Tranzistori s efektom polja: princip rada, sklopovi, načini rada i simulacija. Oznaka tranzistora s efektom polja

Za razliku od tranzistora s efektom polja s p-n-spojem, kod kojih vrata imaju izravan električni kontakt s obližnjim područjem vodljivog kanala, kod MOS tranzistora vrata su izolirana od navedenog područja dielektričnim slojem.

Iz tog razloga, MOS tranzistori se klasificiraju kao tranzistori s efektom polja s izoliranim vratima.

MIS tranzistori (struktura metal - dielektrik - poluvodič) izrađeni su od silicija. Kao dielektrik koristi se silicij oksid SiO2. Otuda i drugi naziv za ove tranzistori - MOS tranzistori (struktura metal-oksid-poluvodič). Prisutnost dielektrika osigurava visoku ulaznu impedanciju razmatranih tranzistora (1012-1014 Ohma).

Riža. 5.6. Legenda za MIS tranzistore s ugrađenim kanalom n-tipa (a), p-tipa (b) i izlazom iz supstrata (c); s induciranim kanalom n-tipa (d), p-tipa (e) i izlazom iz supstrata (f)

Princip rada MIS tranzistora temelji se na učinku promjene vodljivosti pripovršinskog sloja poluvodiča na sučelju s dielektrikom pod utjecajem poprečnog električnog polja. Površinski sloj poluvodiča je vodljivi kanal ovih tranzistora. MIS tranzistori su dvije vrste - s ugrađenim i s induciranim kanalom.

MIS tranzistori su općenito uređaji s četiri elektrode. Četvrta elektroda (supstrat) koja služi kao pomoćna funkcija je vod iz podloge izvorne poluvodičke pločice. MDP-traizistori mogu biti kanala n-tipa i p-tipa. Simboli MOS tranzistora prikazani su na Sl. 5.6 a-f.

Razmotrimo značajke MOS tranzistora s ugrađenim kanalom. Dizajn takvog tranzistora s kanalom n-tipa prikazan je na Sl. 5.7, a. U originalnoj silicijskoj pločici p-tipa, koristeći difuzijsku tehnologiju, stvaraju se područja izvora, drena i kanala n-tipa. Sloj oksida SiO2 štiti površinu blizu izvora i drena, kao i izolira vrata od kanala. Katkad je na izvor priključen vod supstrata (ako postoji).

Osnovne (izlazne) karakteristike tranzistora s efektom polja s ugrađenim kanalom n-tipa za slučaj spajanja supstrata na izvor prikazane su na Sl. 5.7, b. Po izgledu, ove karakteristike su bliske karakteristikama tranzistora s efektom polja s p-n-spojem. Razmotrimo karakteristiku na Uzi = 0, što odgovara spoju vrata s izvorom. Vanjski napon se dovodi na dio izvora - odvod s pozitivnim polom na drenažu. Budući da je Uzi = 0, kroz uređaj teče struja koja je određena početnom vodljivošću kanala. U početnom presjeku 0-a, kada je pad napona u kanalu mali, ovisnost Ic (Uci) je blizu linearne. Kako se približava točki b, pad napona u kanalu dovodi do sve značajnijeg učinka njegovog suženja (isprekidana crta na slici 5.7, a) na vodljivost kanala, što smanjuje strminu porasta struje u presjeku a-b. Nakon točke b, vodljivi kanal se sužava na minimum, što uzrokuje ograničenje porasta struje i pojavu ravnog presjeka II na karakteristici.

Riža. 5.7. Dizajn MIS tranzistora s ugrađenim kanalom n-tipa (a); karakteristika odvodne kapije (b); karakteristika odvodne kapije (v)

Pokažimo utjecaj napona vrata - izvor na tok karakteristika drena.

U slučaju primjene napona na gejt (Uzi Kada se na gejtu dovede napon Uzi> 0, gate polje privlači elektrone u kanal iz p-sloja poluvodičke pločice. Koncentracija nositelja naboja u kanalu raste, što odgovara obogaćivanju kanala nosiocima.. Povećava se vodljivost kanala, povećava se struja Ic. Stock karakteristike pri Uz> 0 nalaze se iznad izvorne krivulje (Uz = 0).

Za tranzistor postoji ograničenje povećanja napona Usc zbog početka kvara sekcije drenažne kapije koja se nalazi uz odvod. Na karakteristikama otjecanja slom odgovara postizanju određene vrijednosti Usi.pr. U slučaju Uzi 0 (način obogaćivanja).

Dizajn MOS tranzistora s induciranim kanalom n-tipa prikazan je na Sl. 5.8, str. Kanal za provođenje struje ovdje nije posebno stvoren, već se formira (inducira) zbog priljeva elektrona iz poluvodičke pločice u slučaju napona pozitivnog polariteta koji se primjenjuje na kapiju u odnosu na izvor. Zbog dotoka elektrona u sloj blizu površine mijenja se električna vodljivost poluvodiča, t.j. inducira se vodljivi kanal n-tipa koji povezuje područja odvoda i izvora. Vodljivost kanala raste kako se povećava pozitivni napon primijenjen na kapiju. Dakle, inducirani kanalni tranzistor radi samo u načinu obogaćivanja.

Osnovne (izlazne) karakteristike tranzistora s efektom polja s induciranim kanalom n-tipa prikazane su na Sl. 5.8, b. Izgledom su slični analognim karakteristikama tranzistora s ugrađenim kanalom i imaju isti karakter ovisnosti Ic = F (Usi). Razlika je u tome što struju tranzistora kontrolira napon jednog polariteta, koji se poklapa s polaritetom napona Usi. Struja Ic jednaka je nuli pri Uzi = 0, dok je u tranzistoru s ugrađenim kanalom za to potrebno promijeniti polaritet napona na vratima u odnosu na izvor. Karakteristika drain-gate tranzistora s induciranim kanalom prikazana je na Sl. 5.8, c.

MIS tranzistori oba tipa proizvode se za isti raspon struje i napona kao tranzistori s pn spojem. Nagib S i unutarnji otpor ri imaju približno isti red veličine. Što se tiče ulaznog otpora i međuelektrodnih kapaciteta, MOS tranzistori imaju bolje performanse od tranzistori s pn spojem. Kao što je naznačeno, njihova ulazna impedancija je 1012-1014 ohma. Vrijednost međuelektrodnih kapacitivnosti ne prelazi: za Szi, Ssi - 10 pF, za Szc - 2 pF. Ekvivalentni sklop MOS tranzistora sličan je ekvivalentnom krugu tranzistora s efektom polja s p-n-spojem (vidi sliku 5.5).

MIS tranzistori se široko koriste u integralnom dizajnu. Mikrokrugovi na MIS tranzistorima imaju dobru proizvodnost, nisku cijenu, sposobnost rada na višem naponu napajanja od mikro krugova na bipolarnim tranzistorima.

Razmotrimo princip rada MOS tranzistora s induciranim kanalom n-tip.

Uz postupno povećanje pozitivnog napona u odnosu na izvor
i
na vratima se stvara pozitivan naboj, a u pripovršinskom sloju poluvodiča prvo se formira sloj osiromašen glavnim nosiocima supstrata (u ovom slučaju rupama).

S daljnjim rastom
slobodni elektroni str-poluvodičke podloge (intrinzične, a ne nečistoće) pomiču se u područje blizu površine ispod vrata i formiraju inducirani (inducirani poljem) inverzni (s inverznim u odnosu na str-poluvodička podloga s vodljivošću) sloj, koji je kanal n-tip između izvora i odvoda (slika 10.18).

napon
, na kojem se kanal pojavljuje, naziva se prag
... Kanal je odvojen od supstrata negativnim akceptorskim ionima, t.j. sloj osiromašen od nositelja naboja. Na
dolazi do obogaćivanja površinskog sloja elektronima i smanjenja otpora kanala. Ovaj način rada MOS tranzistora naziva se način obogaćivanja. U MOS tranzistorima s induciranim kanalom postoji samo način obogaćivanja.

Ako
i napetost
, zatim kada struja odvoda teče kroz kanal uzorak ekvipotencijalnog polja prikazan na Sl. 10.18 je prekršen. Površinski potencijal pod utjecajem struje drena raste u smjeru od izvora do drena, a razlika potencijala između vrata i površine se smanjuje, što u konačnici sužava kanal. S povećanjem napona
odvodna struja također raste uz postupno usporavanje stope rasta. Kada padne napon na volumnom otporu kanala od struje odvoda kompenzira prenapon
iznad praga napon između odvoda i kapije postaje jednak
a na odvodu će se iscrpljeni sloj zatvoriti s površinom poluvodiča, sprječavajući daljnji rast struje odvoda (sl. 10.19).

To se zove zasićenje odvodne struje. napon
, pri čemu dolazi do zasićenja odvodne struje , naziva se napon zasićenja
.

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

Fenomen prijenosa nositelja naboja (u ovom slučaju elektrona) iz kanala kroz područje iscrpljivanja do drena sličan je prijenosu naboja od baze do kolektora bipolarnog tranzistora putem obrnutog prednapona. pn-tranzicija pod utjecajem svog polja. Svi porasti napona
više od
primjenjuju se uglavnom na područje iscrpljivanja visokog otpora koje se nalazi na drenažu, zbog čega struja drena gotovo se ne povećava.

napon
značajno ovisi o naponu na podlozi, budući da se područje osiromašenog naboja povećava s njegovim rastom. Obično u TIR strukturama sa n-kanal na podlogu služi najnegativnijem potencijalu kruga, tako da je prijelaz "izvor - podloga" uvijek zatvoren. Utjecaj konstantnog napona između izvora i podloge može se uzeti u obzir uključivanjem s određenim koeficijentom u izraz za
.

Na sl. 10.17 - 10.20 povučene su jasne granice između područja naboja MIS strukture. U stvarnosti, promjena koncentracije naboja je glatka i nema jasno definiranih granica između područja naboja.

Pri visokim naponima na odvodu
može doći do kvara MIS tranzistora, a mogu postojati dvije vrste kvara: kvar pn- prijelaz ispod odvoda i dielektrični proboj ispod kapije. Slom pn-spoj obično ima lavinski karakter, budući da se MOS tranzistori obično izrađuju na bazi silicija. U ovom slučaju, probojni napon
napon na vratima može utjecati: budući da se potencijali istog polariteta primjenjuju na odvod i vrata MOS tranzistora s induciranim kanalom, tada će se s povećanjem napona na vratima on povećati
... Dielektrični proboj ispod kapije može se dogoditi pri naponu vrata od samo nekoliko desetaka volti, budući da je debljina sloja silicij dioksida oko 0,1 μm. Slom je obično toplinske prirode. Ova vrsta kvara može nastati kao rezultat nakupljanja statičkih naboja, budući da je ulazna impedancija MIS tranzistora visoka. Kako bi se isključila mogućnost ovog tipa kvara, ulaz MOS tranzistora često je zaštićen zener diodom, koja ograničava napon na vratima.

Obitelj statičkih karakteristika
na
MOS tranzistor s induciranim kanalom, izgrađen u skladu s gore navedenim, prikazan je na Sl. 21.10.

dio oštre promjene struje i dio u kojem je promjena struje mala.

Parametar obitelji izlaznih karakteristika bipolarnog tranzistora je bazna struja - uređaj se kontrolira strujom; za MOS tranzistor s induciranim kanalom, parametar obitelji izlaznih karakteristika je napon vrata
- uređaj je pod kontrolom napona. S povećanjem napona
smanjuje se otpor kanala i struja odvoda povećava - karakteristika ide više. Izlazne I – V karakteristike MOS tranzistora izlaze iz ishodišta, dok se izlazne I – V karakteristike bipolarnog tranzistora mogu pomicati duž naponske osi.

Na obiteljskoj parceli
na
MDS - tranzistor s induciranim kanalom (slika 10.21), mogu se razlikovati tri glavna radna područja:

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

2 - aktivno područje (ravni dio izlaznih I - V karakteristika, za koji
i
) Je li područje gdje je izlazna struja ostaje praktički nepromijenjen s povećanjem
;

3 - područje otvorenog stanja (strmi dio izlazne I - V karakteristike): struja u ovom području rada daje vanjski krug.

Dakle, u području 1, radna točka je ako je MOS tranzistor zaključan, u području 3, ako je otvoren; ta područja odgovaraju statičkim stanjima MOS tranzistora u ključnom načinu rada. Aktivno područje (područje 2) za ključni način rada MOS tranzistora je područje dinamičkog stanja: u ovom području je radna točka kratko vrijeme tijekom procesa prijelaza iz jednog statičkog stanja u drugo (iz zatvorenog stanja). otvoriti i obrnuto).

U aktivnom području radna točka je tijekom rada MIS tranzistora u pojačavajućem modu, kada se održava linearni odnos između ulaznog i izlaznog signala.

U području 4, dovoljno visoki naponi
javljaju se fenomeni prije kvara, a zatim kvar, popraćen naglim porastom struje ... Područje proboja određuje izbor maksimalno dopuštenih napona.

Priroda statičkih karakteristika prijenosa
na
jasno je iz principa rada MOS tranzistora s induciranim kanalom. Karakteristike za različite napone
izaći iz točke na apscisi koja odgovara
(sl. 10.22).

Zanimljiva i važna sa stajališta uporabe MIS tranzistora je promjena temperature u statičkim karakteristikama prijenosa. Ove promjene su uzrokovane raznim fizikalnim procesima koji dovode do toga da s povećanjem temperature, prag napona
smanjuje se.

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

Uobičajeno, učinak temperaturne kompenzacije postiže se pri neznatno većim naponima vrata
... Osim toga, također se mora imati na umu da je strmina karakteristike prijenosa, koje određuju svojstva pojačanja MOS tranzistora, mijenjaju se s temperaturom čak i uz konstantnu konstantnu struju odvoda.

Razmotrimo princip rada MOS tranzistora s ugrađenim kanalom n-tip (Sl.10.24).

Modulacija otpora vodljivog kanala može se dogoditi kada se napon na vratima mijenja i s pozitivnim i s negativnim polaritetom. Pri naponima
i
kroz kanal n-vrsta struja teče. Ako
, tada se kapija negativno nabije, a u podzemnom sloju koji se nalazi ispod njega pojavljuje se pozitivan naboj iona zbog bijega slobodnih elektrona iz njega. Sloj osiromašen osnovnim nosiocima povećava otpor kanala. Po dolasku
sloj deplecije blokira kanal i kroz njega ne teče struja. Postoji način isključenja. Na
kanal je obogaćen nosiocima naboja (u ovom slučaju elektronima), njegov se otpor smanjuje, što dovodi do povećanja struje odvoda.

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

Obitelj izlaznih statičkih karakteristika i statička karakteristika prijenosa MOS tranzistora s ugrađenim kanalom n-tip prikazani su na sl. 10.25.

izlazne statičke karakteristike	prijenosna karakteristika

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

Puni naziv takvog radio elementa na engleski način zvuči kao M etal O oksid S emiprovodnik F polje E učinak T ranzistora (MOSFET), što doslovno zvuči kao tranzistor s efektom polja metal-oksidnog poluvodiča. Ako ga pretvorimo u naš moćni ruski jezik, onda ispada kao tranzistor s efektom polja sa strukturom Metal Oxide Semiconductor ili jednostavno Mosfet;-). Zašto se naziva i MOSFET MIS tranzistor i ? Koji je razlog tome? O ovim i drugim stvarima saznat ćete u našem članku. Ne prelazite na drugu karticu! ;-)

Vrste MOS tranzistora

U obitelji MOS tranzistora postoje uglavnom 4 vrste:

1) N-kanal s induciranim kanalom

2) P-kanal s induciranim kanalom

3) N-kanal s ugrađenim kanalom

4) P-kanal s ugrađenim kanalom

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

U suvremenom svijetu MOS tranzistori s integriranim kanalom koriste se sve rjeđe, 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-ima s najčešćim N-kanalnim MOSFET-om s induciranim kanalom. Ići!

Ako uzmete tanki tanak nož i prerežete MOS tranzistor po dužini, možete vidjeti sljedeću sliku:

Kada se promatra u smislu hrane na vašem stolu, MOSFET više izgleda kao sendvič. Poluvodič tipa P je debeo komad kruha, dielektrik je tanak komad kobasice, a na vrh stavljamo još jedan sloj metala - tanku ploču sira. I dobijemo ovaj sendvič:

A kakva će biti struktura tranzistora od vrha do dna? Sir je metal, kobasica je dielektrik, kruh je poluvodič. Dakle, dobivamo Metal-Dielektrik-Poluvodič. A ako uzmemo prva slova svakog imena, onda ćemo dobiti TIR - M metal- D električar P Dirigent, zar ne? To znači da se takav tranzistor s prvim slovima može nazvati MOS tranzistorom ;-). A budući da se kao dielektrik koristi vrlo tanak sloj silicijevog oksida (SiO 2), možemo reći da je gotovo staklo, tada su umjesto naziva "dielektrik" uzeli naziv "oksid, oksid" i ispostavilo se M metal- Ožele- P Poluvodič, skraćeno MOS. Eto, sad je sve došlo na svoje mjesto ;-)

Struktura MOS tranzistora

Pogledajmo još jednom strukturu našeg MOSFET-a:

Imamo "ciglu" poluvodičkog materijala P-vodljivosti. Kao što se sjećate, rupe su glavni nosioci u poluvodiču tipa P, pa je njihova koncentracija u ovom materijalu mnogo veća od elektrona. Ali elektroni postoje i u P-poluvodiču. Kao što se sjećate, elektroni u P-poluvodiču jesu manji mediji a koncentracija im je vrlo niska u usporedbi s rupama. "Cigla" P-poluvodiča se zove Podloge... On je osnova MOSFET-a jer se na njemu stvaraju drugi slojevi. Iz podloge izlazi igla s 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 odvoda: Source i Drain.

Između izvora i odvoda, kroz dielektrik se nalazi metalna ploča iz koje dolazi izlaz i naziva se vrata. Ne postoji električna veza između vrata i ostalih igala. Vrata su općenito izolirana od svih terminala tranzistora, zbog čega se MOSFET također naziva tranzistor s izoliranim vratima.

MOSFET podloga

Dakle, gledajući gornju sliku, vidimo da MOS tranzistor u krugu ima 4 izlaza (Izvor, Drain, Gate, Supstrat), ali u stvarnosti samo 3. U čemu je kvaka? Poanta je da je supstrat obično povezan s Izvorom. Ponekad se to već radi u samom tranzistoru tijekom faze razvoja. Kao rezultat činjenice da je izvor spojen na podlogu, između odvoda i izvora nastaje dioda, koja ponekad nije ni naznačena na dijagramima, ali je uvijek prisutna:

Stoga je potrebno promatrati pinout prilikom spajanja MOSFET-a u krug.

Kako MOSFET radi

Ovdje je sve isto kao i u. Izvor je izlaz odakle glavni nositelji naboja započinju svoje putovanje, Drain je izlaz na koji teku, a Gate je izlaz kojim kontroliramo protok glavnih nositelja naboja.

Neka Shutter još nigdje ne bude povezan. Kako bismo organizirali kretanje elektrona kroz Source-Stoke, potrebno nam je napajanje Bata:

Ako naš tranzistor razmotrimo s gledišta i diode koje se temelje na njima, tada možemo nacrtati ekvivalentni krug za naš crtež. To će izgledati ovako:

gdje

I-izvor, P-substrat, S-stock.

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

Dakle, u ovoj shemi

nije planirano kretanje električne struje.

ALI…

Indukcija kanala u MOSFET-u

Ako se na Vrata primijeni određeni napon, u supstratu počinju magične transformacije. U njemu počinje inducirati kanal.

Indukcija, indukcija - doslovno znači "vodenje", "utjecaj". Ovaj izraz znači uzbuđenje u objektu bilo kojeg svojstva ili aktivnosti u prisutnosti uzbudljivog subjekta (induktora), ali bez izravnog kontakta (na primjer, kroz električno polje). Posljednji izraz za nas ima dublje značenje: "kroz električno polje".

Sada ćemo saznati što su tranzistori s efektom polja. Tranzistori s efektom polja vrlo su česti i u starim i u modernim sklopovima. Danas se u većoj mjeri koriste uređaji s izoliranim vratima, danas ćemo govoriti o vrstama tranzistora s efektom polja i njihovim značajkama. U članku ću napraviti usporedbu s bipolarnim tranzistorima, na odvojenim mjestima.

Definicija

Tranzistor s efektom polja je potpuno kontrolirani poluvodički prekidač kojim upravlja električno polje. To je glavna razlika s praktične točke gledišta od bipolarnih tranzistora, koji se kontroliraju strujom. Električno polje stvara napon primijenjen na kapiju u odnosu na izvor. Polaritet upravljačkog napona ovisi o vrsti tranzistorskog kanala. Ovdje postoji dobra analogija s elektroničkim vakuumskim cijevima.

Drugi naziv za tranzistore s 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 je nastala od dvije vrste nositelja naboja - elektrona i rupa, bez obzira na vrstu uređaja. Tranzistori s efektom polja općenito se mogu podijeliti na:

tranzistori s kontrolnim p-n-spojem;

tranzistori s izoliranim 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 potonji negativan u odnosu na izvor.

Sve vrste tranzistora s efektom polja imaju tri izvoda (ponekad 4, ali rijetko, sretao sam se samo na sovjetskim i to je bilo povezano sa kućištem).

1. Izvor (izvor nositelja naboja, analog bipolarnog emitera).

2. Odvod (prijamnik nositelja naboja iz izvora, analog kolektora bipolarnog tranzistora).

3. Zatvarač (kontrolna elektroda, analogna rešetka na lampama i baza na bipolarnim tranzistorima).

Pn spojni tranzistor

Tranzistor se sastoji od sljedećih područja:

4. Zatvarač.

Na slici možete vidjeti shematsku strukturu takvog tranzistora, vodi su spojeni na metalizirane dijelove vrata, izvora i odvoda. U određenom krugu (ovo je uređaj p-kanala), vrata su n-sloj, imaju manji otpor od područja kanala (p-sloj), a područje pn-spoja nalazi se u većoj mjeri u p -regije iz tog razloga.

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

Da biste ga lakše zapamtili, zapamtite oznaku za diodu, gdje strelica pokazuje od p-područja prema n-području. Ovdje isto.

Prvo stanje je primjena vanjske napetosti.

Ako se na takav tranzistor dovede napon, plus na odvod, a minus na izvor, kroz njega će teći velika struja, ograničena samo otporom kanala, vanjskim otporima i unutarnjim otporom snage izvor. Može se napraviti analogija s normalno zatvorenim ključem. Ova struja se naziva Istart ili početna struja odvoda pri Uzi = 0.

Tranzistor s efektom polja s upravljačkim pn spojem, bez upravljačkog napona primijenjenog na kapiju, je što je moguće više otvoren.

Napon na odvod i izvor se primjenjuje na sljedeći način:

Glavni nosioci naboja uvode se kroz izvor!

To znači da ako je tranzistor p-kanalni, tada je pozitivni terminal napajanja spojen na izvor, budući da glavni nosioci su rupe (nosači pozitivnog naboja) – to je tzv. Ako je tranzistor n-kanalni, negativni terminal napajanja spojen je na izvor, budući da u njemu su glavni nosioci naboja elektroni (nosioci negativnog naboja).

Izvor - izvor većine nositelja naboja.

Evo rezultata simulacije takve situacije. P-kanalni tranzistor se nalazi s lijeve strane, a n-kanalni tranzistor s desne strane.

Drugo stanje - stavljamo napon na vrata

Kada se na kapiju primijeni pozitivan napon u odnosu na izvor (Uzi) za p-kanal i negativan za n-kanal, on se pomiče u suprotnom smjeru, područje p-n-spoja se širi prema kanalu. Kao rezultat toga, širina kanala se smanjuje, struja se smanjuje. Napon na vratima pri kojem struja kroz sklopku prestaje teći naziva se napon prekida.

Napon prekida je dostignut i ključ je potpuno zatvoren. Slika s rezultatima simulacije prikazuje takvo stanje za prekidač p-kanala (lijevo) i n-kanalnog (desno). Usput, na engleskom se takav tranzistor zove JFET.

Način rada tranzistora na naponu Uzi je ili nula ili obrnuto. Zbog obrnutog napona moguće je "pokriti tranzistor", koristi se u pojačalima klase A i drugim sklopovima 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 prikazuje ovisnost struje odvoda o Ussi (primijenjeno na priključke odvoda i izvora), pri različitim naponima vrata.

Može se podijeliti na tri područja. U početku (na lijevoj strani grafikona) vidimo omsku regiju - u ovoj praznini tranzistor se ponaša kao otpornik, struja raste gotovo linearno, dosegnuvši određenu razinu, ide u područje zasićenja (u središtu grafikona) .

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

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

Ovdje je prikazana karakteristika drain-gate, tj. ovisnost struje odvoda o naponu na vratima pri istom naponu drejn-izvor (u ovom primjeru 10V), ovdje je korak mreže također 0,5V, opet vidimo da što je napon Uzi bliži 0, to je odvod veći Trenutno.

U bipolarnim tranzistorima postojao je parametar kao što je koeficijent prijenosa struje ili pojačanje, označen je kao B ili H21e ili Hfe. U polju, nagib je označen slovom S kako bi se označila sposobnost pojačanja napona.

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

Dijagrami povezivanja

Kao i kod bipolarnih tranzistora, postoje tri tipična sklopna kruga:

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

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

3. Sa zajedničkim odvodom (c). Dobitak napona je blizu 1, ulazna impedancija je velika, a izlazna impedancija niska. Drugo ime je izvorni sljedbenik.

Značajke, prednosti, nedostaci

Glavna prednost tranzistora s efektom polja visoka ulazna impedancija... Ulazna impedancija je omjer struje i napona gejt-izvor. Princip rada leži u upravljanju pomoću električnog polja, a nastaje pod naponom. To je tranzistori s efektom polja su kontrolirani naponom.

• praktički ne troši kontrolnu struju, to smanjuje gubitak kontrole, izobličenje signala, izvor prekostrujnog signala...

Prosječna učestalost karakteristike tranzistora s efektom polja bolje su od bipolarnih, to je zbog činjenice da je potrebno manje vremena za "resorpciju" nosača naboja u područjima bipolarnog tranzistora. Neki moderni bipolarni tranzistori mogu biti bolji od tranzistori s efektom polja, to je zbog upotrebe naprednijih tehnologija, smanjenja širine baze i tako dalje.

Niska razina buke tranzistora s efektom polja posljedica je odsutnosti procesa ubrizgavanja naboja, kao kod bipolarnih.

Stabilnost s promjenama temperature.

Niska potrošnja energije u vodljivom stanju - veća učinkovitost vaših uređaja.

Najjednostavniji primjer korištenja visoke ulazne impedancije su uređaji za usklađivanje za povezivanje električnih akustičnih gitara s piezo pickupima i električnih gitara s elektromagnetskim pickupima na linijske ulaze s niskom ulaznom impedancijom.

Niska ulazna impedancija može uzrokovati pad signala, izobličujući njegov oblik u različitim stupnjevima ovisno o frekvenciji signala. To znači da to trebate izbjeći uvođenjem stupnja s visokom ulaznom impedancijom. Ovdje je najjednostavniji dijagram takvog uređaja. Prikladno za spajanje električnih gitara na linijski ulaz računalne audio kartice. Uz to će zvuk postati svjetliji, a tembar bogatiji.

Glavni nedostatak je što se takvi tranzistori boje statike. Element možete uzeti naelektriziranim rukama i on će odmah propasti, to je posljedica kontrole ključa pomoću polja. Preporuča se raditi s njima u dielektričnim rukavicama, spojenim preko posebne narukvice na masu, s niskonaponskim lemilom s izoliranim vrhom, a terminali tranzistora se mogu ožičiti kako bi ih kratko spojili tijekom ugradnje.

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

Ponekad radioamateri početnici imaju strahove koji dosežu točku apsurda, kao što je stavljanje folijskih šešira na glavu. Iako je sve gore opisano obvezno, nepoštivanje bilo kakvih uvjeta ne jamči kvar uređaja.

Tranzistori s efektom polja s izoliranim vratima

Ova vrsta tranzistora aktivno se koristi kao poluvodički kontrolirani prekidači. Štoviše, najčešće rade u ključnom načinu rada (dva položaja "uključeno" i "isključeno"). Imaju nekoliko imena:

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

2. MOS tranzistor (metalni oksid poluvodič).

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

Zapamtite – ovo su samo varijacije jednog imena. Dielektrik, ili oksid kako ga još nazivaju, djeluje kao izolator za vrata. Na donjem dijagramu prikazan je izolator između n-područja blizu vrata i vrata u obliku bijelog područja s točkama. Izrađen je od silicijevog dioksida.

Dielektrik eliminira električni kontakt između gejt elektrode i podloge. Za razliku od upravljačkog pn spoja, on ne radi na principu širenja spoja i blokiranja kanala, već na principu promjene koncentracije nositelja naboja u poluvodiču pod djelovanjem vanjskog električnog polja. MOSFET-ovi su dvije vrste:

1. S ugrađenim kanalom.

2.S induciranim kanalom

Na dijagramu vidite tranzistor s ugrađenim kanalom. Već iz njega možete pretpostaviti da princip njegovog rada nalikuje tranzistoru s efektom polja s kontrolnim p-n-spojem, t.j. kada je napon na vratima nula, struja teče kroz prekidač.

U blizini izvora i odvoda stvaraju se dvije regije s povećanim sadržajem nositelja nečistoće (n+) s povećanom vodljivošću. Podloga se naziva baza tipa P (u ovom slučaju).

Imajte na umu da je kristal (podloga) povezan s izvorom; u mnogim konvencionalnim grafičkim simbolima je nacrtan na ovaj način. S povećanjem napona na vratima, u kanalu se pojavljuje poprečno električno polje koje odbija nositelje naboja (elektrone) i kanal se zatvara kada se dosegne prag Uzi.

Kada se primijeni negativni napon vrata-izvor, struja odvoda opada, tranzistor se počinje zatvarati - to se naziva način rada iscrpljivanja.

Kada se na vrata-izvor primijeni pozitivan napon, događa se suprotan proces - privlače se elektroni, struja se povećava. Ovo je režim obogaćivanja.

Sve navedeno vrijedi za MOSFET s ugrađenim N-kanalom. Ako kanal p-tipa zamijeni sve riječi "elektroni" s "rupama", polariteti napona su obrnuti.

Prema podatkovnoj tablici za ovaj tranzistor, napon prag-izvor je oko jedan volt, a njegova tipična vrijednost je 1,2 V, provjerimo.

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

Odabrao sam nasumce tranzistor i naišao sam na prilično osjetljiv uređaj. Pokušat ću promijeniti polaritet napona tako da postoji pozitivan potencijal na vratima, provjeriti način obogaćivanja.

S naponom na vratima od 1V, struja se povećala četiri puta u usporedbi s onom na 0V (prva slika u ovom odjeljku). Iz ovoga slijedi da, za razliku od prethodne vrste tranzistora i bipolarnih tranzistora, može raditi i na povećanju struje i na njenom smanjenju bez dodatnog povezivanja. Ova izjava je vrlo gruba, ali kao prva aproksimacija ima pravo na postojanje.

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

Karakteristika drain-gate jasno pokazuje da negativni napon uzrokuje iscrpljivanje i zatvaranje ključa, a pozitivan napon na kapiji uzrokuje obogaćivanje i veće otvaranje ključa.

MOS tranzistori s induciranim kanalom ne provode struju u nedostatku napona na vratima, odnosno postoji struja, ali je izuzetno mala, jer ovo je obrnuta struja između supstrata i jako dopiranih dijelova odvoda i izvora.

Tranzistor s efektom polja s izoliranim vratima i induciranim kanalom analogan je normalno otvorenom prekidaču, struja ne teče.

U prisutnosti napona vrata-izvor, budući da razmatramo n-tip induciranog kanala, tada je napon pozitivan, pod djelovanjem polja nosioci negativnog naboja privlače se u područje vrata.

Tako nastaje "koridor" za elektrone od izvora do odvoda, tako nastaje kanal, otvara se tranzistor i kroz njega počinje teći struja. Imamo supstrat p-tipa, u njemu su glavni nosioci pozitivnih naboja (rupe), negativnih nositelja je izuzetno malo, ali se pod djelovanjem polja odvajaju od svojih atoma, te počinje njihovo kretanje. Stoga nedostatak vodljivosti u odsustvu napona.

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

Karakteristika drain-gate pokazuje isto, razlike su opet u naponima vrata.

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

Ključ je bio napajan naponom od 12 V, a na vratima 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.

Dodajući po 0,1V primijetio sam da sa svakim desetim voltom struja sve više raste, a za 4,6V tranzistor je gotovo potpuno otvoren, razlika s naponom vrata od 20V u struji odvoda je samo 41 mA, na 1,1 A to je besmislica.

Ovaj eksperiment odražava činjenicu da se inducirani kanalni tranzistor otvara samo kada se dosegne granični napon, što mu omogućuje da savršeno radi kao prekidač u impulsnim krugovima. Zapravo, IRF740 je jedan od najčešćih.

Rezultati mjerenja struje vrata pokazali su da, zapravo, tranzistori s efektom polja gotovo ne troše kontrolnu struju. S naponom od 4,6 volti, struja je bila samo 888 nA (nano !!!).

Pri naponu od 20V iznosio je 3,55 μA (mikro). Bipolarni tranzistor bi ga imao reda veličine 10 mA, ovisno o pojačanju, što je desetke tisuća puta više od tranzistora s efektom polja.

Ne otvaraju se sve tipke s takvim naponima, to je zbog dizajna i značajki sklopa uređaja na kojima se koriste.

Ispražnjeni kapacitet u prvom trenutku zahtijeva veliku struju punjenja, a čak i rijetki upravljački uređaji (PWM kontroleri i mikrokontroleri) imaju jake izlaze, stoga koriste drajvere za vrata polja, kako u tranzistorima s efektom polja, tako i u (bipolarnim s izoliranim vrata). Ovo je pojačalo koje pretvara ulazni signal u izlazni signal takve veličine i jakosti struje, dovoljne za uključivanje i isključivanje tranzistora. Struja punjenja također je ograničena otpornikom u seriji s vratima.

U ovom slučaju, nekim vratima se također može upravljati s priključka mikrokontrolera preko otpornika (isti IRF740). Dotaknuli smo se ove teme.

Oni podsjećaju na tranzistori s efektom polja s kontrolnim vratima, ali se razlikuju po tome što su na UGO, kao i na samom tranzistoru, vrata odvojena od podloge, a strelica u sredini označava vrstu kanala, ali je usmjerena od podloge do kanala, ako je n-kanalni mosfet - prema zatvaraču i obrnuto.

Za ključeve s induciranim kanalom:

Moglo bi izgledati ovako:

Obratite pažnju na nazive pinova na engleskom jeziku, oni su često naznačeni u podatkovnim tablicama i na dijagramima.

Za ključeve s ugrađenim kanalom:

U tranzistorima ovog tipa, kapija je odvojena od poluvodiča slojem dielektrika, koji je obično silicij dioksid u silicijskim uređajima. Ovi tranzistori su skraćeno MOS (metal-oksid-poluvodič) i MOS (metal-izolator-poluvodič). U literaturi na engleskom jeziku obično se označavaju skraćenicom MOSFET ili MISFET (Metal-Oxide (Insulator) -Semiconductor FET).

Zauzvrat, MIS tranzistori su podijeljeni u dvije vrste.

U tzv tranzistori s ugrađenim (vlastitim) kanalom (tranzistor tipa iscrpljivanja) a prije nego što se dovede do vrata, postoji kanal koji povezuje izvor i odvod.

U tzv inducirani kanalni tranzistori (tranzistor za obogaćivanje) gornji kanal nedostaje.

MOS tranzistore karakterizira vrlo visoka ulazna impedancija. Prilikom rada s takvim tranzistorima potrebno je poduzeti posebne mjere opreza za zaštitu od statičkog elektriciteta. Na primjer, kod lemljenja svi vodovi moraju biti kratko spojeni.

MOS tranzistor s ugrađenim kanalom.

Kanal može imati i p-tip i n-tip vodljivosti. Radi određenosti, okrenimo se tranzistoru s kanalom p-tipa. Dajemo shematski prikaz strukture tranzistora (slika 1.97), konvencionalnu grafičku oznaku tranzistora s kanalom p-tipa (slika 1.98, a) i s 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 uzi. S povećanjem toga, koncentracija rupa u kanalu se smanjuje (budući da je potencijal vrata veći od potencijala izvora), što dovodi do smanjenja struje odvoda.

Ovdje je dijagram povezivanja tranzistora (slika 1.99).

Na dren ne utječe samo uzi, već i između podloge i upi izvora. Međutim, kontrola vrata je uvijek poželjna jer su ulazne struje mnogo niže. Osim toga, prisutnost na podlozi smanjuje nagib.

Supstrat tvori pn spoj s izvorom, odvodom i kanalom. Kada koristite tranzistor, morate paziti da ga ovaj spoj ne pomakne naprijed. U praksi je supstrat spojen na izvor (kao što je prikazano na dijagramu) ili na točku u krugu koja ima potencijal veći od potencijala izvora (potencijal odvoda u gornjem krugu je manji od potencijala izvora).

Prikažimo izlazne karakteristike MOS tranzistora (ugrađeni p-kanal) tipa KP201L (slika 1.100) i njegovu karakteristiku vrata (slika 1.101).

MOS tranzistor s induciranim (induciranim) kanalom.

Kanal može imati i p-tip i n-tip vodljivosti. Da budemo konkretni, okrenimo se p-kanalnom tranzistoru. Dajemo shematski prikaz strukture tranzistora (slika 1.102), konvencionalnu grafičku oznaku tranzistora s 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 odvod je nula. Tranzistor može raditi samo u načinu obogaćivanja, što odgovara negativnom uzi. U ovom slučaju, ufrom> 0. Ako vrijedi nejednakost ufrom> ufrom od praga, gdje je ufrom od praga takozvani napon praga, tada se između izvora i odvoda pojavljuje kanal p-tipa kroz koji može teći struja.

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

Opisani fenomen promjene vrste vodljivosti naziva se inverzija vrste vodljivosti, a poluvodički sloj u kojem se ona odvija (a koji je kanal) naziva se inverzija (inverzija). Sloj osiromašen mobilnim nosiocima naboja formira se izravno ispod inverznog sloja. 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).

Prikažimo sklopni krug tranzistora (slika 1.104), izlazne karakteristike (slika 1.105) i karakteristiku drain-gate (slika 1.106) za MOS tranzistor s induciranim p-kanalom KP301B.

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