Меню

Полевой транзистор полупроводниковый прибор в котором ток

Полевые транзисторы

date image2015-04-01
views image13811

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

В полупроводниковой электронике наряду с биполярными транзисторами находят применение транзисторы, управляемые электрическим полем, одной из положительных особенностей которых является большое входное сопротивление (составляет 1-10 МОм и более). Такие транзисторы получили название полевых (униполярных).

Устройство и принцип действия

Полевыми транзисторами называют полупроводниковые приборы, в которых создание электрического тока обусловлено перемещением носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля, а управление выходным током основано на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем.

Принцип работы полевых транзисторов может быть основан:

— на зависимости сопротивления полупроводника от сечения его проводящей области (чем меньше сечение – тем меньше ток; реализован в полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом);

— на зависимости проводимости полупроводника от концентрации основных носителей (реализован в полевых транзисторах с изолированным затвором структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы)).

Полевой транзистор с управляющим р-п-переходом (ПТУП) представляет собой тонкую полупроводниковую пластину с одним р-п-переходом и с невыпрямляющими контактами по краям. Электропроводность материала пластины может быть п-типа или р-типа. В качестве примера рассмотрим транзистор, у которого основная пластина состоит из полупроводника n-типа (рисунок 1.32).

Рисунок 1.32 – Структура полевого транзистора с управляющим р-п-переходом

Основными областями в структуре полевого транзистора с управляющим р-п-переходомявляются:

— область истока – область, от которой начинают перемещение носители зарядов;

— область стока – область, к которой перемещаются носители;

— область затвора – область, с помощью которой осуществляется управление потоком носителей;

— область канала – область, через которую перемещаются носители.

Выводы от соответствующих областей транзистора имеют аналогичные названия: исток (И), сток (С) и затвор (3) (рисунок 1.32).

На рисунке 1.33 показаны условные графические обозначения полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом: с каналом п-типа (рисунок 1.33, а) и каналом р-типа (рисунок 1.33, б).

Рисунок 1.33 – УГО полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом

Рассмотрим принцип функционирования ПТУП. Источники напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы между электродами стока и истока протекал электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещало электронно-дырочный переход в обратном направлении.

На рисунке 1.34 показан способ подключения источников напряжения к выводам ПТУП с каналом п-типа.

Рисунок 1.34 – Подключение источников напряжения к выводам ПТУП

Под действием напряжения источника ЕСИ электроны будут перемещаться от истока к стоку, обеспечивая во внешней цепи ток стока IC.

Концентрации носителей зарядов в полупроводниковом материале канала и затвора выбраны таким образом, что при подаче обратносмещающего напряжения между затвором и истоком р-п-переход будет расширяться в область канала. Это приводит к уменьшению площади поперечного сечения проводящей части канала и, следовательно, к уменьшению тока стока IC.

Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, в общем случае зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала (и, соответственно, к уменьшению тока, протекающего в канале).

Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда,которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения.

Напряжение между затвором и истоком, при котором канал полностью перекрывается и ток стока достигает минимального значения (IC » 0), называют напряжением отсечки (Uотс) полевого транзистора.

В отличие от ПТУП, у которых затвор имеет электрический контакт с каналом, в полевых транзисторах с изолированным затвором (ПТИЗ) затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированного от полупроводника. В зависимости от вида изоляции различают МДП- и МОП-транзисторы (соответственно, металл – диэлектрик – полупроводник и металл – оксид – полупроводник, например двуокись кремния SiO2).

В исходном состоянии канал ПТИЗ может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. В зависимости от этого различают два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: МДП-транзисторы со встроенным каналом (рисунок 1.35, а) (канал создается при изготовлении) и МДП-транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 1.35, б) (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам). В ПТИЗ имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор (рисунок 1.35), называемого подложкой.

Рисунок 1.35 – Устройство полевых транзисторов с изолированным затвором

В ПТИЗ электроды стока и истока располагаются по обе стороны от затвора и имеют непосредственный контакт с полупроводниковым каналом.

Канал называется встроенным, если он изначально обогащен носителями заряда. В этом случае управляющее электрическое поле будет приводить к обеднению канала носителями зарядов. Если канал изначально обеднен носителями электрических зарядов, то он называется индуцированным. При этом управляющее электрическое поле (между затвором и истоком) будет обогащать канал носителями электрических зарядов (то есть, повышать его проводимость).

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется п-каналом. Каналы с дырочной проводимостью называются р-каналами. В результате этого различают четыре типа полевых транзисторов с изолированным затвором: с каналом п— либо р-типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные графические обозначения названных типов полевых транзисторов представлены на рисунке 1.36.

Управляющее напряжение в ПТИЗ можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. Рассмотрим в качестве примера принцип управления током в полевых транзисторах, структуры которых показаны на рисунке 1.35.

Рисунок 1.36 – УГО полевых транзисторов с изолированным затвором

Если на затвор подать положительное напряжение, то под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника (рисунок 1.35, б) появляется канал п-типа за счет отталкивания дырок от поверхности в глубь полупроводника. В транзисторе со встроенным каналом (рисунок 1.35, а) происходит расширение уже имеющегося канала при подаче положительного напряжения или сужение – при подаче отрицательного. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора.

Существенным преимуществом ПТИЗ перед ПТУП является высокое входное сопротивление, достигающее значений 10 10 – 10 14 Ом (у транзисторов с управляющим р-п-переходом – 10 7 – 10 9 Ом).

Важным преимуществом полевых транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации слабых сигналов.

Кроме этого следует выделить такие достоинства, как:

высокое входное сопротивление;

отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора.

Вольт-амперные характеристики и основные параметры полевых транзисторов

Из рассмотренного ранее следует, что всего существует шесть типов полевых транзисторов. Их типовые передаточные характеристики приведены на рисунке 1.37. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпускаются только ПТИЗ со встроенным каналом р-типа.


Рисунок 1.37 – Передаточные характеристики полевых транзисторов

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом п-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом р-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным IС нач. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки Uотс становится близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения Uпор. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока IС.нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

На рисунке 1.38 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУП с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений.


Рисунок 1.38 – Выходные ВАХ ПТУП

На ВАХ полевого транзистора можно выделить две области: линейную и насыщения.

В линейной области ВАХ вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пентодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.

Максимальное напряжение, прикладываемое между стоком и истоком полевого транзистора, для каждого типа транзисторов различно. Но в общем случае, как показано на рисунке 1.39, при превышении некоторого значения UСИ проб резко возрастает ток стока, что может привести к выходу из строя транзистора в результате пробоя.

Читайте также:  Как замерить ток клещами мультиметра

Рисунок 1.39 – Семейство выходных ВАХ полевого транзистора

К основным параметрам полевых транзисторов относятся:

— крутизна стокозатворной характеристики

Типовые значения: S = 0,1-500 мА/В;

— крутизна характеристики по подложке

Типовые значения: Sп = 0,1-1 мА/В;

— начальный ток стока IС нач – ток стока при нулевом напряжении UЗИ.

У транзисторов с управляющим рп-переходом IC нач = 0,2-600 мА, со встроенным каналом – IС нач = 0,1-100 мА, с индуцированным каналом – IС нач = 0,01-0,5 мкА;

— напряжение отсечки UЗИ отс (типовые значения UЗИ отс = 0,2-10 В);

— сопротивление сток – исток в открытом состоянии RСИ отк (типовые значения RСИ отк = 2-300 Ом);

— остаточный ток стока IС ост – ток стока при напряжении UЗИ отс (IС ост = 0,001-10 мА);

— максимальная частота усиления fp – частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице (типовые значения fp – десятки – сотни МГц).

Источник

Принцип работы полевого транзистора для чайников: для чего он нужен и как работает

Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя третьего контакта. на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

  • Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
  • Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся на участке n;
  • Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Полевые транзисторы с n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.

Видео «Подробно о полевых транзисторах»

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

  1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
  2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
  3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
  4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

Комплект устройств

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

  • устройства под управлениями р-n переходов;
  • устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Сравнение принципа действия полевого и биполярного транзистора

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

  1. Усиления высокой частоты.
  2. Усиления низкой частоты.
  3. Модуляции.
  4. Усиления постоянного тока.
  5. Ключевых устройств (выключателей).

Транзистор, встроенный в выключатель

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке. Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

Использование на материнской плате

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Полевой транзистор в плате смартфона

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

  • каскады детали расходуют малое количество энергии;
  • показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
  • достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
  • обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.
  • менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
  • на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
  • чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.

Видео «Устройство и принцип работы полевого транзистора»

Источник

Полевые транзисторы. For dummies

Введение

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Читайте также:  Электромагнитные помехи при постоянном токе

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

  1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
  2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
  3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
  4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
  5. Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
  6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Читайте также:  Зарядка акб маленьким током

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения. И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

  • высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
  • высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
  • поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
  • высокая температурная стабильность;
  • малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
  • малое потребление мощности.

Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

Источник



Лекция №4. Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создают основные носители заряда под действием продольного

Полевые транзисторы.

Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемого напряжением, приложенным к управляющему электроду.

По конструктивным особенностям ПТ делятся:

1). на канальные (с p-n переходами);

2). с изолированным затвором (МДП или МОП).

Условные обозначения канальных транзисторов.

Конструктивно полевой-канальный транзистор выполнен в виде тонкого слоя полупроводника типа n или p , который ограничен с двух сторон электронно-дырочными переходами.

Включение в электрическую цепь осуществляется с помощью двух электродов И и С.

Вывод подсоединенный к областям P называется затвором (3).

Выводы И, С, З, соответствуют Э, К,Б, в биполярных транзисторах.

Величина тока в канале зависит от напряжения UCИ, нагрузочного сопротивления, и сопротивления полупроводниковой пластины.

При постоянных зависит только от поперечного сечения канала.

Сечение канала зависит от величины напряжения на затворе .

Увеличение отрицательного напряжения на затворе приводит к уменьшению поперечного сечения канала, и в итоге к уменьшению тока .

Уменьшение отрицательного напряжения на затворе увеличивает поперечное сечение канала и в итоге увеличивает ток .

Подключив последовательно с источник сигнала можно изменять ток через канал по закону изменения входного сигнала. Ток протекая через сопротивление создает на нем падение напряжения, изменяющееся по закону .

Полевые транзисторы МОП или МДП имеют структуру: металл – диэлектрик (окисел) – полупроводник. Принцип работы основан на эффекте поля в поверхностном слое полупроводника.

Основой прибора служит пластина (подложка) монокристаллического кремния р-типа. Области стока и истока представляют собой участки кремния, сильно легированные примесью типа –n . Затвором служит металлическая пластина, изолированная от канала слоем диэлектрика 0,1 мКм. (Можно использовать и пленку двуокиса кремния).

В зависимости от полярности напряжения на затворе канал может обедняться или обогащаться носителями зарядов. Положительное напряжение на затворе способствует втягиванию электронов из подложки в канал. В отличии от канального транзистора МДП и МОП могут работать при положительном и отрицательном напряжениях на затворе.

Условные обозначения тр-ров МДП и МОП

С встроенным каналом индивидуальным каналом

Схемы включения полевых транзисторов.

Рис. 6. Рис. 7. Рис. 8.

Статистические характеристики полевых транзисторов.

Различают выходные (стоковые) вольтамперные характеристики полевых транзисторов .

При ; ток растет почти линейно. Однако с возрастанием тока увеличивается падение напряжения на канале, повышается обратное смещение для p-n переходов, что ведет к сужению канала и замедляет рост тока напряжение при котором происходит насыщение наз. Напряжения

Зависимость получила название стокозатворной характеристики.

Основные параметры полевых транзисторов.

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

1). Крутизна характеристики.

Характеризует усилительные свойства тр-ра.

2). Дифференциальное сопротивление

3). Статистический коэффициент усиления

4). Входное сопротивление

Четырехслойные полупроводниковые приборы (тиристоры).

Тиристоры относятся к классу 4х слойных полупроводниковых приборов состоящих из четырех последовательно чередующихся областей с проводимостью p и n –типа.

Диодный тиристор — имеет вывод от двух крайних областей

Триодный тиристор в отличие от динистора имеет еще и управляющий электрод.

В этих структурах крайние электронно-дырочные переходы называются эмиттерами, средний переход — коллекторным. Внутренние области n-p

называются базами. Электрод связанный с внешней р- областью называется Анодом , а с n-областью катодом. Из схемы включения динистора видно, что коллекторный переход заперт обратным напряжением источника Е.

Типовая вольт-амперная характеристика динистора приведена на рисунке.

Для области Оа характерно то, что значительный рост напряжения сопровождается малым ростом тока.

Область аб – область лавинного пробоя. Участок бв – область отрицательного сопротивления, на котором рост тока сопровождается уменьшением напряжения.

Динистор характеризуется 2 устойчивыми состояниями ( Оа и вг) наличие которых позволяет использовать прибор в качестве мощного переключающего элемента в различных устройствах автоматики.

Для анализа работы тиристоров представим его в виде двух транзисторов.

При увеличении Э.Д.С. источника инжектированные одним из эмиттеров основные носители зарядов пересекают область , где они не являются основными частично рекомбинировая в ней.

Нерекомбинировавшиеся носители проходят через коллекторный переход и, оказавшись в области, для которой они являются основными т.е. в слое базы сопряженного транзистора, понижают высоту потенциального барьера, способствуя инжектированию зарядов из второго эмиттера, что ведет к увеличению общего тока прибора.

Переход структуры p-n-p-n из непроводящего состояния в проводящее можно вызвать не только внешним напряжением, но и увеличением напряжения в одном из эквивалентных транзисторов. Для этого в тиристоре от одной из баз делают вывод (управляющий электрод). Меняя ток управляющего электрода можно регулировать напряжение переключения, а следовательно управлять работой прибора.

Основные параметры:

1). Напряжение вкл. — напряжение при котором ток через прибор начинает резко возрастать.

2). Ток включения- ток при приложении напряжения включения.

3). Удерживающий ток – минимальный ток необходимый для удержа6ния тиристора в откр. Состоянии.

4). Напр. в открытом состоянии.

5). Ток в закрытом состоянии.

6). Пост. отпир. Ток УЭ- минимальный тоу УЭ, который по рекл. тиристор.

Однопереходный транзистор (двухбвзовый диод).

Однопереходный транзистор представляет собой монокристалическую пластинку кремния n-типа с высоким значением удельного сопротивления, на кондах которой расположены омические контакты Б1 и Б2, а на боковой стороне – один эмиттерный переход (рис1).

Участки кристалла длинной и ( ) выполняют роль базы.

Эмиттерный контакт связан с внешним выводом эмиттера Э.

Схема включения однопереходноготранзистора показана на рис.2. К выводам баз Б1 и Б2 подключают напряжение питания UБ1 Б2, причем Б2 имеет положительный потенциал относительно Б1. Под действием этого напряжения в кремневой пластинке возникает ток IБ1 Б2.

Участок между базами Б1 и Б2 однопереходного транзистора представляет собой омическое сопротивление в несколько КОМ с линейной вольт амперной характеристикой. Поэтому напряжение UБ1 Б2 распределяется по базам пропорционально их сопротивлениям. Эти напряжения соответственно равны UЭБ1 и UЭБ1. Полярность напряжения UБ1 такова, что в исходном состоянии эмиттерный переход будет смещен в обратном направлении и через него пройдет только небольшой обратный ток IЭБ0.

Это же состояние сохранится при подаче на эмитттер отрицательного напряжения UЭ или положительного, но не превышающего величину UЭБ1. Если же напряжение UЭ превысит напряжение UЭБ1 на величину, достаточную для отпирания перехода (точка АНА рис.3.), то в кремнивую пластинку будут инжектироваться дырки. Под действием напряжения UБ1 Б2 дырки будут двигаться к выводу Б1, образуя эмиттерный ток, что приведет к увеличению проводимости на участке . В результате внутреннее напряжение UБ1 уменьшится, что приведет к дальнейшему росту IЭ. Этот процесс будет протекать лавинообразно. С ростом эмиттерного тока, сопротивление эмиттерного перехода снижается, а напряжение UЭ уменьшается.

Благодаря простоте конструкции, стабильному напряжению срабатывания, малому потреблению тока в цепи управления хорошей повторяемости параметров от образца к образцу, возможности передачи мощных импульсов, однопереходные транзисторы с успехом используют в разнообразных импульсных схемах.

Фототранзисторы.

Фототранзистор представляет собой фото гальванический приемник излучения, фоточувствительный элемент которого содержит структуру транзистора, обеспечивающую внутреннее усиление. Конструктивно фото транзистор выполнен так, чтобы световой поток воздействовал на базовую область. Обычно фото транзистор включается по схеме с общим эмиттером и при отсутствии освещения через него протекает темновой ток IКЭ0. При освещение базы в ней происходит генерация дополнительных пар электрон-дырка. Дырки являясь неосновными носителями зарядов в базе диффундируют к коллекторному переходу и втягиваются полем в коллектор, образуя первую составляющую фототока Iф1.

Дата добавления: 2015-08-08 ; просмотров: 1279 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник