Tranzistori sa efektom polja: princip rada, kola, načini rada i modeliranje. FET oznaka

Za razliku od tranzistora s efektom polja s p-n spojem, kod kojih kapija ima direktan električni kontakt sa obližnjim područjem vodljivog kanala, kod MIS tranzistorima kapija je izolirana od ovog područja dielektričnim slojem.

Iz tog razloga, MOS tranzistori su klasifikovani kao tranzistori sa efektom polja sa izolovanim gejtom.

MIS tranzistori (struktura metal-dielektrik-poluprovodnik) su napravljeni od silicijuma. Silicijum oksid SiO2 se koristi kao dielektrik. Dakle, drugi naziv za ove tranzistori je MOS tranzistori (struktura metal-oksid-poluprovodnik). Prisutnost dielektrika osigurava visoku ulaznu otpornost razmatranih tranzistora (1012-1014 oma).

Rice. 5.6. Simboli MIS tranzistora sa ugrađenim kanalom n-tipa (a), p-tipa (b) i izlazom iz supstrata (c); sa induciranim kanalom n-tipa (d), p-tipa (d) i izlazom iz podloge (e)

Princip rada MIS tranzistora zasniva se na efektu promjene provodljivosti pripovršinskog sloja poluvodiča na granici s dielektrikom pod utjecajem poprečnog električnog polja. Površinski sloj poluvodiča je vodljivi kanal ovih tranzistora. MIS tranzistori su dva tipa - sa ugrađenim i sa indukovanim kanalom.

MIS tranzistori su općenito uređaji sa četiri elektrode. Četvrta elektroda (supstrat), koja obavlja pomoćnu funkciju, je izlaz iz podloge originalne poluvodičke pločice. MIS-trahiistori mogu biti sa kanalom p- ili p-tipa. Simboli MIS tranzistora su prikazani na sl. 5.6 a-e.

Razmotrite karakteristike MIS tranzistora sa ugrađenim kanalom. Dizajn takvog tranzistora sa kanalom n-tipa prikazan je na Sl. 5.7, a. U originalnoj silicijumskoj pločici p-tipa, regioni izvora, drena i p-kanala su kreirani korišćenjem tehnologije difuzije. Sloj SiO2 oksida obavlja funkciju zaštite površine u blizini izvora i odvoda, kao i izolacije kapije od kanala. Izlaz supstrata (ako postoji) ponekad je povezan sa izvorom.

Osnovne (izlazne) karakteristike tranzistora sa efektom polja sa ugrađenim kanalom n-tipa za slučaj povezivanja supstrata na izvor prikazane su na sl. 5.7b. Po izgledu, ove karakteristike su bliske karakteristikama tranzistora sa efektom polja sa p-n spojem. Razmotrimo karakteristiku pri Uzi = 0, koja odgovara povezanosti kapije sa izvorom. Vanjski napon se primjenjuje na dio izvora - odvod s pozitivnim polom na drenažu. Pošto je Uzi = 0, kroz uređaj teče struja, određena početnom provodljivošću kanala. U početnom preseku 0-a, kada je pad napona u kanalu mali, zavisnost Ic(Uci) je blizu linearne. Kako se približava tački b, pad napona u kanalu dovodi do sve značajnijeg efekta njegovog suženja (isprekidana linija na slici 5.7, a) na provodljivost kanala, što smanjuje strminu porasta struje u dijelu a-b. Nakon tačke b, provodni kanal se sužava na minimum, što uzrokuje ograničenje povećanja struje i pojavu ravnog preseka II na karakteristici.

Rice. 5.7. Dizajn MIS tranzistora sa ugrađenim kanalom n-tipa (a); karakteristika odvodnog zatvarača (b); karakteristika odvodnog zatvarača (c)

Pokažimo uticaj napona gejt-izvor na tok karakteristika drena.

U slučaju napona primijenjenog na gejt (Usi) Kada se na gejtu primjenjuje napon Uzi > 0, polje gejta privlači elektrone u kanal iz p-sloja poluvodičke pločice. Kanal raste, što odgovara načinu obogaćivanja kanala nosiocima.Karakteristike zaliha pri Ubr > 0 nalaze se iznad originalne krive (Ubr = 0).

Za tranzistor postoji ograničenje za povećanje napona Usz zbog kvara sekcije drenažne kapije pored drena. Po karakteristikama oticanja, slom odgovara postizanju određene vrijednosti Us.pr. U slučaju U i 0 (način obogaćivanja).

Dizajn MIS tranzistora sa induciranim kanalom n-tipa prikazan je na sl. 5.8, str. Kanal za provođenje struje ovdje nije posebno stvoren, već se formira (inducira) zbog priliva elektrona iz poluvodičke pločice u slučaju primjene napona pozitivnog polariteta u odnosu na izvor na kapiju. Usljed dotoka elektrona u pripovršinski sloj dolazi do promjene električne provodljivosti poluprovodnika, tj. indukuje se provodni kanal n-tipa koji povezuje regione odvoda i izvora. Provodljivost kanala raste sa povećanjem napona pozitivnog polariteta primijenjenog na gejt. Dakle, inducirani kanalni tranzistor radi samo u načinu obogaćivanja.

Osnovne (izlazne) karakteristike tranzistora sa efektom polja sa indukovanim kanalom n-tipa prikazane su na sl. 5.8b. Po izgledu su slični analognim karakteristikama tranzistora sa ugrađenim kanalom i imaju isti karakter zavisnosti Is = F(Us). Razlika je u činjenici da se strujna kontrola tranzistora vrši naponom jednog polariteta, koji se podudara s polaritetom napona Us. Struja Ic je nula pri Uzi = 0, dok je kod tranzistora sa ugrađenim kanalom za to potrebno promijeniti polaritet napona na gejtu u odnosu na izvor. Pogled na drain-gate karakteristike tranzistora sa indukovanim kanalom prikazan je na sl. 5.8, c.

MIS tranzistori oba tipa se proizvode za isti opseg struja i napona kao tranzistori sa pn spojem. Strmina S i unutrašnji otpor ri imaju približno isti red veličine. Što se tiče ulaznog otpora i međuelektrodnih kapacitivnosti, MOS tranzistori imaju bolje performanse od tranzistori sa p-n spojem. Kao što je naznačeno, njihova ulazna impedancija je 1012-1014 oma. Vrijednost međuelektrodnih kapacitivnosti ne prelazi: za Czi, Csi - 10 pF, za C3s - 2 pF. Ekvivalentno kolo za MOS tranzistore slično je ekvivalentnom kolu za tranzistore sa efektom polja sa p-n spojem (vidi sliku 5.5).

MOS tranzistori se široko koriste u integriranom dizajnu. Mikrokrugovi zasnovani na MIS tranzistorima imaju dobru proizvodnost, nisku cenu i mogućnost rada na višem naponu napajanja od mikro kola baziranih na bipolarnim tranzistorima.

Razmotrite princip rada MIS tranzistora s induciranim kanalom n-tip.

Uz postepeno povećanje pozitivnog u odnosu na napon izvora
i
na kapiji se formira pozitivan naboj, a u pripovršinskom sloju poluprovodnika prvo se formira sloj osiromašen glavnim nosiocima supstrata (u ovom slučaju rupama).

Uz dalji rast
slobodnih elektrona str-poluprovodničke podloge (intrinzične, ne ekstrinzične) kreću se u područje blizu površine ispod kapije i formiraju inducirani (inducirani poljem) inverzni (sa inverznim u odnosu na str- provodljivost poluprovodnika supstrata) sloj, koji je kanal n-tip između izvora i odvoda (slika 10.18).

voltaža
, na kojoj se kanal pojavljuje, naziva se prag
. Kanal je odvojen od supstrata negativnim akceptorskim jonima; sloj osiromašen nosiocima. At
površinski sloj je obogaćen elektronima i otpor kanala se smanjuje. Ovaj način rada MIS tranzistora naziva se način obogaćivanja. U MIS tranzistorima s induciranim kanalom postoji samo način obogaćivanja.

Ako a
i napetost
, zatim kada struja odvoda teče kroz kanal ekvipotencijalna slika polja prikazanog na sl. 10.18 je prekršen. Površinski potencijal pod dejstvom struje drena raste od izvora do drena, a razlika potencijala između kapije i površine se smanjuje, što u konačnici sužava kanal. Sa povećanjem napona
odvodna struja takođe raste uz postepeno usporavanje stope rasta. Kada padne napon na volumnom otporu kanala od struje odvoda kompenzirati prenapon
iznad praga, napon između drena i kapije će postati jednak
a na drenažu će se iscrpljeni sloj zatvoriti na površinu poluprovodnika, sprečavajući dalje povećanje struje drenaže (Sl. 10.19).

To se zove zasićenje odvodne struje. voltaža
, pri čemu se struja odvoda zasićuje , naziva se napon zasićenja
.

Uz dalje povećanje napona
više od
odvodna struja neznatno se povećava samo zbog smanjenja dužine kanala i, posljedično, smanjenja otpora kanala (slika 10.20).

Fenomen prijenosa nosača naboja (u ovom slučaju elektrona) iz kanala kroz područje iscrpljivanja do drena je sličan prijenosu naboja sa baze na kolektor bipolarnog tranzistora putem obrnutog prednapona. pn-prelaz pod dejstvom svog polja. Sva povećanja napona
više od
primijenjen prvenstveno na područje iscrpljivanja visokog otpora na drenažu, uzrokujući da struja odvoda skoro da se ne povećava.

voltaža
bitno zavisi od napona na podlozi, budući da se sa njenim rastom povećava površina osiromašena naelektrisanjem. Obično u MIS strukturama sa n Najnegativniji potencijal kola se dovodi do supstrata kroz kanal tako da je prijelaz izvor-supstrat uvijek zatvoren. Uticaj istosmjernog napona između izvora i podloge može se uzeti u obzir uključivanjem sa određenim koeficijentom u izraz za
.

Na sl. 10.17 – 10.20 povučene su jasne granice između područja naelektrisanja MIS strukture. U stvarnosti, promjena koncentracija naboja je glatka i nema oštro izraženih granica između područja naboja.

Pri visokim naponima odvoda
može doći do kvara MOS tranzistora, a mogu postojati dvije vrste kvara: kvar pn-prijelaz ispod drena i proboj dielektrika ispod kapije. Slom pn-tranzicija obično ima lavinski karakter, pošto se MIS tranzistori najčešće prave na bazi silicijuma. Istovremeno, probojni napon
može biti pod utjecajem napona gejta: budući da se potencijali istog polariteta primjenjuju na odvod i kapiju MIS tranzistora s induciranim kanalom, onda s povećanjem napona gejta,
. Dielektrični proboj ispod kapije može se dogoditi pri naponu gejta od samo nekoliko desetina volti, budući da je debljina sloja silicijum dioksida oko 0,1 mikrona. Slom je obično termičke prirode. Ova vrsta kvara može nastati kao rezultat akumulacije statičkih naboja, budući da je ulazni otpor MOS tranzistora visok. Kako bi se eliminirala mogućnost ovog tipa kvara, ulaz MIS tranzistora je često zaštićen zener diodom koja ograničava napon gejta.

Porodica statičkih karakteristika
at
MOS tranzistor sa indukovanim kanalom, izgrađen u skladu sa gore navedenim, prikazan je na Sl. 10.21.

dio sa oštrom promjenom struje i dio u kojem je promjena struje mala.

Parametar familije izlaznih karakteristika bipolarnog tranzistora je bazna struja - uređaj se kontrolira strujom; za MIS tranzistor sa indukovanim kanalom, parametar familije izlaznih karakteristika je napon gejta
- uređaj se upravlja naponom. Sa povećanjem napona
otpor kanala se smanjuje, a struja odvoda povećava se - karakteristika raste. Izlazne I–V karakteristike MOS tranzistora izlaze iz početka, dok izlazne I–V karakteristike bipolarnog tranzistora mogu biti pomjerene duž naponske ose.

Na porodičnoj karti
at
MOS - tranzistor sa indukovanim kanalom (slika 10.21), mogu se razlikovati tri glavna radna područja:

1 – područje prekida izlazne struje: tranzistor je zatvoren (
), a u odvodnom kolu teče mala struja zbog curenja i obrnute struje odvodnog spoja (10 -6 A)4

2 - aktivno područje (kosi dio izlaznih I–V karakteristika, za koji
i
) je područje gdje izlazna struja ostaje praktično nepromijenjen kao
;

3 - područje otvorenog stanja (strmi dio izlazne I-V karakteristike): struja u ovoj oblasti rada je dat eksternim krugom.

Dakle, u području 1 radna tačka se nalazi ako je MIS tranzistor zaključan, u području 3 - ako je otvoren; ove oblasti odgovaraju statičkim stanjima MIS tranzistora u ključnom režimu rada. Aktivno područje (regija 2) za ključni mod MOS tranzistora je područje dinamičkog stanja: u ovom području, radna tačka se nalazi kratko vrijeme tokom procesa tranzicije iz jednog statičkog stanja u drugo (iz zatvorenog u otvoreno i obrnuto).

U aktivnom području, radna tačka se nalazi kada MIS tranzistor radi u pojačavajućem modu, kada se održava linearni odnos između ulaznog i izlaznog signala.

U području 4, dovoljno velika naprezanja
javljaju se fenomeni prije kvara, a zatim kvar, praćen naglim povećanjem struje . Područje proboja određuje izbor maksimalno dozvoljenih napona.

Priroda statičkih karakteristika prijenosa
at
jasno je iz principa rada MIS tranzistora sa indukovanim kanalom. Karakteristike za različite napone
izlaz iz tačke na x-osi koja odgovara
.(Sl. 10.22).

Zanimljiva i važna sa stanovišta upotrebe MIS tranzistora je promjena temperature u statičkim karakteristikama prijenosa. Ove promjene su uzrokovane različitim fizičkim procesima, koji dovode do toga da se s povećanjem temperature povećava granični napon
smanjuje se.

biti i negativan i pozitivan, kao i nula u određenoj radnoj tački statičkih karakteristika.

Obično se efekat temperaturne kompenzacije postiže pri naponima gejta nešto višim od
. Osim toga, mora se uzeti u obzir i strmina karakteristike prijenosa, koje određuju svojstva pojačanja MOS tranzistora, mijenjaju se s temperaturom čak i pri konstantnoj konstantnoj struji odvoda.

Razmotrite princip rada MIS tranzistora s integriranim kanalom n-tip (sl. 10.24).

Modulacija otpora provodnog kanala može nastati kada se promijeni napon gejta, kako pozitivnog tako i negativnog polariteta. Na naponima
i
kroz kanal n-tip strujnih tokova. Ako a
, tada je kapija negativno nabijena, a u pripovršinskom sloju koji se nalazi ispod njega, zbog bijega slobodnih elektrona iz njega, pojavljuje se pozitivan naboj jona. Sloj osiromašen glavnim nosiocima povećava otpor kanala. Po dolasku
sloj deplecije blokira kanal i struja ne teče kroz njega. Postoji režim isključenja. At
kanal postaje obogaćen nosiocima naboja (u ovom slučaju elektronima), njegov otpor se smanjuje, što dovodi do povećanja struje odvoda.

Dakle, MIS tranzistor sa ugrađenim kanalom može raditi i u načinu obogaćivanja i u režimu iscrpljivanja kanala s nosiocima naboja.

Familija izlaznih statičkih karakteristika i statičkih prijenosnih karakteristika MIS tranzistora s integriranim kanalom n-tip su prikazani na sl. 10.25.

izlazne statičke karakteristike	prenosna karakteristika

Koliko često ste čuli to ime MOS, MOSFET, MOS, FET, MOSFET, IGBT? Da, da... ovo su sve sinonimi i odnose se na isti radio element.

Puno ime takvog radio elementa na engleskom zvuči kao M etal O sakriti S poluprovodnik F polje E efekat T ranzistora (MOSFET), što bukvalno zvuči kao tranzistor uticaja polja metal-oksidnog poluprovodnika. Ako se pretvori u naš moćni ruski jezik, ispada kao FET sa strukturom Metal Oxide Semiconductor ili jednostavno MOSFET;-). Zašto se još naziva i MOSFET MIS tranzistor i ? Sa čime je to povezano? O ovim i drugim stvarima saznat ćete u našem članku. Ne prelazite na drugu karticu! ;-)

Vrste MOSFET-ova

U porodici MOS tranzistora postoje uglavnom 4 tipa:

1) N-kanal sa indukovanim kanalom

2) P-kanal sa indukovanim kanalom

3) N-kanalni sa ugrađenim kanalom

4) P-kanal sa ugrađenim kanalom

Kao što ste možda primijetili, razlika je samo u oznaci samog kanala. Kod indukovanog kanala, on je označen isprekidanom linijom, a kod ugrađenog kanala označen je punom linijom.

U modernom svijetu MOSFET-i s integriranim kanalom se sve manje koriste, pa ih u našim člancima nećemo doticati, već ćemo razmotriti samo N i P - kanalne tranzistori s induciranim kanalom.

Odakle naziv "MOP"?

Započnimo našu seriju članaka o MOSFET-ovima s najčešćim N-kanalnim MOSFET-om s induciranim kanalom. Idi!

Ako uzmete tanak, tanak nož i prerežete MOSFET po dužini, možete vidjeti ovu sliku:

Kada se posmatra iz ugla hrane na vašem stolu, MOSFET je više kao sendvič. Poluprovodnik tipa P je debeli komad kruha, dielektrik je tanak komad kobasice, a na vrh stavljamo još jedan sloj metala - tanku krišku sira. I dobijamo ovaj sendvič:

A kakva će biti struktura tranzistora od vrha do dna? Sir je metal, kobasica je izolator, hljeb je poluprovodnik. Dakle, dobijamo metal-dielektrik-poluprovodnik. A ako uzmete prva slova svakog imena, onda dobijete TIR - M metal- D električni P poluprovodnik, zar ne? Dakle, takav tranzistor se prvim slovima može nazvati MIS tranzistorom ;-). A kako se kao dielektrik koristi vrlo tanak sloj silicijum oksida (SiO 2), možemo reći da je gotovo staklo, onda su umjesto naziva "dielektrik" uzeli naziv "oksid, oksid", i ispostavilo se M metal- O kissel- P Poluprovodnik, skraćeno MOS. E, sad je sve došlo na svoje mjesto ;-)

Struktura MOSFET-a

Pogledajmo još jednom strukturu našeg MOSFET-a:

Imamo "ciglu" poluprovodničkog materijala P-provodljivost. Kao što se sjećate, glavni nosioci u poluvodiču P-tipa su rupe, tako da je njihova koncentracija u ovom materijalu mnogo veća od koncentracije elektrona. Ali postoje i elektroni u P-poluprovodniku. Kao što se sjećate, elektroni u P-poluprovodniku jesu manji nosioci a njihova koncentracija je vrlo mala u poređenju sa rupama. Zove se "cigla" P-poluprovodnika Podloge. On je osnova MOSFET-a, jer se na njemu stvaraju drugi slojevi. Iz podloge dolazi izlaz sa istim imenom.

Ostali slojevi su materijal tipa N+, dielektrik, metal. Zašto N+, a ne samo N? Činjenica je da je ovaj materijal jako dopiran, odnosno da je koncentracija elektrona u ovom poluvodiču vrlo visoka. Od poluvodiča tipa N +, koji se nalaze na rubovima, polaze dva zaključka: Source i Drain.

Između izvora i odvoda, kroz dielektrik se nalazi metalna ploča iz koje dolazi izlaz i naziva se kapija. Ne postoji električna veza između kapije i ostalih pinova. Gejt je generalno izolovan od svih terminala tranzistora, zbog čega se naziva i MOSFET izolovani tranzistor kapije.

MOSFET supstrat

Dakle, gledajući gornju sliku, vidimo da MOSFET u kolu ima 4 pina (izvor, odvod, kapija, supstrat), ali u stvarnosti samo 3. U čemu je kvaka? Stvar je u tome što je supstrat obično povezan sa Izvorom. Ponekad se to već radi u samom tranzistoru u fazi projektovanja. Kao rezultat činjenice da je izvor spojen na podlogu, imamo diodu između drena i izvora, koja ponekad nije ni naznačena na dijagramima, ali je uvijek prisutna:

Stoga je potrebno promatrati pinout prilikom povezivanja MOSFET-a na kolo.

Kako MOSFET radi

Ovdje je sve isto kao u . Izvor je terminal gdje većina nositelja naboja počinje svoje putovanje, Drain je terminal gdje teku, a Gate je terminal pomoću kojeg kontroliramo protok većinskih nositelja.

Neka Shutter još nije nigdje spojen. Da bismo organizirali kretanje elektrona kroz Source-Drain, potreban nam je izvor napajanja Bata:

Ako uzmemo u obzir naš tranzistor s gledišta i diode zasnovane na njima, onda možemo nacrtati ekvivalentno kolo za naš crtež. To će izgledati ovako:

gdje

I-izvor, P-supstrat, S-drejn.

Kao što vidite, dioda VD2 je uključena u suprotnom smjeru, tako da električna struja neće teći nigdje.

Dakle, u ovoj šemi

nije planirano kretanje električne struje.

ALI…

Indukcija kanala u MOSFET-u

Ako primenite određeni napon na zatvarač, magične transformacije počinju u podlozi. Počinje u njoj indukovanog kanala.

Indukcija, indukcija - doslovno znači "indukcija", "utjecaj". Pod ovim pojmom podrazumijeva se pobuda u objektu nekog svojstva ili aktivnosti u prisustvu uzbudljivog subjekta (induktora), ali bez direktnog kontakta (na primjer, kroz električno polje). Poslednji izraz za nas ima dublje značenje: „kroz električno polje“.

Hajde sada da naučimo šta su tranzistori sa efektom polja. Tranzistori sa efektom polja su vrlo česti i u starim i u modernim strujnim krugovima. Sada se u većoj mjeri koriste uređaji s izoliranim vratima, a danas ćemo govoriti o vrstama tranzistora s efektom polja i njihovim karakteristikama. U članku ću napraviti poređenja sa bipolarnim tranzistorima, na odvojenim mjestima.

Definicija

Tranzistor sa efektom polja je poluvodički potpuno upravljiv prekidač kojim se upravlja električnim poljem. Ovo je glavna razlika u praksi od bipolarnih tranzistora, koji se kontroliraju strujom. Električno polje stvara napon koji se primjenjuje na kapiju u odnosu na izvor. Polaritet kontrolnog napona ovisi o vrsti tranzistorskog kanala. Ovdje postoji dobra analogija s elektronskim vakuumskim cijevima.

Drugi naziv za tranzistore sa efektom polja je unipolarni. "UNO" znači jedan. U tranzistorima s efektom polja, ovisno o vrsti kanala, struju provodi samo jedna vrsta nosača, rupa ili elektrona. U bipolarnim tranzistorima struja se formirala od dvije vrste nosača naboja - elektrona i rupa, bez obzira na vrstu uređaja. Tranzistori sa efektom polja općenito se mogu podijeliti na:

tranzistori sa kontrolnim p-n spojem;

tranzistori sa izolovanim vratima.

Oba mogu biti n-kanalni i p-kanalni, pozitivni kontrolni napon mora se primijeniti na kapiju prvog da bi se otvorio ključ, a za drugi - negativan u odnosu na izvor.

Svi tipovi tranzistora sa efektom polja imaju tri izlaza (ponekad 4, ali rijetko, sretao sam se samo na sovjetskim i bio je spojen na kućište).

1. Izvor (izvor nosioca naboja, analog emitera na bipolarnom).

2. Odvod (prijemnik nosioca naboja iz izvora, analog kolektora bipolarnog tranzistora).

3. Gate (kontrolna elektroda, analog mreže na lampama i baze na bipolarnim tranzistorima).

Tranzistor sa kontrolnim pn spojem

Tranzistor se sastoji od sljedećih područja:

4. Zatvarač.

Na slici vidite shematsku strukturu takvog tranzistora, vodovi su spojeni na metalizirane dijelove kapije, izvora i odvoda. U određenom kolu (ovo je uređaj s p-kanalom), kapija je n-sloj, ima manju otpornost od regije kanala (p-sloj), a područje p-n spoja se nalazi više u p-području za ovo razlog.

a - tranzistor sa efektom polja n-tipa, b - tranzistor sa efektom polja p-tipa

Da biste lakše zapamtili, zapamtite oznaku diode, gdje strelica pokazuje od p-područja prema n-području. Ovdje također.

Prvo stanje je primjena vanjskog napona.

Ako se na takav tranzistor stavi napon, plus na odvod i minus na izvor, kroz njega će teći velika struja, ograničena samo otporom kanala, vanjskim otporima i unutarnjim otporom izvora napajanja. Analogija se može povući sa normalno zatvorenim ključem. Ova struja se naziva Isnach ili početna struja odvoda pri Uzi=0.

Tranzistor sa efektom polja sa kontrolnim p-n spojem, bez upravljačkog napona primijenjenog na kapiju, je što je moguće više otvoren.

Napon na odvod i izvor se primjenjuje na ovaj način:

Glavni nosioci naboja se uvode preko izvora!

To znači da ako je tranzistor p-kanalni, tada je pozitivni terminal izvora napajanja spojen na izvor, jer. glavni nosioci su rupe (nosioci pozitivnog naboja) - to je takozvana provodljivost rupa. Ako je n-kanalni tranzistor spojen na izvor, negativni terminal izvora napajanja, jer u njemu su glavni nosioci naboja elektroni (nosioci negativnog naboja).

Izvor je izvor glavnih nosilaca naboja.

Evo rezultata simulacije takve situacije. Na lijevoj strani je p-kanal, a na desnoj n-kanalni tranzistor.

Drugo stanje - dovedite napon na kapiju

Kada se na kapiju primijeni pozitivan napon u odnosu na izvor (Uzi) za p-kanal i negativan za n-kanal, on se pomakne u suprotnom smjeru, područje p-n-spoja se širi prema kanalu . Kao rezultat, širina kanala se smanjuje, struja se smanjuje. Napon kapije pri kojem struja ne teče kroz prekidač naziva se napon prekida.

Napon prekida je dostignut i ključ je potpuno zatvoren. Slika sa rezultatima simulacije prikazuje takvo stanje za p-kanal (lijevo) i n-kanal (desno) ključ. Inače, na engleskom se takav tranzistor zove JFET.

Način rada tranzistora kada je napon Uzi ili nula ili obrnuto. Zbog obrnutog napona možete "pokriti tranzistor", koristi se u pojačalima klase A i drugim kolima gdje je potrebna glatka regulacija.

Režim prekida se javlja kada je Uzi = Ucutoff za svaki tranzistor različit, ali se u svakom slučaju primjenjuje u suprotnom smjeru.

Karakteristike, VAC

Izlazna karakteristika je graf koji pokazuje ovisnost struje odvoda od Usi (primijenjene na priključke za drejn i izvor), pri različitim naponima gejta.

Može se podijeliti u tri oblasti. U početku (na lijevoj strani grafikona) vidimo omsku regiju - u ovom procjepu tranzistor se ponaša kao otpornik, struja raste gotovo linearno, dostižući određeni nivo, ide u područje zasićenja (u centru graf).

Na desnoj strani grafikona vidimo da struja ponovo počinje rasti, ovo je područje kvara, tranzistor ne bi trebao biti ovdje. Najgornja grana prikazana na slici je struja na nuli Uzi, vidimo da je struja ovdje najveća.

Što je Uzi napon veći, to je niža struja odvoda. Svaka od grana se razlikuje za 0,5 volti na kapiji. Ono što smo i potvrdili simulacijom.

Ovdje je prikazana karakteristika drenažne kapije, tj. zavisnost struje odvoda od napona gejta pri istom naponu drejn-izvor (u ovom primeru, 10V), ovde je korak mreže takođe 0,5V, opet vidimo da što je napon Uzi bliži 0, to je veći drejn struja.

U bipolarnim tranzistorima postojao je parametar kao što je koeficijent prijenosa struje ili pojačanje, označen je kao B ili H21e ili Hfe. U polju, za prikaz mogućnosti pojačavanja napona, koristi se strmina, označena slovom S

To jest, nagib pokazuje za koliko miliampera (ili Ampera) struja odvoda raste s povećanjem napona gejt-izvor za broj volti sa konstantnim naponom drejn-izvor. Može se izračunati iz drain-gate karakteristike, u gornjem primjeru nagib je oko 8 mA/V.

Preklopne šeme

Kao i bipolarni tranzistori, postoje tri tipična sklopna kola:

1. Sa zajedničkim izvorom (a). Najčešće se koristi, daje povećanje struje i snage.

2. Sa zajedničkim zatvaračem (b). Rijetko se koristi, niska ulazna impedancija, bez pojačanja.

3. Sa zajedničkim odvodom (c). Pojačanje napona je blizu 1, ulazna impedancija je visoka, a izlaz je nizak. Drugo ime je sljedbenik izvora.

Karakteristike, prednosti, nedostaci

Glavna prednost tranzistora sa efektom polja visoka ulazna impedansa. Ulazni otpor je omjer struje i napona gejt-izvor. Princip rada leži u upravljanju pomoću električnog polja, a ono se formira kada se dovede napon. To je FET-ovi su kontrolirani naponom.

• praktički ne troši kontrolnu struju, ovo je smanjuje gubitak kontrole, izobličenje signala, strujno preopterećenje izvora signala...

Prosječna frekvencija FET performanse su bolje od bipolarnog, to je zbog činjenice da je potrebno manje vremena za "resorpciju" nosača naboja u područjima bipolarnog tranzistora. Neki moderni bipolarni tranzistori mogu čak biti bolji od tranzistori s efektom polja, to je zbog upotrebe naprednijih tehnologija, smanjenja širine baze i drugih stvari.

Nizak nivo buke tranzistora sa efektom polja nastaje zbog odsustva procesa ubrizgavanja naboja, kao kod bipolarnih.

Stabilnost pod temperaturnim promjenama.

Niska potrošnja energije u provodnom stanju - veća efikasnost vaših uređaja.

Najjednostavniji primjer korištenja visoke ulazne impedanse je u usklađivanju uređaja za povezivanje akustičnih akustičnih gitara s piezo pickupima i električnih gitara s elektromagnetnim pickupima na linijske ulaze sa niskom ulaznom impedancijom.

Niska ulazna impedansa može uzrokovati pad ulaznog signala, izobličujući njegov oblik u različitim stepenima u zavisnosti od frekvencije signala. To znači da ovo morate izbjeći uvođenjem kaskade s visokom ulaznom impedancijom. Evo najjednostavnijeg dijagrama takvog uređaja. Pogodno za povezivanje električnih gitara na line-in ulaz kompjuterske audio kartice. Uz to, zvuk će postati svjetliji, a tembar bogatiji.

Glavni nedostatak je što se takvi tranzistori boje statike. Element možete uzeti naelektrisanim rukama, i on će odmah propasti, to je posledica upravljanja ključem uz pomoć polja. Preporučljivo je raditi s njima u dielektričnim rukavicama spojenim posebnom narukvicom na uzemljenje, niskonaponskim lemilom sa izolovanim vrhom, a izvode tranzistora se mogu vezati žicom kako bi se kratko spojili prilikom ugradnje.

Moderni uređaji se toga praktički ne boje, jer se u njih na ulazu mogu ugraditi zaštitni uređaji poput zener dioda, koji rade kada je napon prekoračen.

Ponekad kod radio-amatera početnika strahovi dosegnu tačku apsurda, kao što je stavljanje folijskih kapa na glavu. Sve gore opisano, iako je obavezno, ali nepoštivanje bilo kakvih uslova ne garantuje kvar uređaja.

Tranzistori sa efektom polja sa izolovanim vratima

Ova vrsta tranzistora se aktivno koristi kao poluvodički kontrolirani prekidači. Štaviše, najčešće rade u režimu tastera (dva položaja "uključeno" i "isključeno"). Imaju nekoliko imena:

1. MIS tranzistor (metal-dielektrik-poluprovodnik).

2. MOSFET (metal-oksid-poluprovodnik).

3. MOSFET tranzistor (metal-oksid-poluprovodnik).

Zapamtite - ovo su samo varijacije istog imena. Dielektrik, ili oksid kako ga još nazivaju, igra ulogu izolatora za kapiju. Na dijagramu ispod, izolator je prikazan između n-područja blizu kapije i kapije kao bijela zona sa tačkama. Napravljen je od silicijum dioksida.

Dielektrik sprječava električni kontakt između gejt elektrode i podloge. Za razliku od kontrolnog p-n spoja, on ne radi na principu širenja spoja i preklapanja kanala, već na principu promjene koncentracije nosilaca naboja u poluvodiču pod djelovanjem vanjskog električnog polja. MOSFET-ovi dolaze u dvije vrste:

1. Sa ugrađenim kanalom.

2. Sa indukovanim kanalom

Na dijagramu vidite tranzistor sa ugrađenim kanalom. Iz njega se već može naslutiti da princip njegovog rada podsjeća na tranzistor s efektom polja sa kontrolnim p-n spojem, tj. kada je napon gejta nula, struja teče kroz prekidač.

U blizini izvora i drena stvaraju se dva područja sa visokim sadržajem nosilaca naelektrisanja nečistoća (n+) sa povećanom provodljivošću. Podloga je baza tipa P (u ovom slučaju).

Imajte na umu da je kristal (podloga) povezan sa izvorom; na mnogim konvencionalnim grafičkim simbolima je nacrtan na ovaj način. Kada se napon gejta poveća, u kanalu se pojavljuje poprečno električno polje koje odbija nosioce naboja (elektrone), a kanal se zatvara kada se dostigne prag Uz.

Kada se primeni negativan napon gejt-izvor, struja odvoda opada, tranzistor počinje da se zatvara - to se zove režim iscrpljivanja.

Kada se na gejt izvor primeni pozitivan napon, dešava se obrnuti proces - elektroni se privlače, struja se povećava. Ovo je način obogaćivanja.

Sve navedeno važi za MOSFET sa ugrađenim kanalom N-tipa. Ako kanal p-tipa promijeni sve riječi "elektroni" u "rupe", polariteti napona su obrnuti.

Prema podacima za ovaj tranzistor, napon praga gejt-izvor je u području od jednog volta, a njegova tipična vrijednost je 1,2 V, provjerimo ovo.

Struja je u mikroamperima. Ako još malo povećate napon, on će potpuno nestati.

Odabrao sam nasumično tranzistor i naišao sam na prilično osjetljiv uređaj. Pokušat ću promijeniti polaritet napona tako da kapija ima pozitivan potencijal, provjeriti način obogaćivanja.

Pri naponu gejta od 1V, struja se povećala četiri puta u poređenju sa onim što je bila na 0V (prva slika u ovom odeljku). Iz toga proizlazi da, za razliku od prethodne vrste tranzistora i bipolarnih tranzistora, bez dodatnog povezivanja, može raditi i na povećanju struje i na njenom smanjenju. Ova izjava je vrlo nepristojna, ali u prvoj aproksimaciji ima pravo na postojanje.

Ovdje je sve gotovo isto kao u tranzistoru s upravljačkim prijelazom, s izuzetkom prisustva načina obogaćivanja u izlaznoj karakteristici.

Na drain-gate karakteristici jasno se vidi da negativan napon izaziva režim iscrpljivanja i zatvaranja ključa, a pozitivan napon na kapiji - obogaćivanje i veće otvaranje ključa.

MOSFET sa induciranim kanalom ne provode struju u odsustvu napona na kapiji, odnosno postoji struja, ali je izuzetno mala, jer. ovo je reverzna struja između supstrata i jako dopiranog drena i regiona izvora.

Tranzistor sa efektom polja sa izolovanom kapijom i indukovanim kanalom je analog normalno otvorenog ključa, struja ne teče.

U prisustvu napona gejt-izvor, jer razmatramo inducirani kanal n-tipa, tada je napon pozitivan, pod djelovanjem polja, nosioci negativnog naboja se privlače u područje gejta.

Tako nastaje “koridor” za elektrone od izvora do drena, tako nastaje kanal, otvara se tranzistor i kroz njega počinje da teče struja. Imamo supstrat p-tipa, glavni u njemu su nosioci pozitivnog naboja (rupe), negativnih nosilaca je vrlo malo, ali se pod djelovanjem polja odvajaju od svojih atoma i počinje njihovo kretanje. Otuda nedostatak provodljivosti u odsustvu napona.

Izlazna karakteristika se potpuno ponavlja za prethodne, jedina razlika je što naponi Uzi postaju pozitivni.

Karakteristika drain-gate pokazuje istu stvar, razlike su opet u naponima gejta.

Prilikom razmatranja strujno-naponskih karakteristika, izuzetno je važno pažljivo pogledati vrijednosti propisane duž osi.

Na ključ je primijenjen napon od 12 V, a na kapiji imamo 0. Struja ne teče kroz tranzistor.

To znači da je tranzistor potpuno otvoren, da ga nema, struja u ovom krugu bi bila 12/10 = 1,2 A. Kasnije sam proučavao kako ovaj tranzistor radi, i otkrio da se na 4 volta počinje otvarati.

Dodavanjem po 0.1V primijetio sam da sa svakom desetinom volta struja sve više raste, a za 4.6V tranzistor je skoro potpuno otvoren, razlika sa naponom gejta od 20V u struji odvoda je samo 41 mA , na 1.1 A ovo je glupost.

Ovaj eksperiment odražava činjenicu da se inducirani kanalni tranzistor uključuje samo kada se dostigne granični napon, što mu omogućava da savršeno radi kao prekidač u sklopnim krugovima. Zapravo, IRF740 je jedan od najčešćih.

Mjerenja struje gejta su pokazala da tranzistori s efektom polja zapravo ne troše gotovo nikakvu kontrolnu struju. Pri naponu od 4,6 volti, struja je bila samo 888 nA (nano!!!).

Pri naponu od 20V iznosio je 3,55 μA (mikro). Za bipolarni tranzistor, to bi bilo reda veličine 10 mA, ovisno o pojačanju, koje je desetine hiljada puta veće nego za tranzistor polja.

Ne otvaraju se svi ključevi s takvim naponima, to je zbog dizajna i karakteristika kola uređaja na kojima se koriste.

Ispražnjena kapacitivnost u prvom trenutku zahtijeva veliku struju punjenja, a rijetki upravljački uređaji (pwm kontroleri i mikrokontroleri) imaju jake izlaze, pa koriste drajvere za gejte polja, kako u tranzistorima s efektom polja, tako i u (bipolarnim sa izolovanim kapija). Ovo je pojačalo koje pretvara ulazni signal u izlaz takve veličine i jakosti struje dovoljne da uključi i isključi tranzistor. Struja punjenja je također ograničena otpornikom u seriji sa kapijom.

Istovremeno, nekim gejtovima se takođe može upravljati sa porta mikrokontrolera preko otpornika (isti IRF740). Dotakli smo se ove teme.

Oni podsjećaju na tranzistore sa efektom polja sa kontrolnim gejtom, ali se razlikuju po tome što je na UGO, kao i na samom tranzistoru, kapija odvojena od podloge, a strelica u sredini označava tip kanala, ali je usmjerena od supstrat do kanala ako je n-kanalni mosfet - prema zatvaraču i obrnuto.

Za ključeve sa induciranim kanalom:

Moglo bi izgledati ovako:

Obratite pažnju na engleske nazive pinova, oni su često naznačeni u podacima i dijagramima.

Za ključeve sa ugrađenim kanalom:

U tranzistorima ovog tipa, kapija je odvojena od poluvodiča slojem dielektrika, koji se obično koristi u silicijumskim uređajima kao silicijum dioksid. Ovi tranzistori su skraćeno MOS (metal-oksid-poluprovodnik) i MOS (metal-izolator-poluprovodnik). U engleskoj literaturi se obično nazivaju skraćeno MOSFET ili MISFET (Metal-Oxide (Insulator)-Semiconductor FET).

Zauzvrat, MOS tranzistori su podijeljeni u dvije vrste.

U tzv tranzistori sa ugrađenim (vlastitim) kanalom (tranzistor tipa iscrpljivanja) a prije nanošenja na kapiju postoji kanal koji povezuje izvor i odvod.

U tzv inducirani kanalni tranzistori (tranzistor bogatog tipa) gornji kanal nedostaje.

MIS tranzistori se odlikuju vrlo visokim ulaznim otporom. Prilikom rada s takvim tranzistorima potrebno je poduzeti posebne mjere za zaštitu od statičkog elektriciteta. Na primjer, prilikom lemljenja svi vodovi moraju biti kratko spojeni.

MIS tranzistor sa ugrađenim kanalom.

Kanal može biti p-tipa ili n-tipa. Radi određenosti, okrenimo se tranzistoru sa kanalom p-tipa. Dajemo šematski prikaz strukture tranzistora (slika 1.97), konvencionalnu grafičku oznaku tranzistora sa kanalom p-tipa (slika 1.98, a) i sa kanalom n-tipa (slika 1.98, b). ). Strelica, kao i obično, pokazuje smjer od sloja p do sloja n.

Tranzistor koji se razmatra (vidi sliku 1.97) može raditi u dva načina: iscrpljivanje i obogaćivanje.

Način iscrpljivanja odgovara pozitivnom u. Sa povećanjem ovoga, koncentracija rupa u kanalu se smanjuje (pošto je potencijal kapije veći od potencijala izvora), što dovodi do smanjenja struje odvoda.

Predstavljamo tranzistorsko sklopno kolo (slika 1.99).

Na dren ne utiče samo uzi, već i upi između podloge i izvora. Međutim, upravljanje vođeno gejtom je uvijek poželjnije jer su ulazne struje mnogo manje. Osim toga, prisustvo na podlozi smanjuje strminu.

Podloga formira p-n spoj sa izvorom, odvodom i kanalom. Kada koristite tranzistor, morate paziti da se ne pomakne u smjeru naprijed na ovom spoju. U praksi, supstrat je spojen na izvor (kao što je prikazano na dijagramu) ili na tačku u kolu koja ima potencijal veći od potencijala izvora (potencijal odvoda u gornjem kolu je manji od potencijala izvora).

Opišimo izlazne karakteristike MIS tranzistora (ugrađeni p-kanal) tipa KP201L (slika 1.100) i njegovu odvodnu karakteristiku (slika 1.101).

MIS tranzistor sa indukovanim (indukovanim) kanalom.

Kanal može biti p-tipa ili n-tipa. Radi određenosti, okrećemo se tranzistoru sa kanalom p-tipa. Dajemo šematski prikaz strukture tranzistora (slika 1.102), konvencionalnu grafičku oznaku tranzistora sa induciranim kanalom p-tipa (slika 1.103, a) i kanalom n-tipa (slika 1.103, b). ).

Pri nultom naponu, uzi kanal je odsutan (slika 1.102), a dren je nula. Tranzistor može raditi samo u načinu obogaćivanja, što odgovara negativnom uzi. U ovom slučaju, ufrom > 0. Ako je zadovoljena nejednakost ufrom>u od praga, gdje je u od praga takozvani napon praga, tada se između izvora i odvoda pojavljuje kanal p-tipa, kroz koji struja može da teče.

Kanal p-tipa nastaje zbog činjenice da se koncentracija rupa ispod kapije povećava, a gustoća elektrona smanjuje, zbog čega je koncentracija rupa veća od koncentracije elektrona.

Opisani fenomen promjene vrste provodljivosti naziva se inverzija vrste provodljivosti, a poluprovodnički sloj u kojem se ona odvija (a koji je kanal) naziva se inverzija (inverzija). Neposredno ispod inverznog sloja formira se sloj osiromašen mobilnim nosiocima naboja. Inverzni sloj je mnogo tanji od osiromašenog (debljina inverznog sloja je 1 · 10–9 ...5 · 10 – 9 m, a debljina osiromašenog sloja je 10 i više puta veća).

Hajde da prikažemo tranzistorsko sklopno kolo (slika 1.104), izlazne karakteristike (slika 1.105) i karakteristiku odvoda (slika 1.106) za MIS tranzistor sa indukovanim p-kanalom KP301B.

Korisno je napomenuti da softverski paket Micro-Cap II koristi isti matematički model (ali, naravno, sa različitim parametrima) za simulaciju tranzistora sa efektom polja svih tipova.