Практические примеры схем на полевых транзисторах.

Сегодня для закрепления материала про полевики рассмотрим схемы на полевых транзисторах и обсудим принцип их работы. Предыдущие статьи про ПТ вот тут — раз и два. Начнем!

Схема истокового повторителя.

Биполярным аналогом этого устройства является эмиттерный повторитель (о нем шла речь тут). Вот как выглядит простейший повторитель на полевом транзисторе:

Ну давайте разбираться что же и как этот повторитель повторяет 🙂 Напряжение на выходе:

U_и = i_с\medspace R_1

Ток стока мы можем определить через напряжение затвор-исток следующим образом:

i_с = g_m\medspace U_{зи} = g_m\medspace (U_з\medspace-\medspace U_и)

Подставляем i_с в формулу для U_и и получаем вот что:

U_и = \frac{R_1\medspace g_m}{1 + R_1\medspace g_m}\medspace U_з

И если сопротивление нагрузки R_1 намного превышает величину \frac{1}{g_m}, то мы получаем довольно-таки хороший повторитель (U_з = U_и).

Но у этой схемы есть парочка существенных недостатков. Во-первых, характеристики полевого транзистора трудно поддаются контролю при изготовлении, поэтому такой истоковый повторитель может иметь непредсказуемое смещение по постоянному току. А во-вторых, такой повторитель имеет довольно-таки большое выходное сопротивление, соответственно, амплитуда выходного сигнала все-таки будет меньше, чем амплитуда сигнала на входе.

Более качественный повторитель получается при использовании согласованных пар транзисторов. Такая схема выглядит следующим образом:

Рассмотрим работу данной схемы. Полевик Q2 задает определенный ток. Этот ток соответствует напряжению затвор-исток, равному нулю. Транзисторы включены последовательно, значит через Q1 течет такой же ток, а так как полевики абсолютно одинаковые, то и для Q1 напряжение затвор-исток равно нулю. В то же время:

U_{зи} = U_з\medspace-\medspace U_и = U_{вх}\medspace-\medspace U_{вых} = 0

Вот и получаем, что U_{вх} = U_{вых}, то есть напряжение на выходе повторяет сигнал на входе.

Эту схему истокового повторителя можно еще модернизировать, добавив резисторы в цепь истока. С помощью подбора их значений можно установить разные значения тока стока:

На этом заканчиваем с истоковыми повторителями и переходим к некоторым другим схемам на полевых транзисторах 🙂

Схема ключа на полевом транзисторе.

Здесь мы видим n-канальный МОП-транзистор. При заземленном затворе полевик находится в закрытом состоянии и, соответственно, входной сигнал не проходит на выход. Если подать на затвор напряжение, например, +10 В, то транзистор перейдет в открытое состояние и сигнал практически беспрепятственно пройдет на выход.

Тут особо и объяснять нечего 🙂

Теперь перейдем к логическим элементам (вентилям) на МОП-транзисторах. И начнем с вариантов исполнения логического инвертора. Посмотрите на схемку:

Что вообще должен делать инвертор? Очевидно, что инвертировать сигнал 🙂 То есть подаем на вход сигнал низкого уровня, на выходе получаем высокий уровень и наоборот.

Давайте смотреть как это все работает. Если на входе низкий уровень сигнала, то n-канальный МОП-транзистор закрыт, ток через резистор нагрузки не течет, соответственно, все напряжение Vcc оказывается на выходе. А если на входе высокий уровень, то ПТ во включенном состоянии проводит ток, при этом на нагрузке появляется напряжение, а потенциал стока (выходной сигнал) практически равен нулю (низкий уровень). Вот так вот эта схема и работает.

Рассмотрим еще один вариант инвертора, но уже с использованием p-канального ПТ:

Работает эта схема аналогично схеме инвертора на n-канальном транзисторе, поэтому останавливаться на этом не будем.

Есть один большой минус у обеих этих схем — это высокое выходное сопротивление. Можно, конечно, уменьшать R_1, но при это рассеиваемая мощность будет увеличиваться (она обратно пропорциональна квадрату сопротивления). Как вы понимаете, в этом нет ничего хорошего. Отличной альтернативой этим схемам инверторов является схема на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП). Она имеет следующий вид:

Итак, пусть у нас на входе сигнал высокого уровня. Тогда p-канальный МОП-транзистор Q2 будет выключен, а Q1, напротив, будет во включенном состоянии. При этом на выходе будет сигнал низкого уровня. А что если на входе низкий уровень? А тогда наоборот Q1 будет выключен, а Q2 включен, и на выходе окажется сигнал высокого уровня. Вот и все 🙂

Пожалуй, рассмотрим теперь еще одну схемку на полевиках — схему логического вентиля И-НЕ. Этот вентиль имеет два входа и один выход, и и низкий уровень должен быть на выходе только в том случае, когда на оба входа подан сигнал высокого уровня. Во всех остальных случаях на выходе сигнал высокого уровня.

Смотрите, как это работает. Если на Входе 1 и Входе 2 высокий уровень, то оба n-канальных транзистора Q1 и Q2 проводят ток, а p-канальные Q3 и Q4 закрыты, и на выходе окажется сигнал низкого уровня. Если на одном из входов сигнал низкого уровня, то один из транзисторов Q3, Q4 открыт, а, соответственно, один из транзисторов Q2, Q1 закрыт. Тогда цепь Q1 — Q2 — земля разомкнута, а на выход через открытый транзистор Q3 или Q4 попадает напряжение высокого уровня. Вот и получается, что низкий уровень на выходе возможен только если на обоих входах сигнал высокого уровня.

Заканчиваем на этом разговор о полевых транзисторах 🙂 Мы сегодня рассмотрели схемы на полевых транзисторах и кроме того разобрались как они работают. Так что до скорых встреч на нашем сайте!

Характеристики и параметры полевого транзистора: схемы, вольт-амперные кривые

Кратко охарактеризуем различные схемы включения полевого транзистора и рассмотрим его характеристики и параметры.

Схемы включения транзистора.

Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком.

Для понимания особенностей работы некоторого электронного устройства очень полезно уметь относить конкретное решение к той или иной схеме включения (если схема такова, что это в принципе возможно).

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Моделирующие программы при замене транзистора математической моделью никак не учитывают способ включения транзистора. Важно понять, что если даже на стадии разработки математической модели имеет место ориентация на конкретную схему включения, то на стадии использования эта модель должна правильно моделировать транзистор во всех самых различных ситуациях.

При объяснении влияния напряжения uис на ширину p-n-перехода фактически использовалась схема с общим истоком (см. рис. 1.87) (Статья 1 Устройство и основные физические процессы). Рассмотрим характеристики, соответствующие этой схеме (что общепринято).

Так как в рабочем режиме i_з = 0, i_u ~ i_с, входными характеристиками обычно не пользуются. Например, для транзистора КП10ЗЛ, подробно рассматриваемого ниже, для тока утечки затвора iз ут при t < 85°С выполняется условие iз ут< 2 мкА.

Изобразим схему с общим истоком (рис. 1.89).

Выходные (стоковые) характеристики транзистора

Выходной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uис)|uзи =const где f — некоторая функция.

Изобразим выходные характеристики для кремниевого транзистора типа КП10ЗЛ с p-n-переходом и каналом p-типа (рис. 1.90).

Обратимся к характеристике, соответствующей условию uзи = 0. В так называемой линейной области (uис< 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При uис = 3 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока ic, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт (характеризующаяся очень большим удельным сопротивлением), расширяется. При этом сопротивление на постоянном токе промежутка исток-сток увеличивается, а ток ic практически не изменяется.

Ток стока в области насыщения при uзи= 0 и при заданном напряжении uис называют начальным током стока и обозначают через iс нач. Для рассматриваемых характеристик iс нач = 5 мА при uис= 10 В. Для транзистора типа КП10ЗЛ минимальное значение тока iс начравно 1,8 мА, а максимальное — 6,6 мА. При uис > 22 В возникает пробой p-n-перехода и начинается быстрый рост тока.

Теперь кратко опишем работу транзистора при различных напряжениях uзи. Чем больше заданное напряжение uзи , тем тоньше канал до подачи напряжения uис и тем ниже располагается характеристика.

Как легко заметить, в области стока напряжение на p-n-переходе равно сумме uзи+uис. Поэтому чем больше напряжение uзи , тем меньше напряжение uис, соответствующее началу пробоя.

Когда uзи= 3 В, канал оказывается перекрыт областью p-n-перехода уже до подачи напряжения uис . При этом до пробоя выполняется условие i_c = 0. Таким образом,uзи _отс = 3 В.Для рассматриваемого типа транзистора минимальное напряжение отсечки +2 В, а максимальное +5 В. Эти величины соответствуют условию i_c = 10 мкА. Это так называемый остаточный ток стока, который обозначают через ic отс. Полевой транзистор характеризуется следующими предельными параметрами (смысл которых понятен из обозначений):uис _макс,uзс_макс, P_макc.

Для транзистора КП10ЗЛ uис_макс = 10 В,uзс_макс = 15 В, P_макc = 120 мВт (все при t = 85°С).

Графический анализ схем с полевыми транзисторами.

Для лучшего уяснения принципа работы схем с полевыми транзисторами полезно провести графический анализ одной из них (рис. 1.91).

Пусть Е_с = 4 В; определим, в каких пределах будет изменяться напряжение uиспри изменении напряжения uзи от 0 до 2 В.

При графическом анализе используется тот же подход, который был использован при анализе схем с диодами и биполярными транзисторами. Для рассматриваемой схемы, в которой напряжение между затвором и истоком равно напряжению источника напряжения uзи, нет необходимости строить линию нагрузки для входной цепи. Линия нагрузки для выходной цепи задается выражением Е_с =iс·Rс+uис Построим линию нагрузки на выходных характеристиках транзистора, представленных на рис. 1.92.

Из рисунка следует, что при указанном выше изменении напряжения uзинапряжение uис будет изменяться в пределах от 1 до 2,6 В, что соответствует перемещению начальной рабочей точки от точки А до точки В. При этом ток стока будет изменяться от 1,5 до 0,7 мА.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Стокозатворные характеристики (характеристики передачи, передаточные, переходные, проходные характеристики). Стокозатворной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uзи) |uис =const где f — некоторая функция.

Такие характеристики не дают принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда более удобны для использования. Изобразим стокозатворные характеристики для транзистора КП10ЗЛ (рис. 1.93).

Для некоторых транзисторов задается максимальное (по модулю) допустимое отрицательное напряжение uзи, например, для транзистора 2П103Д это напряжение не должно быть по одулю больше чем 0,5 В.

Свойства транзистора по усилению напряжения

• Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):

S= |diс/duзи|uзи – заданное, uис =const Обычно задается u зи= 0. При этом для транзисторов рассматриваемого типа крутизна максимальная. Для КП10ЗЛS = 1,8…3,8 мА/В при u ис= 0 В, uзи= 0, t = 20°С.

• Внутреннее дифференциальное сопротивление R_{ис диф} (внутреннее сопротивление)

Rисдиф= (duис/ diс) |uис–заданное,uзи= const

Для КП10ЗЛ R_{ис диф} = 25 кОм при u ис= 10 В,uзи=0.

• Коэффициент усиления

M = (duис/ duзи) |uзи–заданное,iс= const

Можно заметить, что M =S· R_{ис диф}

Для КП10ЗЛ при S = 2 мA/B и R_{ис диф} = 25 кОм М = 2 (мА/В) · 25 кОм = 50.

• Инверсное включение транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный, может работать в инверсном режиме. При этом роль истока играет сток, а роль стока — исток.

Прямые (нормальные) характеристики могут отличаться от инверсных, так как области стока и истока различаются конструктивно и технологически.

• Частотные (динамические) свойства транзистора.

В полевом транзисторе в отличие от биполярного отсутствуют инжекция неосновных носителей и их перемещение по каналу, и поэтому не эти явления определяют динамические свойства. Инерционность полевого транзистора определяется в основном процессами перезаряда барьерной емкости p-n-перехода. Свое влияние оказывают также паразитные емкости между выводами и паразитные индуктивности выводов.

В справочных данных часто указывают значения следующих дифференциальных емкостей, которые перечислим ниже:

• входная емкость С_зи — это емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи;
• проходная емкость С_зс — это емкость между затвором и стоком при разомкнутой по переменному току входной цепи;
• выходная емкость С_ис — это емкость между истоком и стоком при коротком замыкании по переменному току входной цепи.

Для транзистора КП10ЗЛ С_зи < 20 пФ, С_зс << 8 пФ при uис= 10 В и uзи= 0.

Крутизну S, как и коэффициент B биполярного транзистора, в ряде случаев представляют в форме комплексного числа S. При этом, как и для коэффициента B, определяют предельную частоту f_пpед. Это та частота, на которой выполняется условие:

| Ś | = 1 / √2 ·S_пт где S_пт — значение S на постоянном токе.

Для транзистора КП103Л данные по f_пpед в использованных справочниках отсутствуют, но известно, что его относят к транзисторам низкой частоты (предназначенным для работы на частотах до 3 МГц).

Полевой транзистор — расчёт усилительных каскадов

Как просто рассчитать режимы работы и номиналы элементов схем на полевых транзисторах в различных схемах включения: c общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС, он же истоковый повторитель) и общим затвором (ОЗ).

Полевой (униполярный) транзистор – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении сопротивлением токопроводящего канала (сток–исток) посредством электрического поля, создаваемого приложенным к управляющему электроду (затвору) напряжением.

Исток (source) – это электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, т. е. источник носителей тока;
Сток (drain) – это электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда;
Затвор (gate) – это управляющий электрод, который регулирует поперечное сечения канала и, соответственно, ток, протекающий через канал. Управление происходит посредством изменения напряжения между затвором и истоком (Uзи, Vgs).

Несмотря на крайне богатую терминологию различных типов

полевых транзисторов, в большинстве практически встречающихся случаев мы имеем дело: либо с полевыми транзисторами со встроенным p-n переходом обеднённого типа (JFET-транзисторы), либо с полевыми МОП-транзисторами с изолированным затвором (они же MOSFET-ы в основном обогащённого типа), полное название которых звучит, как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors.
И тот и другой типы полевиков могут быть любого знака полярности, т. е. как n-канальными, так и р-канальными.

Независимо от типов полевых транзисторов, они имеют схожие графики зависимости выходного тока от напряжения затвор‑исток, измеряемые при фиксированном значении напряжения стока.

Пример подобных вольт-амперных характеристик приведён на рисунке ниже.

Рис.1 ВАХ обеднённых JFET (1) и обогащённых MOSFET (2) полевых транзисторов n-типа.
Для p-канальных транзисторов — полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды, а также направление тока стока противоположны.

Как можно увидеть, вольт-амперные характеристики обеднённых (1) и обогащённых (2) и полевых транзисторов отличаются только сдвигом напряжения отсечки затвор-исток. При этом n — канальный МОП‑транзистор обогащённого типа не проводит ток до тех пор, пока напряжение Uзи не достигнет некоторого положительного уровня Uотс, в то время как ток стока транзистора обеднённого типа при напряжении Uзи = 0 будет близок к максимальному.

Полевые транзисторы с р‑n ‑переходом – это всегда приборы обеднённого типа и смещение затвора относительно истока должно находиться в отрицательной области (для n — канального ПТ), а если и заходить в положительную, то не более чем на +0,5В во избежание открывания диодного перехода затвор‑канал.

Давайте рассмотрим, как можно рассчитать режимы работы полевика по постоянному току. Для примера возьмём распространённый транзистор 2SK117, широко используемый в каскадах усиления звукового диапазона частот. Приведём две его статических характеристики из datasheet-а и до кучи схему усилительного каскада с общим истоком.

Рис.2 Статическая характеристика транзистора 2SK117 и схема каскада с общим истоком

Что нам советуют делать при расчёте усилительных каскадов на ПТ практически все умные книжки?
Построить на семействе выходных вольт-амперных характеристик транзистора динамическую линию, также называемую нагрузочной прямой. Далее по пересечению этой нагрузочной линии с одним и графиков семейства выходных характеристик найти исходную рабочую точку, которая определяет ток стока и напряжение Uси в режиме покоя. И только после этого переходить к стоково-затворной характеристике ПТ, чтобы определить необходимую величину Uзи.

Конечно, ни один опытный схемотехник этого делать не будет! А делать он будет следующее:

1. Для начала надо определиться с током покоя транзистора Ic. Критериев выбора величины этого тока может быть множество, как с точки зрения достижений необходимой нагрузочной способности, так и других факторов, таких как: быстродействие, шумовые характеристики, энергопотребление, стабильность параметров и т. д. и т. п.
Поскольку 2SK117 является малошумящим полупроводником, а параметр шумовых характеристик в datasheet-е нормируется при токе стока Id=0.5 mA, то и мы для расчёта выберем этот ток равным I_с = 0,5мА .

2. Мысленно проводим на графике зависимости тока стока от напряжения затвор-исток красную линию (Рис.2 слева), пересекающую Id = 0.5 mA. Величина напряжения затвор-исток, исходя из графика, получается U_зи ≈ -0,23В .

3. Поскольку крутизна передаточной характеристики полевого транзистора S = ΔI_c/ΔU_зи является величиной непостоянной, и существенно зависящей от тока покоя стока, то в datasheet-ах на современные транзисторы она либо отсутствует, либо не имеет большого практического смысла.
Давайте оценим её значение по всё тому же графику. Изменение напряжения Uзи в интервале — (0,3 …0,1) В приводит к росту стока 0,25…1,3 мА, что даёт нам ориентировочное значение параметра крутизны при заданном токе S ≈ (1,3-0,25)/(0,3-0,1) = 5,25 мА/В.

4. Всё. Теперь можно вспомнить закон Ома и переходить к расчётам.
R_и = U_зи/I_c = 0,23/0,5 = 0,46 кОм.

Падение напряжения на резисторе Rc имеет смысл выбрать таким, чтобы напряжение стока в режиме покоя находилось в центре линейной области выходной характеристики транзистора. Это требование выполняется при условии U_c = (E_п + U_и)/2.
Если, для примера, напряжение питания выбрать равным 12В, то U_c = (12 + 0,23)/2 = 6,1 В, а
R_c = (E_п — U_с)/I_с = (12 — 6,1)/0,5 ≈ 12 кОм .

Расчёт по постоянному току окончен. Для того, чтобы рассчитать коэффициент передачи каскада ОИ с резистором в истоке (при отсутствии шунтирующего конденсатора), необходимо воспользоваться следующей редкой формулой:
К_u = R_c*S/(1 +R_и*S) .
Подставив все цифры, получим значение К_u = 18,2 .

А теперь давайте проверим полученные расчёты в симуляторе.

Глядя на показания измерительных приборов, убеждаемся, что Uc (5,45В) и Ic (0,545мА) находятся в приемлемом диапазоне по отношению к расчётным значениям.

На диаграммах осциллографа синим цветом указана входная осциллограмма сигнала, имеющего амплитуду 100 мВ, а красным — выходного с амплитудой около 1,8 В, что выдаёт нам в сухом остатке Кu = 18, что так же полностью совпадает с расчётной величиной.

Рис.3

Для увеличения усиления каскада с общим истоком (Рис.2 справа) резистор Rи можно зашунтировать конденсатором Си и резистором Rи1. Тогда в формулу для расчёта Ku вместо значения Rи следует подставлять величину, равную Rи ll Rи1.
Если резистор Rи1 имеет нулевое значение, то формула для расчёта коэффициента усиления каскада приобретает совсем простой вид: К_u = R_c*S .
А ёмкость шунтирующего конденсатора Си (исходя из минимальной (нижней) усиливаемой частоты) можно рассчитать по формуле:
С_и(МкФ) > 1600/[F_мин(Гц)*R_и(кОм)] .

Точно таким же образом рассчитываются режимы по постоянному току и номиналы резисторов для схем с общим затвором (Рис.4б) и с общим стоком, в миру — истоковым повторителем (Рис.4в).

Рис.4 Схемы каскадов на полевых транзисторах ОИ, ОЗ, ОС и ОС со смещением

В случае использования ПТ с низким значением модуля Uотс — напряжение на истоке транзистора в каскаде с ОС (истоковый повторитель) может оказаться слишком мало для достижения необходимых динамических характеристик. В таком случае на затвор транзистора подают напряжение смещения Eсм, а номинал резистора Rи рассчитывают по формуле R_и = (Е_см — U_зи)/I_c .

Все расчёты, проведённые выше, были проделаны для наиболее распространённых в маломощных аналоговых цепях полевых транзисторов со встроенным p-n переходом обеднённого типа (JFET-транзисторы).
На самом же деле, все приведённые формулы и принципы расчёта справедливы и по отношению к МОП-транзисторам с изолированным затвором обогащённого типа (MOSFET-ы). Однако если всё ещё остались какие-либо вопросы, то на следующей странице проведём подобные манипуляции и для них.

 

принцип работы, схемы и т.д.

Полевые транзисторы — специальный класс транзисторов, которые могут использоваться в качестве выключателей, регуляторов тока или усилителей. Полевой транзистор, отличается от обычного транзистора тем, что ток в нем двигается не пересекая P-N перехода. Величиной тока можно управлять путем регулировки затворного потенциала, подаваемого через этот переход. Существует две основные разновидности полевых транзисторов: полевые транзисторы с затвором на основе перехода и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевой транзистор

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Полевой транзистор с затвором на основе перехода

Полевой транзистор с затвором на основе перехода состоит из канальной области (канала) и затвора. Когда он работает, то ток протекает через канал от клеммы истока к клемме стока.

Канал изготовлен из материала n-типа, а затвор — из материала p-типа. Полевые транзисторы с затвором на основе перехода подобного типа называются полевыми транзисторами с затвором на основе перехода с каналом n-типа. На блок-схеме, показанной на рисунке ниже материал p-типа присоединен с обеих сторон к каналу. Однако во многих транзисторах с каналом n-типа этот материал p-типа бывает обернут вокруг канала сплошным кольцом, образуя, тем самым единый, неразрывный p-n переход. Принципы работы данного прибора в основном те же самые, несмотря на методы, использованные в его конструкции.

Схема полевого транзистора с затвором на основе перехода

Потенциал на затворе определяет проводимость на пути от истока до стока указанного транзистора. Затворный потенциал полевого транзистор с затвором на основе перехода, всегда имеет обратное смещение, чтобы снижать до минимума ток, протекающий через переход. Когда переход имеет обратное смещение, то током, протекающим по каналу, можно управлять с помощью изменения размеров обедненной области. Большие значения потенциала обратного смещения вызывают расширение обедненной области, что ограничивает ток, протекающий по каналу. И наоборот, с помощью уменьшения потенциала обратного смещения, и, тем самым, сокращения размеров обеденной области, создается возможность для протекания большего тока от истока к стоку. Состояние обратного смещения гарантирует, что никакой ток не течет самостоятельно через p-n переход.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются от полевых транзисторов с затвором на основе перехода как по своей конструкции, так и по принципу работы. Обычно в полевых транзисторах с изолированным затвором, как это видно из их названия, затвор изолируется от основного корпуса транзистора тонким слоем окиси металла или каким-нибудь другим изолирующим материалом. Транзисторы этого типа, в которых в качестве изолятора использована окись металла, часто называют полевыми транзисторами со структурой металл-оксид-полупроводник.

Изоляция затвора в этих транзисторах от их основной части обеспечивает им двойное преимущество по сравнению с полевыми транзисторами с затвором на основе перехода. Одно из этих преимуществ заключается в том, что подобная изоляция предотвращает движение тока через затвор независимо от полярности, подаваемого на затвор потенциала. А это, в свою очередь, создает второе преимущество, которое состоит в том, что эти транзисторы могут действовать постоянно, независимо от того подается ли на затвор положительный или отрицательный потенциал.

Схема полевого транзистора с изолированным затвором

Составной полевой транзистор типовые схемы. Особенности работы и схема транзистора дарлингтона

Если открыть любую книгу по электронной технике, сразу видно как много элементов названы по именам их создателей: диод Шоттки , диод Зенера (он же стабилитрон), диод Ганна, транзистор Дарлингтона.

Инженер-электрик Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington) экспериментировал с коллекторными двигателями постоянного тока и схемами управления для них. В схемах использовались усилители тока.

Инженер Дарлингтон изобрёл и запатентовал транзистор, состоящий из двух биполярных и выполненный на одном кристалле кремния с диффундированными n (негатив) и p (позитив) переходами. Новый полупроводниковый прибор был назван его именем.

В отечественной технической литературе транзистор Дарлингтона называют составным. Итак, давайте познакомимся с ним поближе!

Устройство составного транзистора.

Как уже говорилось, это два или более транзисторов, изготовленных на одном полупроводниковом кристалле и запакованные в один общий корпус. Там же находится нагрузочный резистор в цепи эмиттера первого транзистора.

У транзистора Дарлингтона те же выводы, что и у всем знакомого биполярного: база (Base), эмиттер (Emitter) и коллектор (Collector).

Схема Дарлингтона

Как видим, такой транзистор представляет собой комбинацию нескольких. В зависимости от мощности в его составе может быть и более двух биполярных транзисторов. Стоит отметить, что в высоковольтной электронике также применяется транзистор, состоящий из биполярного и полевого. Это IGBT транзистор . Его также можно причислить к составным, гибридным полупроводниковым приборам.

Основные особенности транзистора Дарлингтона.

Основное достоинство составного транзистора это большой коэффициент усиления по току.

Следует вспомнить один из основных параметров биполярного транзистора. Это коэффициент усиления (h 21 ). Он ещё обозначается буквой β («бета») греческого алфавита. Он всегда больше или равен 1. Если коэффициент усиления первого транзистора равен 120, а второго 60 то коэффициент усиления составного уже равен произведению этих величин, то есть 7200, а это очень даже неплохо. В результате достаточно очень небольшого тока базы, чтобы транзистор открылся.

Инженер Шиклаи (Sziklai) несколько видоизменил соединение Дарлингтона и получил транзистор, который назвали комплементарный транзистор Дарлингтона. Вспомним, что комплементарной парой называют два элемента с абсолютно одинаковыми электрическими параметрами, но разной проводимости. Такой парой в своё время были КТ315 и КТ361. В отличие от транзистора Дарлингтона, составной транзистор по схеме Шиклаи собран из биполярных разной проводимости: p-n-p и n-p-n . Вот пример составного транзистора по схеме Шиклаи, который работает как транзистор с n-p-n проводимостью, хотя и состоит из двух различной структуры.

схема Шиклаи

К недостаткам составных транзисторов следует отнести невысокое быстродействие , поэтому они нашли широкое применение только в низкочастотных схемах. Такие транзисторы прекрасно зарекомендовали себя в выходных каскадах мощных усилителей низкой частоты, в схемах управления электродвигателями, в коммутаторах электронных схем зажигания автомобилей.

Основные электрические параметры:

Напряжение коллектор – эмиттер 500 V;

Напряжение эмиттер – база 5 V;

Ток коллектора – 15 А;

Ток коллектора максимальный – 30 А;

Мощность рассеивания при 25 0 С – 135 W;

Температура кристалла (перехода) – 175 0 С.

На принципиальных схемах нет какого-либо специального значка-символа для обозначения составных транзисторов. В подавляющем большинстве случаев он обозначается на схеме как обычный транзистор. Хотя бывают и исключения. Вот одно из его возможных обозначений на принципиальной схеме.

Напомню, что сборка Дарлингтона может иметь как p-n-p структуру, так n-p-n. В связи с этим, производители электронных компонентов выпускают комплементарные пары. К таким можно отнести серии TIP120-127 и MJ11028-33. Так, например, транзисторы TIP120, TIP121, TIP122 имеют структуру n-p-n , а TIP125, TIP126, TIP127 — p-n-p .

Также на принципиальных схемах можно встретить и вот такое обозначение.

Примеры применения составного транзистора.

Рассмотрим схему управления коллекторным двигателем с помощью транзистора Дарлингтона.

При подаче на базу первого транзистора тока порядка 1мА через его коллектор потечёт ток уже в 1000 раз больше, то есть 1000мА. Получается, что несложная схема обладает приличным коэффициентом усиления. Вместо двигателя можно подключить электрическую лампочку или реле, с помощью которого можно коммутировать мощные нагрузки.

Если вместо сборки Дарлингтона использовать сборку Шиклаи то нагрузка подключается в цепь эмиттера второго транзистора и соединяется не с плюсом, а с минусом питания.

Если совместить транзистор Дарлингтона и сборку Шиклаи, то получится двухтактный усилитель тока. Двухтактным он называется потому, что в конкретный момент времени открытым может быть только один из двух транзисторов, верхний или нижний. Данная схема инвертирует входной сигнал, то есть выходное напряжение будет обратно входному.

Это не всегда удобно и поэтому на входе двухтактного усилителя тока добавляют ещё один инвертор. В этом случае выходной сигнал в точности повторяет сигнал на входе.

Применение сборки Дарлингтона в микросхемах.

Широко используются интегральные микросхемы, содержащие несколько составных транзисторов. Одной из самых распространённых является интегральная сборка L293D. Её частенько применяют в своих самоделках любители робототехники. Микросхема L293D — это четыре усилителя тока в общем корпусе. Поскольку в рассмотренном выше двухтактном усилителе всегда открыт только один транзистор, то выход усилителя поочерёдно подключается или к плюсу или к минусу источника питания. Это зависит от величины входного напряжения. По сути дела мы имеем электронный ключ. То есть микросхему L293 можно определить как четыре электронных ключа.

Вот «кусочек» схемы выходного каскада микросхемы L293D, взятого из её даташита (справочного листа).

Как видим, выходной каскад состоит из комбинации схем Дарлингтона и Шиклаи. Верхняя часть схемы — это составной транзистор по схеме Шиклаи, а нижняя часть выполнена по схеме Дарлингтона.

Многие помнят те времена, когда вместо DVD-плееров были видеомагнитофоны. И с помощью микросхемы L293 осуществлялось управление двумя электродвигателями видеомагнитофона, причём в полнофункциональном режиме. У каждого двигателя можно было управлять не только направлением вращения, но подавая сигналы с ШИМ-контроллера можно было в больших пределах управлять скоростью вращения.

Весьма обширное применение получили и специализированные микросхемы на основе схемы Дарлингтона. Примером может служить микросхема ULN2003A (аналог К1109КТ22). Эта интегральная схема является матрицей из семи транзисторов Дарлингтона. Такие универсальные сборки можно легко применять в радиолюбительских схемах, например, радиоуправляемом реле. Об этом я .

Дарлингтона), часто являются составным элементов радиолюбительских конструкций. Как известно, при таком включении коэффициент усиления по току, как правило, увеличивается в десятки раз. Однако добиться значительного запаса работоспособности по напряжению, воздействующему на каскад, удается не всегда. Усилители по , состоящие из двух биполярных транзисторов (Рис. 1.23), часто выходят из строя при воздействии импульсного напряжения, даже если оно не превышает значение электрических параметров, указанных в справочной литературе.

С этим неприятным эффектом можно бороться разными способами. Одним из них — самым простым — является наличие в паре транзистора с большим (в несколько раз) запасом ресурса по напряжению коллектор-эмиттер. Относительно высокая стоимость таких «высоковольтных» транзисторов приводит к увеличению себестоимости конструкции. Можно, конечно, приобрести специальные составные кремниевые в одном корпусе, например: КТ712, КТ829, КТ834, КТ848, КТ852, КТ853, КТ894, КТ897, КТ898, КТ973 и др. Этот список включает мощные и средней мощности приборы, разработанные практически для всего спектра радиотехнических устройств. А можно воспользоваться классической — с двумя параллельно включенными полевыми транзисторами типа КП501В — или использовать приборы КП501А…В, КП540 и другие с аналогичными электрическими характеристиками (Рис. 1.24). При этом вывод затвора подключают вместо базы VT1, а вывод истока — вместо эмиттера VT2, вывод стока — вместо объединенных коллекторов VT1, VT2.

Рис. 1.24. Замена полевыми транзисторами составного транзистора по

После такой несложной доработки, т.е. замены узлов в электрических схемах, универсального применения, тока на транзисторах VT1, VT2 не выходит из строя даже при 10-кратной и более перегрузке по напряжению. Причем ограничительного резистора в цепи затвора VT1 также увеличивается в несколько раз. Это приводит к тому, что имеют более высокое входное и, как следствие, выдерживают перегрузки при импульсном характере управления данным электронным узлом.

Коэффициент усиления по току полученного каскада не менее 50. Увеличивается прямо пропорционально увеличению напряжения питания узла.

VT1, VT2. При отсутствии дискретных транзисторов типа КП501А…В можно без потери качества работы устройства использовать микросхему 1014КТ1В. В отличие, например, от 1014КТ1А и 1014КТ1Б эта выдерживает более высокие перегрузки по приложенному напряжению импульсного характера — до 200 В постоянного напряжения. Цоколевка включения транзисторов микросхемы 1014КТ1А…1014К1В показана на Рис. 1.25.

Так же как и в предыдущем варианте (Рис. 1.24), включают параллельно.

Цоколевка полевых транзисторов в микросхеме 1014КТ1А…В

Автор опробовал десятки электронных узлов, включенных по . Такие узлы используются в радиолюбительских конструкциях в качестве токовых ключей аналогично составным транзисторам, включенным по . К перечисленным выше особенностям полевых транзисторов можно добавить их энергоэкономичность, так как в закрытом состоянии из-за высокого входного они практически не потребляют тока. Что касается стоимости таких транзисторов, то сегодня она практически такая же, как и стоимость среднемощных транзисторов типа , (и аналогичным им), которые принято использовать в качестве усилителя тока для управления устройствами нагрузки.

Обозначение составного транзистора, выполненного из двух отдельных транзисторов, соединенных по схеме Дарлингтона, указано на рисунке №1. Первый из упомянутых транзисторов включен по схеме эмиттерного повторителя, сигнал с эмиттера первого транзистора поступает на базу второго транзистора. Достоинством этой схемы является исключительно высокий коэффициент усиления. Общий коэффициент усиления по току р для этой схемы равен произведению коэффициентов усиления по току отдельных транзисторов: р = ргр2 .

Например, если входной транзистор пары Дарлингтона имеет коэффициент усиления, равный 120, а коэффициент усиления второго транзистора равен 50, то общее р составляет 6000. В действительности усиление будет даже несколько большим, так как общий коллекторный ток составного транзистора равен сумме коллекторных токов пары входящих в него транзисторов.
Полная схема составного транзистора показана на рисунке №2. В этой схеме резисторы R 1 и R 2 составляют делитель напряжения, создающий смещение на базе первого транзистора. Резистор Rн, подключенный к эмиттеру составного транзистора, образует выходную цепь. Такой прибор широко применяется на практике, особенно в тех случаях, когда требуется большой коэффициент усиления по току. Схема имеет высокую чувствительность к входному сигналу и отличается высоким уровнем выходного коллекторного тока, что позволяет использовать этот ток в качестве управляющего (особенно при низком напряжении питания). Применение схемы Дарлингтона способствует уменьшению числа компонентов в схемах.

Схему Дарлингтона используют в усилителях низкой частоты, в генераторах и переключающих устройствах. Выходное сопротивление схемы Дарлингтона во много раз ниже входного. В этом смысле ее характеристики подобны характеристикам понижающего трансформатора. Однако в отличие от транформатора схема Дарлингтона позволяет получить большое усиление по мощности. Входное сопротивление схемы примерно равно $²Rn, а ее выходное сопротивление обычно меньше Rн. В переключающих устройствах схема Дарлингтона применяется в области частот до 25 кГц.

Литература: Матью Мэндл. 200 ИЗБРАННЫХ СХЕМ ЭЛЕКТРОНИКИ. Редакция литературы по информатике и электронике. © 1978 Prentice-Hall, Inc. © перевод на русский язык, «Мир», 1985, 1980

• Похожие статьи

Войти с помощью:

Случайные статьи

• 08.10.2014

  Стереофонический регулятор громкости, баланса и тембра на ТСА5550 имеет следующие параметры: Малые нелинейные искажения не более 0,1% Напряжение питания 10-16В (12В номинальное) Ток потребления 15…30мА Входное напряжение 0,5В (коэффициент усиления при напряжении питания 12В единица) Диапазон регулировки тембра -14…+14дБ Диапазон регулировки баланса 3дБ Разница между каналами 45дБ Отношение сигнал шум …

Усилитель, называется именно так, не по причине, что его автор ДАРЛИНГТОН, а потому, что выходной каскад усилителя мощности построен на дарлингтоновских (составных) транзисторах.

Для справки : два транзистора одинаковой структуры соединены специальным образом для высокого усиления. Такое соединение транзисторов образует составной транзистор, или транзистор Дарлингтона — по имени изобретателя этого схемного решения. Такой транзистор используется в схемах работающих с большими токами (например, в схемах стабилизаторов напряжения, выходных каскадов усилителей мощности) и во входных каскадах усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс. Составной транзистор имеет три вывода (база, эмиттер и коллектор), которые эквивалентны выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора, у мощных транзисторов ≈1000 и у маломощных транзисторов ≈50000.

Достоинства транзистора Дарлингтона

Высокий коэффициент усиления по току.

Cхема Дарлингтона изготавливается в виде интегральных схем и при одинаковом токе рабочая поверхность кремния меньше, чем у биполярных транзисторов. Данные схемы представляют большой интерес при высоких напряжениях.

Недостатки составного транзистора

Низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, на высоких частотах их параметры хуже, чем у одиночного транзистора.

Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер в схеме Дарлингтона почти в два раза больше чем в обычном транзисторе, и составляет для кремниевых транзисторов около 1,2 — 1,4 В.

Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0,9 В для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности.

Принципиальная схема УНЧ

Усилитель можно назвать самым дешевым вариантом самостоятельного построения сабвуферного усилителя. Самое ценное в схеме — выходные транзисторы, цена которых не превышает 1$. По идее, такой усилитель усилитель можно собрать за 3-5$ без блока питания. Давайте сделаем небольшое сравнение, какой из микросхем может дать мощность 100-200 ватт на нагрузку 4 Ом? Сразу в мыслях знаменитые . Но если сравнить цены, то дарлингтоновская схема и дешевле и мощнее TDA7294!

Сама микросхема, без комплектующих компонентов стоит 3$ как минимум, а цена активных компонентов дарлингтоновской схемы не более 2-2,5$! Притом, что дарлингтоновская схема на 50-70 ватт мощнее TDA7294!

При нагрузке 4 Ом усилитель отдает 150 ватт, это самый дешевый и неплохой вариант сабвуферного усилителя. В схеме усилителя использованы недорогие выпрямительные диоды, которые можно достать в любом электронном устройстве.

Усилитель может обеспечивать такую мощность за счет того, что на выходе использованы именно составные транзисторы, но при желании они могут быть заменены на обычные. Удобно использовать комплементарную пару КТ827/25, но конечно мощность усилителя спадет до 50-70 ватт. В дифференциальном каскаде можно использовать отечественные-КТ361 или КТ3107.

Полный аналог транзистора TIP41 наш КТ819А, Этот транзистор служит для усиления сигнала с диффкаскадов и раскачки выходников Эмиттерные резисторы можно использовать с мощностью 2-5 ватт, они для защиты выходного каскада. Подробнее про теххарактеристики транзистора TIP41C. Даташит для TIP41 и TIP42 .

Материал p-n-перехода: Si

Структура транзистора: NPN

Предельная постоянная рассеиваемая мощность коллектора (Pc) транзистора: 65 W

Предельное постоянное напряжение коллектор-база (Ucb): 140 V

Предельное постоянное напряжение коллектор-эмиттер (Uce) транзистора: 100 V

Предельное постоянное напряжение эмиттер-база (Ueb): 5 V

Предельный постоянный ток коллектора транзистора (Ic max): 6 A

Предельная температура p-n перехода (Tj): 150 C

Граничная частота коэффициента передачи тока (Ft) транзистора: 3 MHz

— Ёмкость коллекторного перехода (Cc): pF

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером (Hfe), min: 20

Такой усилитель может быть использован как в качестве сабвуферного, так и для широкополосной акустики. Характеристики усилителя тоже неплохие. При нагрузке в 4 Ом выходная мощность усилителя порядка 150 ватт, при нагрузке в 8 Ом мощность 100 ватт, максимальная мощность усилителя может доходить до 200 ватт с питанием +/-50 вольт.

Если соединить транзисторы, как показано на рис. 2.60, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент (3 будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Рис. 2.60. Составной транзистор Дарлингтона.

Рис. 2.61. Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона.

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора включают резистор (рис. 2.61). Резистор R предотвращает смещение транзистора в область проводимости за счет токов утечки транзисторов и . Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора . Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Промышленность выпускает транзисторы Дарлингтона в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор. Примером такой стандартной схемы служит мощный п-р-п-транзистор Дарлингтона типа , его коэффициент усиления по току равен 4000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Рис. 2.62. Соединение транзисторов по схеме Шиклаи («дополняющий транзистор Дарлингтона»).

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai).

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи представляет собой схему, подобную той, которую мы только что рассмотрели. Она также обеспечивает увеличение коэффициента . Иногда такое соединение называют комплементарным транзистором Дарлингтона (рис. 2.62). Схема ведет себя как транзистор п-р-п-типа, обладающий большим коэффициентом . В схеме действует одно напряжение между базой и эмиттером, а напряжение насыщения, как и в предыдущей схеме, равно по крайней мере падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Разработчики применяют эту схему в мощных двухтактных выходных каскадах, когда хотят использовать выходные транзисторы только одной полярности. Пример такой схемы показан на рис. 2.63. Как и прежде, резистор представляет собой коллекторный резистор транзистора Транзистор Дарлингтона, образованный транзисторами , ведет себя как один транзистор п-р-п-типа с большим коэффициентом усиления по току. Транзисторы , соединенные по схеме Шиклаи, ведут себя как мощный транзистор р-п-р-тииа с большим коэффициентом усиления.

Рис. 2.63. Мощный двухтактный каскад, в котором использованы выходные транзисторы только .

Как и прежде, резисторы и имеют небольшое сопротивление. Эту схему иногда называют двухтактным повторителем с квазидополнительной симметрией. В настоящем каскаде с дополнительной симметрией (комплементарном) транзисторы были бы соединены по схеме Дарлингтона.

Транзистор со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току.

Составные транзисторы — транзистор Дарлингтона и ему подобные не следует путать с транзисторами со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току, в которых очень большое значение коэффициента получают в ходе технологического процесса изготовления элемента. Примером такого элемента служит транзистор типа , для которого гарантируется минимальный коэффициент усиления по току, равный 450, при изменении коллекторного тока в диапазоне от до этот транзистор принадлежит к серии элементов , которая характеризуется диапазоном максимальных напряжений от 30 до 60 В (если коллекторное напряжение должно быть больше, то следует пойти на уменьшение значения ). Промышленность выпускает согласованные пары транзисторов со сверхбольшим значением коэффициента . Их используют в усилителях с низким уровнем сигнала, для которых транзисторы должны иметь согласованные характеристики; этому вопросу посвящен разд. 2.18. Примерами подобных стандартных схем служат схемы типа они представляют собой транзисторные пары с большим коэффициентом усиления, в которых напряжение согласовано до долей милливольта (в самых хороших схемах обеспечивается согласование до , а коэффициент Схема типа представляет собой согласованную пару .

Транзисторы со сверхбольшим значением коэффициента можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь (примерами таких схем служат операционные усилители типа .

Анализ и расчет статических параметров транзистора в схеме с общим затвором

1.Введение

Данная курсовая работа посвящена рассмотрению статических параметров одного из самых распространенных и самых универсальных усилительных приборов – полевого транзистора (ПТ).

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный трехполюсник, поэтому включение его в схему можно осуществить шестью различными способами. Однако практический интерес представляют лишь те способы включения, которые позволяют получить усиление по мощности. Таких схем три:

1)  схема с общим истоком и входом па затвор;

2)  схема с общим стоком и входом на затвор;

3)  схема с общим затвором и входом на исток.

 

Входное и выходное сопротивления, а также функции прямой и обратной передач усилительного каскада на полевом транзисторе будут, зависеть от выбранной схемы включения. Поэтому одна из схем должна быть принята за типовую, тогда параметры двух остальных схем могут быть, рассчитаны из параметров типовой схемы с помощью соответствующих преобразований.

Основными преимуществами полевого транзистора являются его большое входное сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке цифровых интегральных схем.

2.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОАХ.

Полевыми транзисторами называют такие транзисторы, в которых ток создается носителями заряда одной полярности и ток в канале управляется электрическим полем. В транзисторе с p-каналом ток проводят дырки, а в транзисторе с n-каналом – электроны.

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей протекающим через проводящий канал, и управляемым электрическим полем.

Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда, называют униполярным, так как его работа основана на использовании только основных носителей заряда – либо электронов, либо дырок. Поэтому в полевых транзисторах, отсутствуют процессы, изменения (накопления и рассасывания) объемного заряда неосновных носителей, оказывающие заметное влияние на быстродействие биполярных транзисторов. Основным способом движения носителей заряда, образующих ток полевого транзистора, является их дрейф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток полевого транзистора, называют каналом.

Полевой транзистор – полупроводниковый усилительный прибор, которым управляет не ток (как биполярным транзистором), а напряжение (электрическое поле, отсюда и название – полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала, в результате изменяется выходной ток транзистора. Управление же электрическим полем предполагает отсутствие статического входного тока, что позволяет уменьшить мощность, требуемую для управления транзистором.

Токопроводящие каналы могут быть приповерхностными (транзисторы с изолированным затвором) и объемными (транзисторы с управляющим р-п-переходом). Приповерхностный канал представляет собой либо обогащенный слой, образующийся за счет донорных примесей в полупроводнике, либо инверсный слой, возникающий под действием внешнего поля. Такой полевой транзистор имеет классическую структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуру), в которой роль диэлектрика, как правило, играет оксид (например, двуокись кремния SiO2). Поэтому полевой транзистор с такой структурой часто называют МДП- или МОП-транзистором (металл-оксид-полупроводник).

Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (З), два других электрода – истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, а стоком – тот, через который эти носители уходят из канала. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входа и выхода, различают три схемы включения полевого транзистора:

– с общим истоком (ОИ),

– с общим затвором (ОЗ),

– с общим стоком (ОС).

Наибольшее распространение на практике нашла схема с ОИ.

3.Принцип работы полевого транзистора с p-n-переходом.

В полевом транзисторе с объемным каналом площадь поперечного сечения канала меняется за счет изменения площади обедненного слоя обратно включенного р-n-перехода. На (рис. 1) показан полевой транзистор с управляющим р-п-переходом, включенный по схеме с ОИ. При ее анализе все напряжения будем рассматривать с учетом их знаков.

На p-n-переход (затвор – исток) подается обратное напряжение Uзи. При его уменьшении глубина d обедненного слоя (заштрихованная область на рис.1 – область объемного заряда) возрастает, а токопроводящее сечение b канала сужается. При этом увеличивается сопротивление канала, а следовательно, снижается выходной ток Iс транзистора. Поскольку напряжение Uзи прикладывается к p-n-переходу в обратном направлении, ток Iз ничтожно мал и практически не зависит от управляющего напряжения.

 

Рис.1 Полевой транзистор с управляющим р-n-псреходом.

Для полевых транзисторов входная характеристика (зависимость Iз от Uзи при фиксированном значении Uси) не имеет практического применения и при расчетах используют только передаточные и выходные ВАХ. На (рис.2) приведены выходные и передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом для схемы включения с ОИ. Эти характеристики, подобно характеристикам биполярного транзистора, имеют нелинейный характер, а, следовательно, полевой транзиcтoр, как и биполярный, является управляемым нелинейным элементом цепи. Однако при сравнении их выходных характеристик очевидны существенные различия.

 

                                          а)                                                       б)

 

Рис.2 Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом (схема ОИ):

а – выходные,

б – передаточные.:

На начальном участке изменения выходного напряжения полевого транзистора крутизна его ВАХ с изменением входного сигнала не остается постоянной. Как видно из рис.2 а) с уменьшением Uзи крутизна ВАХ уменьшается, а следовательно, возрастает выходное сопротивление транзистора. Это указывает на зависимость выходного сопротивления полевого транзистора от управляющего напряжения на этом участке ВАХ.

Изменение выходного тока Iс полевого транзистора при изменении Uси происходит до определенного значения выходного напряжения, равного напряжению насыщения Uси нас. (проекция на ось абсцисс точки пересечения штриховой кривой ОА с соответствующей ВАХ транзистора). Это напряжение равно

 

                                  

                                         ( 1 )

 

где Uзи отс.- управляющее напряжение, при котором Ic = 0 (режим отсечки), а Uзи – управляющее напряжение, соответствующее рассматриваемой ВАХ транзистора.

При дальнейшем возрастании выходного напряжения ток Iс остается неизменным вплоть до пробивного напряжения Uси проб.

Физику происходящих при этом процессов в полевом транзисторе можно объяснить следующим образом.

Как уже отмечалось, при входном напряжении Uзи = Uзи отс., соответствующем обратному напряжению на р-п-переходе (затвор – исток), при котором токопроводящий канал транзистора будет полностью перекрыт, выходной ток Iс транзистора будет равен нулю (см. рис. 2б). При Uзи > Uзи отс. в токопроводящем канале появляется проток шириной b и по нему от стока к истоку начинает протекать ток Iс, создающий на сопротивлении канала падение напряжения. Это напряжение, складываясь с напряжением Uзи, по мере приближения к стоку, приводит к увеличению напряжения на обратно смещенном р-n-переходе, т.е. к сужению канала при приближении к истоку, как это показано на (рис.1). Рост тока Ic приводит к увеличению падения напряжения на канале и к уменьшению его ширины, в результате уменьшается ток Iс, протекающий между стоком и истоком.

Однако уменьшение тока стока приводит к уменьшению падения напряжения на канале и к уменьшению фактического (суммарного) напряжения на обратно смещенном p-n-переходе, что увеличивает ширину b канала, а следовательно, и ток Iс. В результате, в структуре полевого транзистора, приведенного на (рис.1), устанавливается динамическое равновесие и при Uси > Uси нас. ток стока поддерживается на уровне насыщения Iс нас.

Как видно из рис. 2 а с уменьшением напряжения Uзи пробивное напряжение транзистора Uси проб. уменьшается. При этом всегда выполняется равенство

 

                    Uси. проб = Uси проб (при Uзи = 0) + Uзи                        ( 2 )

 

Если Uзи = Uзи отс., транзистор заперт (режим отсечки) и Iс = 0. В случае открытого транзистора для любого значения выходного тока Iс будет соблюдаться равенство        

 

                     Uзи – Uси нас. = Uзи отс. = -Uзс нас.,                              ( 3 )

 

где Uзи нас. – напряжение между стоком и затвором в режиме насыщения транзистора.

Из сравнения приведенных на рис.2 ВАХ видно, что полярности управляющего и выходного напряжений полевого транзистора с управляющим р-n-переходом не совпадают.

4.Основные параметры ПТ.

 

Основными параметрами, характеризующими полевой транзистор как нелинейный элемент, являются:

-коэффициент усиления по напряжению

 

                      

    при Ic=const                                    ( 4 )

 

-крутизна (определяется по передаточной характеристике)

 

                      

    при Uси=const;                                     ( 5 )-дифференциальное выходное (внутреннее Ri) сопротивление

 

                        

    при Uзи=const;                          ( 6 )

 

-дифференциальное сопротивление участка затвор – сток

 

                        

                                                             ( 7 )

Это сопротивление учитывает обратную связь между выходом и входом полевого транзистора.

Входное сопротивление r вх полевого транзистора очень велико (несколько мегаом), поскольку значение тока затвора Iз очень мало.

Значение параметра Ri определяют при работе транзистора в режиме насыщения как котангенс угла наклона выходной характеристики. Так как для полевых транзисторов режиму насыщения соответствует пологая часть выходной характеристики, то в рабочей области этот угол мал и, следовательно, внутреннее сопротивление оказывается достаточно большим (сотни килоом).

Крутизна S передаточной характеристики отражает степень влияния входного напряжения на выходной ток, т. е. эффективность управляющего действия затвора, и составляет 1 … 5 мА/В. Первые три параметра связаны соотношением

 

                                       

                                                           ( 8 )

5.Эквивалентные схемы полевых транзисторов.

 

Рассмотрим наиболее распространенные схемы замещения полевых транзисторов. На (рис.3 а) приведена схема замещения ПТ с управляющим p-n-переходом, а, на (рис.3б) – с изолированным затвором. В этих схемах принято, что вывод подложки электрически соединен с истоком. Такое включение наиболее часто используется при разработке схем на ПТ.

Следует отметить, что входное и выходное сопротивления ПТ носят явно выраженный емкостный характер. Активная составляющая входного тока для ПТ управляющим р-n-переходом обусловлена током обратно смещенного p-n-перехода и весьма мала.

 

 

                                    а)

 

 

                                     б)

Рис.3 Эквивалентные схемы полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (а) и изолированным затвором (б)

 

6.Отличительные особенности полевого транзистора.

Из принципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности:

-в установившемся режиме работы входной ток полевого транзистора стремится к пулю (т. е. rвх стремится к бесконечности),

-инерционность полевого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами перезаряда его входной и выходной емкостей.

Казалось бы, что отсутствие процессов изменения объемного заряда неосновных носителей дает преимущество полевому транзистору в быстродействии перед биполярным транзистором. Однако, следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений его входных и выходных емкостей. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе. Действительно, по постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю). При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяемый его входной емкостью, растет, что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что в общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор, как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.

Полевые транзисторы имеют преимущество перед биполярными транзисторами в большей температурной стабильности их характеристик. Это объясняется тем, что основная температурная нестабильность характеристик биполярного транзистора обусловлена сильной зависимостью количества неосновных носителей заряда в полупроводнике. Учитывая, что полевой транзистор работает с использованием только основных носителей зарядов, которые в меньшей степени подвержены температурному влиянию, в нем отсутствует положительная обратная связь по температуре, присущая биполярным транзисторам.

3.3 Эквивалентная схема полевого транзистора и его дифференциальные параметры

Для удобства расчетов и анализа схем, содержащих полевые транзисторы, их замещают эквивалентными схемами. Эквивалентная схема состоит из активных и пассивных линейных элементов и ведет себя также на переменном токе, как и реальный транзистор. Такая замена возможна при малых сигналах, когда зависимость между приращениями токов и напряжений линейна.

Ток стока полевого транзистора является функцией двух напряженийи, поэтому изменение тока можно определить из уравнения

(3.1)

В этом выражении частные производные, определяющие изменение тока при изменении одного из напряжений, можно рассматривать как дифференциальные параметры транзистора.

Крутизна [мА/В] характеризует управляющее воздействие напряжения, т.е. показывает, на сколько миллиампер изменится ток при изменении напряжения на один вольт. Крутизну можно определить графически, по характеристике управления ((рисунок 3.2,b), как отношение отрезков .

Выходная проводимость характеризует степень влияния напряжения стока на ток стока и определяется графически как тангенс угла наклона выходных характеристик (рисунок 3.2,a) через отношение отрезков . Часто вместо выходной проводимости используют обратную величин, которую называютдинамическим сопротивлением стока .

Коэффициент усиления , при,он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе эффективнее влияет на ток стока, чем изменение напряжения на стоке. Знак минус показывает, чтобы сохранить ток неизменным, положительному приращению напряжения на затворе должно соответствовать отрицательное приращение напряжения на стоке.

Положив , запишем

, (3.2)

отсюда получаем

(3.3)

соотношение, связывающее дифференциальные параметры полевого транзистора.

Эквивалентная схема (рисунок 3.9) построена на основе дифференциальных параметров; при этом учитывается, что ток в цепи затвора бесконечно мал, а входное сопротивление полевого транзистора стремится к бесконечности.

Рисунок 3.9 — . Эквивалентная схема полевого транзистора

В эквивалентной схеме, кроме основных параметров учтены междуэлектродные емкости, влияние которых будет сказываться на высоких частотах.

3.4 Усилительные свойства полевых транзисторов

Наибольшее распространение нашла схема усилителя с общим истоком (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 — . Схема усилителя с общим истоком

Назначение элементов схемы такое же, как и для схемы с общим эмиттером. Режим работы транзистора по постоянному току определяется так же, как режим работы биполярного транзистора. Строится нагрузочная прямая, определяется рабочий участок, выбирается положение рабочей точки в центре рабочего участка. Делитель напряжения рассчитывается таким образом, чтобы создаваемый потенциал затвора соответствовал выбранному положению рабочей точки. Отличие заключается в том, что ток в цепи затвора отсутствует, а делитель, образованный резисторами и, рассчитывается в режиме холостого хода. При подаче на затвор переменного напряжения с амплитудойток стока изменяется с амплитудой, создавая на резисторепадение напряжения с амплитудой, которое находится в противофазе с током.

Для анализа схемы строится эквивалентная схема каскада, ее вариант для области низких частот показан на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 — Эквивалентная схема усилителя с общим истоком

Как следует из эквивалентной схемы выходное напряжение равно

, (3.4)

коэффициент усиления по напряжению

, (3.5)

входное сопротивление

, (3.6)

выходное сопротивление

. (3.7)

Если учесть входную, выходную и проходную емкости транзистора, добавив их в схему, можно получить зависимость коэффициента усиления от частоты.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором
Далее: Схемы силовых полевых МОП-транзисторов Up: транзисторных схем Предыдущая: Усилитель общего стока с полевым транзистором JFET

Полевой транзистор с изолированным затвором, также известный как металлооксидный полупроводник. полевой транзистор (MOSFET), похож на JFET, но имеет еще больший резистивный входной импеданс из-за тонкого слоя диоксид кремния, который используется для изоляции ворот от полупроводниковый канал.Этот изолирующий слой образует емкостную связь между затвором и корпус транзистора. Как следствие, отсутствие внутреннего подключения постоянного тока к воротам делает устройство более универсально, чем JFET, но это также означает, что изоляционный материал конденсатора может быть легко поврежден внутренний разряд статического заряда, возникающего при нормальном обращении.

MOSFET широко используется в крупных цифровых интегральных схемах. где его высокий входной импеданс может привести к очень низкому энергопотреблению на компонент.Многие из этих схем имеют соединения биполярных транзисторов с внешние клеммы, тем самым делая устройства менее восприимчивыми к повреждать.

MOSFET бывает четырех основных типов: N-канальный, P-канальный, обедненный. и улучшение. Конфигурация N-канального истощающего МОП-транзистора показана на рисунок 5.19a. Его работа аналогична N-канальному JFET, описанному ранее: отрицательное напряжение, приложенное к затвору, создает область с истощенным зарядом в материале N-типа рядом с воротами, тем самым уменьшая площадь канал проводимости между стоком и истоком.Однако механизм формирования обедненной области выглядит следующим образом: отличается от JFET. Поскольку затвор сделан отрицательным по отношению к источнику, более положительным носители из материала P-типа втягиваются в N-канал, где они сочетаются с бесплатными отрицательными зарядами и устраняют их. Это действие увеличивает область истощения по направлению к воротам, уменьшая площадь N-канала и тем самым снижая проводимость между стоком и истоком. Для отрицательных приложенных напряжений затвор-исток наблюдаемый эффект очень похож на JFET, а также имеет примерно такой же размер.

Рисунок 5.19: a) Тип истощения или истощения-улучшения MOSFET и b) MOSFET улучшенного типа.

Однако, поскольку затвор MOSFET изолирован от канала, положительный Напряжения затвор-исток также могут применяться без потери полевого транзистора. эффект. В зависимости от деталей конструкции, применение положительного Напряжение затвор-исток для полевого МОП-транзистора обедненного типа может оттолкнуть меньшинство положительные носители в обедненной части N-канала обратно в материал P-типа, как описано ниже, тем самым увеличивая канал и снижение сопротивления.Если устройство демонстрирует такое поведение, это называется усиление-истощение MOSFET.

Строгое усовершенствованный MOSFET является результатом конфигурации, показанной на рисунок 5.19b. Ниже некоторого порога положительного напряжения затвор-исток подключение канал из материала типа N между стоком и истоком полностью заблокирован областью истощения, создаваемой PN-переходом. Поскольку напряжение затвор-исток становится более положительным, меньшинство положительные носители отталкиваются обратно в материал P-типа, оставляя бесплатные отрицательные заряды позади.Эффект заключается в сокращении области истощения и увеличении проводимость между стоком и истоком.

---

Далее: Схемы силовых полевых МОП-транзисторов Up: транзисторных схем Предыдущая: Усилитель общего стока с полевым транзистором JFET

Дуг Гингрич
Вт 13 июля 16:55:15 EDT 1999

Что такое полевой транзистор? (с изображением)

Полевой транзистор (FET) — это электронный компонент, обычно используемый в интегральных схемах.Это уникальный тип транзистора, который предлагает переменное выходное напряжение в зависимости от того, что было введено в них. Это отличается от транзисторов с биполярным переходом (BJT), которые предназначены для включения и выключения в зависимости от протекающего тока. Наиболее распространенный тип полевого транзистора, полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), часто включается в конструкцию памяти компьютера, поскольку он обеспечивает более высокую скорость при меньшем потреблении энергии, чем BJT.

Транзисторы

обладают множеством различных характеристик и функций для схем, для которых они предназначены.Органические полевые транзисторы (OFET) построены на подложке из органического слоя, которая обычно представляет собой форму полимера. Эти транзисторы обладают гибкостью и способностью к биологическому разложению и используются в производстве таких вещей, как видеодисплеи на основе пластика и листы солнечных элементов. Другой тип вариации полевого транзистора — это полевой транзистор с переходным эффектом (JFET), который действует как диод в цепи, проводящий ток только при обратном напряжении.

Полевые транзисторы с углеродными нанотрубками (CNTFET) представляют собой разновидность экспериментальных полевых транзисторов, которые построены на одиночных углеродных нанотрубках вместо типичной кремниевой подложки.Это делает их примерно в 20 раз меньше, чем самые маленькие транзисторы, которые могут быть изготовлены по традиционной тонкопленочной технологии. Их обещание заключается в том, что они предлагают гораздо более высокую скорость компьютерной обработки и больший объем памяти по более низкой цене. Они успешно демонстрируются с 1998 года, но такие проблемы, как деградация нанотрубок в присутствии кислорода и долговременная надежность при воздействии температуры или напряжения электрического поля, по-прежнему остаются экспериментальными.

Другие типы полевых транзисторов, широко используемые в промышленности, включают транзисторы с затвором, такие как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), который может выдерживать напряжения до 3000 вольт и действует как быстрые переключатели.Они находят разнообразное применение во многих современных приборах, электромобилях и поездах, а также широко используются в усилителях звука. Полевые транзисторы с обедненным режимом являются еще одним примером изменения конструкции полевых транзисторов и часто используются в качестве фотонных датчиков и схемных усилителей.

Многочисленные сложные потребности в компьютерном и электронном оборудовании продолжают способствовать диверсификации как конструкции транзисторов, так и материалов, из которых они построены.Полевой транзистор является основным компонентом практически всех схем. Принцип полевого транзистора был впервые запатентован в 1925 году, но постоянно создаются новые концепции использования этой идеи.

границ | Вычислительный дизайн интегральной схемы считывания КМОП для датчиков с использованием органических полевых транзисторов

Введение

Микроэлектронные системы изменили многие аспекты жизни человека.Они произвели революцию в области обработки данных и телекоммуникаций по объему и скорости, предоставив решения для сложных проблем. В частности, в эпоху Интернета вещей (IoT) постоянно разрабатываются новые и появляющиеся микроэлектронные средства, которые включают гибкие мониторы, системы мониторинга здоровья и окружающей среды и искусственную кожу для робототехники. Эти новые устройства не только революционизируют современные технологии, но и требуют дополнительных функций, которые бросают вызов инженерам-электронщикам и материаловедам.(Murmann and Xiong, 2010). Среди прочего, умные и удобные датчики особенно сложно спроектировать и изготовить. (Senthamizhan et al., 2019). Интеллектуальный датчик должен быть способен подвергаться воздействию целевого аналита (ей), воспринимать его, генерировать пропорциональный сигнал, а также измерять и усиливать его. (Uslu et al., 2004; Gonçalves et al., 2008; Velliste et al., 2008; Asplund et al., 2010; Rivnay et al., 2014; Bhalla et al., 2017). Кроме того, электроника и датчики следующего поколения должны быть не только электрически надежными и производительными, но также должны быть реализованы на различных объектах и ​​формах.(Губби и др., 2013; Жан и др., 2014). Среди различных типов электроники для создания и создания интеллектуальных датчиков особенно многообещающими являются органические полевые транзисторы (OFET), учитывая их химическую универсальность, чувствительность и возможность реализации на согласующихся или растягиваемых матрицах. (Роджерс, Бао, 2002; Sirringhaus, 2014). Одной из наиболее важных областей применения OFET являются системы в пунктах обслуживания (PoC), в которых тестовая система должна подвергаться воздействию аналитов индикаторов здоровья.Результатом этого воздействия является сигнал, который усиливается и передается в блок цифровой обработки, в котором вырабатываются соответствующие отклики. (Торси и др., 2013). Эти системы следует разрабатывать с учетом того, что большинство пользователей являются неопытными и непрофессиональными людьми. Поэтому система должна быть простой и удобной. Кроме того, системы PoC наиболее полезны, когда они могут обрабатывать различные показатели здоровья в одном интеллектуальном сенсорном блоке, предпочтительно установленном непосредственно на теле человека или соответствующей среде.(Hammock et al., 2013; Torsi et al., 2013).

π-Сопряженные полупроводниковые полимеры привлекают большое внимание при разработке и производстве электроники следующего поколения, в основном из-за их хороших механических свойств (низкие модули Юнга и хорошая устойчивость к деформации), что имеет решающее значение для доступа к устройствам, приспосабливаемым к телу, и электроника в стиле кожи. (Zhao et al., 2015; Wen et al., 2017; Xu et al., 2017). Это критическое преимущество, поскольку чем теснее контакт между этими устройствами и поверхностями, с которых исходят эти сигналы, тем оптимальнее и чувствительнее чувствительные возможности ^. (Su et al., 2015; Bae et al., 2016). Стратегии создания органических материалов с молекулярной растяжимостью и свойствами, имитирующими кожу, были всесторонне обобщены в предыдущих отчетах. (Ocheje et al., 2017). В последние годы наша группа и другие сообщили о синтезе молекулярно растяжимых и механически устойчивых полупроводниковых полимеров со свойствами переноса заряда, близкими к свойствам аморфного кремния. (Mei, Bao, 2014; Oh et al., 2016; Wu et al., 2016; Ocheje et al., 2018). Эти новые механически прочные материалы особенно перспективны в качестве активного слоя в датчиках, использующих такие подложки, как пластик, и могут быть подходящими для таких приложений, как мониторинг здоровья, мониторинг окружающей среды, гибкие дисплеи, искусственная кожа и радиочастотная идентификация (RFID). (Baude et al., 2003; Someya et al., 2004; Kato et al., 2007; Feng et al., 2016; Frick et al., 2016; Tang et al., 2016; Li et al., 2018) .

Популярность схем считывания CMOS на основе OFET обусловлена ​​стремлением к устройствам с более низким энергопотреблением, более низкой стоимостью, которые можно миниатюризировать; при этом они совместимы с существующими электронными системами и, таким образом, обеспечивают бесшовную интеграцию.(Lei et al., 2016). Хотя органические материалы были широко исследованы, и их функциональность доказана в приложениях интеллектуальных датчиков, разработка эффективной схемы считывания для биосенсоров, изготовленных из органических тонкопленочных транзисторов, требуется для преобразования выходного сигнала OFET в соответствующий формат для блока обработки цифровой магистрали. , остается важной проблемой по разным причинам. Во-первых, проектирование схемы считывания для интеграции с OFET часто требует высоких напряжений и дает очень малые токи в ответ на изменения аналита.Это может частично объяснить, почему схемы считывания OFET все еще довольно редки в литературе и почему OFET часто используются в дискретных схемах. Энергопотребление также является еще одним параметром, который часто сложно контролировать. Наконец, использование органических полупроводников типа n все еще недостаточно широко используется в литературе из-за их относительно низкой стабильности по сравнению с их аналогами типа p .

Для решения этих проблем недавно были предложены различные схемы считывания показаний датчиков на основе OFET.Среди прочих, Li et al. сообщил о схеме считывания для низковольтного OFET, используемого для измерения pH. (Ли и др., 2018). Предлагаемая схема считывания принимает ток стока OFET и выдает V _DD и V _ref . Усилитель сопротивления trans (TIA) преобразует ток стока в напряжение, а усилитель с программируемым усилением (PGA) регулирует динамический диапазон датчика. В конечном итоге обработанные данные передаются на смартфон для отображения. Второй подход к реализации схемы считывания CMOS для датчиков на основе OFET был предложен Feng et al.(2016), где предлагается схема считывания, реализованная на печатной плате. Интересно отметить, что датчик был способен обнаруживать концентрации NH ₃ от 5 до 25 частей на миллион. Другие примеры новых схем считывания для датчиков на основе OFET также были предложены для измерения различных аналитов, таких как этанол. (Фрик и др., 2016). Несмотря на свою эффективность, эти датчики требуют высокого напряжения питания наряду с высоким энергопотреблением. Это значительно ограничивает их использование для маломощных портативных PoC-приложений, которые обычно питаются от батареи и сталкиваются с серьезными ограничениями по мощности.Таким образом, проблема, которая ограничивает разработку интегральной схемы считывания для низковольтных датчиков на основе OFET, остается.

В этом документе мы сообщаем о новом подходе к интеграции и реализации OFET в направлении согласованной схемы, основанной на компьютерном моделировании и моделировании in silico . Этот теоретический и вычислительный подход к проектированию схем имеет важные преимущества, включая возможность изменения и точной настройки нескольких параметров схемы. Изготовление OFET требует различных сложных этапов, а разработка материалов типа n с высокой мобильностью все еще остается сложной задачей.Поэтому использование компьютерного моделирования является особенно эффективным подходом к разработке новых схем, особенно для биосенсорных устройств на основе тонкопленочных транзисторов. В этой работе была разработана универсальная схема считывания для устранения важных препятствий в реализации датчика на основе OFET. Было обнаружено, что новая схема считывания способна обнаруживать очень небольшие изменения тока стока OFET, вплоть до 100 нА, в трех разных фазах. Хотя фаза сброса не потребляет значительного количества энергии, фазы калибровки и экспонирования потребляют почти всю необходимую мощность от 1.Источник питания 8 В с технологией CMOS 0,18 мкм. Фактически, максимальная мощность, потребляемая схемой считывания, составляет 571 мкВт, что значительно ниже, чем у других предлагаемых считывающих устройств, основанных на этой органической электронике. Предлагаемая структура считывания является не только многообещающим кандидатом для маломощных портативных сенсорных приложений, но и новый подход к вычислительному моделированию, используемый в этой работе, представляет собой важный инструмент для создания новой передовой и функциональной электроники.

Результаты и обсуждение

Органические материалы, в частности π-сопряженные полимеры, обладают важными преимуществами по сравнению с неорганическими полупроводниками, включая низкую стоимость и высокую пропускную способность производства, обеспечиваемую осаждением из раствора.Органические полупроводники также имеют низкий модуль упругости, что особенно интересно для изготовления растягиваемых и приспосабливаемых устройств под кожу. Эти уникальные особенности привели к значительному росту использования органических материалов в приложениях здравоохранения, таких как органические тонкопленочные транзисторы (OTFT) для обнаружения биологических маркеров, доставки лекарств, а также нейронной записи и стимуляции. (Adhikari, Majumdar, 2004; Isaksson et al., 2007; O’Connor et al., 2015; Schwartz et al., 2013; Иримиа-Владу, 2014; Liao et al., 2015). В этих новых биосенсорах на основе OFET схема считывания, необходимая для контроля выходного сигнала биосенсора, обычно реализуется с использованием традиционной технологии CMOS. Поэтому очень желательна интеграция OFET со схемой CMOS.

Есть три основных характеристики, которые важны для интеграции OFET. В технологии CMOS максимально доступное напряжение питания ограничено, поэтому OFET должен работать в рамках этих ограничений.Во-вторых, небольшой ток стока OFET — еще одна проблема, которая означает, что схема CMOS должна быть способна определять низкие значения тока и иметь возможность усиливать эти токи. Поскольку линейность датчика является одной из важных характеристик, это усиление должно выполняться линейным образом. (Торси и др., 2013). Наконец, ток стока OFET претерпевает небольшие изменения во время воздействия аналита. Следовательно, интегральная схема считывания КМОП должна быть способна обнаруживать небольшие изменения тока при малых токах смещения стока.Как показано в таблице 1, OFET, который может работать с напряжениями в диапазоне (от 0 до 1,8 В), будет обеспечивать токи стока ниже 1 мкА. Недавно Ян и др. оценил OFET в нескольких приложениях для измерения, и можно сделать вывод, что в разных приложениях ток стока изменяется в диапазоне (0,9 * I _Dbl , 1 * I _Dbl ), где I _Dbl — базовая линия. ток стока OFET в рабочей точке. Это означает, что интегральная схема считывания должна обеспечивать указанный выше диапазон напряжений и определять токи до нуля.1 мкА. Также важно отметить, что большинство материалов, используемых для датчиков, представляют собой полупроводники типа p . Создание схемы считывания на основе OFET с материалов типа n весьма желательно для дополнения существующей технологии. Чтобы использовать транзисторы PMOS для схемы считывания из-за их лучших шумовых характеристик, мы разработали предложенную схему считывания с использованием OFET типа n . Однако важно отметить, что схемы могут быть изменены для использования в чувствительных структурах OFET типа p .

ТАБЛИЦА 1 . Диапазон рабочих напряжений и выходного тока недавно опубликованных низковольтных OFET.

В биосенсоре ток стока OFET будет колебаться в зависимости от воздействия аналита. Учитывая, что концентрация аналита может быть особенно низкой, изменения тока стока могут быть небольшими и их трудно обнаружить. (Lai et al., 2013). Чтобы решить эту проблему, чувствительная схема должна быть чувствительной к небольшому изменению тока и способной линейно усиливать эти изменения.В нашем вычислительном моделировании усиление выходного тока выполняется с помощью линейного усилителя тока, интегрированного в простой интегратор. Поскольку изменения тока стока OFET существенны, в нашем моделировании используются два OFET для определения и усиления изменений тока из-за воздействия аналита. Усилитель тока, использованный в нашем вычислительном анализе, показан на рисунке 1, и важно отметить, что природа аналита оставалась широкой, учитывая, что можно выбрать несколько и разных аналитов.Усилитель состоит из двух основных ветвей. Одна ветвь выводится с помощью «чувствительного OFET», которое подвергается воздействию анализируемого вещества. Другой получен с помощью OFET, который называется «эталонным OFET» и не подвергается воздействию целевого аналита. Условия смещения двух OFET идентичны. Поскольку два OFET идентичны и их условия смещения одинаковы, любая разница в токах стока OFET будет возникать в результате воздействия аналита. Токи стока измерительного OFET и опорного OFET усиливаются в зеркалах каскодного тока M _1-4 и M _5-8 соответственно.Эталонный ток стока OFET отражается в M _{9, 10} и вычитается из тока стока OFET с усиленным считыванием в узле «X». Такая конфигурация усиления тока имеет уникальное преимущество. Что касается рабочей области M ₉ , токи стока считывающего и опорного OFET питают M _2,5 соответственно. Эти два транзистора обеспечивают ток стока M _4,7 , который, в свою очередь, управляет M _3,8 . Ток, который течет из стока M ₈ , смещает транзистор M ₉ в активной области.Текущие передаточные отношения на рис. 2 для двух токовых зеркал каскода равны 348, в то время как передаточное отношение для M _9,10 равно единице, чтобы вычесть ток чувствительного и опорного OFET.

РИСУНОК 1 . Схема предлагаемого линейного усилителя тока на базе устройства OFET.

РИСУНОК 2 . I _out -I _OFET график, иллюстрирующий характеристику усилителей тока (A) , и I _out -I _OFET характеристику усилителя тока в различных угловых случаях (B) .Четыре случая сценария, в которых транзисторы NMOS и PMOS показывают экстремальные скорости, рассматриваются как FF (быстрый NMOS, быстрый PMOS), FS (быстрый NMOS, медленный PMOS), SF (медленный NMOS, быстрый PMOS) и SS (медленный NMOS. , Медленный PMOS). Эти четыре угловых ситуации обычно сравнивают с типичной ситуацией (TT), когда и NMOS, и PMOS транзисторы работают с типичной скоростью.

Одна из основных проблем органических транзисторов заключается в том, что они проявляют значительный эффект гистерезиса. Это означает, что с течением времени и с каждым циклом работы их ВАХ будет изменяться.В используемой здесь схеме усиления тока используются два идентичных OFET-транзистора, токи стока которых претерпевают аналогичные изменения. Эта конфигурация вместе с методом калибровки, который обсуждается позже, приведет к почти безгистерезисному датчику. Новый усилитель тока усиливает токи от 100 нА до 1 мкА с почти фиксированным коэффициентом усиления 350. Характеристики этого усилителя тока показаны на рисунке 2. Работа схемы была оценена расчетным путем при различных процессах, напряжении и температуре (PVT). ситуации.Как показано на рисунке 2, четыре наихудших сценария, в которых транзисторы NMOS и PMOS показывают экстремальные скорости, рассматриваются как FF (Fast NMOS, Fast PMOS), FS (Fast NMOS, Slow PMOS), SF (Slow NMOS, Fast PMOS). ) и SS (медленный NMOS, медленный PMOS). Эти четыре угловых ситуации сравниваются с типичной ситуацией (TT), где и NMOS- и PMOS-транзисторы работают с типичной скоростью. Правый фрагмент рисунка 2 показывает характеристики схемы в типичной ситуации (TT), а четыре других угловых случая вместе с типичной ситуацией показаны на левом фрагменте рисунка.Из полученных результатов можно сделать вывод, что эта конструкция не страдает от вариаций PVT. Следовательно, этот усилитель тока имеет хорошие характеристики в различных угловых ситуациях, коэффициент усиления усилителя незначительно изменяется, а линейность сохраняется.

Наибольшие деформации растяжения, испытываемые человеческим телом, представляют собой удлинение примерно на 30%, а это означает, что приспособленные устройства, ламинированные на теле, могут подвергаться изменениям геометрии аналогичной величины. Характеристики устройства и измеряемый ток сильно зависят от длины и ширины канала, и их сохранение имеет решающее значение для поддержания точности химического датчика.Любое падение тока, не связанное с обнаружением целевого аналита, может привести к ложным результатам. Следовательно, способность прикладывать возрастающее напряжение в ответ на уменьшение тока, вызванное деформацией, является ценной особенностью схемы OFET. Поэтому важно отметить, что электрод затвора OFET, представленного на рисунке 1, можно настраивать, поэтому пользователь может управлять его напряжением для подачи различных напряжений через цифровой базовый блок. Кроме того, соединения электродов стока и истока произвольны; к одному из них можно подавать желаемое напряжение, пока ток стока OFET прикладывается к току стока M _{2, 5} таким образом, что изменения тока стока OFET могут изменять токи стока этих два полевых МОП-транзистора.С помощью такого метода можно управлять как V _GS , так и V _DS OFET, и достигаются желаемая точка смещения и рабочая область OFET. В этом случае и для правильной работы усилителя два резистора должны соединить вывод стока M _{2, 5} с землей. Однако, поскольку во многих приложениях измерения нет необходимости смещать OFET в области насыщения, схемы, которая используется на рисунке 1, достаточно для размещения приложений измерения на основе OFET.(Чжао и др., 2015).

Ток усилителя тока, который является мерой экспонированного аналита, должен быть интегрирован для создания напряжения, которое будет подаваться на цифровую магистраль для дальнейшего хранения и обработки. RC-схема, показанная на рисунке 3, используется в нашем моделировании для интеграции. Эта схема интегрирует полученный ток и выдает напряжение. Схема моделирования считывания содержит три различных рабочих фазы. Фаза 1 (φ ₁ ), которая называется сбросом, устанавливает напряжение конденсатора на ноль, чтобы убедиться, что в цикле измерения тока не осталось предыдущего отклика датчика.Фаза 2 (φ ₂ ) — это фаза калибровки, в которой выходное напряжение записывается, пока аналит не подвергается воздействию датчика OFET. На этом этапе любое несоответствие между двумя OFET или КМОП схемой вызовет разницу в токе, которая создаст напряжение на выходе. Это напряжение будет использоваться в схеме калибровки, как будет объяснено позже, чтобы нейтрализовать эффект рассогласования. Фаза 3 (φ ₃ ), так называемая фаза экспонирования, усиливает выходной ток датчика OFET во время воздействия аналита и генерирует соответствующее выходное напряжение.Это напряжение передается в цифровую магистраль для обработки и хранения в качестве отклика датчика. Часы управляются по цифровой магистрали. Формы тактовых сигналов трех управляющих сигналов показаны на рисунке 3. Длительность интегрирования равна 2 мкс, поскольку длительность интегрирования должна быть достаточно высокой, чтобы емкость могла достичь своего установившегося напряжения. Несмотря на сложность реализации на кристалле и потенциальный недостаток, интегрирующая емкость была принята за 100 мкФ при моделировании для экспериментальной конструкции.Это также может быть реализовано вне кристалла, не влияя на производительность схемы.

РИСУНОК 3 . RC-интегральная схема (A) и тактовые сигналы φ ₁ , φ ₂ и φ ₃ (B) .

Калибровка

Одна из распространенных проблем биосенсоров связана с остаточным аналитом после одной процедуры измерения или из-за несоответствия в аналоговых схемах. Несоответствие может вызвать некоторые неточности измерения даже до начала процедуры измерения.Эти две проблемы могут вызвать ненулевой отклик сенсора, когда на сенсор не попадает аналит. Это ненулевое начальное напряжение обычно изменяет окончательное измеренное напряжение чувствительной структуры. Интегральная схема должна быть способна нейтрализовать этот ненулевой отклик. Для биосенсоров существует две основные архитектуры считывания. Одной из возможных архитектур является структура без сравнения, в которой только один электрод подвергается воздействию целевого аналита. Эта архитектура потребляет меньше энергии из-за минимального количества чувствительных ветвей.Другая архитектура — это ссылочная структура, которая использует ссылочную ветвь в дополнение к исходной чувствительной ветви. Хотя такие структуры потребляют больше энергии из-за двойной схемы считывания, они более предпочтительны с точки зрения чувствительности и точности. (Couniot et al., 2016; Senevirathna et al., 2019; Taheri, Mirhassani, 2021).

Новая опорная схема считывания на основе OFET включает в себя схему калибровки, которая позволяет датчику отменять смещение выходного сигнала. Схема калибровки использует схему программируемого источника тока, показанную на рисунке 4A, для снятия избыточного заряда с интегрирующей емкости, что привело к напряжению смещения.Эта калибровочная схема состоит из четырех идентичных компараторов напряжения, которые чувствительны к разнице напряжений до 1 мВ. Структура компараторов напряжения показана на рисунке 4B, тогда как на рисунке 4C показаны характеристики компаратора напряжения. На основании значения напряжения смещения, которое сравнивается с четырьмя опорными напряжениями, активируются четыре ветви схемы калибровки. Каждая ветвь снимает некоторый заряд с интегрирующей емкости до тех пор, пока напряжение смещения не будет отменено.Цепь калибровки активируется до интервала срабатывания. Как показано на рисунке 4A, схема калибровки состоит из четырех чувствительных компараторов, выходные сигналы которых активируют четыре ветви тока. Если в конце фазы калибровки присутствует какое-либо напряжение смещения, превышающее 1 мВ, компараторы активируют независимый источник тока, выход которого подается на чувствительную RC-цепь. Эти дополнительные токи установят выходное напряжение RC-цепи равным нулю; напряжение смещения будет отменено, и измерительная цепь будет откалибрована.Правильный узел подключения калибровочной схемы, который не будет иметь большого влияния на ее функциональность, будет исследован в будущих работах. При использовании этой схемы калибровки выходное напряжение смещения датчика сводится к минимуму, насколько это возможно, независимо от источников напряжения смещения. Мы протестировали наш метод калибровки для смещения датчика в различных угловых случаях технологии. Полученные характеристики показаны в таблице 2. Важно отметить, что схема калибровки приводит к значительному снижению напряжения смещения даже для низких значений смещения выходного сигнала.

РИСУНОК 4 . Диаграммы схемы калибровки (A), , схемы компаратора напряжения (B) и сигналов входного (вниз) и выходного (вверх) напряжения компаратора напряжения (C) .

ТАБЛИЦА 2 . Характеристики схемы калибровки в различных угловых случаях, описанных как FF (Fast NMOS, Fast PMOS), FS (Fast NMOS, Slow PMOS), SF (Slow NMOS, Fast PMOS) и SS (Slow NMOS, Slow PMOS).

Заключение

Таким образом, была разработана интегральная схема считывания CMOS для интеллектуальных датчиков на основе OFET, и были обсуждены результаты моделирования.В частности, аналоговая схема была разработана для приема и усиления изменений тока стока OFET в результате воздействия целевого аналита. Важно отметить, что предлагаемая архитектура измеряет изменения тока стока OFET в трех различных фазах, так называемых фазах сброса, калибровки и экспонирования. Используя эти три фазы, схема считывания способна нейтрализовать любое смещение из-за оставшихся аналитов. С полностью дифференциальной чувствительной структурой и предлагаемой схемой калибровки смещение выходного сигнала, ошибки на основе синфазного сигнала и гистерезис OFET сводятся к минимуму.Предлагаемая структура с потребляемой мощностью 571 мкВт является многообещающим кандидатом для маломощных портативных датчиков. Учитывая повышенный интерес к подходящим и растягиваемым датчикам, новая конструкция датчика также позволяет учитывать любое изменение геометрии канала при деформации, которое обычно необходимо учитывать в обычных OFET, чтобы получить точные измерения подвижности заряда и тока стока. Новая схема позволяет легко изменять подаваемое напряжение, позволяя компенсировать падение тока, просто изменяя напряжение, чтобы поддерживать ток, измеренный в устройстве.Результаты, полученные в результате моделирования, являются важным шагом на пути к разработке новых интеллектуальных датчиков, способных обнаруживать широкий спектр аналитов, включая газы и органические жидкости, непосредственно в месте оказания медицинской помощи.

Процедура эксперимента

Предлагаемая схема считывания была разработана и смоделирована в Cadence с использованием процесса CMOS 0,18 мкм. Все схемы, работающие от источника питания 1,8 В, были спроектированы и смоделированы с использованием специально разработанных МОП-транзисторов с минимальным количеством управляющих сигналов для реализации полностью интегрированной автономной структуры считывания.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие вывод этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Вклад авторов

MM и SR-G разработали и руководили проектом. HT и MM выполнили все моделирование и анализ данных. МО и PBJSO помогли в обсуждении. Все соавторы написали рукопись и комментировали ее во время подготовки.

Финансирование

Эта работа была поддержана NSERC через грант Discovery (No.РГПИН-2017–06611). SR-G также благодарит Виндзорский университет за финансовую поддержку. Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все претензии, выраженные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно относятся к их аффилированным организациям, либо к претензиям издателя, редакторов и рецензентов.Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или заявление, которое может быть сделано его производителем, не подлежат гарантии или одобрению со стороны издателя.

Благодарности

МО благодарит NSERC за поддержку в виде стипендии для аспирантов. PBJSO благодарит правительство Онтарио за финансовую поддержку в виде стипендии для выпускников Онтарио (OGS).

Ссылки

Адхикари Б. и Маджумдар С. (2004). Полимеры в датчиках. Прог. Polym. Sci. 29, 699–766. doi: 10.1016 / j.progpolymsci.2004.03.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Asplund, M., Nyberg, T., and Inganäs, O. (2010). Электроактивные полимеры для нейронных интерфейсов. Polym. Chem. 1, 1374–1391. doi: 10.1039 / c0py00077a

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bae, G. Y., Pak, S. W., Kim, D., Lee, G., Kim, D. H., Chung, Y., et al. (2016). Линейная и высокочувствительная электронная кожа на основе биоинспирированной иерархической структурной матрицы. Adv. Матер. 28, 5300–5306. doi: 10.1002 / adma.201600408

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Baude, P. F., Ender, D. A., Haase, M. A., Kelley, T. W., Muyres, D. V., and Theiss, S. D. (2003). Схема радиочастотной идентификации на основе пентацена. Заявл. Phys. Lett. 82, 3964–3966. doi: 10.1063 / 1.1579554

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bhalla, N., Di Lorenzo, M., Estrela, P., and Pula, G. (2017). Полупроводниковые технологии в исследованиях протеинкиназ и открытии лекарств: предчувствие революции. Drug Discov. Сегодня 22, 204–209. DOI: 10.1016 / j.drudis.2016.10.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Couniot, N., Francis, L.A., and Flandre, D. (2016). Матрица емкостных биосенсоров CMOS 16 x 16 для обнаружения одной бактериальной клетки. IEEE Trans. Биомед. Circuits Syst. 10, 364–374. doi: 10.1109 / tbcas.2015.2416372

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фараджи, С., Хашимото, Т., Тернер, М.Л., Маевский Л. А. (2015). Нанокомпозитные диэлектрики для низковольтных полупроводниковых транзисторов, обработанные на основе растворов. Org. Электрон. 17, 178–183. doi: 10.1016 / j.orgel.2014.12.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Feng, L., Tang, W., Zhao, J., Yang, R., Hu, W., Li, Q., et al. (2016). Неинкапсулированный воздухостойкий транзистор с органическим полевым эффектом, применяемый всеми процессами решения для маломощных датчиков паров. Sci. Rep. 6, 20671–20679. doi: 10.1038 / srep20671

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фрик, В., Левек, П., Сойсал, У., Хейзер, Т. (2016). «Интегрированная высоковольтная КМОП-измерительная система со смешанными сигналами для газового датчика на основе OFET», Международная конференция IEEE по электронике, схемам и системам (ICECS) 2016 г., Монте-Карло, Монако, 11–14 декабря 2016 г., стр. 309–312. doi: 10.1109 / icecs.2016.7841194

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gonçalves, D., Prazeres, D. M. F., Chu, V., and Conde, J. P. (2008). Обнаружение ДНК и белков с использованием ионно-чувствительных тонкопленочных полевых транзисторов из аморфного кремния. Biosens. Биоэлектрон. 24, 545–551. doi: 10.1016 / j.bios.2008.05.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gubbi, J., Buyya, R., Marusic, S., and Palaniswami, M. (2013). Интернет вещей (IoT): видение, архитектурные элементы и будущие направления. Future Gen. Comput. Syst. 29, 1645–1660. doi: 10.1016 / j.future.2013.01.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hammock, M. L., Chortos, A., Tee, B. C.-K., Tok, J.Б.-Х., и Бао, З. (2013). Статья к 25-летию: Эволюция электронной оболочки (E-Skin): краткая история, соображения дизайна и недавний прогресс. Adv. Матер. 25, 5997–6038. doi: 10.1002 / adma.201302240

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Isaksson, J., Kjäll, P., Nilsson, D., Robinson, N., Berggren, M., and Richter-Dahlfors, A. (2007). Электронный контроль передачи сигналов Ca2 + в нейронных клетках с помощью органического электронного ионного насоса. Nat.Mater 6, 673–679. doi: 10.1038 / nmat1963

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kato, Y., Sekitani, T., Takamiya, M., Doi, M., Asaka, K., Sakurai, T., et al. (2007). Дисплеи Брайля листового типа за счет интеграции органических полевых транзисторов и полимерных приводов. IEEE Trans. Электрон. Приборы 54, 202–209. doi: 10.1109 / ted.2006.888678

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Knopfmacher, O., Hammock, M. L., Appleton, A.L., Schwartz, G., Mei, J., Lei, T., et al. (2014). Высокостабильный датчик на полевом транзисторе из органического полимера для селективного обнаружения в морской среде. Nat. Commun. 5, 2954. doi: 10.1038 / ncomms3954

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лай, С., Демелас, М., Казула, Г., Косседду, П., Барбаро, М., и Бонфиглио, А. (2013). Датчик сверхнизкого напряжения на основе OTFT для обнаружения ДНК без этикеток. Adv. Матер. 25, 103–107. DOI: 10.1002 / adma.201202996

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, М. Ю., Ким, Х. Дж., Юнг, Г. Ю., Хан, А.-Р., Квак, С. К., Ким, Б. Дж. И др. (2015). Высокочувствительные и селективные сенсоры жидкой фазы на основе устойчивой к растворителям органической транзисторной платформы. Adv. Матер. 27, 1540–1546. doi: 10.1002 / adma.201404707

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lei, K.-M., Mak, P.-I., Law, M.-K., and Martins, R.P.(2016). КМОП биосенсоры для диагностики In vitro — механизмы передачи и их применение. Lab. Чип 16, 3664–3681. doi: 10.1039 / c6lc01002d

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Li, Q., Zhao, J., Huang, Y., Tang, W., Peng, S., Qiu, S., et al. (2018). Интегрированная система органических полевых транзисторов низкого напряжения, чувствительных к ионам, на пластике. IEEE Electron. Device Lett. 39, 591–594. doi: 10.1109 / led.2018.2808192

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ляо, К., Чжан, М., Яо, М. Ю., Хуа, Т., Ли, Л. и Янь, Ф. (2015). Гибкая органическая электроника в биологии: материалы и устройства. Adv. Матер. 27, 7493–7527. doi: 10.1002 / adma.201402625

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мэй, Дж. И Бао, З. (2014). Разработка боковой цепи в сопряженных полимерах, обрабатываемых в растворе. Chem. Матер. 26 (1), 604–615. doi: 10.1021 / cm4020805

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мурманн, Б., и Xiong, W. (2010). «Проектирование аналоговых схем с использованием органических полевых транзисторов» на Международной конференции IEEE / ACM по автоматизированному проектированию (ICCAD), Сан-Хосе, Калифорния, 7–11 ноября 2010 г., стр. 504–507. doi: 10.1109 / iccad.2010.5653805

CrossRef Полный текст | Google Scholar

О’Коннор, Т. Ф., Раджан, К. М., Принц, А. Д. и Липоми, Д. Дж. (2015). К органической электронике со свойствами, вдохновленными биологической тканью. J. Mater. Chem. B 3, 4947–4952. doi: 10.1039 / c5tb00173k

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Очей, М.У., Чаррон Б. П., Ньяячавади А. и Рондо-Ганье С. (2017). Эластичная электроника: последние достижения в получении эластичных и самовосстанавливающихся полупроводниковых сопряженных полимеров. Flex. Распечатать. Электрон. 2, 043002. doi: 10.1088 / 2058-8585 / aa9c9b

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Очедж, М. У., Селиванова, М., Чжан, С., Ван Нгуен, Т. Х., Чаррон, Б. П., Чуанг, С.-Х. и др. (2018). Влияние амидсодержащих боковых цепей на механические свойства полимеров на основе дикетопирролопиррола. Polym. Chem. 9, 5531–5542. doi: 10.1039 / c8py01207e

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ogunleye, O.O., Sakai, H., Ishii, Y., and Murata, H. (2019). Исследование чувствительного механизма двухзатворного низковольтного датчика давления на основе органических транзисторов. Org. Электрон. 75, 105431. doi: 10.1016 / j.orgel.2019.105431

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Oh, J. Y., Rondeau-Gagné, S., Chiu, Y.-C., Chortos, A., Lissel, F., Wang, G.-J. N., et al. (2016). Искробезопасный и излечиваемый полупроводниковый полимер для органических транзисторов. Природа 539, 411–415. DOI: 10.1038 / nature20102

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ривней Дж., Оуэнс Р. М. и Маллиарас Г. Г. (2014). Расцвет органической биоэлектроники. Chem. Матер. 26, 679–685. doi: 10.1021 / cm4022003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Roberts, M.E., Mannsfeld, S.C.B., Queraltó, N., Reese, C., Locklin, J., Knoll, W., et al. (2008). Водостойкие органические транзисторы и их применение в химических и биологических сенсорах. Proc. Natl. Акад. Sci. 105, 12134–12139. DOI: 10.1073 / pnas.0802105105

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Rogers, J. A., and Bao, Z. (2002). Печатная пластиковая электроника и дисплеи, похожие на бумагу. J. Polym. Sci. A. Polym. Chem. 40, 3327–3334. doi: 10.1002 / pola.10405

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schwartz, G., Ти, Б.С.-К., Мей, Дж., Эпплтон, А. Л., Ким, Д. Х., Ван, Х. и др. (2013). Гибкие полимерные транзисторы с высокой чувствительностью к давлению для применения в электронном мониторинге кожи и здоровья. Nat. Commun. 4, 1859. doi: 10.1038 / ncomms2832

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Senevirathna, B., Lu, S., Dandin, M., Basile, J., Smela, E., and Abshire, P. (2019). Мониторинг с высоким разрешением эффективности химиотерапевтических агентов в раковых клетках с использованием емкостного биосенсора CMOS. Biosens. Биоэлектрон. 142, 111501. doi: 10.1016 / j.bios.2019.111501

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Senthamizhan, A., Fragouli, D., Balusamy, B., Patil, B., Palei, M., Sabella, S., et al. (2019). Гидрохромные углеродные точки как интеллектуальные датчики для определения воды в органических растворителях. Nanoscale Adv. 1, 4258–4267. doi: 10.1039 / c9na00493a

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Someya, T., Sekitani, T., Iba, S., Kato, Y., Кавагути, Х., Сакураи, Т. (2004). Гибкая матрица датчика давления большой площади с органическими полевыми транзисторами для искусственной кожи. Proc. Natl. Акад. Sci. 101, 9966–9970. DOI: 10.1073 / pnas.0401918101

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Su, B., Gong, S., Ma, Z., Yap, L. W., and Cheng, W. (2015). Дизайн гибкого сенсора давления с сенсорной чувствительностью в стиле мимозы. Малый 11, 1886–1891. DOI: 10.1002 / smll.201403036

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тахери, Х. Э. и Мирхассани, М. (2021 г.). Схема считывания с низким энергопотреблением, высоким разрешением и адаптивной чувствительностью с селективным диапазоном обнаружения для емкостных биосенсоров. AEU Int. J. Electron. Commun. 131, 153599. doi: 10.1016 / j.aeue.2020.153599

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tang, W., Jiang, C., Li, Q., Hu, W., Feng, L., Huang, Y., et al. (2016). Тег низковольтного датчика PH на основе полностью обработанных органических полевых транзисторов. IEEE Electron. Device Lett. 37, 1002–1005. doi: 10.1109 / led.2016.2580565

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Uslu, F., Ingebrandt, S., Mayer, D., Böcker-Meffert, S., Odenthal, M., and Offenhäusser, A. (2004). Полностью электронная система обнаружения нуклеиновых кислот Labelfree на основе полевого транзистора. Biosens. Биоэлектрон. 19, 1723–1731. doi: 10.1016 / j.bios.2004.01.019

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Веллисте, М., Перель, С., Сполдинг, М.С., Уитфорд, А.С., и Шварц, А.Б. (2008). Кортикальный контроль протеза руки для самостоятельного кормления. Природа 453, 1098–1101. DOI: 10.1038 / nature06996

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wen, H.-F., Wu, H.-C., Aimi, J., Hung, C.-C., Chiang, Y.-C., Kuo, C.-C., et. al. (2017). Боковые цепи из мягкого поли (бутилакрилата) к искробезопасным полимерным полупроводникам для применения на полевых транзисторах. Макромолекулы 50, 4982–4992.doi: 10.1021 / acs.macromol.7b00860

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, H.-C., Hung, C.-C., Hong, C.-W., Sun, H.-S., Wang, J.-T., Yamashita, G., et. al. (2016). Полупроводниковые полимеры на основе изоиндиго с использованием боковых цепей карбосилана для высокоэффективных растягиваемых полевых транзисторов. Макромолекулы 49, 8540–8548. doi: 10.1021 / acs.macromol.6b02145

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xu, J., Wang, S., Wang, G. N., Zhu, C., Luo, S., Джин, Л. и др. (2017). Полимерные полупроводниковые пленки с высокой растяжимостью благодаря эффекту наноконфайнмента. Наука 355, 59–64. doi: 10.1126 / science.aah5496

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhan, Y., Mei, Y., and Zheng, L. (2014). Возможности материалов и производительность устройств в гибкой электронике для Интернета вещей. J. Mater. Chem. С 2, 1220–1232. doi: 10.1039 / c3tc31765j

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhao, Y., Чжао, X., Zang, Y., Di, C.-a., Diao, Y., and Mei, J. (2015). Разделители для разрыва сопряжения в полупроводниковых полимерах: влияние на технологичность полимера и свойства переноса заряда. Макромолекулы 48, 2048–2053. doi: 10.1021 / acs.macromol.5b00194

CrossRef Полный текст | Google Scholar

J-fet (переходной полевой транзистор) Патенты и заявки на патенты (класс 148 / DIG88)

Номер патента: 5015596

Abstract: GaAs JFET согласно настоящему изобретению сформирован следующим образом.Сначала на подложке из GaAs формируется активный слой n-типа. Затем на активном слое n-типа формируется электрод затвора, содержащий элемент группы II. Когда электрод затвора используется в качестве маски, примесь n-типа ионно имплантируется в подложку GaAs с высокой концентрацией самовыравнивающимся образом по отношению к электроду затвора. Затем на полученной структуре выполняется термообработка для диффузии элемента группы II в электроде затвора в активный слой n-типа, образуя область затвора p-типа.В то же время ионно-имплантированная примесь n-типа активируется, образуя области истока и стока.

Тип: Грант

Зарегистрирован: 8 февраля 1990 г.

Дата патента: 14 мая 1991 г.

Цессионарий: Кабушики Кайша Тошиба

Изобретателей: Нобуюки Тойода, Наотака Учитоми, Акимичи Ходзё

chet_paynter_introduct_6 | Полевые транзисторы | Краткое содержание главы

JFET — это трехконтактное устройство, которое содержит два полупроводниковых материала и один переход.Конструкцию полевого транзистора JFET можно представить, как показано на рисунке 12-1. Как показано на рисунке, три вывода JFET называются истоком , стоком и затвором . Полупроводниковый материал, который соединяет выводы стока и истока, называется каналом . Канал изготовлен из одного материала, а затвор — из другого. Обратите внимание:

• Данный JFET идентифицируется по типу материала, используемого в качестве канала.(Компонент на рис. 12-1 называется n-канальным JFET .)
• Материал затвора окружает канальный пояс вокруг вашей талии. (Два материала типа p на рис. 12-1 на самом деле являются концами одного и того же материала, если смотреть сбоку.)

РИСУНОК 12-1. Конструкция N-канального JFET.

Обычно используемые условные обозначения JFET показаны на рисунке 12-2. Обратите внимание:

• Стрелка расположена на выводе затвора и указывает на материал типа n .
• N-канальные полевые транзисторы требуют положительных напряжений питания , в то время как полевые транзисторы с каналами p и требуют отрицательных напряжений питания . (См. Рисунок 12.3 текста.)
• Источник , сток и затвор являются JFET аналогами эмиттера BJT, коллектора и базы (соответственно).

РИСУНОК 12-2. Символы JFET.

Общая работа JFET основана на изменении ширины канала для управления током стока следующим образом: Проводимость изменяется обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.Как показано на рисунке 12-3, ток в цепи сток-исток проходит через канал полевого транзистора. Путем сужения эффективной ширины канала можно управлять проводимостью через цепь сток-исток.

РИСУНОК 12-3. Проводимость JFET.

Ширина канала JFET уменьшается на , увеличивая эффективную ширину затвора . Эффективную ширину затвора можно увеличить, приложив обратное напряжение затвор-исток (), как показано на рисунке 12-4.Приложение обратного напряжения затвор-исток вызывает формирование обедненного слоя вокруг затвора (как показано на рисунке), уменьшая ток через схему сток-исток.

РИСУНОК 12-4. Эффект от приложения обратного напряжения затвор-исток.

Затворный переход также может иметь обратное смещение за счет напряжения сток-исток (). На рисунке 12-5 затвор замкнут на источник. В результате затвор подключен к отрицательной стороне.Поскольку положительная сторона соединена со стоком, сток типа n является более положительным, чем затвор типа p , что приводит к формированию небольшого обедненного слоя, как показано.

РИСУНОК 12-5. Слой истощения, образованный.

Напряжение защемления () и ток утечки с закороченным затвором ()

Источник напряжения () на рисунке 12-5 генерирует ток через канал JFET. По мере увеличения значения ток устройства и ширина обедненного слоя также увеличиваются.После достижения заданного значения, называемого напряжением отсечки (), дальнейшее увеличение компенсируется прямо пропорциональным увеличением сопротивления канала, и ток устройства выравнивается (становится постоянным). Эта взаимосвязь проиллюстрирована графиком на рисунке 12.7 текста. Обратите внимание, что рейтинг данного JFET измеряется в.
Когда и, ток стока достигает максимально возможного значения. Это значение, называемое током стока с короткозамкнутым затвором (), указано в технических характеристиках данного полевого транзистора.

Напряжение отсечки затвор-исток ()

Существует значение, при котором ток стока () падает примерно до 0 А. Это значение называется напряжением отсечки затвор-исток ,. Когда слой истощения вокруг ворот закрывает канал, в результате чего. Обратите внимание, что номинальные значения и JFET всегда равны по величине (и противоположны по полярности). По этой причине в спецификации для данного JFET обычно указывается только одно из двух значений.

Сопротивление затвора

Затвор полевого транзистора всегда имеет обратное смещение (при нормальных условиях эксплуатации). По этой причине сопротивление затвора JFET чрезвычайно велико, как правило, в G диапазон. Этот высокий импеданс затвора является основным преимуществом JFET по сравнению с BJT. Когда вывод затвора полевого транзистора используется в качестве компонентного входа, высокое сопротивление затвора практически не приводит к нагрузке на источник.

Следует отметить, что затвор JFET не предназначен для обработки значительного количества тока.Следовательно, следует позаботиться о , чтобы гарантировать, что затвор никогда не будет смещен вперед . В этом случае даже относительно небольшие токи (в диапазоне мА) могут повредить компонент.

Кривые крутизны

На рисунке 12-6 показан типичный усилитель с полевым транзистором. Поскольку компонент не имеет входного тока, он не имеет бета-рейтинга. Однако выходной ток () при заданном значении можно рассчитать, используя уравнение, показанное на рисунке.

РИСУНОК 12-6.Схема JFET и кривая крутизны.

Когда уравнение решается для серии значений, результаты могут быть использованы для построения кривой крутизны для JFET. Общая кривая крутизны показана на рисунке 12-6. Обратите внимание, что кривая заканчивается на значениях и для данного компонента. Кривая крутизны JFET построена, как показано в Примере 12.2 текста. Обратите внимание, что:

• Большинство JFET имеют кривые крутизны минимум и максимум , как показано в Примере 12.3.
• Кривые крутизны для данного JFET используются в анализе постоянного тока цепи смещения.

Смещение затвора

Смещение затвора является эквивалентом базового смещения JFET. Схема смещения затвора показана (вместе с линией смещения постоянного тока) на рисунке 12-7.

РИСУНОК 12-7. Схема смещения затвора и линия смещения.

Линия смещения постоянного тока представляет все возможные значения точек Q для схемы смещения полевого транзистора.Как показано на рисунке, точка Q для схемы смещения затвора может находиться в любом месте между точками, где линия смещения пересекает две кривые крутизны. В результате значение тока стока Q в точке чрезвычайно нестабильно для смещения затвора. Это основной недостаток использования этой простой схемы.

Самосмещение

Самосмещение — это более часто используемая схема смещения полевого транзистора, в которой используется истоковый резистор () для создания отрицательного напряжения затвор-исток.Схема самосмещения показана (вместе с линией смещения постоянного тока) на Рисунке 12-8.

РИСУНОК 12-8. Схема самосмещения и линия смещения постоянного тока.

Линия смещения показывает, что все еще может находиться в относительно большом диапазоне значений, но этот диапазон значительно уже, чем диапазон для сопоставимой схемы смещения затвора. (Эта точка проиллюстрирована на рисунке 12.24 текста.) Линия смещения постоянного тока для цепи самосмещения построена следующим образом:

1. Постройте кривые минимальной и максимальной крутизны для JFET.
2. Выберите любое значение и определите соответствующее значение с помощью
   
3. Постройте найденную точку с помощью уравнения и проведите линию от этой точки до начала графика.

Эта процедура продемонстрирована в Примере 12.6 текста. Поскольку самосмещение обеспечивает более стабильный выходной сигнал, чем смещение затвора, это предпочтительная схема из двух. (Самосмещение также имеет то преимущество, что не требует использования отрицательного источника питания для смещения перехода затвор-исток.)

Смещение делителя напряжения

Смещение делителя напряжения используется для значительного уменьшения возможных вариаций, присущих усилителям JFET. Усилитель на полевом транзисторе со смещением делителя напряжения показан на рис. 12-9 вместе с зависимостями анализа постоянного тока для схемы.

РИСУНОК 12-9. Смещение делителя напряжения.

Линия смещения постоянного тока для цепи смещения делителя напряжения показана на Рисунке 12-10. Обратите внимание на небольшую разницу в I _D между точками Q .Относительно стабильное значение тока стока — это сила цепи. Процедура построения линии смещения постоянного тока продемонстрирована в примере 12.8 текста.

РИСУНОК 12-10. Линия смещения постоянного тока для усилителя с делителем напряжения.

Смещение источника тока

Смещение источника тока использует BJT для управления током стока JFET, что делает его независимым от характеристик JFET. Схема смещения источника тока показана на рисунке 12-11.Пока схема спроектирована так, что меньше минимального значения , значение тока стока Q не зависит от характеристик полевого транзистора.

РИСУНОК 12-11. Смещение источника тока.

Усилитель с общим истоком

Усилитель с общим истоком (CS) является JFET аналогом усилителя с общим эмиттером. Как показано на Рисунке 12-12, входной сигнал подается на затвор JFET, а выходной сигнал берется из стока.Обратите внимание, что усилитель CS — это единственная конфигурация усилителя JFET, которая обеспечивает угол поворота 180 °. фазовый сдвиг напряжения от входа к выходу.

Крутизна () усилителя JFET составляет отношение изменения тока стока () к изменению напряжения затвор-исток (), обычно измеряемое в микросименсах (). Как следует из уравнения на рис. 12-12, значение зависит от номинальной крутизны JFET () и смещения цепи постоянным током.Этот момент проиллюстрирован в Примере 12.11 текста.

РИСУНОК 12-12. Усилитель с общим источником.

Коэффициент усиления по напряжению стандартного усилителя CS попадает в диапазон значений, который определяется (частично) кривыми минимальной и максимальной крутизны для устройства. Этот момент проиллюстрирован в Примере 12.12 текста. Чтобы решить эту проблему, можно использовать заглушающий резистор .

Усилитель с общим стоком (повторитель источника)

Повторитель источника является аналогом повторителя эмиттера на полевом транзисторе.Как показано на рис. 12-13, входной сигнал подается на затвор JFET, а выходной сигнал берется из источника.

РИСУНОК 12-13. Усилитель с общим стоком (истоковый повторитель).

Повторитель источника обычно имеет высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и. В результате схема обычно используется как буфер. Коэффициент усиления по напряжению и выходное сопротивление повторителя источника попадают в диапазоны, которые определяются (частично) кривыми минимальной и максимальной крутизны для устройства.Этот момент проиллюстрирован в Примере 12.16 текста.

Усилитель с общим затвором

Усилитель с общим затвором (CG) является аналогом JFET усилителя с общей базой. Как показано на рис. 12-14, входной сигнал подается на исток JFET, а выходной — на сток.

РИСУНОК 12-14. Усилитель с общим затвором.

Усилитель CG обычно имеет низкий входной импеданс, высокий выходной импеданс (по сравнению с, и).В результате схема обычно используется для согласования источника с низким импедансом с нагрузкой с более высоким импедансом. Обратите внимание, что выходная проводимость JFET () является номинальной характеристикой. Выходное сопротивление усилителя CG рассчитывается, как показано в Примере 12.17 текста.

Неисправности JFET

Есть несколько вещей, которые могут выйти из строя с JFET. Поскольку имеется только одно соединение компонентов, симптомы неисправности полевого транзистора легко распознать. Влияние условий короткого затвора и открытого затвора показано на рисунке 12.47 текста.

Технические характеристики полевого транзистора

Подобно листам спецификаций транзисторов, в спецификациях полевых транзисторов обычно указаны максимальные номинальные значения , отклонения от характеристик, характеристики, и характеристики слабого сигнала .

Раздел максимальных номинальных значений спецификации JFET обычно включает стандартные номинальные значения напряжения пробоя, максимальные номинальные токи и рабочие диапазоны температур.

Характеристики выключения В разделе спецификации обычно указаны значения напряжения пробоя затвор-исток и обратного тока затвора.Обратите внимание, что обратный ток затвора () обычно находится в нА или диапазоне.

В разделе характеристик спецификации обычно указывается значение и минимально возможное значение.

Характеристики слабого сигнала В разделе спецификации обычно указываются значения проводимости, проводимости, крутизны и пропускания компонентов. Обратите внимание, что рейтинги допуска учитывают восприимчивость компонента , тогда как рейтинги проводимости нет.

Приложения JFET

JFET обычно используются в любом приложении, требующем более высокого входного импеданса схемы, чем может быть получено с усилителем BJT.

Типы полевых транзисторов

Типы полевых транзисторов:

В общем, три типа полевых транзисторов:

• Соединительный полевой транзистор (JFET)
• Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET)
• Дополнительный металлооксидный полупроводник (CMOS)

Соединительный полевой транзистор (JFET):

Основные процессы, используемые для изготовления JFET, в точности аналогичны тем, которые используются при изготовлении BJT.

JFET далее классифицируются как

• N-канальный JFET и
• P-канальный JFET.

Развитие n-канального JFET показано на рис. 1.25.

JFET, эпитаксиальный слой, используется как n-канальный. Затвор p + формируется в канале n-типа посредством ионной имплантации или диффузии. В то время как хорошие омические контакты достигаются за счет использования n + диффузионных слоев под областями стока и истока.

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET):

Другой тип полевых транзисторов — это металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET). МОП-транзисторы классифицируются следующим образом:

• Режим расширения MOSFET
• MOSFET в режиме истощения

В полевых МОП-транзисторах вывод затвора изолирован от канала полевого транзистора изолирующим слоем из диоксида кремния. Поскольку слой изоляционного типа, он обеспечивает очень высокое входное сопротивление.Обеспечивая превосходный барьер для примесей, проникающих через слой SiO ₂ , нитрид кремния (Si ₃ N ₄ ) помещен между двумя слоями диоксида кремния (SiO ₂ ). Это помогает увеличить общую диэлектрическую проницаемость.

n-канальный МОП-транзистор в режиме улучшения и обеднения показаны на рис. 1.26 (a) и (b) соответственно.

В режиме улучшения МОП-транзистор находится в выключенном состоянии, когда смещение затвор-исток равно нулю, в то время как МОП-транзистор включается при положительном напряжении затвора-истока.в режиме истощения из-за n-имплантированного канала проводимость возможна во включенном состоянии при нулевом напряжении затвор-исток. В то время как отрицательное напряжение истока затвора требуется, чтобы выключить его.

Дополнительный металлооксидный полупроводник (CMOS):

Когда n-канальный MOSFET и p-канальный MOSFET интегрированы в один и тот же чип, устройство называется комплементарной CMOS. При изготовлении КМОП лунка n-типа рассеивается в подложке p-типа. Также внутри этой n-лунки изготавливается полевой МОП-транзистор с каналом p-типа.По сути, эта n-лунка образует подложку для p-канального MOSFET.

При изготовлении полевого МОП-транзистора с каналом p-типа требуются два дополнительных этапа по сравнению с изготовлением полевого МОП-транзистора с каналом n-типа. Дополнительными шагами являются формирование n-лунки и ионная имплантация областей истока и стока p-типа. Поперечное сечение CMOS IC показано на рис. 1.27.

Кремний на полевом транзисторе из сегнетоэлектрического изолятора (SOF-FET) новое устройство для сверхмалопотребляющих схем следующего поколения

Аннотация

Полевые транзисторы (FET) являются основой всех электронных схем и процессоров.Эти устройства значительно продвинулись вперед и подошли к своим последним шагам на субнанометровом уровне. Спасти этот прогресс поступают предложения левых и правых. Новые наноэлектронные устройства (устройства резонансного туннелирования, одноатомные транзисторы, спиновые устройства, транзисторы с гетеропереходом, квантовые устройства с быстрым потоком, углеродные нанотрубки и устройства на основе нанопроволок) заняли значительную часть текущих научных исследований. Электронные материалы, отличные от Si, такие как гетероструктура III-V, сегнетоэлектрик, углеродные нанотрубки (УНТ) и другие конструкции на основе нанопроволок, находятся на стадии разработки, чтобы стать основной технологией неклассических КМОП-структур.FinFET представляет современные коммерческие нанотехнологии. Масштабируемость и низкое рассеивание мощности этого устройства позволили расширить возможности кремниевых устройств. Его главное преимущество — высокая устойчивость к эффекту короткого канала (SCE). Выявлена ​​структура с несколькими затворами для улучшения электростатического заряда затвора по каналу. Новая структура демонстрирует более высокие характеристики, что сделало ее первым кандидатом на замену обычному полевому МОП-транзистору. Устройство также демонстрирует возможность масштабирования в будущем для продолжения закона Мура.Кроме того, устройство совместимо с процессом изготовления кремния. Более того, конструкция со сверхнизким энергопотреблением (ULP) требует подпорогового наклона ниже предела термоэлектронной эмиссии 60 мВ / декаду (KT / q). Это значение было непоколебимо новой структурой (SOI-FinFET). С другой стороны, большинство предложений превью показывают возможность выйти за этот предел. Однако эти заранее упомянутые схемы продемонстрировали очень сложную физику, трудности проектирования и несовместимость процессов. Целью данного исследования является обсуждение различных появляющихся наноустройств, предлагаемых для конструкций со сверхмалым энергопотреблением, и их возможностей по замене кремниевых устройств в качестве базовой технологии в будущей интегральной схеме.В этой диссертации предлагается новая конструкция, в которой используется концепция отрицательной емкости. Новый полевой транзистор (FET) на основе сегнетоэлектрического изолятора, названный полевым транзистором кремний-на-сегнетоэлектрическом изоляторе (SOF-FET). Это предложение является многообещающей методологией для будущих приложений со сверхмалым энергопотреблением, поскольку оно демонстрирует возможность замены полевого МОП-транзистора на основе кремния и предлагает подпороговое колебание значительно ниже 60 мВ / декаду и пониженное пороговое напряжение для формирования проводящего канала.SOF-FET также может решить проблему утечки перехода (из-за наличия униполярного перехода между верхней пластиной отрицательной емкости и диффузными областями, которые образуют исток и сток транзистора).