Tensiunea de saturație a drenului FET. Principalele caracteristici tehnice ale tranzistorului cu efect de câmp. Definirea tranzistorului cu efect de câmp

Dispozitiv FET cu poarta izolata iar canalul încorporat este prezentat în fig. 4.6. Este un monocristal semiconductor; de obicei siliciu, unde se creează un anumit tip de conductivitate electrică, în acest caz p-tip. Conține două regiuni cu conductivitate electrică de tip opus (în cazul nostru n-tip), care sunt interconectate printr-un strat subțire aproape de suprafață de același tip de conductivitate. Din aceste două zone se formează prize electrice, care se numesc sursă și scurgere. Pe suprafața canalului există un strat de dielectric (de obicei dioxid de siliciu) cu o grosime de ordinul a , iar pe acesta se depune o peliculă subțire de metal prin pulverizare, din care se realizează și o ieșire electrică - un obturator. Uneori de la bază (numită substrat(P)) se face și o concluzie care este scurtcircuitată la sursă.

Orez. 4.6. Structura unui tranzistor cu efect de câmp de poartă izolată cu un canal încorporat n-tip

Dacă, în absența tensiunii pe poartă, se aplică o tensiune de orice polaritate între sursă și scurgere, atunci un curent va curge prin canal, care este un flux de electroni. Niciun curent nu va curge prin substrat, deoarece unul dintre pn-tranziţiile vor fi sub acţiunea tensiunii inverse.

Când o tensiune negativă este aplicată porții în raport cu sursa și, prin urmare, cristalului, în canal apare un câmp electric transversal, care va împinge electronii din regiunea canalului către bază. Canalul este epuizat de purtătorii principali - electroni, rezistența acestuia crește, iar curentul de scurgere scade. Cu cât tensiunea de poartă este mai negativă, cu atât este mai puțin acest curent. Acest mod este numit modul slab.

Când se aplică o tensiune pozitivă pe poartă, în raport cu sursa, direcția câmpului electric transversal se va schimba în sens opus și, dimpotrivă, va atrage electroni din regiunile sursă și de dren, precum și din cristal semiconductor. Conductanța canalului crește, iar curentul de scurgere crește. Acest mod este numit regim de îmbogățire.

Tranzistorul considerat, prin urmare, poate funcționa atât în ​​modul de epuizare, cât și în modul de îmbogățire al canalului conductor, ceea ce este ilustrat prin caracteristicile sale de ieșire (Fig. 4.7, a) și caracteristica de control (Fig. 4.7, b).

Caracteristicile de ieșire ale tranzistorului MIS sunt similare cu caracteristicile de ieșire ale unui tranzistor cu efect de câmp cu un control pn-tranziție. Acest lucru se explică prin faptul că, pe măsură ce tensiunea crește de la zero, legea lui Ohm acționează mai întâi și curentul crește aproape direct proporțional cu tensiunea, iar apoi, la o anumită tensiune, canalul începe să se îngusteze, într-o măsură mai mare în apropierea scurgerii, pentru că pe pn- trecerea dintre canal și cristal crește tensiunea inversă, regiunea acestei tranziții, epuizată în purtători, se extinde, iar rezistența canalului crește. Ca rezultat, curentul de scurgere experimentează două procese reciproc opuse și rămâne practic constant până la o tensiune la care are loc o defecțiune electrică.

Orez. 4.7. Caracteristicile statice ale unui tranzistor MIS cu canal integrat n-tip

Dacă cristalul semiconductor al unui tranzistor cu efect de câmp are o conductivitate electrică n-tip, canalul conductor trebuie să fie p-tip. În acest caz, polaritatea tensiunilor trebuie inversată.

Tranzistoare cu efect de câmp cu un canal încorporat pornit scheme electrice sunt reprezentate de simbolurile grafice convenționale prezentate în fig. 4.8.

Orez. 4.8. Simboluri grafice convenționale ale tranzistorului MIS cu un canal integrat n-tip (a) și p-tip (b)

Dispozitivul unui astfel de tranzistor este prezentat în Figura 4.9. Acesta diferă de tranzistorul anterior prin faptul că nu are un canal încorporat între regiunile sursă și de scurgere. În absența tensiunii la poartă, curentul dintre sursă și scurgere nu va curge pentru nicio polaritate de tensiune, deoarece unul dintre pn-tranzițiile vor fi neapărat blocate.

Dacă pe poartă este aplicată o tensiune de polaritate pozitivă în raport cu sursa, atunci sub acțiunea câmpului electric transversal rezultat, electronii din regiunile sursă și de scurgere, precum și din regiunile cristaline, se vor deplasa la suprafața apropiată. regiune spre poartă. Când tensiunea de poartă depășește o anumită valoare de prag, concentrația de electroni în stratul apropiat de suprafață va crește atât de mult încât va depăși concentrația de găuri în această regiune și aici se va produce o inversare a tipului de conductivitate electrică, adică o subțire. se formează canalul n-tipul si curentul vor aparea in circuitul de scurgere. Cu cât tensiunea de poartă pozitivă este mai mare, cu atât conductanța canalului este mai mare și mai actuale scurgerile.

Astfel, un astfel de tranzistor poate funcționa numai în modul de îmbogățire. Vederea caracteristicilor sale de ieșire și a caracteristicilor de control este prezentată în fig. 4.10.

Orez. 4.10. Caracteristicile statice ale unui tranzistor MIS cu un canal indus n-tip

Dacă un cristal semiconductor are antrenare electrică n-tip, atunci zonele sursă și scurgere ar trebui să fie p-tip. Același tip de conducție va fi, de asemenea, indus în canal dacă se aplică o tensiune negativă la poartă în raport cu sursa.

Imagine grafică tranzistoare cu efect de câmp cu o poartă izolată este prezentat în Figura 4.11.

Orez. 4.11. Simboluri grafice convenționale ale tranzistorului MIS printr-un canal indus n-tip (a) și p-tip (b)

Recent, tranzistoarele MIS sunt denumite din ce în ce mai mult printr-un termen împrumutat din literatura străină, - MOSFET (metalTranzistor cu efect de câmp cu semiconductor de oxid).

1. Un tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată este un dispozitiv semiconductor în care electrodul de control este separat de canalul conductor printr-un strat dielectric.
2. Spre deosebire de FET-ul cu o joncțiune p de control, rezistența de intrare a FET-ului cu o poartă izolată rămâne foarte mare la orice polaritate a tensiunii aplicate la intrare.
3. Tranzistoarele cu efect de câmp cu un canal încorporat pot funcționa atât în ​​modul de epuizare, cât și în modul de îmbogățire a canalului cu purtători de încărcare gratuită.
4. FET-urile cu un canal indus pot funcționa numai în modul de îmbogățire.
5. Principalele avantaje ale tranzistorului cu efect de câmp sunt acesta rezistență mare pe curent continuuși înaltă tehnologie. Acesta din urmă determină utilizarea pe scară largă a tranzistorilor cu efect de câmp în dezvoltarea microcircuitelor.

Tranzistoarele MIS și tranzistoarele bipolare îndeplinesc aceleași funcții: funcționează într-un circuit, sau ca amplificator liniar sau ca cheie. În tabel. Tabelul 4.1 oferă o comparație scurtă și promițătoare a acestor două tipuri de tranzistoare.

Tabelul 4.1

Proprietățile tranzistoarelor bipolare și MIS

În prezent, tranzistoarele cu efect de câmp înlocuiesc tranzistoarele bipolare într-o serie de aplicații. Acest lucru se datorează faptului că, în primul rând, circuitul de control al tranzistoarelor cu efect de câmp consumă energie neglijabilă, deoarece rezistența de intrare a acestor dispozitive este foarte mare. De regulă, amplificarea puterii și a curentului în tranzistoarele MIS este mult mai mare decât în ​​cele bipolare. În al doilea rând, datorită faptului că circuitul de control este izolat de circuitul de ieșire, fiabilitatea funcționării și imunitatea la zgomot a circuitelor bazate pe tranzistoare MIS sunt semnificativ crescute. În al treilea rând, tranzistoarele MIS au un nivel scăzut de zgomot intrinsec, care este asociat cu absența injecției purtătorului de sarcină. În al patrulea rând, tranzistoarele cu efect de câmp au o viteză mai mare, deoarece nu au procese inerțiale de acumulare și resorbție a purtătorilor de sarcină. Ca rezultat, tranzistoarele MIS de mare putere înlocuiesc din ce în ce mai mult tranzistoarele bipolare unde sunt necesare viteze mari și fiabilitate sporită.

Cu toate acestea, tranzistoarele MOS au și dezavantaje. În primul rând, datorită rezistenței ridicate a canalului în starea deschisă, tranzistoarele MOS au o cădere de tensiune mai mare decât căderea de tensiune pe un tranzistor bipolar saturat. În al doilea rând, tranzistoarele MOS au o temperatură limită semnificativ mai scăzută a structurii, egală cu 150°C (pentru tranzistoarele bipolare 200°C).

Conectarea regiunii p a tranzistorului la sursă creează o alta element suplimentar- dioda inversata. Prin urmare, tranzistorul MIS este proiectat în așa fel încât această diodă să corespundă acelorași indicatori ai tranzistorului MIS și să aibă un timp scurt de recuperare pentru proprietățile de blocare.

Tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată

Dacă în tranzistoarele cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control poarta are contact electric cu canalul, atunci în tranzistoarele cu tensiune zero cu o poartă izolată nu există un astfel de contact. În aceste tranzistoare (Fig. 1.16, a, b ) poarta este o peliculă subțire de metal izolată de semiconductor. În funcție de tipul de izolație, se disting tranzistoarele MIS și MOS. Abrevierea "MDP" înseamnă "metal - dielectric - semiconductor", iar "MOS" - ca "metal - oxid - semiconductor". În acest din urmă caz, „oxidul” de iod se referă la oxidul de siliciu, care este un dielectric de înaltă calitate.

Sursa și scurgerea sunt formate ca regiuni puternic dopate ale semiconductorului. Din acest motiv, regiunile sursă și de scurgere au o concentrație mare de purtători, care este marcată în figură cu semnul „+”. Atât tranzistoarele MOS, cât și MOS pot fi realizate cu un canal R- și n -tipuri. Canalul din acest grup de tranzistori poate fi incorporat (adică creat în timpul producției) și induse (adică, indus de tensiunea aplicată la poartă).

FET cu canal încorporat

Pe fig. 1.16 A prezintă un tranzistor MIS cu un canal integrat de tip n (un strat subțire de semiconductor n -tip) care conectează sursa și scurgerea (n+-regiuni). Aceste regiuni sunt formate în substrat, un semiconductor de tip p. Strict vorbind, tranzistoarele MIS și MOS au nu trei, ci patru electrozi, inclusiv substratul. Cu toate acestea, adesea substratul este conectat electric la sursă (sau scurgere), formând trei cabluri.

Orez. 1.16. Tranzistor cu efect de câmp de poartă izolată cu canal(e) încorporat(e); simbolul acestuia(b); transmisie(în) și caracteristicile de ieșire (g).

În funcție de polaritatea tensiunii U PG-ul aplicat porții în raport cu sursa poate modifica concentrația purtătorilor majoritari (în cazul în cauză, electroni) în canal. La o tensiune negativă de poartă U și electronii sunt împinși din regiunea canalului în regiune P +, canalul este epuizat de purtători și de curent eu cu scaderi. O tensiune de poartă pozitivă atrage electroni din regiuni P + pe canal și curent eu cu prin canal crește. Astfel, spre deosebire de un tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune pn, în acest tranzistor cu efect de câmp tensiunea de control poate fi atât negativă, cât și pozitivă, ceea ce se reflectă în transmisia (Fig. 1.16, c) și la ieșire (Fig. 1.16, d) ) caracteristici.

FET cu canal indus

Acest tip de tranzistor diferă de cel anterior prin faptul că, în absența tensiunii la poartă, canalul este absent (Fig. 1.17, A), întrucât regiunile η ale sursei și ale drenului formează două p-n-joncțiuni cu substratul p, conectate între ele și, prin urmare, pentru orice polaritate de tensiune U cn una dintre tranziții este blocată.

Dacă totuși, pe poartă se aplică o tensiune mai mare decât pragul UЗΗ > UЗИpor, atunci câmpul electric creat de aceasta trage electroni din regiunile n + (și într-o oarecare măsură din substrat), formând un strat subțire de tip n. în regiunea apropiată de suprafață a substratului p (Fig. 1.17, b). Acest strat conectează sursa și scurgerea, fiind un canal de tip n. Canalul este izolat de substrat prin stratul de epuizare emergent.

Astfel, tranzistoarele cu efect de câmp cu un canal n indus (tranzistoarele n-MOS), spre deosebire de tranzistoarele cu efect de câmp considerate mai devreme, sunt controlate doar de un semnal pozitiv Uzi (Fig. 1.17, G). Valoarea tensiunii de prag a acestora este 0,2:0,1 V.

Tensiunea de prag a tranzistorului p-MOS este mult mai mare, al cărui principiu de funcționare este similar cu cel al tranzistorului n-MOS. Dar datorită faptului că purtătorii din el sunt găuri, nu electroni, polaritatea tuturor tensiunilor din acest tranzistor este opusă tranzistorului n-MOP. Valoarea tensiunii de prag a acestui tip de tranzistoare este de 2:4 V (Fig. 1.17, E).

La fel ca bipolarii, tranzistorii cu efect de câmp pot fi porniți într-un circuit de poartă comună (03), sursă comună (OH) și scurgere comună (OS). De regulă, se utilizează un circuit cu un RI, deoarece, la fel ca un circuit cu un OE de tranzistori bipolari, permite obținerea simultană de câștiguri semnificative în curent, tensiune și putere.

Orez. 1.17. Tranzistor cu efect de câmp cu un canal indus în starea inițială(A) și cu tensiune de poartă aplicată(b); simbolul său (în); angrenajul (r) și ieșirea(e) caracteristici

Avantajele tranzistoarelor cu efect de câmp:

1) impedanță mare de intrare în circuitul cu OI;

2) un nivel scăzut de zgomot inerent, deoarece transferul de curent este efectuat numai de purtătorii principali pentru canal și, prin urmare, nu există zgomot de recombinare;

3) rezistență ridicată la temperatură și influențe radioactive;

4) densitate mare de aranjare a elementelor în fabricarea circuitelor integrate.

Remarcăm, de asemenea, o caracteristică interesantă a tranzistoarelor cu efect de câmp: în principiu, sursa și scurgerea în tranzistoare sunt egale, adică. în funcție de polaritatea tensiunii aplicate, sursa și scurgerea pot fi inversate. Această proprietate se bazează pe utilizarea tranzistoarelor cu efect de câmp ca chei electronice în locul comutatoarelor de contact convenționale.

Tranzistoarele cu efect de câmp sunt utilizate pe scară largă în amplificatoare, generatoare și alte echipamente electronice, iar MOSFET-urile sunt baza pentru dezvoltarea tuturor tehnologiilor moderne de calcul, inclusiv microprocesoare, microcontrolere, memorie semiconductoare.

Compararea simbolurilor tranzistoarelor (vezi Fig. 1.8, b; 1,9b; 1.15 b, c; 1.16, b; 1.17, în), subliniem că săgeata din ele întotdeauna direcționat de la regiunea p către regiunea p, ceea ce facilitează setarea, de exemplu, a tipului canalului FET.

Suprafața substratului dintre scurgere și sursă este acoperită cu o peliculă dielectrică, pe care este aplicat un electrod metalic deasupra - Poartă.

După structura materialelor utilizate - Metal-Dielectric-Semiconductor - tranzistoarele cu efect de câmp cu poartă izolată se mai numesc și tranzistori MIS.

Tranzistoarele cu efect de câmp sunt fabricate în principal pe baza unui cristal de siliciu, în timp ce filmul dielectric de sub electrodul poartă este creat prin oxidarea suprafeței substratului. Adică se obține următoarea structură de poartă - Metal-Oxide-Semiconductor - iar tranzistoarele cu poartă izolată se numesc tranzistori MOS.

Prezența unui canal conducător încorporat (ca în cazul unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune de control electron-gaură, se ia în considerare un circuit de comutare cu o sursă comună) duce la faptul că la tensiunea zero la poartă există este un curent de scurgere inițial (curent

).

O scădere a tensiunii de poartă duce la o scădere a concentrației purtătorilor de sarcină în canal și, în consecință, la o scădere a curentului de scurgere.

O creștere a tensiunii de poartă determină o creștere a concentrației purtătorilor de sarcină liberi în canal și o creștere a curentului de scurgere.

În consecință, tranzistorul funcționează în modul de epuizare (

), sau în modul de îmbogățire (

).

Ieșire statică și caracteristici de transfer ale unui FET cu încorporat -canalele sunt prezentate în fig. iar fig. respectiv.

La o anumită valoare a tensiunii de pe poartă, numită tensiune de prag, sub poartă apare un strat cu o anumită densitate de electroni (stratul invers). Astfel, se formează un canal între sursă și scurgere, iar un curent începe să curgă în circuitul de scurgere din cauza mișcării electronilor.

Creștere suplimentară a tensiunii la poartă (

) duce atât la creșterea secțiunii transversale a canalului, cât și a concentrației de electroni în acesta și, în consecință, a curentului de scurgere.

Curentul de poartă este foarte mic, deoarece este determinat de curentul de scurgere prin dielectric.

Caracteristicile statice de ieșire ale unui tranzistor cu canale induse sunt similare cu cele ale unui tranzistor cu o joncțiune de control electron-gaură (Fig.). Caracteristicile de transfer static ale FET-urilor cu un canal indus pornesc de la valoare

.

Comun pentru tranzistoarele cu efect de câmp este rezistența lor mare de intrare la DC și curent alternativ, nivel scăzut de zgomot, neliniaritate (quadraticitate) a caracteristicilor de transmisie, separare aproape completă a circuitelor de intrare și ieșire, fără acumulare de purtători minori.

Dintre tranzistoarele cu efect de câmp, tranzistorul cu o joncțiune electron-gaură de control este cel mai stabil, are un nivel de zgomot mai scăzut.

Când se operează tranzistoare cu efect de câmp în modul de amplificare, se utilizează secțiuni ale caracteristicilor curentului-tensiune de ieșire din regiunea de saturație. Tranzistoarele cu efect de câmp sunt caracterizate de următorii parametri de semnal scăzut:

Parametrii de semnal mic ai tranzistoarelor cu efect de câmp sunt legați prin următoarea relație:

Valorile tipice ale câștigului FET sunt 50-200.

Sistemul de desemnare pentru tranzistoarele cu efect de câmp este stabilit prin OST 11336-919-81. Notația se bazează pe un cod alfanumeric. Pentru FET-uri al doilea element de cod-scrisoare P.

Pe diagramele de circuit, puteți găsi denumirile unui tranzistor cu efect de câmp de un fel sau altul.

Pentru a nu ne confunda și a obține cea mai completă imagine a tipului de tranzistor care este încă utilizat în circuit, comparăm denumirea grafică convențională a unui tranzistor unipolar și proprietățile și caracteristicile sale distinctive.

Indiferent de tipul de tranzistor cu efect de câmp, acesta are trei ieșiri. Unul dintre ei se numește Poartă(Z). Poarta este un electrod de control, i se aplică o tensiune de control. Următoarea ieșire este Sursă(ȘI). Sursa este similară cu emițătorul tranzistoarelor bipolare. A treia concluzie se numește Stoc(CU). Drenul este terminalul din care este extras curentul de ieșire.

Pe străină circuite electronice puteți vedea următoarea denumire a bornelor tranzistoarelor unipolare:

G- obturator (din engleză - G a mâncat „oblon”, „poartă”);

S- sursa (din engleza - S ource „sursă”, „început”);

D- stoc (din engleză - D ploaie „ieșire”, „scurgere”).

Cunoscând denumirile străine ale ieșirilor unui tranzistor cu efect de câmp, va fi ușor de înțeles circuitele electronicelor importate.

Desemnarea unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control (J-FET).

Asa de. Tranzistor cu gestionarea p-n- tranziția este indicată pe diagrame după cum urmează:

J-FET cu canal n

J-FET cu canal p

În funcție de tipul de purtători care sunt utilizați pentru a forma canalul conductiv (zona prin care curge curentul reglat), acești tranzistori pot fi cu canal n și canal p. Notația grafică arată că n-canalele sunt reprezentate cu o săgeată îndreptată spre interior, iar p-canalele spre exterior.

Denumirea tranzistorului MIS.

Tranzistoarele de tip MIS unipolar (MOSFET) au un simbol simbolic ușor diferit față de J-FET-urile cu o joncțiune p-n de control.MOSFET-urile pot fi, de asemenea, atât cu canal n, cât și cu canal p.

MOSFET-urile sunt de două tipuri: canal încorporatși canal indus.

Care este diferența?

Diferența este că tranzistorul cu canal indus pornește numai atunci când la poartă este aplicată o tensiune de prag pozitivă sau numai negativă. Tensiune de prag ( U de când ) este tensiunea dintre bornele poartă și sursă la care FET-ul se deschide și curentul de scurgere începe să curgă prin el ( IC ).

Polaritatea tensiunii de prag depinde de tipul canalului. Pentru mosfet-urile cu canal p trebuie aplicată o tensiune negativă „-” la poartă, iar pentru cele cu canal n, o tensiune pozitivă „+”. Mosfet-urile cu un canal indus sunt denumite și tranzistori. tip îmbogățit. Prin urmare, dacă auziți ce se spune despre un mosfet de tip îmbogățit, ar trebui să știți că acesta este un tranzistor cu canal indus. Simbolul acestuia este prezentat mai jos.

MOSFET cu canale n

MOSFET cu canal p

Principala diferență dintre un tranzistor MIS cu canal indus și un tranzistor cu efect de câmp cu canal integrat este că se deschide numai la o anumită valoare (pragul U) a tensiunii pozitive sau negative (în funcție de tipul de canal - n sau p ).

Un tranzistor cu un canal încorporat se deschide deja la „0”, iar cu o tensiune negativă la poartă, funcționează în modul slab(de asemenea deschis, dar trece mai puțin curent). Dacă o tensiune pozitivă „+” este aplicată la poartă, atunci aceasta va continua să se deschidă și să intre în așa-numita regim de îmbogățire- curentul de scurgere va crește. Acest exemplu descrie funcționarea unui mosfet cu canale n cu un canal încorporat.Sunt numiți și tranzistori tip epuizat. Următoarele arată reprezentarea lor condiționată în diagrame.

Pe o denumire grafică convențională, un tranzistor cu un canal indus poate fi distins de un tranzistor cu un canal integrat printr-o întrerupere a liniei verticale.

Uneori, în literatura tehnică puteți vedea imaginea MOSFET-ului cu al patrulea terminal, care este o continuare a liniei săgeții care indică tipul de canal. Deci, a patra ieșire este ieșirea substratului (substratului). O astfel de imagine a unui mosfet este folosită, de regulă, pentru a descrie un tranzistor discret (adică individual) și este folosită doar ca model vizual. În timpul procesului de fabricație, substratul este de obicei conectat la terminalul sursă.

MOSFET cu ieșire de substrat

Desemnarea MOSFET de putere

Ca rezultat al conectării sursei și substratului în structura mosfetului de câmp, a diodă încorporată. Această diodă nu afectează funcționarea dispozitivului, deoarece este inclusă în circuit în direcția opusă. În unele cazuri, o diodă încorporată, care se formează datorită tehnologiei de fabricație a unui MOSFET de mare putere, poate fi utilizată în practică.În ultimele generații de MOSFET de mare putere, o diodă încorporată este utilizată pentru a proteja elementul în sine.

Este posibil ca dioda încorporată pe simbolul unui tranzistor MOS puternic să nu fie indicată, deși, în realitate, o astfel de diodă este prezentă în orice dispozitiv de câmp puternic.

Un tranzistor cu efect de câmp este o astfel de componentă prin care, sub influența unui câmp electric longitudinal, circulă un curent datorită mișcării purtătorilor de sarcină de un tip pur.Deoarece principiul de funcționare al tranzistoarelor cu efect de câmp se bazează pe mișcarea purtătorilor de sarcină principali ai unui tip de conductivitate, astfel de componente sunt numite și unipolare.

Poarta este ieșirea unui tranzistor cu efect de câmp, căruia îi este furnizată tensiune de la dispozitivul de control. Trebuie subliniat faptul că tranzistoarele cu efect de câmp sunt controlate de tensiune și tranzistoare bipolare- actual. O sursă este un terminal care servește de obicei ca sursă de purtători de încărcare care intră în tranzistor de la un dispozitiv de alimentare. Drainul este capătul componentei prin care purtătorii de sarcină părăsesc tranzistorul. Mișcarea purtătorilor de sarcină principali de la sursă la dren are loc în regiune, care se numește canalul tranzistorului cu efect de câmp. Canalele tranzistoarelor cu efect de câmp pot fi atât de tip electronic, cât și de tip orificiu. Electronii acționează ca purtători de sarcină în tranzistoarele cu efect de câmp de tip n și găuri în dispozitivele de tip p. Tranzistoarele cu efect de câmp sunt clasificate în dispozitive cu tranziție de control și cu poartă izolată, iar acestea din urmă sunt împărțite în tranzistoare cu canal încorporat și dispozitive cu canal indus.

Principalii parametri ai tranzistoarelor cu efect de câmp includ rezistența de intrare, rezistența internă a tranzistorului, numită și ieșire, abruptul caracteristicii de drenaj, tensiunea de tăiere și multe altele. Rezistența de intrare a unui tranzistor este raportul dintre creșterea tensiunii de la poartă la sursă și creșterea curentului de poartă. Rezistența internă a unui tranzistor este raportul dintre creșterea tensiunii de scurgere la sursă și creșterea curentului de scurgere pentru o anumită tensiune de la poartă la sursă. Panta caracteristicii porții de scurgere este raportul dintre creșterea curentului de scurgere și creșterea tensiunii de la poartă la sursă la o tensiune fixă ​​de la dren la sursă.

5.2. FET-uri cu joncțiune de control

5.2.1. Proiectarea tranzistoarelor cu efect de câmp cu o joncțiune de control

Primul FET cu o joncțiune de control a fost calculat teoretic de William Shockley în 1952. Una dintre varietățile de astfel de tranzistoare - unitronul - este o placă semiconductoare de orificiu sau tipuri electronice de conducție. La capete sunt aplicate pelicule conductoare la care sunt conectate cablurile de scurgere și sursă, iar fețele largi sunt dopate pentru a obține tipul opus de conductivitate față de conductivitatea plăcii și cablul de poartă este conectat la aceste fețe. Un alt tip de tranzistoare cu efect de câmp cu o joncțiune de control - un tecnetron - poate fi format, de exemplu, dintr-o tijă de germaniu, la capetele căreia sunt conectate cablurile de sursă și de scurgere, iar un obturator inelar este realizat în jurul tijei prin introducerea indiului.

Un design simplificat al unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune de control și un canal de tip p este prezentat în fig. 5.1.

Figura arată că canalul are loc între două joncțiuni p-n. Proiectarea componentelor cu un canal n nu este diferită de proiectarea FET-urilor cu un canal p, așa cum se poate vedea în Fig. 5.2.

Dar la tranzistoarele cu efect de câmp cu un canal de tip n, semiconductorul în care apare canalul are un tip de conductivitate electronică, iar regiunile de poartă au conductivitate în găuri. FET-urile cu un canal n pot avea proprietăți de frecvență și temperatură mai bune și pot genera mai puțin zgomot decât dispozitivele cu canal p.

5.2.2. Principiul de funcționare al tranzistoarelor cu efect de câmp cu o tranziție de control

Principiul de funcționare al tranzistoarelor cu efect de câmp cu o joncțiune de control este schimbarea ariei secțiunii transversale a canalului sub influența câmpului care apare atunci când se aplică tensiune între poartă și sursă. O structură simplificată a unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune de control și un canal de tip p este prezentată în fig. 5.3.

Până când se aplică o tensiune de control între poartă și sursă, sub influența câmpului intern al joncțiunilor electron-gaură, acestea sunt blocate, secțiunea transversală a canalului este cea mai mare, rezistența sa este scăzută și curentul de drenaj al tranzistorului este maxim. . Tensiunea de la poartă la sursă la care curentul de scurgere este cel mai mare se numește tensiune de saturație.

Dacă se aplică o tensiune mică între poartă și sursă, se închide puțin mai mult joncțiuni p-n, atunci zonele la care este conectată poarta vor fi epuizate de purtători de încărcare, dimensiunile acestor zone de încărcare volumetrice vor crește, blocând parțial secțiunea transversală a canalului, rezistența canalului va crește, iar curentul de scurgere va scădea. Regiunile epuizate de purtători de taxe aproape că nu conduc electricitate, iar aceste regiuni sunt neuniforme pe lungimea plachetei semiconductoare. Deci, la capătul plăcii, la care este conectat terminalul de scurgere, zonele epuizate în purtătorii de sarcină se vor suprapune cel mai semnificativ pe canal, iar la capătul opus, la care este conectat terminalul sursă, scăderea traversei canalului. -aria secțională va fi cea mai mică.

Dacă se aplică o tensiune și mai mare între poartă și sursă, atunci regiunile epuizate de purtători de sarcină vor deveni atât de mari încât secțiunea transversală a canalului poate fi complet blocată de acestea. În acest caz, rezistența canalului va fi cea mai mare, iar curentul de scurgere va fi practic absent. Tensiunea poartă-sursă corespunzătoare acestui caz se numește tensiune de tăiere.

Cele mai importante caracteristici ale tranzistoarelor cu efect de câmp includ caracteristica de drenaj și familia de caracteristici de drenaj. Caracteristica poarta de scurgere reflectă dependența curentului de scurgere de tensiunea aplicată la bornele poartă-sursă la o tensiune fixă ​​de dren-sursă. Acest lucru este prezentat în fig. 5.4 pentru tranzistoare cu efect de câmp cu o tranziție de control și canale de conductivitate de tip p și de tip n.

Familia de caracteristici de drenaj reprezintă dependența curenților de drenaj de tensiunile dren-sursă la tensiuni de poartă-sursă stabile fixe, care este prezentată în fig. 5.5.

La atingerea unei anumite tensiuni semnificative de dren-sursă, se dezvoltă o defalcare avalanșă a regiunii dintre poartă și dren. În acest caz, există o creștere bruscă a curentului de scurgere, care poate fi observată pe caracteristica de scurgere.

Funcționarea tranzistoarelor cu efect de câmp cu o tranziție de control este posibilă doar prin epuizarea canalului cu purtători de încărcare. Datorită faptului că tensiunea semnalului este aplicată tranziției închise, impedanța de intrare a cascadei este mare și pentru dispozitivele discutate mai sus poate ajunge la 109 ohmi.

5.3. Tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată

Tranzistorul cu efect de câmp cu poartă izolată este denumit astfel deoarece poarta sa, realizată dintr-un strat subțire de metal, este depusă pe un strat dielectric care separă poarta de canal. Din acest motiv, tranzistoarele cu efect de câmp cu poartă izolată sunt abreviate ca MIS (metal-dielectric-semiconductor). Stratul dielectric este adesea format din dioxid de siliciu. Astfel de tranzistoare cu efect de câmp sunt abreviate MOS (metal - oxid - semiconductor). FET-urile cu poartă izolată au o rezistență de intrare mai mare, de până la 1015 ohmi, decât FET-urile cu joncțiune de control.

5.3.1. Tranzistoare cu efect de câmp cu canal încorporat

Structura unui tranzistor cu efect de câmp cu un canal de tip n încorporat este prezentată în fig. 5.6.

Să aplicăm o tensiune constantă între bornele dren-sursei de la sursa de alimentare. Atâta timp cât nu există tensiune de poartă-sursă, canalul are o oarecare rezistență, purtătorii principali de sarcină se deplasează de-a lungul acestuia și, prin urmare, curge un curent de scurgere a tranzistorului. Dacă o sursă de alimentare este conectată la bornele poartă-sursă ale unui tranzistor cu canale n, astfel încât pe poartă să se aplice o tensiune pozitivă, atunci purtătorii de sarcină minori prezenți în substrat vor fi atrași în canal de câmpul electric. Concentrația purtătorilor de sarcină în canal va crește, rezistența acestuia va scădea, ceea ce înseamnă că curentul de scurgere va crește. Dacă conectați o sursă de alimentare cu polaritate inversă, astfel încât pe poartă să se aplice o tensiune negativă în raport cu sursa, atunci electronii prezenți în canal vor fi forțați să iasă în substrat sub acțiunea câmpului. În acest caz, concentrația purtătorilor de sarcină în canal va deveni mai mică, rezistența canalului va crește, iar curentul de scurgere va deveni mai mic. Dacă tensiunea de blocare a sursei de poartă este atât de mare încât aproape toți purtătorii de sarcină sunt împinși în substrat, atunci curentul de scurgere va fi aproape absent. Caracteristicile porții ale tranzistoarelor cu efect de câmp cu conductivități de tip n și tip p sunt prezentate în fig. 5.7.

Concluzionăm că tranzistoarele cu efect de câmp cu un canal încorporat funcționează atât în ​​modul de epuizare, cât și în modul de îmbogățire a canalului.

5.3.2. Tranzistoare cu efect de câmp cu canal indus

Structura unui tranzistor cu efect de câmp de tip n cu canal indus este prezentată în fig. 5.8.

Când tensiunea de la poartă la sursă a tranzistorului cu efect de câmp prezentat în figură este absentă sau o tensiune de polaritate negativă este aplicată pe poartă, canalul nu apare și curentul de dren al tranzistorului nu curge. Când o tensiune de polaritate pozitivă în raport cu sursa este aplicată la poarta tranzistorului, va apărea un câmp electric, atrăgând electroni în regiunea de sub poartă, care se aflau în substrat ca purtători minori de sarcină. Și găurile din canal vor fi împinse deoparte de câmp în substrat cu conductivitate de tip p. Concentrația de electroni în secțiunea locală a semiconductorului de sub poarta dintre dren și sursă crește în raport cu concentrația de găuri, adică există o schimbare a tipului de conducție și apare un canal sau, după cum se spune , este indusă. Ca rezultat, purtătorii de sarcină se deplasează de-a lungul canalului, iar curentul de scurgere curge. Caracteristicile porții ale tranzistoarelor cu efect de câmp cu un canal de conducere de tip p și tip n indus sunt date în fig. 5.9.

Să concluzionăm că tranzistoarele cu efect de câmp cu un canal indus funcționează pur în modul de îmbogățire a canalului cu purtători de sarcină.

5.4. Moduri de operare ale tranzistoarelor cu efect de câmp

5.4.1. Mod dinamic tranzistor

Un mod dinamic de operare este un mod în care o sarcină este conectată la un tranzistor care amplifică semnalul de intrare. O astfel de sarcină poate fi un rezistor Rc conectat în serie cu drenul unui tranzistor cu efect de câmp conectat conform unui circuit cu sursă comună, așa cum se arată în Fig. 5.10.

Tensiunea constantă de alimentare a cascadei Up este suma căderilor de tensiune la bornele dren-sursă ale tranzistorului și pe rezistența Rc, adică Up = URc + Usi.r. În același timp, conform legii lui Ohm, căderea de tensiune pe rezistorul de sarcină Rc este egală cu produsul dintre curentul Ic.r care circulă prin acesta și rezistența acestuia: URc = Ic.r. Rc. Conform celor spuse, tensiunea de alimentare a cascadei este: Up \u003d Usi.r + Ic.r. Rc. Ultima expresie poate fi rescrisă în raport cu tensiunea dren-sursă a tranzistorului, iar în acest caz obținem o formulă liniară pentru circuitul de ieșire Usi.r = Up - Ic.r. Rc, care se numește ecuația modului dinamic.

Pe caracteristicile statice de ieșire ale tranzistorului, pentru a ne face o idee despre modurile de funcționare ale cascadei, se construiește o caracteristică dinamică care are forma unei linii. Luați în considerare Figura 5.11, care arată un astfel de răspuns dinamic al etajului amplificatorului.

Pentru a desena această linie, numită și linia de sarcină, trebuie să cunoașteți două coordonate ale punctelor corespunzătoare tensiunii de alimentare în cascadă și curentului de scurgere în modul de saturație. Această linie de sarcină intersectează o familie de caracteristici statice de ieșire, iar punctul de intersecție, numit linie de lucru, corespunde unei anumite tensiuni poartă-sursă. Cunoscând poziția punctului de funcționare, este posibil să se calculeze niște curenți și tensiuni necunoscute anterior într-un anumit dispozitiv.

5.4.2. Modul cheie tranzistor

Cheia se numește un astfel de mod de funcționare al tranzistorului, în care poate fi fie complet deschis, fie complet închis, iar starea intermediară în care componenta este parțial deschisă este în mod ideal absentă. Puterea disipată în tranzistor în modul static este egală cu produsul dintre curentul care curge prin bornele dren-sursă și tensiunea aplicată între aceste terminale.

În cazul ideal, când tranzistorul este deschis, i.e. în modul de saturație, rezistența sa între bornele dren-sursă tinde spre zero. Pierderea de putere în stare deschisă este produsul dintre o tensiune egală cu zero și o anumită cantitate de curent. Astfel, puterea disipată este zero.

În mod ideal, atunci când tranzistorul este închis, de ex. în modul cutoff, rezistența sa între bornele dren-sursă tinde spre infinit. Pierderea de putere în stare închisă este produsul dintre o anumită valoare a tensiunii și valoarea curentului egală cu zero. Prin urmare, pierderea de putere este zero.

Se pare că în modul cheie, în cazul ideal, pierderea de putere a tranzistorului este zero. În practică, desigur, când tranzistorul este pornit, există o ușoară rezistență de scurgere la sursă. Când tranzistorul este închis, o cantitate mică de curent trece prin bornele sursei de scurgere. Astfel, pierderea de putere în tranzistor în modul static este mică. Cu toate acestea, în modul dinamic, când tranzistorul se deschide sau se închide, punctul său de funcționare forțează o regiune liniară în care curentul prin tranzistor poate fi în mod convențional la jumătate. curent maxim drenaj, iar tensiunea dren-sursă poate atinge jumătate din valoarea maximă. Astfel, în modul dinamic, se eliberează o pierdere uriașă de putere în tranzistor, ceea ce ar anula toate calitățile minunate ale modului cheie, dar, din fericire, durata tranzistorului în modul dinamic este mult mai mică decât durata șederii. în modul static. Ca urmare a acestui fapt, eficiența unei cascade de tranzistori reale care funcționează în modul cheie poate fi foarte mare și poate ajunge la 93% - 98%.

Tranzistoarele care funcționează în modul cheie sunt utilizate pe scară largă în convertoare de putere, surse de alimentare în comutare, în etapele de ieșire ale unor transmițătoare etc.

Moskatov E. A. Cartea „Tehnologia electronică. Start"

http://moskatov.narod.ru/Books/The_electronic_technics/MOSFET.html