Wat is een MIS-transistor? MOSFET-transistor

ONDERWERP 5. VELDTRANSISTOREN

Een veldeffecttransistor is een elektrisch omzetapparaat waarin de stroom die door het kanaal vloeit, wordt bestuurd door een elektrisch veld dat wordt gegenereerd door het aanleggen van spanning tussen de poort en de bron, en dat is ontworpen om het vermogen te versterken elektromagnetische trillingen.

De klasse van veldeffecttransistors omvat transistors waarvan het werkingsprincipe is gebaseerd op het gebruik van ladingsdragers met slechts één teken (elektronen of gaten). De stroomregeling in veldeffecttransistoren wordt uitgevoerd door de geleidbaarheid te veranderen van het kanaal waardoor de transistorstroom vloeit onder invloed van een elektrisch veld. Daarom worden transistors veldeffecttransistors genoemd.

Volgens de methode om een ​​kanaal te creëren, onderscheiden ze zich veldeffecttransistors met een poort in de vorm van een pn-besturingsovergang en met een geïsoleerde poort (MDS- of MOS-transistors): ingebouwd kanaal en geïnduceerd kanaal.

Afhankelijk van de geleidbaarheid van het kanaal worden veldeffecttransistors onderverdeeld in: veldeffecttransistors met een p-type en n-type kanaal. Het p-type kanaal heeft gatengeleiding en het n-type kanaal heeft elektronische geleiding.

5.1 Veldeffecttransistoren met besturing p- n-overgang

5.1.1 Ontwerp en werkingsprincipe

Veldeffecttransistor met beheerder van de wijk- een junctie is een veldeffecttransistor, waarvan de poort elektrisch gescheiden is van het kanaal door een p-n-overgang met omgekeerde voorspanning.

Figuur 5.1 – Ontwerp van een veldeffecttransistor met een p-n-besturingsovergang (n-type kanaal)

Figuur 5.2 – Symbool veldeffecttransistor met pn-overgang en n-type kanaal (a), p-type kanaal (b)

Een veldeffecttransistorkanaal is een gebied in een halfgeleider waarin de stroom van de hoofdladingsdragers wordt geregeld door de dwarsdoorsnede ervan te veranderen.

De elektrode (terminal) waardoor de belangrijkste ladingsdragers het kanaal binnenkomen, wordt de bron genoemd. De elektrode waardoor de hoofdladingsdragers het kanaal verlaten, wordt een drain genoemd. De elektrode die dient om de dwarsdoorsnede van het kanaal te regelen als gevolg van de stuurspanning, wordt een poort genoemd.

In de regel worden siliciumveldeffecttransistors geproduceerd. Silicium wordt gebruikt omdat de poortstroom, d.w.z. tegenstroom pn-overgang is vele malen kleiner dan die van germanium.

Symbolen voor veldeffecttransistors met n- en p-type kanalen worden getoond in Fig. 5.2.

De polariteit van externe spanningen die aan de transistor worden geleverd, wordt getoond in Fig. 5.1. De stuurspanning (ingangsspanning) wordt aangelegd tussen de gate en de source. De spanning Uzi is voor beide p-n-overgangen omgekeerd. De breedte van p-n-overgangen, en bijgevolg het effectieve dwarsdoorsnedeoppervlak van het kanaal, de weerstand en de stroom in het kanaal zijn afhankelijk van deze spanning. Naarmate het toeneemt, breiden de pn-overgangen uit, neemt het dwarsdoorsnedeoppervlak van het stroomvoerende kanaal af, neemt de weerstand ervan toe en bijgevolg neemt de stroom in het kanaal af. Als er dus een spanningsbron Uc is aangesloten tussen de bron en de afvoer, kan de sterkte van de afvoerstroom Ic die door het kanaal stroomt, worden geregeld door de weerstand (dwarsdoorsnede) van het kanaal te veranderen met behulp van de spanning die op de poort wordt aangelegd. De werking van een veldeffecttransistor met een sturende pn-overgang is op dit principe gebaseerd.

Bij spanning Uzi = 0 is de kanaaldoorsnede het grootst, de weerstand het kleinst en de stroom Ic het grootst.

De afvoerstroom Ic init bij Uzi = 0 wordt de initiële afvoerstroom genoemd.

De spanning Uzi, waarbij het kanaal volledig geblokkeerd is en de afvoerstroom Ic zeer klein wordt (tienden van microampère), wordt de afsnijspanning Uziots genoemd.

5.1.2 Statische kenmerken veldeffecttransistor met controle p- n-overgang

Laten we eens kijken naar de stroom-spanningskarakteristieken van veldeffecttransistors met een pn-overgang. Voor deze transistors zijn twee soorten volt-ampère-karakteristieken van belang: drain en drain-gate.

De drain- (uitgangs)karakteristieken van een veldeffecttransistor met een pn-overgang en een n-type kanaal worden getoond in Fig. 5.3, een. Ze weerspiegelen de afhankelijkheid van de afvoerstroom van de spanning Usi bij een vaste spanning Usi: Ic = f (Usi) bij Usi = const.

Figuur 5.3 – Stroom-spanningskarakteristieken veldeffecttransistor met pn-overgang en een n-type kanaal: a – afvoer (uitvoer); b – voorraad - bout

Kenmerkend voor een veldeffecttransistor is dat de geleidbaarheid van het kanaal wordt beïnvloed door zowel de stuurspanning Uzi als de spanning Uci. Wanneer Usi = 0, is de uitgangsstroom Ic = 0. Bij Usi > 0 (Uzi = 0) vloeit stroom Ic door het kanaal, wat resulteert in een spanningsval die toeneemt in de richting van de afvoer. De totale spanningsval van het source-drain-gedeelte is gelijk aan Uс. Een toename van de spanning Uс veroorzaakt een toename van de spanningsval in het kanaal en een afname van de dwarsdoorsnede ervan, en dientengevolge een afname van de geleidbaarheid van het kanaal. Bij een bepaalde spanning Uс wordt het kanaal smaller, waarbij de grenzen van beide pn-overgangen sluiten en de kanaalweerstand hoog wordt. Deze spanning Usi wordt de overlapspanning of verzadigingsspanning Usinas genoemd. Wanneer een sperspanning Uzi op de poort wordt toegepast, vindt er een extra vernauwing van het kanaal plaats, en de overlap ervan vindt plaats bij een lagere spanningswaarde Usinas. In de bedrijfsmodus worden vlakke (lineaire) secties van de uitgangskarakteristieken gebruikt.

De drain-gate-karakteristiek van een veldeffecttransistor toont de afhankelijkheid van de stroom Ic van de spanning Uzi bij een vaste spanning Usi: Ic = f (Usi) bij Usi = const (Fig. 5.3, b).

5.1.3 Basisparameters

· maximale afvoerstroom Icmax (bij Uzi = 0);

· maximale drain-source-spanning Uсmax;

· uitschakelspanning Uziots;

· interne (uitgangs)weerstand ri - vertegenwoordigt de weerstand van de transistor tussen drain en source (kanaalweerstand). AC:

· helling van de afvoerschuifkarakteristiek:

geeft het effect weer van de poortspanning op de uitgangsstroom van de transistor;

· ingangsimpedantie

5.2 Veldeffecttransistoren met geïsoleerde poort

5.2.1 Ontwerp en werkingsprincipe

Een veldeffecttransistor met geïsoleerde poort (IGF-transistor) is een veldeffecttransistor waarvan de poort elektrisch gescheiden is van het kanaal door een diëlektrische laag.

MIS-transistors (structuur: metaal-diëlektrisch-halfgeleider) zijn gemaakt van silicium. Siliciumoxide SiO2 wordt gebruikt als diëlektricum. vandaar een andere naam voor deze transistors: MOS-transistors (structuur: metaaloxide-halfgeleider). De aanwezigheid van een diëlektricum zorgt voor een hoge ingangsweerstand van de betreffende transistoren (1012 ... 1014 Ohm).

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

Laten we eens kijken naar de kenmerken van MIS: transistors met een ingebouwd kanaal. Het ontwerp van een dergelijke transistor met een n-type kanaal wordt getoond in Fig. 5.4, ​​​​een. In de originele p-type siliciumwafel met een relatief hoge soortelijke weerstand, die het substraat wordt genoemd, worden met behulp van diffusietechnologie twee zwaar gedoteerde gebieden met het tegenovergestelde type elektrische geleidbaarheid, n, gecreëerd. Op deze gebieden worden metalen elektroden aangebracht - bron en afvoer. Tussen de source en drain bevindt zich een dun kanaal aan het oppervlak met n-type elektrische geleidbaarheid. Het oppervlak van het halfgeleiderkristal tussen de source en drain is bedekt met een dunne laag (ongeveer 0,1 μm) diëlektricum. Op de diëlektrische laag wordt een metalen elektrode – een poort – aangebracht. De aanwezigheid van een diëlektrische laag maakt het mogelijk dat een dergelijke veldeffecttransistor stuurspanning van beide polariteiten aan de poort levert.

Figuur 5.4 – Ontwerp van een MIS-transistor met een ingebouwd n-type kanaal (a); familie van zijn stamkenmerken (b); karakteristiek afvoerpoort (c)

Wanneer een positieve spanning op de poort wordt aangelegd, zal het elektrische veld dat in dit geval wordt gecreëerd gaten uit het kanaal in het substraat duwen en zullen elektronen uit het substraat het kanaal in worden getrokken. Het kanaal is verrijkt met de belangrijkste ladingsdragers - elektronen, de geleidbaarheid neemt toe en de afvoerstroom neemt toe. Deze modus wordt de verrijkingsmodus genoemd.

Wanneer op de poort een negatieve spanning ten opzichte van de bron wordt aangelegd, ontstaat er een elektrisch veld in het kanaal, onder invloed waarvan elektronen uit het kanaal in het substraat worden geduwd en gaten vanuit het substraat in het kanaal worden getrokken. Het kanaal is ontdaan van de belangrijkste ladingsdragers, de geleidbaarheid ervan neemt af en de afvoerstroom neemt af. Deze modus van de transistor wordt depletiemodus genoemd.

Als in dergelijke transistors bij Usi = 0 een spanning wordt aangelegd tussen de drain en de source (Usi > 0), vloeit er een drainstroom Iin, de initiële u genoemd, wat een stroom van elektronen is.

Het ontwerp van een MIS-transistor met een geïnduceerd kanaal van het n-type wordt getoond in Fig. 5,5, een

VELDTRANSISTOREN

Een veldeffecttransistor is een halfgeleiderconversieapparaat waarin de stroom die door het kanaal vloeit, wordt bestuurd door een elektrisch veld dat optreedt wanneer een spanning wordt aangelegd.tussen poort en bron. Ontworpen om de kracht van elektromagnetische trillingen te vergroten.

Veldeffecttransistoren worden gebruikt in versterkertrappen met hoge ingangsweerstand, sleutel- en logische apparaten en bij de vervaardiging van microschakelingen.

Werkingsprincipeveldeffecttransistorov is gebaseerd op het gebruik van ladingsdragers van slechts één teken (elektronen of gaten). De stroomregeling wordt uitgevoerd door de geleidbaarheid van het kanaal waardoor de transistorstroom vloeit onder invloed van een elektrisch veld te veranderen. Daarom worden deze transistors veldeffecttransistors genoemd.

Volgens de methode voor het creëren van een kanaal, veldeffecttransistors met een poort in de vorm van een besturings-p-N- overgangen en met een geïsoleerde poort (MDS- of MOS-transistors): ingebouwd kanaal en geïnduceerd kanaal.

Afhankelijk van de geleidbaarheid van het kanaal worden veldeffecttransistors onderverdeeld in veldeffecttransistors met een p-type kanaal enveldeffecttransistoren met kanaalN- soort van. Het p-type kanaal heeft een geleidbaarheid van gaten, enN- type – elektronisch.

Veldeffecttransistor met besturing p-N- een overgang is een veldeffecttransistor waarvan de poort elektrisch gescheiden is van het kanaal p-N- transitie verschoven in de tegenovergestelde richting.

Het apparaat van een veldeffecttransistor met een controle-p-N-overgang (kanaalN-type)

Symbool voor een veldeffecttransistor met p-N-overgang en kanaalN- type (a), p-type kanaal (b)

Een veldeffecttransistorkanaal is een gebied in een halfgeleider waarin de stroom van de hoofdladingsdragers wordt geregeld door de dwarsdoorsnede ervan te veranderen.De elektrode waardoor ladingsdragers het kanaal binnenkomen, wordt de bron genoemd. De elektrode waardoor de hoofdladingsdragers het kanaal verlaten, is de afvoer. De elektrode voor het regelen van de dwarsdoorsnede van het kanaal als gevolg van de stuurspanning is een poort.

De stuurspanning (ingangsspanning) wordt aangelegd tussen de gate en de source. SpanningUzis het omgekeerde voor beide p-N- overgangen. Breedte P- N- overgangen, en bijgevolg het effectieve dwarsdoorsnedeoppervlak van het kanaal, de weerstand en de stroom in het kanaal zijn afhankelijk van deze spanning. Naarmate het groeit, wordt de p-N- overgangen, het dwarsdoorsnedeoppervlak van het stroomvoerende kanaal neemt af, de weerstand ervan neemt toe en bijgevolg neemt de stroom in het kanaal af. Daarom, als er een spanningsbron is aangesloten tussen de bron en de afvoerUsi,dan de afvoerstroomsterkteIMetDe stroom door het kanaal kan worden geregeld door de weerstand (dwarsdoorsnede) van het kanaal te veranderen met behulp van de spanning die op de poort wordt aangelegd. De werking van een veldeffecttransistor met besturing is op dit principe gebaseerd.P-N- overgang.

Onder spanning Uz= 0 De kanaaldoorsnede is het grootst, de weerstand is het kleinst en actueelIMetblijkt de grootste te zijn. Afvoerstroom Ivanaf het begin bij Uz= 0 wordt de initiële afvoerstroom genoemd. Spanning Uz, waarbij het kanaal volledig geblokkeerd is, en de afvoerstroomIMetzeer klein wordt (tienden van microampère), de zogenaamde afsnijspanningUzots.

Statische kenmerken van een veldeffecttransistor met besturing p- N- overgang

Afvoerkarakteristieken (uitvoer) van een veldeffecttransistor met p-N- overgang en kanaalN- type, weerspiegelt de afhankelijkheid van de afvoerstroom van de spanningUsibij vaste spanningUz: IC= F(Usi) bij Uz= const.

Stroom-spanningskarakteristieken van een veldeffecttransistor metp-n-splitsing en n-type kanaal: a – afvoer; B - afvoer poort

Een kenmerk van de veldeffecttransistor is de geleidbaarheidkanaal wordt ook beïnvloed door de stuurspanningUz en spanning Usi. Bij Usi= 0 uitgangsstroom IMet= 0. Wanneer Usi> 0 (Uz= 0) stroom vloeit door het kanaalIC, resulterend in een spanningsval die toeneemt in de richting van de afvoer. De totale spanningsval van het source-drain-gedeelte is gelijk aanUsi. SpanningsverhogingUsiveroorzaakt een toename van de spanningsval in het kanaal en een afname van de dwarsdoorsnede ervan, en dientengevolge een afname van de geleidbaarheid van het kanaal. Bij een bepaalde spanningUsier treedt een vernauwing van het kanaal op, waarbij de grenzen van beide p-N- de overgangen worden smaller en de kanaalweerstand wordt hoog. Wat een spanningUsiverzadigingsspanning genoemdUsions. Bij het toepassen van sperspanning op de poortUzer vindt extra vernauwing van het kanaal plaats, en de overlap ervan vindt plaats bij een lagere spanningswaardeUsions. In de bedrijfsmodus worden vlakke delen van de uitgangskarakteristieken gebruikt.

Veldeffecttransistoren met geïsoleerde poort

In een veldeffecttransistor met geïsoleerde poort (IGF-transistor) wordt de poort elektrisch gescheiden van het kanaal door een laag diëlektricum.MIS - transistors gebruiken siliciumoxide als diëlektricumSiO2. Een andere naam voor dergelijke transistors zijn MOS-transistors (metaaloxide-halfgeleider).

Het werkingsprincipe van MIS-transistors is gebaseerd op een verandering in de geleidbaarheid van de oppervlaktelaag van de halfgeleider onder invloed van een transversaal elektrisch veld. De oppervlaktelaag is het stroomvoerende kanaal van deze transistors. MIS - transistors zijn van twee typen - met ingebouwd kanaal en met een geïnduceerd kanaal.

Ontwerp MIS - transistor met een ingebouwd kanaalN-type. In de originele siliciumwafel van het p-type met een relatief hoge soortelijke weerstand worden met behulp van diffusietechnologie twee gedoteerde gebieden met tegengestelde elektrische geleidbaarheid gecreëerd -N. Op deze gebieden worden metalen elektroden aangebracht - bron en afvoer. Tussen de source en drain bevindt zich een oppervlaktekanaal met elektrische geleidbaarheidN- soort van. Het oppervlak van het halfgeleiderkristal tussen de source en drain is bedekt met een dunne laag diëlektricum. Op deze laag wordt een metalen elektrode – een poort – aangebracht. De aanwezigheid van een diëlektrische laag maakt het mogelijk dat stuurspanning van beide polariteiten op de poort wordt aangelegd.

Als er een positieve spanning op de poort wordt gezet, wordt gecreëerd Het elektrische veld zal gaten van het kanaal in het substraat duwen, en elektronen van het substraat in het kanaal. Het kanaal is verrijkt met elektronen en de geleidbaarheid ervan neemt toe toenemend afvoerstroom. Dit wordt de verrijkingsmodus genoemd.

Bij het voeden van de poort negatief spanning ten opzichte van de bron, er ontstaat een elektrisch veld in het kanaal, onder invloed waarvan elektronen uit het kanaal in het substraat worden geduwd, en er worden gaten uit het substraat in het kanaal getrokken. Het kanaal is ontdaan van de meeste ladingsdragers, de geleidbaarheid neemt af en de afvoerstroom neemt af. Deze modus van de transistor wordt depletiemodus genoemd.

In dergelijke transistors opUz= 0 als er een spanning wordt aangelegd tussen drain en source (Usi> 0), afvoerstroomIMetbegin, genaamd initiële en, die de stroom van elektronen vertegenwoordigt.

Er wordt geen stroomgeleidingskanaal gecreëerd, maar het wordt gevormd 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. Bij afwezigheid van deze spanning is er geen kanaal, en tussen de bron en de afvoerN-type is er alleen een p-type kristal, en op een van de p-N- overgangen veroorzaken sperspanning. In deze toestand is de weerstand tussen source en drain hoog en is de transistor uitgeschakeld. Maar wanneer er een positieve spanning op de poort wordt aangelegd, zullen onder invloed van het poortveld elektronen van de source- en draingebieden en van het p-gebied naar de gate bewegen. Wanneer de poortspanning de drempel overschrijdtUzi porIn de oppervlaktelaag zal de elektronenconcentratie groter zijn dan de gatenconcentratie, en er zal een inversie van het type elektrische geleidbaarheid optreden, er zal een stroomgeleidend kanaal worden geïnduceerdN-type dat de bron- en afvoergebieden verbindt. De transistor begint stroom te geleiden. Hoe groter de positieve poortspanning, hoe groter de kanaalgeleiding en de afvoerstroom. Een geïnduceerde kanaaltransistor kan alleen in de verrijkingsmodus werken.

Symbool voor MIS-transistors:

a - met ingebouwd kanaalN- soort;

b – met een ingebouwd p-type kanaal;

c – met output van het substraat;

g - met geïnduceerd kanaalN- soort;

d – met een geïnduceerd p-type kanaal;

e - met uitvoer van het substraat.

Statische veldkarakteristieken MIS - transistoren.

Bij Uz= 0 er vloeit een stroom door het apparaat, bepaald door de initiële geleidbaarheid van het kanaal. Wanneer er spanning op de poort wordt gezetUz< 0 heeft het poortveld een afstotend effect op elektronen - ladingsdragers in het kanaal, wat leidt tot een afname van hun concentratie in het kanaal en de geleidbaarheid van het kanaal. Als gevolg hiervan zijn de aandelenkenmerken opUz< 0 bevinden zich onder de corresponderende curveUz= 0.

Wanneer er spanning op de poort wordt gezetUz> 0 trekt het poortveld elektronen naar het kanaal vanuit de p-type halfgeleiderwafel. De concentratie van ladingsdragers in het kanaal neemt toe, de geleidbaarheid van het kanaal neemt toe en de afvoerstroomIMetneemt toe. Voorraadkenmerken bijUz> 0 bevinden zich boven de oorspronkelijke curve opUz= 0.

Het verschil tussen de drainkarakteristieken is dat de transistorstroom wordt geregeld door een spanning met één polariteit, die samenvalt met de polariteit van de spanningUsi. Huidig IC= 0 bij Usi= 0, terwijl dit bij een transistor met ingebouwd kanaal wel nodig ispolariteit veranderenpoortspanning ten opzichte van de bron.

De parameters van MIS-transistors zijn vergelijkbaar met de parameters van veldeffecttransistors met p-N- overgang. Volgens de ingangsweerstand van de MIS hebben de transistors beste prestatie dan transistors met p-N- overgang.

aansluitschema's

De veldeffecttransistor kan worden aangesloten op een gemeenschappelijke bron-a (OS), een gemeenschappelijke drain-in (OS) en een gemeenschappelijke poort-b (OZ).

Het meest gebruikte schema is met OI. De gemeenschappelijke broncascade geeft een zeer grote stroom- en vermogensversterking. De regeling met OZ is vergelijkbaar met de regeling met OB. Het biedt geen stroomversterking en daarom is de vermogensversterking daarin minder dan in het OP-circuit. De OZ-cascade heeft een lage ingangsimpedantie en is daarom beperkt inzetbaar.

versterkertrap gebaseerd op veldeffecttransistors

Circuit van een versterker gemaakt volgens een circuit met een OP.

De transistor in rustmodus wordt voorzien van een constante afvoerstroomIjoint ventureen de bijbehorende spanning afvoer-bron Ugier. Deze modus wordt geleverd door de voorspanning aan de poort van de veldeffecttransistorUritssluiting. Deze spanning verschijnt over de weerstandREnwanneer de stroom passeertIjoint venture (UREn= Ijoint ventureREn) en wordt op de poort toegepast vanwege galvanische koppeling via een weerstandR3 . Weerstand REn, naast het leveren van poortvoorspanning, wordt deze ook gebruikt voor temperatuurstabilisatie van de werkingsmodus van de versterker gelijkstroom, stabiliserendIjoint venture. Naar op de weerstandREner kwam geen wisselspanningscomponent vrij, deze is overbrugd met condensator CEn. Diten zorgen voor een constante versterking van de cascade.

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 Dakey en Ross een ander ontwerp van een veldeffecttransistor voor en implementeerden deze beheerder p-n-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 met besturing p-n-overgang of een metaal-halfgeleiderovergang (Schottky-barrière), de tweede - transistors bestuurd door een geïsoleerde elektrode(sluiter), zogenaamd MIS-transistors (metaal - diëlektricum - halfgeleider).

Transistors met controle-pn-overgang

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 afvoer staat, blijkt de afvoerstroom 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 van elektromagnetische oscillaties in spanning en vermogen produceren.

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 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. Uitvoer van statische karakteristieken (a) en statische transmissiekarakteristieken (b) van een MOS-transistor met een ingebouwd 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 pols quartz horloge en afstandsbediening 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 afmetingen 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.

Veldeffecttransistoren actief genoemd halfgeleider apparaten, meestal met drie aansluitingen, waarbij de uitgangsstroom wordt geregeld door een elektrisch veld. (electrono.ru)

Een ander feit over veldeffecttransistors kan worden gevonden door op hun andere naam te letten: unipolair. Dit betekent dat slechts één type ladingsdrager (elektronen of gaten) betrokken is bij het stroomproces.

De drie contacten van veldeffecttransistors worden genoemd bron(bron van huidige vervoerders), hek(stuurelektrode) en droogleggen(elektrode waar dragers stromen). De structuur lijkt eenvoudig en lijkt erg op het apparaat bipolaire transistor. Maar het kan op minstens twee manieren worden geïmplementeerd. Daarom worden veldeffecttransistoren onderscheiden met controle p-n-overgang En met geïsoleerde sluiter.

Over het algemeen verscheen het idee van dit laatste in de jaren twintig van de twintigste eeuw, lang vóór de uitvinding van bipolaire transistors. Maar het technologieniveau maakte het pas in 1960 mogelijk om het te implementeren. In de jaren vijftig werd een veldeffecttransistor met een p-n-besturingsovergang voor het eerst theoretisch beschreven en vervolgens geïmplementeerd. En net als hun bipolaire ‘broers’ spelen veldeffecttransistoren nog steeds een grote rol in de elektronica.

Voordat ik verder ga met het verhaal over de fysica van de werking van unipolaire transistors, wil ik u herinneren aan de links waar u uw kennis over de pn-overgang kunt opfrissen: één en twee.

Veldeffecttransistor met p-n-besturingsovergang

De volgende analogie kan worden getrokken: een pn-overgang is een dam die de stroom ladingsdragers van bron naar afvoer blokkeert. Door de sperspanning erop te verhogen of te verlagen, openen/sluiten we de gateways erop en regelen we de "watertoevoer" (uitgangsstroom).

Dus, binnen bedrijfsmodus veldeffecttransistor met een p-n-besturingsovergang, de spanning aan de poort moet nul zijn (het kanaal is volledig open) of omgekeerd.
Als de sperspanning zo groot wordt dat de blokkeerlaag het kanaal sluit, zal de transistor in werking treden afgesneden modus.

Zelfs bij nul-poortspanning is er een sperspanning tussen poort en afvoer die gelijk is aan de source-drain-spanning. Dit is de reden waarom de pn-overgang zo'n grillige vorm heeft, die breder wordt naar het afvoergebied.

Het spreekt voor zich dat het mogelijk is een transistor te maken met een n-type kanaal en een p-type poort. De essentie van zijn werk zal niet veranderen.

Voorwaardelijk grafische afbeeldingen veldeffecttransistors worden getoond in de figuur ( A- met p-type kanaal, B- met n-type kanaal). De pijl geeft hier de richting aan van de p-laag naar de n-laag.

Statische karakteristieken van een veldeffecttransistor met een p-n-besturingsovergang

In de grafiek zijn duidelijk drie zones te onderscheiden. De eerste daarvan is de zone met een sterke toename van de afvoerstroom. Dit is de zgn "ohmse" regio. Het source-drain-kanaal gedraagt ​​zich als een weerstand waarvan de weerstand wordt geregeld door de spanning aan de poort van de transistor.

Tweede zone - verzadigingsgebied. Het heeft een bijna lineair uiterlijk. Hier overlapt het kanaal in het draingebied, dat toeneemt met een verdere toename van de source-drain-spanning. Dienovereenkomstig neemt ook de kanaalweerstand toe en verandert de afvoerstroom zeer weinig (echter de wet van Ohm). Het is dit gedeelte van de karakteristiek dat wordt gebruikt in de versterkingstechnologie, omdat hier de minste niet-lineaire signaalvervorming en optimale waarden parameters voor kleine signalen die essentieel zijn voor versterking. Deze parameters omvatten helling, interne weerstand en versterking. De betekenis van al deze obscure zinnen zal hieronder worden onthuld.

De derde zone van de kaart - afbraak gebied, wiens naam voor zich spreekt.

MET rechterkant De figuur toont een grafiek van een andere belangrijke relatie: poort kenmerken. Het laat zien hoe de afvoerstroom afhangt van de poort-bronspanning constante spanning tussen bron en afvoer. En het is de steilheid ervan die een van de belangrijkste parameters is van een veldeffecttransistor.

Veldeffecttransistor met geïsoleerde poort

Als een source-drain-spanning wordt aangelegd bij een nul-poortspanning, zal er stroom door het kanaal ertussen vloeien. Waarom niet via het kristal? Omdat een van de p-n-knooppunten wordt afgesloten.

Laten we nu een negatieve spanning ten opzichte van de bron op de poort toepassen. Het resulterende transversale elektrische veld zal elektronen uit het kanaal in het substraat "duwen". Dienovereenkomstig zal de kanaalweerstand toenemen en zal de stroom die er doorheen vloeit afnemen. Deze modus, waarin de uitgangsstroom afneemt naarmate de poortspanning toeneemt, wordt genoemd magere modus.
Als we een spanning op de poort aanleggen, wat zal bijdragen aan het verschijnen van een veld dat elektronen "helpt" vanuit het substraat in het kanaal te "komen", dan zal de transistor werken in verrijkingsmodus. In dit geval zal de weerstand van het kanaal afnemen en zal de stroom er doorheen toenemen.

Het hierboven besproken ontwerp van een transistor met een geïsoleerde poort is vergelijkbaar met het ontwerp met een p-n-besturingsovergang, in die zin dat zelfs met nulstroom op de poort en een niet-nul source-drain-spanning daartussen er een zogenaamde initiële afvoerstroom. In beide gevallen komt dit doordat het kanaal voor deze stroming staat ingebouwd in het transistorontwerp. Dat wil zeggen, strikt genomen hebben we zojuist een dergelijk subtype van MOS-transistors overwogen transistors met ingebouwd kanaal.

Er is echter nog een ander type veldeffecttransistors met een geïsoleerde poort: transistor met geïnduceerd (invers) kanaal. Uit de naam is al duidelijk dat deze verschilt van de vorige: het kanaal tussen de zwaar gedoteerde gebieden van de drain en de source verschijnt alleen wanneer een spanning met een bepaalde polariteit op de poort wordt aangelegd.

We passen dus alleen spanning toe op de bron en de afvoer. Er zal geen stroom tussen hen vloeien, omdat een van de pn-overgangen tussen hen en het substraat gesloten is.
Laten we spanning op de poort toepassen (direct ten opzichte van de bron). Het resulterende elektrische veld zal elektronen uit de zwaar gedoteerde gebieden in het substraat "trekken", in de richting van de poort. En wanneer de poortspanning een bepaalde waarde bereikt in de zone nabij het oppervlak, de zogenaamde inversie soort geleidbaarheid. Die. de elektronenconcentratie zal de gatconcentratie overschrijden, en tussen de drain en de source zal er sprake zijn dun kanaal n-type. De transistor zal stroom gaan geleiden, hoe sterker hoe hoger de poortspanning.
Uit dit ontwerp blijkt duidelijk dat een transistor met een geïnduceerd kanaal alleen kan werken in de verrijkingsmodus. Daarom worden ze vaak aangetroffen in schakelapparaten.

De symbolen voor transistors met geïsoleerde poort zijn als volgt:


Hier
A− met ingebouwd n-type kanaal;
B− met ingebouwd p-type kanaal;
V− met uitvoer vanaf het substraat;
G− met een n-type geïnduceerd kanaal;
D− met een geïnduceerd p-type kanaal;
e− met uitvoer van het substraat.

Statische kenmerken van MOS-transistors

Exotische MIS-structuren

Algemene parameters van veldeffecttransistors

1. Maximale afvoerstroom bij een vaste poort-bronspanning.
2. Maximale drain-source-spanning, waarna er al een storing optreedt.
3. Interne (uitgangs)weerstand. Het vertegenwoordigt de kanaalweerstand voor wisselstroom (gate-source-spanning is constant).
4. Helling van de drain-gate-karakteristiek. Hoe groter het is, hoe “scherper” de reactie van de transistor op veranderingen in de poortspanning.
5. Ingangsimpedantie. Het wordt bepaald door de weerstand van de spervoorgespannen pn-overgang en bereikt gewoonlijk enkele en tientallen megaohms (wat veldeffecttransistors onderscheidt van hun bipolaire “familieleden”). En onder de veldeffecttransistors zelf behoort de palm tot apparaten met een geïsoleerde poort.
6. Verdienen- de verhouding tussen de verandering in de source-drain-spanning en de verandering in de gate-source-spanning bij een constante drainstroom.

Verbindingsschema's

Verschillen tussen veldeffecttransistors en bipolaire transistors. Toepassingen

• hoge ingangsimpedantie voor gelijkstroom en hoge frequentie, vandaar de lage controleverliezen;
• hoge prestaties (vanwege de afwezigheid van accumulatie en resorptie van kleine dragers);
• aangezien de versterkende eigenschappen van veldeffecttransistors het gevolg zijn van de overdracht van meerderheidsladingsdragers, is hun bovengrens van effectieve versterking hoger dan die van bipolaire;
• stabiliteit bij hoge temperaturen;
• laag ruisniveau, omdat veldeffecttransistors geen gebruik maken van het fenomeen van injectie van minderheidsladingsdragers, waardoor bipolaire transistors "luidruchtig" worden;
• laag stroomverbruik.

Waar worden veldeffecttransistors gebruikt? Ja, bijna overal. Digitaal en analoog geïntegreerde schakelingen, volgen en logische apparaten, energiebesparende circuits, flashgeheugen... Zelfs kwartsklokken en afstandsbedieningen van tv's werken op veldeffecttransistors. Ze zijn overal, % browser%. Maar nu weet je hoe ze werken!

Laten we nu eens kijken wat veldeffecttransistors zijn. Veldeffecttransistoren zijn heel gebruikelijk in zowel oude als moderne schakelingen. 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 veldeffecttransistoren 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:

transistors met p-n-besturingsovergang;

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, onthoud de diodeaanduiding, waar 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 op zo'n transistor wordt aangelegd, plus op de drain en min op de source, zal er een grote stroom doorheen stromen, deze wordt alleen 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 voeding is verbonden met de bron 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 voorgespannen 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 nodig 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 moderne bipolaire transistors kunnen superieur zijn aan veldeffecttransistors, dit komt door het gebruik van meer geavanceerde technologieën, een kleinere basisbreedte en andere zaken.

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) op de conventionele bron is aangesloten grafische symbolen Zo is hij 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 voor 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 is de retourstroom 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 in serie 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: