van de laag aan het oppervlak worden diep in de halfgeleider afgestoten en de gaten bewegen naar het oppervlak. De oppervlaktelaag verkrijgt elektrische geleidbaarheid van het gat . Daarin verschijnt een dunne laag met een omgekeerd soort geleidbaarheid, die als een kanaal fungeert. Als er een spanning wordt aangelegd tussen de bron en de afvoer, creëren de gaten, die langs het kanaal bewegen, een afvoerstroom. Door de poortspanning te veranderen kan het kanaal breder of smaller worden, waardoor de kanaalweerstand en daarmee de drainstroom groter of kleiner wordt.

De poortspanning waarbij een geleidend kanaal verschijnt, wordt de drempelspanning genoemd U ZI. por. Omdat het kanaal geleidelijk verschijnt naarmate de poortspanning toeneemt, wordt, om dubbelzinnigheid in de definitie ervan te elimineren, gewoonlijk een bepaalde waarde van de afvoerstroom ingesteld, waarboven wordt aangenomen dat de poortpotentiaal de drempelspanning heeft bereikt. U ZI. sindsdien .

Naarmate men zich van het halfgeleideroppervlak verwijdert, neemt de concentratie van geïnduceerde gaten af. Op een afstand die ongeveer gelijk is aan de kanaaldikte wordt de elektrische geleidbaarheid intrinsiek. Vervolgens komt een laag die is ontdaan van belangrijke ladingsdragers (d.w.z. r-p-overgang). Dankzij dit zijn de afvoer, bron en kanaal sindsdien geïsoleerd van het substraat r-p- de junctie wordt voorgespannen door de aangelegde spanning in de tegenovergestelde richting. Uiteraard kan de breedte ervan, en dientengevolge de breedte van het kanaal, worden veranderd door het aanleggen van extra spanning op het substraat ten opzichte van de drain- en source-elektroden. Daarom kan de afvoerstroom niet alleen worden geregeld door de poortspanning te veranderen, maar ook door de substraatspanning te veranderen. IN het laatste geval De besturing van een MOS-transistor is vergelijkbaar met de besturing van een veldeffecttransistor met een besturing r-p-overgang.

Om een kanaal te vormen, is een spanning groter dan U ZI. sindsdien . In dit geval blijkt de dikte van de resulterende omgekeerde laag aanzienlijk kleiner te zijn dan de dikte van de uitgeputte laag; Als de dikte van de depletielaag varieert van honderden tot duizenden nanometers, dan is de dikte van het geïnduceerde kanaal slechts 1¸5 nanometer. Met andere woorden, de gaten van het geïnduceerde kanaal worden tegen het oppervlak van de halfgeleider "gedrukt", daarom spelen de structuur en eigenschappen van de halfgeleider-diëlektrische interface een zeer belangrijke rol in MIS-transistors.

Laten we eens kijken naar een familie van uitgangsstroom-spanningskarakteristieken (CV-karakteristieken) van een MOS-transistor met een geïnduceerd kanaal. In afb. 13.1 is te zien dat elk van de grafieken overeenkomt met een bepaalde spanningswaarde U ZI, heeft drie secties. In het begingedeelte neemt de afvoerstroom snel toe (steil of ohms gebied). Dan is er een zwakke afhankelijkheid van de afvoerstroom van de spanning U SI (vlak gebied of gebied van afvoerstroomverzadiging) en het doorslaggedeelte completeren de grafiek.

Opgemerkt kan worden dat de uitgangs-I-V-karakteristieken van transistoren van het hier beschouwde type vergelijkbaar zijn met de uitgangs-IV-karakteristieken van veldeffecttransistoren met een besturingselement. p-p- overgang. Zoals transistors met een besturing r-p-overgang, MOS-transistors bij lage spanningen U SI (in gebied I; figuur 13.1) gedraagt zich als een gelineariseerde gecontroleerde weerstand. Naarmate de spanning toeneemt U De SI-breedte van het kanaal neemt af als gevolg van een spanningsval erover en een verandering in het resulterende elektrische veld. Dit is vooral duidelijk in het deel van het kanaal dat zich vlakbij de afvoer bevindt. .

Analytische benaderingen van de stroom-spanningskarakteristieken van MOS-transistoren zijn niet erg handig en worden zelden gebruikt in de technische praktijk. Voor geschatte schattingen van de afvoerstroom in het verzadigingsgebied kan men echter de vergelijking gebruiken

, (13.1)

Door de invloedscoëfficiënt voor het substraat in te voeren kan rekening worden gehouden met de regelwerking van het substraat

, (13.2)

wordt de helling van de karakteristiek op het substraat genoemd. Het laat zien hoeveel de poortspanning zou moeten worden gewijzigd, zodat de substraatspanning verandert U PI-afvoerstroom I C bleef ongewijzigd. Als de spanningen op de poort en het substraat gelijktijdig werken, dan in plaats daarvan in uitdrukkingen (13.1) en (13.2) U ZI moet worden vervangen

U ZI. ef = U ZI - h U PI. (13.3)

De traagheidseigenschappen van MOS-transistors zijn afhankelijk van de bewegingssnelheid van ladingsdragers in het kanaal, evenals van de interelektrodecapaciteiten tussen de drain en de source ( MET SI), tussen het substraat en de bron ( MET PI) en tussen substraat en drain ( MET PS). Bovendien hangt de snelheid van transistors af van de weerstandswaarden waarmee deze condensatoren worden opgeladen en ontladen. In dit geval wordt, vanwege de korte reistijd van ladingsdragers door het kanaal, dat doorgaans een lengte heeft van 0,1¸5 µm, de invloed van laatstgenoemde meestal verwaarloosd.

Bij het berekenen van circuits die zijn gebouwd op MOS-transistors met een geïnduceerd kanaal, worden equivalente equivalente circuits van deze transistors gebruikt, waarbij elektrische capaciteiten verantwoordelijk zijn voor de traagheidseigenschappen. In afb. Figuur 13.2 toont zo’n diagram. Het moet gezegd dat de waarden van de containers erin zijn opgenomen gelijkwaardig circuit(bijvoorbeeld die getoond in figuur 13.2) zijn niet altijd bekend. Bovendien zijn sommige ervan (met name MET PS-en MET PI) varieert afhankelijk van de spanningen op de elektroden. Daarom wordt in de praktijk de ingangscapaciteit van een transistor vaak gemeten voor een gemeenschappelijke bronschakeling ( MET 11I), zijn vrije dag ( MET 22I) en een pas ( MET 12I) containers. Deze capaciteiten karakteriseren de parameters van de veldeffecttransistor, die wanneer gegeven modus metingen worden weergegeven door het equivalente circuit in Fig. 13.3 . Dit circuit geeft de kenmerken van de transistor niet nauwkeurig weer, maar de parameters ervan zijn bekend of kunnen eenvoudig worden gemeten. Typisch zijn de capaciteitswaarden van het circuit getoond in Fig. 13.3 zijn als volgt: ingangscapaciteit MET 11I » 1¸5pF, doorvoercapaciteit MET 12I = 0,22 pF, uitgangscapaciteit MET 22I = 2¸6 pF.

Naast het opnemen van interelektrodecapaciteiten in het equivalente circuit van de transistor, wordt de frequentieafhankelijkheid van de steilheid van de drain-gate-karakteristiek gebruikt om rekening te houden met traagheid. De operatorvergelijking voor de helling van de karakteristiek van MOS-transistors heeft dezelfde vorm als voor veldeffecttransistors met een besturingselement r-p-overgang:

, (13.4)

waarbij w gr » w З = 1/t З, en t З » R SI.open × MET 3. In een typisch geval, met een kanaallengte van 5 micron, ligt de grensfrequentie waarbij de helling van de karakteristiek met 0,7 maal afneemt binnen enkele honderden megahertz.

De temperatuurafhankelijkheid van de drempelspanning en de uitschakelspanning wordt veroorzaakt door een verandering in de positie van het Fermi-niveau, een verandering in de ruimtelading in het uitputtingsgebied en de invloed van de temperatuur op de hoeveelheid lading in het diëlektricum. Voor MOS-transistoren kun je een thermisch stabiel werkpunt vinden waarin de afvoerstroom weinig afhankelijk is van de temperatuur. U verschillende transistoren de waarde van de afvoerstroom op het thermisch stabiele punt ligt binnen I C = 0,05¸0,5 mA. Een belangrijk voordeel MOS-transistors vóór bipolaire transistors hebben een kleine spanningsval erover bij het schakelen van kleine signalen. Dus als bipolaire transistors in de verzadigingsmodus de spanning zijn U CE kan fundamenteel niet minder zijn dan enkele tientallen - honderden millivolts, dan voor MOS-transistors bij lage stromen I C Deze spanningsval (aangezien in dit geval de transistor in het steile gebied werkt) is klein en wordt bepaald door de stroom I C en kanaalweerstand R SI. open:

U SI = I MET ×R SI.open op | U SI |< |U SI. wij |. (13,5)

Bij het afnemen I C kan worden teruggebracht tot een waarde die neigt naar nul.

MOS-transistors met een ingebouwd kanaal Hier zullen we, net als hierboven, een transistor beschouwen met een kanaal van slechts één type (p-type), aangezien de werkingsprincipes van transistors met p- of n-type kanalen hetzelfde zijn.

Zo'n transistor is gemaakt van een halfgeleiderkristalplaat met een laag niveau van donordotering, die een zwakke geleidbaarheid heeft N-type. Op een van de oppervlakken van de plaat wordt met behulp van de diffusiemethode bij hoge temperatuur een laag met een verhoogd gehalte aan donoronzuiverheden gecreëerd (geleidbaarheid n+). Op het oppervlak van deze laag wordt een metaallaag (substraatelektrode) gespoten. Op het tegenoverliggende oppervlak van de halfgeleiderwafel worden, met behulp van de methode van lokale diffusie van een acceptoronzuiverheid, twee van elkaar gescheiden halfgeleidergebieden geproduceerd met p+-type geleidbaarheid (drain- en brongebieden), en vervolgens, ook door de diffusiemethode, wordt daartussen een dunne kanaallaag gemaakt, die een zwakke geleidbaarheid heeft R-type.

De afvoer- en brongebieden blijken dus galvanisch met elkaar verbonden te zijn (er is geen p-p- overgang). Tussen regio's met R- het type geleidbaarheid en het hoofdvolume van de halfgeleiderwafel (substraat) worden gevormd R-N-overgang. Metalen elektroden worden op het oppervlak van de drain- en source-gebieden gespoten, waaraan respectievelijk de drain- en source-aansluitingen worden gesoldeerd. Het oppervlak van de halfgeleiderwafel ter plaatse van het kanaal wordt bedekt met een isolatorlaag (siliciumdioxide) en op deze laag wordt een metalen elektrode (gate) gespoten. Afhankelijk van de polariteit van de spanning tussen het kanaal en de poort, zet het ingebouwde kanaal uit of krimpt het in en bijgevolg neemt de kanaalweerstand af of toe.

We benadrukken dat bij transistors met een ingebouwd kanaal de stroom in het draincircuit zelfs bij nulspanning aan de gate zal vloeien. Om dit te stoppen, is het noodzakelijk om een positieve spanning op de poort aan te leggen (voor een structuur met een kanaal). R-type), gelijk aan of groter dan de uitschakelspanning U ZI.ots . In dit geval zullen gaten uit de inverse laag bijna volledig in de diepte van de halfgeleider worden verplaatst en zal het kanaal verdwijnen. Wanneer een negatieve spanning wordt aangelegd, zet het kanaal uit en neemt de stroom toe. Bijgevolg werken MOS-transistors met ingebouwde kanalen in zowel uitputtings- als verrijkingsmodi.

Voor ruwe schattingen van de afvoerstroom van een transistor met een ingebouwd kanaal in het verzadigingsgebied kun je de vergelijking gebruiken

, (13.6)

De grafieken van de familie van uitgangsstroom-spanningskarakteristieken van een MOS-transistor met een ingebouwd kanaal verschillen alleen van de overeenkomstige grafieken van MOS-transistors met een geïnduceerd kanaal doordat hier de spanning U SI kan zowel positieve als negatieve waarden aannemen. Beide grafieken zijn identiek van vorm. Ook hier is er een steil (ohms) gebied I, een verzadigingsgebied van de afvoerstroom II, en een doorslaggebied van het transistorkanaal op de meest vernauwde plaats, III.

Voor berekeningen van versterkingscircuits op basis van MOS-transistors met een ingebouwd kanaal raden we het transistorequivalentcircuit aan dat wordt weergegeven in figuur 1. 6.17. Het omvat de volgende elementen: de ingangscapaciteit van een transistor in een circuit met een gemeenschappelijke bron ( MET 11I), de uitvoercapaciteit ( MET 22I), doorgangscapaciteit ( MET 12I), uitgangsdifferentieelweerstand ( R SI. diff) en een stroombron die de versterkingseigenschappen van de transistor bepaalt.

Typisch hebben de capaciteitswaarden van het transistorequivalentcircuit de volgende waarden: MET 11I » 1¸5pF, MET 12I = 0,22 pF, MET 22I = 2¸6 pF. Weerstandswaarde R SI. het verschil varieert van tientallen tot honderden kOhm.

Laten we enkele parameters van MOS-transistors en hun geschatte waarden bekijken. Onder hen zijn de belangrijkste:

1. Helling van karakteristiek

(bij U SI = const en U PI = constant; S= 0,1¸500 mA/V);

1. Helling van kenmerken over het substraat

(bij U SI = const en U ZI = constant; S P = 0,1¸1 mA/V);

2. Initiële afvoerstroom I C start (afvoerstroom bij nulspanning U ZI; voor transistors met een besturing r-p-overgang I C-start = 0,2¸600 mA; voor transistors met een technologisch geïntegreerd kanaal I C-start = 0,1¸100 mA; met geïnduceerd kanaal I C. aanvankelijk = 0,01¸0,5 µA);

4. Drempelspanning U ZI. por ( U ZI. porie = 1¸6 V);

5. Afvoerbronweerstand in open toestand R SI.open

(R SI. geopend = 2¸300 Ohm);

6. Maximaal DC droogleggen I C. maximaal( I C. maximaal = 10¸700 mA);

7. Resterende afvoerstroom I C. ost – afvoerstroom bij spanning U ZI. ots ( I C. ost = 0,001¸10 mA);

8. Maximale frequentie verdienen fr r– frequentie waarbij het vermogen toeneemt NAAR bij R gelijk aan één (fr r kan waarden aannemen van tientallen tot honderden MHz).

Gerelateerde informatie.

Veldeffecttransistor– elektrisch halfgeleider apparaat, waarvan de uitgangsstroom wordt geregeld door een veld, en dus spanning, met hetzelfde teken. Het vormgevingssignaal wordt aan de poort toegevoerd en regelt de geleidbaarheid van het n- of p-type kanaal. In tegenstelling tot bipolaire transistoren, waarbij het signaal een variabele polariteit heeft. Het tweede teken is de stroomvorming uitsluitend door de hoofddragers (van hetzelfde teken).

Classificatie van veldeffecttransistors

Laten we beginnen met de classificatie. Er zijn talloze soorten veldeffecttransistors, die elk volgens een algoritme werken:

Daarnaast algemene classificatie er is een gespecialiseerd exemplaar uitgevonden dat de werkingsprincipes definieert. Er zijn:

Veldeffecttransistoren met pn-overgang.
Veldeffecttransistoren met een Schottky-barrière.
Veldeffecttransistoren met geïsoleerde poort:

Met ingebouwd kanaal.
Met geïnduceerd kanaal.

In de literatuur worden structuren verder als volgt geordend: het is niet praktisch om de MOS-aanduiding te gebruiken; oxidestructuren worden beschouwd als een speciaal geval van MOS (metaal, diëlektricum, halfgeleider). De Schottky-barrière (MeP) moet apart worden benadrukt, omdat het een andere structuur is. Herinnert aan de eigenschappen van een p-n-overgang. Laten we hieraan toevoegen dat de transistor structureel tegelijkertijd een diëlektricum (siliciumnitride) en een oxide (tetravalent silicium) kan bevatten, zoals gebeurde met KP305. Zo een technische oplossingen gebruikt door mensen op zoek naar methoden het verkrijgen van unieke eigenschappen van het product, waardoor de kosten worden verlaagd.

Onder de buitenlandse afkortingen voor veldeffecttransistors is de combinatie FET gereserveerd, die soms het type besturing aangeeft - met een pn-overgang. In dat laatste geval komen we ook JFET tegen. Synonieme woorden. In het buitenland is het gebruikelijk om oxide (MOSFET, MOS, MOST - synoniemen), nitride (MNS, MNSFET) veldeffecttransistoren te scheiden. De aanwezigheid van een Schottky-barrière wordt gemarkeerd door SBGT. Blijkbaar is het materiaal significant, de binnenlandse literatuur zwijgt over de betekenis van het feit.

De elektroden van veldeffecttransistors in de diagrammen zijn aangegeven: D (drain) - drain, S (source) - source, G (gate) - gate. Het substraat wordt meestal substraat genoemd.

Veldeffecttransistorapparaat

De stuurelektrode van de veldeffecttransistor wordt de poort genoemd. Het kanaal wordt gevormd door een halfgeleider van een willekeurig geleidingstype. Afhankelijk van de polariteit van de stuurspanning is deze positief of negatief. Het veld van het overeenkomstige teken verplaatst vrije dragers totdat de landengte onder de poortelektrode volledig leeg is. Bereikt door een veld aan te leggen op een p-n-overgang of op een homogene halfgeleider. De stroom wordt nul. Dit is hoe een veldeffecttransistor werkt.

De stroom vloeit van bron naar afvoer; beginners worden traditioneel gekweld door de kwestie van het onderscheid tussen de twee aangegeven elektroden. Er is geen verschil in welke richting de ladingen bewegen. De veldeffecttransistor is omkeerbaar. De unipolariteit van ladingsdragers verklaart het lage geluidsniveau. Daarom nemen veldeffecttransistoren een dominante positie in de technologie in.

Het belangrijkste kenmerk van de apparaten is vooral de grote ingangsimpedantie wisselstroom. Een voor de hand liggend feit dat voortkomt uit de regeling van een spervoorgespannen pn-overgang (Schottky-overgang), of de capaciteit van een procescondensator in het gebied van een geïsoleerde poort.

Het substraat is vaak een ongedoteerde halfgeleider. Voor veldeffecttransistors met een Schottky-poort - galliumarsenide. In pure vorm is het een goede isolator, waaraan als onderdeel van het product de volgende eisen worden gesteld:

Het is moeilijk om een laag met een aanzienlijke dikte te creëren die aan de lijst met voorwaarden voldoet. Daarom wordt een vijfde vereiste toegevoegd, die bestaat uit de mogelijkheid om het substraat geleidelijk tot de gewenste maat te laten groeien.

Veldeffecttransistoren met controle-pn-overgang en MeP

In dit geval is het geleidbaarheidstype van het poortmateriaal anders dan dat van het kanaal. In de praktijk zie je diverse verbeteringen. De sluiter bestaat uit vijf gebieden die in het kanaal zijn verzonken. Een lagere spanning kan de stroomstroom regelen. Dat betekent een toename van de winst.

Bipolaire transistor

De circuits gebruiken een tegengestelde bias van de pn-overgang; hoe smaller het kanaal voor de stroom. Bij een bepaalde spanningswaarde schakelt de transistor uit. Voorwaartse bias is gevaarlijk om te gebruiken, omdat het krachtige aandrijfcircuit de poortcontour kan beïnvloeden. Als de junctie open is, zal er een grote stroom vloeien of zal er een hoge spanning worden aangelegd. Normale modus mits juiste selectie polariteit en andere kenmerken van de stroombron, selectie van het werkpunt van de transistor.

In sommige gevallen wordt echter bewust gebruik gemaakt van voorwaartse poortstromen. Het is opmerkelijk dat deze modus kan worden gebruikt door die MOS-transistoren waarbij het substraat een p-n-overgang vormt met het kanaal. De bewegende bronlading wordt verdeeld tussen de poort en de afvoer. U kunt een regio vinden waar een aanzienlijke stroomwinst wordt verkregen. De modus wordt bestuurd door de sluiter. Naarmate de stroom iz toeneemt (tot 100 μA), verslechteren de circuitparameters scherp.

Een soortgelijke aansluiting wordt gebruikt door het zogenaamde poortfrequentiedetectorcircuit. Het ontwerp maakt gebruik van de gelijkrichtende eigenschappen van de pn-overgang tussen de poort en het kanaal. Er is weinig of geen voorwaartse bias. Het apparaat wordt nog steeds aangedreven door poortstroom. In het draincircuit wordt een aanzienlijke signaalversterking verkregen. De gelijkgerichte spanning voor de poort is een blokkeerspanning en varieert afhankelijk van de ingangswet. Gelijktijdig met detectie wordt signaalversterking bereikt. De draincircuitspanning bevat de componenten:

Constant onderdeel. Helemaal niet gebruikt.
Signaal met draaggolffrequentie. Het wordt op de grond geplant met behulp van filtercontainers.
Signaal met de frequentie van het modulerende signaal. Verwerkt om ingebedde informatie te extraheren.

Het nadeel van een poortfrequentiedetector wordt beschouwd als een grote niet-lineaire vervormingscoëfficiënt. Bovendien zijn de resultaten even slecht voor de zwakken (kwadratische afhankelijkheid). prestatiekenmerken) en sterke signalen (die de afsnijmodus ingaan). Iets beters wordt gedemonstreerd door een fasedetector op basis van een tweepoortstransistor. Een referentiesignaal wordt aan één stuurelektrode toegevoerd en aan de drain wordt een informatiecomponent gevormd, versterkt door een veldeffecttransistor.

Ondanks de grote lineaire vervormingen wordt het effect gebruikt. Bijvoorbeeld in selectieve eindversterkers die een smal spectrum aan frequenties in doses uitzenden. Harmonischen worden gefilterd en hebben geen grote invloed op de uiteindelijke kwaliteit van het circuit.

Metaal-halfgeleidertransistoren (MeS) met een Schottky-barrière verschillen bijna niet van die met een pn-overgang. Door ten minste als het om werkingsprincipes gaat. Maar dankzij de bijzondere eigenschappen van de metaal-halfgeleiderovergang kunnen producten op hogere frequenties werken (tientallen GHz, afsnijfrequenties in de buurt van 100 GHz). Tegelijkertijd is de MeP-structuur eenvoudiger te implementeren als het gaat om productie en technologische processen. Frequentiekarakteristieken bepaald door de poortlaadtijd en de mobiliteit van de vervoerder (voor GaAs groter dan 10.000 vierkante cm/V s).

MOS-transistoren

In MIS-structuren is de poort betrouwbaar geïsoleerd van het kanaal en vindt de besturing volledig plaats onder invloed van het veld. Isolatie wordt uitgevoerd met behulp van siliciumoxide of nitride. Het zijn deze coatings die gemakkelijker op het oppervlak van het kristal kunnen worden aangebracht. Het is opmerkelijk dat er in dit geval ook metaal-halfgeleiderovergangen zijn in de source- en drain-gebieden, zoals bij elke polaire transistor. Veel auteurs vergeten dit feit, of vermelden het terloops door de mysterieuze uitdrukking ohmse contacten te gebruiken.

Deze vraag is gesteld in het onderwerp over de Schottky-diode. Er verschijnt niet altijd een barrière op de kruising van metaal en halfgeleider. In sommige gevallen is het contact ohms. Dit hangt grotendeels af van de kenmerken van technologische verwerking en geometrische afmetingen. Specificaties echte apparaten zijn sterk afhankelijk van verschillende defecten van de oxide(nitride)laag. Hier zijn enkele:

De imperfectie van het kristalrooster in het oppervlaktegebied is te wijten aan verbroken bindingen aan de grens van de materiaalverandering. De invloed wordt zowel uitgeoefend door vrije atomen van de halfgeleider als door onzuiverheden zoals zuurstof, die sowieso aanwezig zijn. Bijvoorbeeld bij het gebruik van epitaxiemethoden. Als resultaat verschijnen er energieniveaus die diep in de bandkloof liggen.
Op het grensvlak tussen het oxide en de halfgeleider (3 nm dik) ontstaat een overschot aan lading waarvan de aard nog niet is verklaard. Vermoedelijk spelen positieve factoren een rol gratis zitplaatsen(gaten) van defecte atomen van de halfgeleider zelf en zuurstof.
De drift van geïoniseerde atomen van natrium, kalium en andere alkalimetalen vindt plaats wanneer lage spanning op de elektrode. Dit verhoogt de lading die zich ophoopt aan de laaggrenzen. Om dit effect te blokkeren wordt in siliciumoxide fosforoxide (anhydride) gebruikt.

In tegenstelling tot veldeffecttransistoren met een pn-overgang, waarbij de poort direct elektrisch contact heeft met het nabijgelegen gebied van het stroomvoerende kanaal, wordt bij MIS-transistors de poort geïsoleerd van het gespecificeerde gebied door een laag diëlektricum.

Om deze reden worden MOS-transistors geclassificeerd als veldeffecttransistors met geïsoleerde poort.

MOS-transistors (metaal-diëlektrische-halfgeleiderstructuur) zijn gemaakt van silicium. Siliciumoxide SiO2 wordt gebruikt als diëlektricum. Daarom is een andere naam voor deze transistors MOS-transistors (metaaloxide-halfgeleiderstructuur). De aanwezigheid van een diëlektricum zorgt voor een hoge ingangsweerstand van de betreffende transistoren (1012-1014 Ohm).

Rijst. 5.6. Legende MOS-transistors met een ingebouwd n-type (a), p-type (b) kanaal en uitvoer vanaf het substraat (c); met een n-type (d), p-type (e) geïnduceerd kanaal en uitvoer van het substraat (f)

Het werkingsprincipe van MOS-transistors is gebaseerd op het effect van het veranderen van de geleidbaarheid van de laag aan het oppervlak van een halfgeleider op het grensvlak met een diëlektricum onder invloed van een transversaal elektrisch veld. De oppervlaktelaag van de halfgeleider is het stroomvoerende kanaal van deze transistors. MOS-transistors zijn er in twee typen: met ingebouwd en met geïnduceerd kanaal.

MOS-transistors zijn dat wel algemeen geval apparaat met vier elektroden. De vierde elektrode (substraat), die presteert hulpfunctie, is de leiding van het substraat van de originele halfgeleiderwafel. MOS-transistoren kunnen een p- of p-type kanaal hebben. De symbolen van MOS-transistors worden getoond in Fig. 5,6 a-e.

Laten we eens kijken naar de kenmerken van MOS-transistors met een ingebouwd kanaal. Het ontwerp van een dergelijke transistor met een n-type kanaal wordt getoond in Fig. 5.7, een. In de originele p-type siliciumwafel worden source-, drain- en n-type kanaalgebieden gecreëerd met behulp van diffusietechnologie. De SiO2-oxidelaag vervult de functies van het beschermen van het oppervlak dichtbij de bron en afvoer, en isoleert de poort van het kanaal. De substraatterminal (indien aanwezig) is soms verbonden met de bron.

De drain- (uitgangs)karakteristieken van een veldeffecttransistor met een ingebouwd n-type kanaal voor het geval dat het substraat met de bron wordt verbonden, worden getoond in Fig. 5.7, b. Qua uiterlijk komen deze karakteristieken dicht in de buurt van de karakteristieken van een veldeffecttransistor met een pn-overgang. Laten we de karakteristiek bij Uzi = 0 bekijken, die overeenkomt met de verbinding van de poort met de bron. Er wordt een externe spanning aangelegd op het source-drain-gedeelte met de positieve pool naar de drain gericht. Omdat Uzi = 0, vloeit er een stroom door het apparaat, bepaald door de initiële geleidbaarheid van het kanaal. Bij de initiële sectie 0-a, wanneer de spanningsval in het kanaal klein is, is de afhankelijkheid Ic(Uci) bijna lineair. Naarmate we punt b naderen, leidt de spanningsval in het kanaal tot een steeds significanter effect van de vernauwing ervan (stippellijn in figuur 5.7, a) op de geleidbaarheid van het kanaal, waardoor de steilheid van de stroomtoename afneemt met sectie a-b. Na punt b versmalt het stroomvoerende kanaal tot een minimum, wat een beperking van de stroomtoename en het verschijnen van een vlak gedeelte II op de karakteristiek veroorzaakt.

Rijst. 5.7. Ontwerp van een MOS-transistor met ingebouwd n-type kanaal (a); afvoerpoortkarakteristiek (b); karakteristiek afvoerpoort (c)

Laten we de invloed van de poort-bronspanning op het verloop van de afvoerkarakteristieken aantonen.

In het geval van het aanleggen van een spanning op de poort (Uzi) Wanneer een spanning Uzi > 0 op de poort wordt aangelegd, trekt het poortveld elektronen naar het kanaal vanuit de p-laag van de halfgeleiderwafel kanaal neemt toe, wat overeenkomt met de wijze van verrijking van het kanaal met draaggolven neemt toe, de stroom Ic neemt toe. De afvoerkarakteristieken voor Uzi > 0 bevinden zich boven de oorspronkelijke curve (Uzi = 0).

Voor een transistor is er een limiet voor het verhogen van de spanning Uсз als gevolg van het begin van doorslag van de drain-gate-sectie naast de drain. In de aandelenkenmerken komt de uitsplitsing overeen met het bereiken van een bepaalde waarde Usi.pr. In het geval van Uzi 0 (verrijkingsmodus).

Het ontwerp van een MOS-transistor met een geïnduceerd n-type kanaal wordt getoond in Fig. 5.8, blz. Het stroomgeleidingskanaal wordt hier niet speciaal gecreëerd, maar wordt gevormd (geïnduceerd) als gevolg van de instroom van elektronen uit de halfgeleiderwafel wanneer een spanning met positieve polariteit wordt aangelegd op de poort ten opzichte van de bron. Door de instroom van elektronen in de oppervlaktelaag verandert de elektrische geleidbaarheid van de halfgeleider, d.w.z. er wordt een stroomgeleidend n-type kanaal geïnduceerd, dat de afvoer- en brongebieden met elkaar verbindt. De geleidbaarheid van het kanaal neemt toe met toenemende spanning met positieve polariteit die op de poort wordt aangelegd. De geïnduceerde kanaaltransistor werkt dus alleen in de verrijkingsmodus.

De drain- (uitgangs)karakteristieken van een veldeffecttransistor met een geïnduceerd n-type kanaal worden getoond in Fig. 5.8, b. Ze lijken qua uiterlijk op de vergelijkbare kenmerken van een transistor met een ingebouwd kanaal en hebben dezelfde aard van de afhankelijkheid Iс = F(Uс). Het verschil is dat de transistorstroom wordt geregeld door een spanning met één polariteit, die samenvalt met de polariteit van de spanning Uc. De stroom Ic is nul bij Uzi = 0, terwijl dit bij een transistor met ingebouwd kanaal een verandering van de polariteit van de poortspanning ten opzichte van de bron vereist. De drain-gate-karakteristiek van een transistor met een geïnduceerd kanaal wordt getoond in Fig. 5.8, c.

MOS-transistoren van beide typen worden geproduceerd voor hetzelfde bereik aan stromen en spanningen als pn-overgangstransistors. De helling S en interne weerstand Ri. Wat de ingangsweerstand en de capaciteit tussen de elektroden betreft, hebben MOS-transistoren dat beste prestatie dan p-n-overgangstransistors. Zoals aangegeven bedraagt hun ingangsweerstand 1012-1014 Ohm. De waarde van de interelektrodecapaciteiten is niet groter dan: voor Szi, Ssi - 10 pF, voor Szs - 2 pF. Het equivalente circuit van MOS-transistors is vergelijkbaar met het equivalente circuit van veldeffecttransistors met een pn-overgang (zie figuur 5.5).

MOS-transistors worden veel gebruikt in geïntegreerd ontwerp. Microschakelingen op basis van MOS-transistors hebben een goede produceerbaarheid, lage kosten en het vermogen om bij hogere temperaturen te werken. hoge spanning voeding dan microschakelingen op basis van bipolaire transistors.

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.

Bij de zogenaamde 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.

Bij de zogenaamde 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 een 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 de junctie niet in voorwaartse richting wordt beïnvloed. In de praktijk is het substraat verbonden met de bron (zoals weergegeven in het diagram) of met een punt in het circuit dat een potentiaal heeft groter potentieel bron (het afvoerpotentieel in het bovenstaande circuit is kleiner dan het bronpotentieel).

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 drainkarakteristiek (Fig. 1.106) voor een MOS-transistor met een geïnduceerd p-kanaal KP301B weergeven.

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