Линейный стабилизатор на полевом транзисторе

Современного человека в быту и на производстве окружает большое количество электротехнических приборов и оборудования. Для устойчивой, стабильной работы всей этой техники требуется бесперебойная подача электроэнергии. Однако из-за скачков сетевого напряжения, приборы довольно часто выходят из строя. Во избежание подобных ситуаций, применяются специальные устройства, в том числе и стабилизатор тока на полевом транзисторе. Его использование гарантирует нормальную работу электротехники, предотвращает аварии и поломки.

Работа стабилизаторов тока

Качественное питание всех электротехнических устройств можно гарантированно обеспечить лишь, используя стабилизатор тока. С его помощью компенсируются скачки и перепады в сети, увеличивается срок эксплуатации приборов и оборудования.

Основной функцией стабилизатора является автоматическая поддержка тока потребителя с точно заданными параметрами. Кроме скачков тока, удается компенсировать изменяющуюся мощность нагрузки и температуру окружающей среды. Например, с увеличением мощности, потребляемой оборудованием, произойдет соответствующее изменение потребляемого тока. В результате, произойдет падение напряжения на сопротивлении проводки и источника тока. То есть, с увеличением внутреннего сопротивления, будут более заметны изменения напряжения при увеличении токовой нагрузки.

В состав компенсационного стабилизатора тока с автоматической регулировкой входит цепь отрицательной обратной связи. Изменение соответствующих параметров регулирующего элемента позволяет достичь необходимой стабилизации. На элемент оказывает воздействие импульс обратной связи. Данное явление известно, как функция выходного тока. В зависимости от регулировок, стабилизаторы разделяются на непрерывные, импульсные и смешанные.

Среди множества стабилизаторов очень популярны стабилизаторы тока на полевых транзисторах. Подключение транзистора в данной схеме осуществляется последовательно сопротивлению нагрузки. Это приводит к незначительным изменениям тока нагрузки, в то время, как входное напряжение подвержено существенным изменениям.

Устройство и работа полевого транзистора

Управление полевыми транзисторами осуществляется посредством электрического поля, отсюда и появилось их название. В свою очередь электрическое поле создается под действием напряжения. Таким образом, все полевые транзисторы относятся к полупроводниковым приборам, управляемым напряжением.

Канал этих устройств открывается только с помощью напряжения. При этом, ток не протекает через входные электроды. Исключение составляет лишь незначительный ток утечки. Отсюда следует, что какие-либо затраты мощности на управление отсутствуют. Однако на практике не всегда используется статический режим, в процессе переключения транзисторов задействована некоторая частота.

В конструкцию полевого транзистора входит внутренняя переходная емкость, через которую протекает некоторое количество тока во время переключения. Поэтому для управления затрачивается незначительное количество мощности.

В состав полевого транзистора входит три электрода. Каждый из них имеет собственное название: исток, сток и затвор. На английском языке эти наименования соответственно будут выглядеть, как source, drain и gate. Канал можно сравнить с трубой, по которой движется водяной поток, соответствующий заряженным частицам. Вход потока происходит через исток. Выход заряженного потока происходит через сток. Для закрытия или открытия потока существует затвор, выполняющий функцию крана. Течение заряженных частиц возможно лишь при условии напряжения, прилагаемого между стоком и истоком. При отсутствии напряжения тока в канале также не будет.

Таким образом, чем больше значение подаваемого напряжения, тем сильнее открывается кран. Это приводит к увеличению тока в канале на участке сток-исток и уменьшению сопротивления канала. В источниках питания применяется ключевой режим работы полевых транзисторов, позволяющий полностью закрывать или открывать канал.

Полевые транзисторы в стабилизаторах тока

Стабилизаторы тока предназначены для поддержания параметров тока на определенном уровне. Благодаря этим свойствам, данные приборы успешно используются во многих электронных схемах. Чтобы понять принцип действия, следует рассмотреть некоторые теоретические вопросы.

Известно, что в идеальном источнике тока присутствует ЭДС, стремящаяся к бесконечности и бесконечно большое внутреннее сопротивление. За счет этого удается получить ток с требуемыми параметрами, независимо от сопротивления нагрузки.

Идеальный источник способен создавать ток, остающийся на одном уровне, несмотря на изменяющееся сопротивление нагрузки в диапазоне от короткого замыкания до бесконечности. Для поддержания значения тока на неизменном уровне, величина ЭДС должна изменяться, начиная от величины больше нуля и до бесконечности. Основным свойством источника, позволяющим получать стабильное значение тока, является изменение сопротивления нагрузки и ЭДС таким образом, чтобы значение тока оставалось на одном и том же уровне.

Но, на практике поддержка источником требуемого уровня тока происходит в ограниченном диапазоне напряжения, возникающего на нагрузке. Реальные источники тока используются вместе с источниками напряжения. К таким источникам относится обычная сеть на 220 вольт, а также аккумуляторы, блоки питания, генераторы, солнечные батареи, поставляющие потребителям электрическую энергию. С каждым из них может быть последовательно включен стабилизатор тока на полевом транзисторе, выход которого выполняет функцию источника тока.

Простейшая конструкция стабилизатора состоит из двухвыводного компонента, с помощью которого происходит ограничение протекающего через него тока, до необходимых параметров, устанавливаемых изготовителем. Своим внешним видом он напоминает диод малой мощности, поэтому данные приборы известны как диодные стабилизаторы тока.

Несложная схема для регулирования, а также стабилизации напряжения представлена на картинке выше, её сможет собрать даже новичок в электронике. К примеру, на вход подано 50 вольт, а на выходе получаем 15,7 вольт или другое значение до 27V.

Схема регулируемого стабилизатора

Основной радиодеталью данного устройства является полевой (MOSFET) транзистор, в качестве которого можно использовать IRLZ24/32/44 и другие подобные. Наиболее часто они производятся компаниями IRF и Vishay в корпусах TO-220 и D2Pak. Стоит около 0.58$ грн в розницу, на ebay 10psc можно приобрести за 3$ (0,3 доллара за штуку). Такой мощный транзистор имеет три вывода: сток (drain), исток (source) и затвор (gate), он имеет такую структуру: металл-диэлектрик(диоксид кремния SiO2)-полупроводник. Микросхема-стабилизатор TL431 в корпусе TO-92 обеспечивает возможность настраивать значение выходного электрического напряжения. Сам транзистор я оставил на радиаторе и припаял его к плате с помощью проводков.

Входное напряжение для этой схемы может быть от 6 и до 50 вольт. На выходе же получаем 3-27V с возможностью регулирования подстрочным резистором 33k. Выходной ток довольно большой, до 10 Ампер, в зависимости от радиатора.

Сглаживающие конденсаторы C1,C2 могут иметь ёмкость 10-22 мкФ, C3 4,7 мкФ. Без них схема и так будет работать, но не так хорошо, как нужно. Не забываем про вольтаж электролитических конденсаторов на входе и выходе, мною были взяты все рассчитаны на 50 Вольт.

Мощность, которую сможет рассеять такой стабилизатор напряжения не может быть более 50 Ватт. Полевой транзистор обязательно устанавливается на радиатор, рекомендуемая площадь поверхности которого не менее 200 квадратных сантиметров (0,02 м2). Не забываем про термопасту или подложку-резинку, чтобы тепло лучше отдавалось.

Возможно использование подстрочного резистора 33k типа WH06-1, WH06-2 они имеют достаточно точную регулировку сопротивления, вот так они выглядят, импортный и советский.

Для удобства на плату лучше припаять две колодки, а не провода, которые легко отрываются.

Печатная плата для дискретных элементов и переменного резистора типа СП5-2 (3296).

Стабильность неплоха и напряжение изменяется только на доли вольта на протяжении длительного времени. Готовая платка получилась компактна и удобна. Так как я планирую длительное время использовать это устройство для защиты дорожек окрасил всё дно платы зеленым цапонлаком. Автор материала — Егор.

Обсудить статью СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

При построении источников питания с сильноточными стабилизаторами напряжения электронщики, как правило, используют специализированные интегральные микросхемы, как с опорным, так и с регулируемым напряжением. Часто применяются схемы с параллельно включенными стабилизаторами для усиления мощности .

Стабилизаторы напряжения на полевых транзисторах: схема включения и регулировки

Для корректной функциональности многих электротехнических устройств необходимо поддержание определенных рабочих параметров сети питания. Выход напряжения за границы нормированного диапазона сопровождается ухудшением КПД. Импульсные помехи провоцируют сбои. Исправить ситуацию поможет стабилизатор тока на полевом транзисторе схема которого представлена в этой публикации.

Мощный блок питания на полевом транзисторе

Целевое назначение специальной схемы – регулирование источника питания в автоматическом режиме для поддержания стабильных параметров цепей нагрузки. Основной компонент – достаточно мощный полупроводниковый прибор, ограничитель силы тока на выходе блока питания.

Критерии выбора можно сформулировать, если известны параметры силы тока (ампер). Однако даже без конкретного технического задания несложно перечислить базовые требования:

• ток в контрольной цепи поддерживается с определенной точностью;
• следует компенсировать перепады потребляемой мощности;
• корректирующие изменения должны выполняться достаточно быстро;
• для автоматической настройки оптимального режима и улучшения защиты от помех нужна организация обратной связи.

Для уточнения функциональности управляющего элемента необходимо отметить особенности типичной нагрузки. Интенсивность излучения светодиода, например, существенно зависит от температуры в процессе эксплуатации. Соответствующим образом изменяется мощность потребления. При увеличении тока уменьшается напряжение.

Как и в случае с биполярным транзистором, не имеет значения, откуда и откуда исходит управляющее напряжение. Мы могли бы использовать солнечную батарею, термопару или любое другое устройство, генерирующее напряжение, для подачи напряжения, контролирующего проводимость полевого транзистора. Все, что требуется от источника напряжения для работы переключателя JFET, — это достаточное напряжение для обеспечения отсечки канала JFET. Этот уровень обычно находится в области нескольких вольт постоянного тока и называется напряжением отсечки или отсечки .Точное напряжение отсечки для любого данного JFET-транзистора зависит от его уникальной конструкции и не является универсальной величиной, например 0,7 В для напряжения перехода база-эмиттер кремниевого BJT.

• ОБЗОР:
• Полевые транзисторы регулируют ток между соединениями истока и стока с помощью напряжения, приложенного между затвором и истоком. В полевом транзисторе с переходом (JFET) есть PN переход между затвором и истоком, который обычно имеет обратное смещение для управления током исток-сток.
• JFET — это нормально включенные (нормально насыщенные) устройства. Приложение напряжения обратного смещения между затвором и истоком заставляет обедненную область этого перехода расширяться, тем самым «зажимая» канал между истоком и стоком, через который проходит управляемый ток.
• Может потребоваться установить «отводящий» резистор между затвором и истоком, чтобы разрядить накопленный заряд, накопленный на естественной емкости перехода, когда управляющее напряжение снимается.В противном случае может остаться заряд, чтобы JFET оставался в режиме отсечки даже после отключения источника напряжения.

Тестирование полевого транзистора с помощью мультиметра может показаться относительно простой задачей, учитывая, что у него есть только один PN-переход для тестирования: измеряется либо между затвором и истоком, либо между затвором и стоком.

Другое дело — проверка непрерывности через канал сток-исток.Помните из предыдущего раздела, как накопленный заряд на емкости PN перехода затворного канала мог удерживать полевой транзистор в отключенном состоянии без приложения к нему внешнего напряжения? Это может произойти, даже если вы держите JFET в руке, чтобы проверить его! Следовательно, любое показание измерителя непрерывности через этот канал будет непредсказуемым, поскольку вы не обязательно знаете, накапливается ли заряд в соединении затвор-канал. Конечно, если вы заранее знаете, какие клеммы на устройстве являются затвором, истоком и стоком, вы можете подключить перемычку между затвором и истоком, чтобы устранить любой накопленный заряд, а затем без проблем приступить к проверке целостности цепи исток-сток.Однако, если вы, , не знаете, какие терминалы какие, непредсказуемость соединения исток-сток может запутать ваше определение идентичности терминала.

Хорошая стратегия, которой следует придерживаться при тестировании JFET, — вставить контакты транзистора в антистатическую пену (материал, используемый для доставки и хранения статических электронных компонентов) непосредственно перед тестированием. Проводимость пены создает резистивное соединение между всеми выводами транзистора, когда он вставлен.Это соединение гарантирует, что все остаточное напряжение, возникающее на PN-переходе затворного канала, будет нейтрализовано, тем самым «открывая» канал для точного измерения целостности цепи исток-сток.

Поскольку канал JFET представляет собой единый непрерывный кусок полупроводникового материала, обычно нет разницы между выводами истока и стока. Проверка сопротивления от истока к стоку должна дать то же значение, что и проверка от стока к истоку.Это сопротивление должно быть относительно низким (максимум несколько сотен Ом), когда напряжение PN перехода затвор-исток равно нулю. При приложении напряжения обратного смещения между затвором и истоком отсечка канала должна быть очевидна по увеличенному показанию сопротивления на измерителе.

JFET, как и биполярные транзисторы, могут «дросселировать» ток в режиме между отсечкой и насыщением, который называется активным режимом .Чтобы лучше понять работу JFET, давайте настроим симуляцию SPICE, аналогичную той, которая использовалась для изучения основной функции биполярного транзистора:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 1
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 2 0,05
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Обратите внимание, что транзистор, обозначенный на схеме «Q ₁ », представлен в списке соединений SPICE как j1.Хотя все типы транзисторов обычно упоминаются в схемах как «Q» -устройства — точно так же, как резисторы обозначаются буквой «R», а конденсаторы — буквой «C», SPICE необходимо указать, какой тип транзистора это. означает другое буквенное обозначение: q для биполярных переходных транзисторов и j для переходных полевых транзисторов.

Здесь управляющий сигнал представляет собой постоянное напряжение в 1 вольт, приложенное с отрицательной полярностью к затвору полевого транзистора и положительным полюсом к истоку полевого транзистора для обратного смещения PN перехода.В первом моделировании BJT главы 4 для управляющего сигнала использовался источник постоянного тока 20 мкА, но помните, что JFET — это устройство с регулируемым напряжением , а не устройство с регулируемым током, подобное биполярному переходному транзистору.

Как и BJT, JFET имеет тенденцию регулировать контролируемый ток на фиксированном уровне выше определенного напряжения источника питания, независимо от того, насколько высоко это напряжение может подняться. Конечно, это регулирование тока имеет ограничения в реальной жизни — ни один транзистор не может выдерживать бесконечное напряжение от источника питания — и при достаточном напряжении сток-исток транзистор «сломается», и ток стока будет увеличиваться.Но в нормальных рабочих пределах JFET поддерживает постоянный ток стока независимо от напряжения источника питания. Чтобы проверить это, мы запустим еще одно компьютерное моделирование, на этот раз увеличив напряжение источника питания (V ₁ ) до 50 вольт:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 1
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.постоянного тока v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

jfet моделирование
вин 0 1 постоянный ток 0,5
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 0,25
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока 25
.model mod1 njf
.dc vin 0 2 0,1
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

В случае JFET именно напряжение на диоде затвор-исток с обратным смещением задает точку регулирования тока для пары диодов постоянного тока.В модель включена пара противоположных диодов постоянного тока для обеспечения протекания тока в любом направлении между истоком и стоком, что стало возможным благодаря униполярной природе канала. При отсутствии PN-переходов для прохождения тока исток-сток отсутствует чувствительность к полярности в регулируемом токе. По этой причине полевые транзисторы JFET часто называют двусторонними устройствами.

Сравнение характеристических кривых JFET и кривых для биполярного транзистора показывает заметную разницу: линейная (прямая) часть области насыщения каждой кривой (негоризонтальная область) удивительно длинна по сравнению с соответствующими частями характеристических кривых BJT:

JFET-транзистор в состоянии насыщения имеет тенденцию действовать очень похоже на простой резистор при измерении от стока к истоку.Как и у всех простых сопротивлений, его график тока / напряжения представляет собой прямую линию. По этой причине участок насыщения (негоризонтальный) характеристической кривой полевого транзистора иногда называют омической областью . В этом режиме работы, когда напряжения сток-исток недостаточно для доведения тока стока до регулируемой точки, ток стока прямо пропорционален напряжению сток-исток. В тщательно спроектированной схеме это явление можно использовать с пользой.Управляемый в этой области кривой JFET действует как управляемый напряжением резистор , а не регулируемый напряжением регулятор тока , и подходящая модель для транзистора отличается:

Здесь и только здесь модель транзистора с реостатом (переменным резистором) является точной. Однако следует помнить, что эта модель транзистора верна только для узкого диапазона его работы: когда он чрезвычайно насыщен (гораздо меньшее напряжение, приложенное между стоком и истоком, чем то, что необходимо для достижения полного регулируемого тока через сток ).Величина сопротивления (измеряется в омах) между стоком и истоком в этом режиме контролируется тем, сколько напряжения обратного смещения приложено между затвором и истоком. Чем меньше напряжение затвор-исток, тем меньше сопротивление (более крутая линия на графике).

Поскольку полевые транзисторы типа — это регуляторы тока, контролируемые напряжением (по крайней мере, когда им разрешено работать в активном режиме, а не в режиме насыщения), их собственный коэффициент усиления не может быть выражен в виде безразмерного отношения, как в случае BJT.Другими словами, у полевого транзистора нет коэффициента β. Это верно для всех активных устройств, управляемых напряжением, включая другие типы полевых транзисторов и даже электронные лампы. Однако существует выражение от контролируемого тока (стока) до управляющего напряжения (затвор-исток), и оно называется крутизной . Его единица измерения — Siemens, такая же единица измерения проводимости (ранее известная как mho ).

Почему такой выбор единиц? Поскольку уравнение принимает общую форму тока (выходной сигнал), деленного на напряжение (входной сигнал).

К сожалению, значение крутизны для любого JFET не является стабильной величиной: оно значительно зависит от величины управляющего напряжения затвор-исток, приложенного к транзистору. Как мы видели в моделировании SPICE, ток стока не изменяется пропорционально изменениям напряжения затвор-исток. Чтобы рассчитать ток стока для любого заданного напряжения затвор-исток, можно использовать другое уравнение. При осмотре очевидно, что он нелинейный (обратите внимание на степень двойки), что отражает нелинейное поведение, которое мы уже испытали при моделировании:

• ОБЗОР:
• В своих активных режимах полевые транзисторы JFET регулируют ток стока в соответствии с величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком, подобно тому, как BJT регулирует ток коллектора в соответствии с током базы.Математическое соотношение между током стока (выход) и напряжением затвор-исток (вход) называется крутизной и измеряется в единицах Сименс.
• Взаимосвязь между напряжением затвор-исток (управление) и током стока (управляемым) является нелинейным: при уменьшении напряжения затвор-исток ток стока увеличивается экспоненциально. Другими словами, крутизна JFET не является постоянной во всем рабочем диапазоне.
• В своих режимах насыщения полевые транзисторы JFET регулируют сопротивление сток-исток в соответствии с величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком.Другими словами, они действуют как резисторы, управляемые напряжением.

*** В РАССМОТРЕНИИ ***

*** В РАССМОТРЕНИИ ***

*** В РАССМОТРЕНИИ ***

*** В РАССМОТРЕНИИ ***

*** В РАССМОТРЕНИИ ***

*** В РАССМОТРЕНИИ ***

Уроки в электрических цепях авторское право (C) 2000-2006 Тони Р.Kuphaldt, в соответствии с условиями Лицензии на научный дизайн.

Что такое полевой транзистор? — Блог Fusion 360

Полевой транзистор (FET) — это трехконтактный активный полупроводниковый прибор, в котором выходной ток регулируется электрическим полем, создаваемым входным напряжением. Полевые транзисторы также известны как униполярные транзисторы, потому что, в отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы имеют либо электроны, либо дырки, работающие в качестве носителей заряда.Полевой транзистор использует напряжение, приложенное к его входной клемме (называемой затвором), для управления током, протекающим от истока к стоку, что делает полевой транзистор устройством, управляемым напряжением.

широко используются в интегральных схемах (ИС) из-за их компактных размеров и значительно более низкого энергопотребления. Кроме того, полевые транзисторы также используются в устройствах переключения высокой мощности, в качестве резисторов с переменным напряжением (VVR) в операционных усилителях (операционных усилителях), регуляторах тембра и т. Д., для работы микшера на ЧМ и ТВ приемниках и в логических схемах.

Психический обзор

Полевой транзистор имеет четыре терминала с именами Источник, Сток, Затвор и Корпус.

1. Источник : Источник — это терминал, через который большинство носителей заряда вводятся в полевой транзистор.
2. Дренаж : Дренаж — это терминал, через который большинство носителей заряда выходят из полевого транзистора.
3. Затвор : Вывод затвора формируется путем диффузии полупроводника N-типа с полупроводником P-типа.Это создает сильно легированную область PN-перехода, которая контролирует поток носителя от истока к стоку.
4. Корпус : Это основа, на которой построен полевой транзистор. В дискретных приложениях он внутренне привязан к выводу источника, что позволяет полностью игнорировать его эффекты. Однако в интегральных схемах этот вывод обычно подключается к наиболее отрицательному источнику питания в цепи NMOS (наиболее положительному в схеме PMOS), поскольку он используется многими транзисторами. Тщательные соединения и конструкция имеют решающее значение для поддержания производительности полевого транзистора, когда задействовано соединение Body.

Канал : Это область, в которой большинство несущих проходят от терминала истока к терминалу стока.

Классификация полевых транзисторов

подразделяются на полевые транзисторы (JFET) и полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

JFET (переходно-полевой транзистор)

Junction Field Effect Transistor (JFET) — это самый ранний тип полевых транзисторов.Ток протекает через активный канал между истоками и выводами стока. Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет потоком электрического тока между истоком и стоком полевого транзистора. При подаче напряжения обратного смещения на вывод затвора канал деформируется, поэтому электрический ток полностью отключается. Вот почему полевые транзисторы JFET называют «нормально включенными» устройствами. Транзисторы JFET доступны как в N-канальном, так и в P-канальном исполнении.

N-канальный JFET

В N-канальном JFET канал легирован донорными примесями, что делает его полупроводником N-типа.Следовательно, ток через канал отрицателен в виде электронов. Отсюда и название N-канальный JFET. Две подложки P-типа, легированные с противоположных сторон от его средней части. Таким образом, два PN-перехода образованы этими сильно легированными областями P-типа и каналом N-типа между ними. Вывод затвора (G) подключается внутри к обоим клеммам P-типа, а выводы стока (D) и истока (S) подключаются к любому концу канала N-типа.

Как это работает?

Когда на вывод затвора не подается напряжение, канал становится широко открытым путем для прохождения электронов.Следовательно, максимальный ток протекает от истока к выводу стока. Величина протекающего тока определяется разностью потенциалов между выводами истока и стока и внутренним сопротивлением канала.

Но происходит обратное, когда на вывод затвора подается отрицательное напряжение по отношению к выводу истока, что приводит к обратному смещению P-N перехода. В канале создается область истощения, которая сужает канал, увеличивая сопротивление канала между истоком и стоком, и ток становится меньше.

P-канальный JFET

Аналогичным образом, в JFET с P-каналом канал легирован акцепторными примесями, что делает его полупроводником P-типа. Следовательно, поток тока через канал является положительным в виде отверстий. Отсюда и название P-channel JFET. Противоположная сторона канала сильно легирована подложками N-типа. Как и в N-канальном JFET, вывод затвора формируется путем соединения областей N-типа с обеих сторон. Клеммы истока и стока взяты с двух других сторон канала.

Принцип работы также аналогичен N-канальному JFET. Единственное отличие состоит в том, что вам необходимо обеспечить положительное напряжение затвора к источнику, чтобы выключить его. Однако N-канальный JFET имеет более высокую проводимость по току из-за более низкого сопротивления канала, чем их эквивалентные типы P-каналов, поскольку электроны имеют более высокую подвижность через проводник по сравнению с дырками. Это делает N-канальный JFET более эффективным, чем их аналоги с P-каналом.

Характеристики

Здесь JFET смещен через источник постоянного тока, который будет управлять VGS JFET.Мы можем контролировать приложенное напряжение на клеммах стока и источника, изменяя VGS. Оттуда мы можем построить кривую ВАХ полевого транзистора.

Выходные характеристики JFET представлены между током стока (ID) и напряжением сток-исток (VDS) при постоянном напряжении затвор-исток (VGS), как показано на следующем рисунке.

• Область отсечки — это область, где JFET выключен, что означает отсутствие тока стока, ID течет от стока к истоку.
• Омическая область — В этой области JFET начинает показывать некоторое сопротивление току стока, ID, который начинает течь от стока к истоку. Ток, протекающий через полевой транзистор, линейно пропорционален приложенному напряжению.
• Область насыщения — Когда напряжение сток-исток достигает такого значения, что ток, протекающий через устройство, является постоянным с напряжением сток-исток и изменяется только с напряжением затвор-исток, устройство считается находящимся в состоянии насыщения. область.
• Область пробоя — Когда напряжение сток-исток, VDS превышает максимальное пороговое значение, что вызывает пробой области истощения, JFET теряет способность сопротивляться току, и ток стока увеличивается бесконечно.

MOSFET (Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник)

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы, также известные как МОП-транзисторы, имеют большее значение и являются наиболее полезным типом среди всех транзисторов.МОП-транзистор имеет четыре вывода: сток, исток, затвор и корпус или подложку. MOSFET также является транзистором, управляемым напряжением, но основное различие между JFET и MOSFET заключается в том, что он имеет металлооксидный электрод затвора, который электрически изолирован от основного токоведущего канала между стоком и истоком очень тонким слоем. из изоляционного материала, обычно диоксида кремния, широко известного как стекло.

Трек создан с использованием двух сильно легированных зон N-типа, рассеянных в слаболегированной подложке P-типа.Эти две области N-типа известны как сток и исток, а область P-типа называется подложкой. Изоляция управляющего затвора делает входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно высоким по шкале мегаомов (МОм), тем самым делая его почти бесконечным. Таким образом, ток не может течь в ворота.

Как это работает?

Основной принцип устройства MOSFET заключается в том, чтобы иметь возможность управлять напряжением и током между выводами истока и стока с помощью напряжения, приложенного к выводу затвора.Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока, может быть инвертирован из p-типа в n-тип путем приложения либо положительного, либо отрицательного напряжения затвора, соответственно. Когда мы прикладываем силу отталкивания к положительному напряжению затвора, то дырки, находящиеся под оксидным слоем, толкаются вниз вместе с подложкой. Область обеднения населена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Когда достигаются электроны, развивается канал.Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если вместо положительного напряжения приложить отрицательное напряжение, под слоем оксида образуется отверстие.

Типы полевых МОП-транзисторов

Широко используются два полевых МОП-транзистора:

1.Истощение MOSFET:

МОП-транзистор в режиме истощения аналогичен разомкнутому переключателю. В этом режиме для выключения устройства применяется напряжение затвора в источник (VGS). Когда напряжение затвора отрицательное, в канале накапливаются положительные заряды. Это вызывает область истощения в канале и предотвращает протекание тока. Таким образом, поскольку на протекание тока влияет формирование обедненной области, он называется истощенным MOSFET.

2.Расширение MOSFET:

МОП-транзистор расширенного режима аналогичен переключателю включения. В этом режиме для включения устройства применяется напряжение затвор-исток (VGS). Когда отрицательное напряжение подается на вывод затвора полевого МОП-транзистора, отверстия, несущие положительный заряд, накапливаются рядом с оксидным слоем, образуя канал от истока к выводу стока. По мере того, как напряжение становится более отрицательным, ширина канала увеличивается и ток увеличивается; поэтому он называется улучшенным MOSFET.

Кроме того, типы истощения и расширения подразделяются на типы N-канал и P-канал .

1.N-канальный полевой МОП-транзистор :

N-канальный полевой МОП-транзистор имеет канал N-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником N-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом P-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за электронов.А протекание тока контролируется напряжением на затворе.

2.P-канальный полевой МОП-транзистор:

Аналогично, P-канальный MOSFET имеет канал P-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником P-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом N-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за дыр. А протекание тока контролируется напряжением на затворе.

Характеристики

В целом, полевой МОП-транзистор работает в основном в трех регионах, а именно:

1. Область отсечки:
   В области отсечки полевой МОП-транзистор остается выключенным, поскольку в этой области нет тока.Здесь MOSFET ведет себя как разомкнутый переключатель и, таким образом, используется, когда они должны функционировать как электронные переключатели.
2. Омическая область:
   В омической или линейной области ток между стоком и истоком увеличивается с увеличением напряжения между стоком и истоком. Когда в этой области работают полевые МОП-транзисторы, их можно использовать в качестве усилителей.
3. Область насыщения:
   В этой области значение тока от стока к истоку остается постоянным без учета увеличения напряжения между стоком и истоком.Это происходит только один раз, когда напряжение на стоке к выводу истока увеличивается больше, чем напряжение отсечки. В этом случае устройство будет работать как замкнутый переключатель. Поэтому эта рабочая область используется всякий раз, когда требуются полевые МОП-транзисторы для выполнения операций переключения.

Приложения

MOSFET в качестве переключателя

используются во многих различных приложениях. Они широко известны своими коммутационными характеристиками. Как мы видели ранее, N-канальный MOSFET в режиме улучшения имеет очень высокое входное сопротивление и работает от положительного входного напряжения.Это позволяет нам переключать нагрузки с высоким током или высоким напряжением, используя сигнал относительно низкого логического уровня. В следующем примере мы будем использовать N-канальный МОП-транзистор в режиме улучшения для включения и выключения простой лампы.

Как видите, в этой схеме мы хотим переключить лампу 12 В с помощью логического сигнала 5 В. Мы подключили положительную клемму лампы к источнику питания 12 В, а другой конец — к клемме стока полевого МОП-транзистора. Клемма источника подключена к GND. Сопротивление затвора к истоку (RGS) используется для предотвращения любого внешнего шума на выводе затвора.

Когда напряжение не подается, лампа остается выключенной. Если мы подадим положительное входное напряжение (VGS) на вывод затвора полевого МОП-транзистора, лампа включится и останется включенной до тех пор, пока мы не удалим входной сигнал или не подадим отрицательное входное напряжение. Затем лампа погаснет.

Усилитель MOSFET

MOSFET или eMOSFET в режиме расширения требует минимального напряжения затвор-исток, называемого пороговым напряжением (VTH), которое должно быть приложено к затвору, чтобы он начал протекать ток от стока к истоку (VDS).По мере увеличения прямого смещения затвора ток сток-исток (IDS) также будет увеличиваться, что делает eMOSFET идеальным для использования в схемах усилителя MOSFET.

Эта простая конфигурация усилителя MOSFET в режиме расширения с общим истоком использует одиночный источник питания на выводе стока для генерации необходимого напряжения затвора (VG) с использованием резисторного делителя на резисторах R1 и R2. Схема резисторов создает необходимую схему смещения для работы в области насыщения. Нам также понадобятся резистор стока и истока и емкости связи.Значения R1 и R2 обычно большие, чтобы увеличить входное сопротивление усилителя и уменьшить омические потери мощности. Конденсаторы связи C1 и C2 изолируют напряжение смещения постоянного тока от сигнала переменного тока, который необходимо усилить. На изображении выше небольшой сигнал переменного тока (VGS) подается на затвор полевого МОП-транзистора, что приводит к колебаниям тока стока, синхронному с приложенным входным переменным током.

Драйвер мотора H-моста

Н-мост — это конфигурация схемы, обычно используемая для управления скоростью и направлением щеточного двигателя постоянного тока.Как мы видели ранее, используя полевой МОП-транзистор, мы можем легко контролировать скорость двигателя. Но это работает только в одном направлении. Чтобы сделать его двунаправленным, нам нужно подключить 4 полевых МОП-транзистора таким образом, чтобы он мог одновременно переключать как верхнюю, так и нижнюю стороны.

При активации одной пары (диагонально противоположных) полевых МОП-транзисторов двигатель видит, что ток течет в одном направлении, а когда активируется другая пара, ток через двигатель меняет направление. Срабатывание как нижнего, так и верхнего полевых МОП-транзисторов (но никогда вместе) прерывает ток и останавливает двигатель.

Затворы полевого МОП-транзистора с N-каналом обычно подтягиваются понижающим резистором, а затворы полевого МОП-транзистора P-канала поднимаются высоко. Это приводит к тому, что полевые МОП-транзисторы с каналом P и N отключаются; следовательно, ток не может течь. Когда сигнал PWM подается на затворы полевого МОП-транзистора, полевые МОП-транзисторы с каналом N и P попеременно включаются и выключаются, контролируя мощность.

_____

Технология полевых транзисторов может использоваться в различных областях электроники, где биполярные транзисторы не подходят.Полевой транзистор имеет очень высокое входное сопротивление и является устройством, управляемым напряжением; они, возможно, являются наиболее широко используемым активным устройством. Поскольку они используются в КМОП и других технологиях интегральных схем, где потребляемая мощность является решающим фактором, полевые МОП-транзисторы обеспечивают работу с очень низким энергопотреблением. МОП-транзистор также можно использовать в качестве переключателя для управления большими нагрузками, такими как лампы или двигатели большой мощности. ШИМ-сигналы от внешнего источника, такого как микроконтроллер, используются для управления проводимостью транзистора. Соответственно, полевой МОП-транзистор включается или выключается, таким образом поддерживая яркость лампы или скорость двигателя.

Вы уже знакомы с электронными возможностями Fusion 360? Fusion 360 предлагает доступ к комплексным средствам проектирования электроники и печатных плат на одной платформе разработки продуктов в облаке. Попробуйте сами сегодня.

Полевой насос: жидкий диэлектрофорез вдоль виртуального микроканала с электрическими полями исток-затвор-сток

Мы исследуем жидкий диэлектрофорез (LDEP) для реализации полевых насосов (FEP), которые направляют жидкости из источника, через затвор , в направлении электрических полей стока между параллельными пластинами без внешних насосов или проблемы мертвого объема.Соответствующее электрическое поле затвора создает виртуальный микроканал без стенки для переноса жидкости от истока к сливу с регулируемой скоростью потока ( Q ), управляемой разностью квадрата напряженности электрического поля (Δ E ² _DS ). Аналогично полевым транзисторам (FET), FEP могут работать в «линейной», «переходной» или «насыщенной» области в зависимости от Δ E ² _GD и Δ E ² _DS .При достаточном Δ E ² _GD и малом Δ E ² _DS , FEP работали в линейной области, где Q было линейно пропорционально Δ E ² _DS и обратно пропорционально сопротивлению потоку R , которое в основном определялось длиной ( L ), шириной ( W ) и высотой ( H ) стабильного и полностью занятого виртуального микроканала.При недостаточном Δ E ² _GD и от среднего до большого Δ E ² _DS наблюдалось сужение, сужение и даже отслаивание виртуальных микроканалов. , который увеличил R и изменил операцию на переходную или насыщенную область. Объединение потоков с полевым эффектом, регулирующее два потока, было построено на основе двух FEP с общими электродами затвора и стока. Универсальность FEP была продемонстрирована предварительными исследованиями цельной крови и растворов частиц.

У вас есть доступ к этой статье

Источник тока на полевом транзисторе

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

1. Область изобретения

Настоящее изобретение относится к технологии реализации источника тока в технологии полевых транзисторов.

2. Описание предшествующего уровня техники

Большинство линейных цепей смещены с помощью источника тока. Обычно считается желательным, чтобы этот источник обеспечивал ток, не зависящий от температуры, источника питания и технологических изменений. Один широко используемый источник тока использует логарифмическую нечувствительность прямого напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, VBE, к источникам питания и изменениям технологического процесса. Резистор, установленный на переходе эмиттер-база активного транзистора (фиг.1) даст опорный ток, равный VBE / R. Интегральные схемы CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник) также использовали этот метод, используя преимущества внутреннего биполярного транзистора в структуре CMOS. К сожалению, этот источник тока имеет большую температурную зависимость, поскольку VBE имеет собственный отрицательный температурный коэффициент примерно -2 мВ / градус Цельсия, а резистор имеет положительный температурный коэффициент. Следовательно, ток от этого источника имеет большой отрицательный температурный коэффициент.

Большой объем работы был проделан над схемами, обеспечивающими постоянное опорное напряжение, но относительно меньше над явно аналогичной работой по созданию постоянного опорного тока. В случае источников тока на полевых транзисторах (FET) часто предпринимаются шаги для смягчения последствий значительных вариаций параметров устройства от партии к партии, которыми славятся полевые транзисторы. В частности, схемы обычно проектируются таким образом, чтобы минимизировать влияние изменений порога и усиления, которые возникают для полевых транзисторов на различных пластинах.Например, резистор обычно включается в тракт истока полевого транзистора для обеспечения вырождающейся обратной связи, которая уменьшает эти отклонения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Мы изобрели метод реализации источника постоянного тока с использованием полевого транзистора. В этом методе полевой транзистор, имеющий резистор, подключенный между электродами затвора и истока, обеспечивает опорный ток, который может иметь положительный, отрицательный или нулевой температурный коэффициент.При использовании с аналоговой или цифровой схемой полевого транзистора, реализованной на той же полупроводниковой подложке, эталонная схема также компенсирует вариации обработки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

РИС. 1 показан биполярный источник тока предшествующего уровня техники.

РИС. 2 показана эталонная схема источника тока на полевом транзисторе в соответствии с настоящим изобретением.

РИС. 3 иллюстрирует первую схему для реализации настоящего изобретения.

РИС. 4 иллюстрирует вторую схему для реализации настоящего изобретения.

РИС. 5 и 6 показаны управляемые транзисторы для реализации источников тока относительно клемм положительного и отрицательного напряжения соответственно.

РИС. На фиг.7 и 8 показан эталонный резистор источника тока предшествующего уровня техники.

РИС. На фиг.9, 10 и 11 показан эталонный резистор источника тока согласно настоящему изобретению.

РИС. 12 иллюстрирует влияние изменений процесса на выход источника тока для эталонных резисторов разной ширины для типа резистора, показанного на фиг.9-11.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Следующее описание относится к схеме, которая может обеспечивать независимый ток от температуры и источника питания и в предпочтительном варианте осуществления активно компенсирует присущие технологические изменения. Это приводит к меньшему разбросу параметров линейной схемы, таких как скорость нарастания, усиление и ширина полосы пропускания операционного усилителя, чем можно получить с «идеальным» источником тока. Настоящая методика частично является результатом признания того, что члены положительного и отрицательного температурных коэффициентов могут быть сбалансированы до желаемой степени в полевом транзисторе, чтобы получить желаемый температурный коэффициент.Настоящее изобретение также предусматривает, что полевой транзистор источника тока может быть изготовлен с помощью того же процесса изготовления (например, на той же полупроводниковой подложке), что и схемы, использующие управляемый ток. Затем изменения процесса вызывают изменения в полевом транзисторе источника тока, которые компенсируют изменения рабочих параметров (например, усиления, скорости нарастания и т. Д.) В управляемой схеме. По этой методике полевой транзистор с успехом используется в качестве источника тока.

Базовое ядро ​​источника показано на фиг.2, в котором полевой транзистор имеет опорный резистор (R), подключенный между затвором и истоком. Полевой транзистор обычно представляет собой тип с изолированным затвором (то есть IGFET), который может быть типом полевого транзистора металл-оксид-кремний (MOSFET). В области насыщения ток через канал IGFET равен: I = 1 / 2β (VGS-Vt) ² (1)

, где β — коэффициент усиления, а Vt — пороговое напряжение IGFET. Для полевого МОП-транзистора коэффициент усиления (β) может быть аппроксимирован как β = (Z / L) μCox, где Z — ширина канала, L — длина канала, μ — подвижность основных носителей в канале, и Cox — емкость затвора на единицу площади.Значение Кокса можно рассчитать как: диэлектрическая проницаемость свободного пространства, умноженная на диэлектрическую проницаемость изолятора затвора (около 3,85 для оксида), деленная на толщину изолятора затвора. Уравнение (1) может быть решено для VGS: VGS = (2I / β) ¹ /2 + Vt. (2)

Для постоянного тока канала I температурный коэффициент VGS является суммой двух членов. Первый связан с β, температурная зависимость которого обусловлена ​​зависимостью подвижности основных носителей заряда, протекающих в канале между истоком и стоком.Подвижность (μ) ограничена решеточным рассеянием, которое имеет температурную зависимость: μ = μ _o (T / To) ^-3 /2 (3)

, где μ _o — подвижность при температуре К. Типичные значения μ _o находятся в диапазоне от 520 до 775 см ² / вольт-сек для n-канальных полевых транзисторов и от 185-240 см ² / вольт-секунд для p-канальных полевых транзисторов при To = 20 ° C На практике поверхностное рассеяние несколько изменяет показатель степени по сравнению с его теоретическим значением -3/2.

Пороговое напряжение (Vt) имеет собственный отрицательный температурный коэффициент, который слабо зависит от параметров процесса. Для типичной технологии комплементарной МОП-схемы (CMOS), основанной на правилах проектирования 3-5 микрометров, это значение составляет -2,3 мВ / градус C. Уравнение (2) теперь можно записать как: VGS = Vt + (2I / β _o ) ¹ /2 (приёмопередача) ³ /4. (4)

Отметим, что β _o — это усиление при температуре To. Теперь очевидно, что VGS — это сумма двух членов с противоположными температурными коэффициентами; что β _o является положительным, а Vt отрицательным.Кроме того, величина второго члена в уравнении (4) зависит от тока в канале, так что общий температурный коэффициент VGS можно легко регулировать. (Полная аналитическая обработка приведена в Приложении.) Поскольку эталонный ток I _R = VGS / R, очевидно, что желаемый температурный коэффициент эталонного тока может быть получен путем выбора одного или нескольких из: порогового напряжения (Vt), ток канала (I) и коэффициент усиления (β). Коэффициент усиления, в свою очередь, может быть установлен согласно соображениям, известным в данной области техники, включая, например, приближение, приведенное выше.

Способность этого источника компенсировать изменения процесса также показана в уравнении 4. «Быстрый» (например, относительно тонкий оксид затвора и короткая длина канала) процесс будет иметь большое β и, следовательно, небольшое значение VGS. Контрольный ток (I _R ) равен VGS / R, поэтому он будет уменьшаться. «Медленный» (например, относительно толстый оксид затвора и большая длина канала) процесс с малым β будет иметь больший VGS и, следовательно, больший опорный ток. С точки зрения физического процесса, быстрый процесс обычно является результатом относительно большего травления материала затвора, которое уменьшает его длину относительно больше, чем ширину.Следовательно, когда канал сформирован, отношение Z / L увеличивается. Обратное верно для медленного процесса. Также могут быть задействованы другие факторы, такие как глубина полупроводникового перехода, толщина изолятора затвора, уровни легирования и т. Д.

Простая схема, которая использует концепцию VGS / R для генерации постоянного тока, показана на фиг. 3. Чтобы получить желаемый температурный коэффициент (TC), ток канала через эталонный транзистор (M3) должен поддерживаться пропорциональным эталонному току (I _R ).Для этого транзистор M1 отражает ток канала в M5, который подключен как диод. Этот ток канала также является опорным током, протекающим через R1. Если ток I протекает в M1 и M5, то ток 2I отражается в M4, что в два раза превышает размер M2. Канальный ток в опорном транзисторе M3 равен току в M4 за вычетом тока, подаваемого M5. Конечный результат состоит в том, что ток I течет через все транзисторы, кроме M4, который имеет ток 2I. Поскольку ток канала через M3 должен быть равен опорному току в R1, образуется стабильный контур обратной связи.В общем, эти токи не должны быть равными, а просто пропорциональными. Затем токовые зеркала являются средством, заставляющим ток канала в опорном транзисторе быть пропорциональным опорному току через опорный резистор. Из этой схемы доступны два выходных напряжения смещения. Положительный вывод смещения (BOP) подает напряжение на затвор одного или нескольких выходных токовых транзисторов M50 с каналом P; см. фиг. 5. Выходной ток I _out пропорционален опорному току I _R .Константа пропорциональности зависит от размера M50 по сравнению с M5 на фиг. 3 (или по сравнению с M48 на фиг. 4). Соответствующий отрицательный сигнал смещения (BON) может подаваться на один или несколько N-канальных токовых выходных транзисторов M60; см. фиг. 6. Однако схема на фиг. 3 имеет два стабильных токовых состояния, одно из которых I = 0. Следовательно, желательно включить средства предотвращения перехода схемы в состояние I = 0.

Более типичная схема, использующая концепцию изобретения, показана на фиг.4. Ширина и длина каналов транзистора в микрометрах указывается как W / L для каждого связанного транзистора. Транзистор M410 и его резисторы смещения включены для обеспечения надлежащих условий запуска; т.е. предотвратить I = 0. Для этой цели M410 рассчитан на потребление небольшого тока, обычно менее 0,1% от тока через эталонный резистор R1, номинальное значение которого установлено в 100 мкА. M410 и его резисторы смещения могут быть заменены истощающим транзистором. Другие дополнительные транзисторы могут быть включены для улучшения подавления подачи питания за счет каскадирования всех зеркал и для отражения тока на M413, который фактически управляет выходом отрицательного смещения (BON).Выход положительного смещения (BOP) обеспечивается стоком M48.

Эталонный резистор R1 может быть любого типа, обеспечивающего положительный температурный коэффициент сопротивления. Он преимущественно изготавливается с диффузией P +, которая имеет гораздо более низкие TCR (температурный коэффициент удельного сопротивления) и VCR (коэффициент удельного сопротивления напряжения), чем P-ванна. Абсолютный контроль сопротивления листа P + также очень хороший, обычно в пределах плюс-минус 15% от номинального значения. В качестве альтернативы R1 может быть изготовлен из поликремния или другого материала.Размеры R1 и эталонного транзистора M45 обычно устанавливаются так, чтобы обеспечить нулевой TCC (температурный коэффициент тока) в M413 и M48 при номинальных условиях. Сопротивление эталонного резистора (R1) обычно больше 100 Ом и обычно меньше 10 МОм, хотя возможен и более широкий диапазон. Размер эталонного транзистора (M45) желательно выбирать так, чтобы длина канала (L) была достаточно большой, чтобы минимизировать вариации обработки. Длина от 8 до 10 микрометров подходит для типичных условий обработки.Затем можно установить усиление, выбрав ширину Z, чтобы получить желаемый температурный коэффициент. Один из методов получения желаемого температурного коэффициента тока от источника следующий:

1. Определите температурный коэффициент эталонного резистора (например, путем измерения или оценок в зависимости от типа материала).

2. Выберите желаемый эталонный ток (например, I _R = 100 мкА) и желаемую пропорциональность между током канала в эталонном транзисторе и эталонным током (например,г., (I / I _R = 1).

3. Оцените приблизительный размер эталонного транзистора (например, W = 50 микрометров, L = 10 микрометров).

4. Определите Vt и β для выбранного эталонного транзистора.

5. Определите VGS для эталонного транзистора, используя уравнение (2) (например, VGS = 1,7 В).

6. Установите опорный резистор R = VGS / I _R (например, 1,7 / 100 × 10 ^-6 = 17K).

7. Рассчитайте температурный коэффициент опорного тока: (i.е., I _R = VGS / R) из 1 выше и уравнение (2).

8. Если температурный коэффициент I _R не находится в желаемых пределах, измените переменную, отраженную в уравнении (2), и повторяйте шаги 3-7 до получения желаемого значения (например, уменьшите размер эталонного транзистора до W = 40). микрометров L = 10 микрометров, что уменьшает значение β и увеличивает VGS до 1,815 вольт, так что R = 18,15K, что дает приблизительно нулевое значение TC для I _R ).

Обратите внимание, что положительный, нулевой или отрицательный T.C. для I _{таким образом может быть получен R} . Возможны и другие методики.

Обратите внимание, что на ФИГ. 4, эталонный транзистор M45, как показано, находится в своем собственном P-баке со смещением обратного затвора, VBS = 0. Это желательно для минимизации отклонений, вызванных источником питания на заднем затворе. По этой причине характеристики схемы обычно лучше в CMOS, чем в NMOS. Если бы использовалась технология CMOS с использованием изолированных N-образных ванн, вся схема была бы просто «перевернута» по вертикали, и M45 был бы P-канальным устройством в изолированной N-образной ванне.Однако настоящая методика также может быть успешно реализована в технологии NMOS (или PMOS), когда изолированные ванны недоступны. В этом случае задний затвор транзистора управления током затем подключается к полупроводниковой подложке, которая подключается к отрицательному (N-канал) или положительному (P-канал) выводу источника питания.

Чтобы сравнить настоящую технику с методами предшествующего уровня техники, компьютерное моделирование было выполнено на четырех различных источниках тока. Номинальный ток при 25 ° С.был установлен на 100 мкА для всех четырех источников. Было исследовано влияние температуры на эти источники, а также изменения процесса как для низкой скорости (наихудший случай медленный), так и для высокой скорости (наихудший случай быстро). Четыре источника были следующими:

Источник A: идеальный источник 100 мкА

Источник B: источник запрещенной зоны, I = VBG / R, VBG = 1,2 В

Источник C: источник VBE / R

Источник D: Источник VGS / R (фиг. 4)

В источниках BD предполагалось, что резистор R изготовлен с диффузией P + и имеет максимальное отклонение плюс или минус 15% при обработке.

Изменение температуры от 0 ° до 100 ° C показало, что источник VBE / R имеет, безусловно, наибольшее изменение температуры. Однако источник запрещенной зоны (B) также имеет заметную TCC из-за конечной TCR резистора. Самокомпенсирующаяся особенность источника VGS / R была очевидна. При 25 ° низкоскоростной процесс дает ток на 35% выше, а высокоскоростной процесс на 30% ниже номинального. В обоих случаях TCC больше, чем при номинальном процессе, но не хуже, чем у источника с запрещенной зоной (B).

Также было исследовано влияние различных источников тока на характеристики типичного операционного усилителя (ОУ). Операционный усилитель, использованный в этих симуляциях, представлял собой простую двухступенчатую конструкцию.

Температурные характеристики операционного усилителя влияют на два независимых фактора. Первый — это внутреннее влияние температуры на операционный усилитель, не зависящее от тока. Второй — влияние изменения тока из-за температурной зависимости источника тока. Идеальный источник тока (A) используется в этих симуляциях для разделения этих двух эффектов.Скорость нарастания, произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания (GBW) и коэффициент усиления в зависимости от температуры были исследованы для номинальной обработки при постоянном токе 100 мкА.

Влияние изменения тока на эти же параметры также было исследовано для условий «наихудшего случая (WC) быстро» и «наихудшего случая (WC) медленного», а именно:

Улучшение производительности наиболее заметно в тех параметрах, которые наиболее сильно зависят от тока Источник VGS / R дает более высокое минимальное значение и более низкое максимальное значение. Некоторое представление об относительном влиянии изменений температуры и технологического процесса может быть получено путем независимого изменения этих входных сигналов при сохранении эталонного тока, установленного на уровне 100 мкА.Результаты представлены в таблице II. Как на скорость нарастания, так и на коэффициент усиления больше влияют изменения процесса, чем температура, в то время как GBW влияет в равной степени.

Среди других параметров, представляющих интерес для операционных усилителей и других линейных цепей, являются коэффициент отклонения источника питания (PSRR), коэффициент отклонения синфазного сигнала ( CMRR) и синфазный диапазон. Компьютерное моделирование показывает, что предложение согласно изобретению (VGS / R) немного лучше, чем у других, как в PSRR, так и в CMRR.Однако диапазон синфазных сигналов несколько хуже. Это связано именно с функцией самокомпенсации, которая улучшает другие параметры. Наименьший диапазон синфазного режима существует, когда транзисторы работают медленно и ток большой. В других источниках нет никакой связи между этими двумя; даже когда делается предположение о высоком значении тока в худшем случае, он не такой высокий, как в самокомпенсирующемся источнике. Для используемого здесь операционного усилителя это приводит к потере входного диапазона 500 мВ в худшем случае.Этот операционный усилитель не был разработан для обеспечения особенно большого диапазона синфазного сигнала, и потери будут пропорционально меньше на операционных усилителях с большим отношением Z / L на входных транзисторах.

Все обсуждения и результаты до этого момента предполагали, что значение эталонного резистора R в источнике тока VGS / R не зависит от транзисторного процесса. Это хорошее предположение для резисторов, изготовленных обычным способом, как показано на фиг. 7 и 8. В этом методе отверстие, протравленное в оксиде поля, позволяет сформировать резистор путем легирования (например, ионной имплантации) полупроводника в определенной таким образом области.Для резистора, показанного на фиг. 7, полное сопротивление составляет: R = Rs (L / W) (5)

, где Rs — сопротивление слоя легированного полупроводника, а L и W — длина и ширина отверстия, определяемого оксидом поля. Изолирующий слой (например, стекло) обычно наносится поверх резистора, а затем через него протравливаются контактные окна.

Другой способ определения резистора показан на фиг. 9 и 10. В этом случае уровень поликремния (поли) используется вместо полевого оксида для определения размера элемента.Размер полилинии является одним из наиболее важных и хорошо контролируемых параметров процесса, а в технологии самовыравнивающихся кремниевых затворов слой поликремния определяет размер электрода затвора. Следовательно, размер полилинии часто определяет, является ли данная пластина «медленной» или «быстрой». По этой причине резистор, определяемый слоем, определяющим электрод затвора, может иметь более жесткие конструктивные допуски, чем резистор, определяемый оксидом поля. Предположим, что фактический размер полилинии отличается от номинального на величину DL.Положительный DL означает более широкий поли и более медленный процесс, отрицательный DL означает узкий поли и быстрый процесс. Как показано на фиг. 11, ширина резистора равна W-DL, так что: R = Rs (L / (W-DL)) (6)

Положительный DL (медленный процесс) вызывает увеличение резистора, а отрицательный DL (быстрый процесс ) вызывает его уменьшение от проектного значения. Это будет препятствовать функции «самокомпенсации» источника VGS / R, поскольку изменения в VGS, вызванные процессом, теперь будут отслеживаться аналогичным изменением в R.Относительное значение этих двух величин зависит от номинальной ширины резистора. Для очень широкого резистора R вообще не зависит от DL. По мере уменьшения ширины резистора влияние DL становится больше. Обратите внимание, что другие материалы самовыравнивающихся электродов затвора (например, тугоплавкий металл или силицид металла) могут использоваться для определения резистора, чтобы достичь этого эффекта.

Ток I = VGS / R для трех резисторов разной ширины показан на фиг. 12. Он был рассчитан с использованием N-канального транзистора N45 40/10 на фиг.4 и номинальные условия процесса. Случай бесконечной ширины резистора соответствует рассмотренному выше случаю. При 7 микронах ток практически не зависит от размера полилинии, а при 4 микронах компенсация процесса фактически обратна той, что обсуждалась выше.

Схема, показанная на фиг. 4 был реализован в типичном процессе КМОП с двумя трубками 3,5 микрон на подложке n-типа на участке, в котором ширина полилинии преднамеренно варьировалась. Резистор R1 был многослойным, с номинальной шириной 4 мкм.Были определены зависимости тока от температуры для трех различных пластин. Листовое сопротивление диффузии P + было измерено на 10 процентов ниже номинального значения для этой партии. Этим объясняется большая часть разницы между измеренным током 107 мкА и расчетным значением 100 мкА для номинального тока. Для пластины с измеренным DL = + 0,44 мкм ток, рассчитанный по фиг. 12 составлял 87% от номинального значения, а измеренный ток составлял 84% от номинала. Для пластины с измеренным DL = 0.22 мкм расчетный ток составлял 105% от номинала, а измеренный ток составлял 114% от номинала. Для номинального полиамида максимальное изменение тока в диапазоне температур 10-120 ° C составило 2,1%. При температуре от 25 ° C до 120 ° C оно составляет 1,5%. И узкий, и широкий поли имели одинаковые температурные вариации их тока.

Изложенное выше показало, что в настоящей методике температурный коэффициент тока может быть выбран равным нулю (номинально, поскольку эффекты второго порядка дают небольшую кривизну), положительным или отрицательным.Если желателен нулевой температурный коэффициент тока, результирующий регулируемый ток можно легко поддерживать в пределах ± 5 процентов, а обычно в пределах ± 2 процентов от среднего значения в диапазоне температур от 0 ° C до 100 ° C. , или даже шире. Эти значения еще легче получить в типичном промышленном диапазоне температур от 0 ° C до 70 ° C. Источник тока автоматически компенсирует изменения в транзисторном процессе, причем «быстрый» процесс дает более низкий ток, а «медленный». один дает более высокий ток.При желании эта компенсация может быть уменьшена или устранена по отношению к изменениям ширины линии поликремния за счет правильной конструкции резистора. Хотя приведенный выше пример относится к полевому МОП-транзистору, аналогичные соображения применимы и к полевым транзисторам с переходным эффектом. Кроме того, с настоящей технологией можно использовать полевые транзисторы с затвором Шоттки (например, MESFETS), реализованные из арсенида галлия или других материалов III-V. Обратите внимание, что если требуется только компенсация обработки (т.g., текущие зеркала) можно не устанавливать.

Хотя настоящее изобретение может использоваться в аналоговых интегральных схемах, его также можно использовать в цифровых интегральных схемах. Например, в некоторых схемах памяти с произвольным доступом известно использование источника тока для усилителей считывания для повышения скорости и чувствительности. Кроме того, известно, что управляемый источник тока используется с цифровыми логическими схемами для уменьшения колебаний производительности от кристалла к кристаллу. В прошлом источник тока, связанный с логическими вентилями, управлялся с помощью опорных часов и схемы компаратора; см. «Регулирование задержки — схемное решение для компромисса мощности / производительности», E.Берндлмайер и др., IBM Journal of Research and Development, Vol. 25, стр. 135-141 (1981). Настоящее изобретение может быть успешно реализовано на том же кристалле или пластине, что и логические вентили, для выполнения этой функции. Поскольку условия обработки одинаковы для всех схем на данной полупроводниковой пластине, настоящая технология позволяет использовать интеграцию в масштабе пластины. При желании одиночная схема смещения (например, фиг. 4) может обеспечивать управление множеством токовых выходных транзисторов (фиг. 5, 6), расположенных в различных местах на кристалле или пластине.Используемый здесь термин «интегральная схема» включает оба применения. Управляемый ток от настоящего источника можно использовать для создания регулируемого напряжения, например, пропуская его через резистор с заданным температурным коэффициентом или через комбинацию резистор-диод; т.е. эталон ширины запрещенной зоны и т. д. Характеристики эталона запрещенной зоны описаны в «New Developments in IC Voltage Regulators», R.J. Widlar, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-6, стр. 2-7 (1971). Поскольку регулируемый ток может иметь желаемый температурный коэффициент, выбираемый в широком диапазоне, полученное напряжение можно использовать для различных целей.Кроме того, устройство, принимающее управляемый ток, может быть выполнено на подложке, отличной от подложки источника тока. Например, оптический излучатель (например, светоизлучающий диод или лазерный диод) может управляться током, подаваемым из настоящего источника, и настраиваться так, чтобы I _R имел положительный TC, чтобы компенсировать снижение оптического выхода из источника. при повышении температуры. Тем не менее, другие применения будут очевидны специалисту в данной области техники.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Что касается источника тока, показанного на фиг.3; задайте опорный ток I _R как ток через R1, IDS3 как ток через M3 с напряжением затвор-исток VSG3 и KI _R как ток через M4, где K — константа обратной связи, определяемая относительными размерами M1, M2, M4 и M5. Значение K, показанное на фиг. 3 равно двум, но это может быть любое значение, совместимое со стабильностью. Суммирование токов на стоке M4 дает: IDS3 = (K-1) I _R . (1A)

Однако: ## EQU1 ## Подстановка (1A) в (2A) и перестановка дает: ## EQU2 ##, который является квадратичным в (I _R ) 1/2.Решение дает: ## EQU3 ## Возведение в квадрат и преобразование дает: ## EQU4 ## Как видно из (5A), есть два реальных решения; однако решение со знаком минус в скобках является классом решений для VGS3 > 1 уравнение (5A) сводится к следующему: I _R V _t / R1 (6A)

, которому присущ отрицательный температурный коэффициент.Для R1β / (K = 1) << 1 уравнение (5A) сводится к: I _R 2 (K-1) / R1 ² β

, который имеет положительный температурный коэффициент. Даже через 1 / R1 ² имеет отрицательное температурное поведение, оно перевешивается на 1 / β, которое обозначается как T ³ /2. Также можно показать, что если при 25 ° C R1β / (K-1) ≉2, то ## EQU5 ## и что I _R при этом значении R1β / (K-1) медленно изменяется с температурой. .

Температурный режим этого источника тока может быть отрицательным или положительным или практически нулевым путем правильного выбора номинала опорного резистора R1, размера транзистора M3 и значения константы обратной связи K.Обратите внимание, что эти факторы влияют на ток канала через эталонный транзистор, как показано (1A).

Диоды, транзисторы и полевые транзисторы | Renesas

Введение в электронные схемы: 2 из 3

В нашей предыдущей сессии мы рассмотрели наиболее распространенные пассивные элементы, используемые в электронных схемах. На этот раз мы рассмотрим полупроводники и некоторые важные активные элементы, сделанные из них: диоды, транзисторы и полевые транзисторы.

Полупроводник между проводниками и изоляторами

Полупроводники расположены посередине между проводниками и изоляторами.Это материалы, такие как кремний (Si) и германий (Ge), которые сопротивляются электрическому току лучше, чем металлы, такие как серебро и алюминий, но не так хорошо, как изоляторы, такие как кварц и керамика.

Удельное сопротивление материала зависит от плотности свободных электронов, которые могут легко перемещаться при приложении напряжения. В общем, эту плотность можно довести до любого желаемого значения путем добавления соответствующих примесей к однородному материалу. Это позволяет создавать полупроводники, которые обеспечивают необходимый уровень проводимости для поставленной цели.

Полупроводник может быть N-типа или P-типа, в зависимости от того, как через него протекает ток.

Как ток проходит через полупроводник

(1) Полупроводники N-типа

На рисунке 1 показана типичная структура полупроводника N-типа. Этот полупроводник состоит из кристалла кремния, легированного атомами фосфора (P). Атом фосфора имеет пять валентных электронов, четыре из которых образуют прочные ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый остается свободным.При комнатной температуре свободные электроны часто меняются местами с соседними связанными электронами; или, другими словами, любой данный электрон иногда будет связан, а иногда и свободен. В результате всегда есть запас свободных подвижных электронов, способных переносить ток. Такой полупроводник называется «N-типом», потому что он в основном использует свои (отрицательно заряженные) электроны для переноса тока. Между тем, донорные (легирующие) атомы, отдающие электрон в этот процесс, приобретают положительный заряд.

Рисунок 1: Структура полупроводника N-типа

(2) Полупроводники P-типа

На рисунке 2 показана структура полупроводника P-типа. В этом случае кристалл кремния был легирован атомами бора (B). Опять же, каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона; но атомы бора, которых всего три, «недостаточны». Только небольшое количество кинетической энергии необходимо, чтобы освободить электрон от соседнего атома кремния; затем этот электрон быстро «принимается» атомом бора.В атоме кремния, однако, теперь остается «дыра», которая вскоре притягивает электрон из другого ближайшего атома кремния. По мере продолжения процесса отверстия «перемещаются», производя ток. Такой полупроводник называется «P-типом», так как большая часть его тока проходит через дырки. Атомы примеси, которые принимают электрон в этом процессе, становятся отрицательно заряженными.

Рисунок 2: Структура полупроводника P-типа

Диоды: улица с односторонним движением

Полупроводниковый диод состоит из полупроводника P-типа с одной стороны и полупроводника N-типа с другой.Носители с каждой стороны диффундируют через центральную область (соединение P-N) и объединяются в пары, создавая центральную область, в которой нет носителей. Электрически заряженные примеси в этой области образуют электрическую границу, которая останавливает дальнейшую диффузию и образование пар. Эта граничная область, свободная от носителей, называется обедненным слоем.

Если положительное напряжение приложено к клемме со стороны P-типа диода и отрицательное напряжение к клемме со стороны N-типа, это «прямое» напряжение будет подталкивать больше несущих (отверстия на стороне P-типа , электроны на стороне N-типа) в обедненный слой, делая его более узким и заставляя больше носителей диффундировать через границу, образовывать пары и исчезать.Между тем, приложенное напряжение генерирует ток, который продолжает подавать больше носителей, так что ток может продолжать течь.

Если, однако, приложено напряжение обратного смещения (отрицательное на стороне P, положительное на стороне N-типа), то это напряжение будет отодвигать носители от центра к соответствующим клеммам, расширяя слой обеднения, так что текущий поток заблокирован.

Рисунок 3: Структура диода с PN-переходом

В результате диод пропускает ток только в одном направлении (называемом прямым направлением) и блокирует движение тока в другом направлении (обратном направлении).Используемый таким образом диод также называется выпрямителем: компонент, пропускающий ток только в одном направлении.

Напряжение и ток характеристики диода

На рисунке 4 показаны электрические характеристики диода. Обратите внимание, что не будет тока вообще ― даже в прямом направлении ―, если не будет приложено напряжение. Напряжение, необходимое для начала протекания тока в прямом направлении, варьируется в зависимости от материала полупроводника: от 0,7 до 0,8 В для кремниевого диода, около 0.2 В для диода с барьером Шоттки и от 2 до 5 В или более для светодиода (LED).

Для протекания тока в обратном направлении потребуется значительно более высокое напряжение; Термин «напряжение пробоя» относится к обратному напряжению, выше которого ток увеличивается очень быстро с увеличением напряжения. Поскольку это напряжение пробоя по существу не зависит от тока, эти характеристики обратного напряжения могут использоваться для реализации регуляторов напряжения и других подобных функций.

Рисунок 4: Характеристики напряжения и тока диода

Твердотельный транзистор: основной компонент, впервые запущенный в эксплуатацию

Биполярный транзистор (в отличие от полевого транзистора, описанного ниже) состоит из центра P-типа или N-типа, зажатого между внешними поверхностями N-типа или P-типа. Существует два основных типа: NPN-типа (с P-типом в центре) и PNP-типа (с N-типом в центре).

На рисунке 5 показана работа транзистора NPN.База и эмиттер, вместе взятые, имеют такую ​​же структуру, как диод. В этом примере приложение прямого напряжения (около 0,7 В) вызывает протекание базового тока (I _B ), так что много свободных электронов перемещаются из области эмиттера в область базы. Если эмиттер выкачивает больше носителей, чем может быть рекомбинировано в базовой области, избыточные свободные электроны перемещаются в область коллектора в соответствии с приложенным напряжением E ₂ . В типичном применении количество свободных электронов, выходящих из эмиттера, будет в 10-100 раз больше количества, которое может рекомбинировать в базовой области.Следовательно, ток коллектора (I _C ) будет превышать I _B во столько же раз (от 10 до 100). Если I _B равно 0, то I _C также будет 0, поскольку эмиттер не будет высвобождать несущие.

Рисунок 5: NPN-транзистор

Другими словами, прямой ток I _B между базой и эмиттером эффективно управляет током I _C между эмиттером и коллектором. Благодаря этой особенности транзисторы могут использоваться отдельно для реализации переключателей и усилителей, в то время как они также являются наиболее важным компонентом в современной электронной схеме.Их можно комбинировать множеством разных способов для создания множества сложных схем.

Транзисторы как переключатели

Как объяснялось выше, транзистор может производить ток коллектора, который во много раз превышает ток его базы. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления прямого тока или hFE. Это усиление может принимать значение от 100 до 700.

Как видно из схемы, показанной на рисунке 6, приложение 0 В на клемме IN приводит к нулевому току базы и, следовательно, нулевому току коллектора.Соответственно, нет тока через сопротивление нагрузки R _L , а выход на выводе OUT составляет 12 В.

Теперь, если мы подадим достаточно высокое напряжение между базой и эмиттером (обычно около 0,7 В или выше по сравнению с 0 В), это вызовет протекание базового тока, который, в свою очередь, создаст ток коллектора, который в hFE умножает на базу. Текущий; за исключением того, что фактический ток будет ограничен сопротивлением нагрузки R _L до значения ((12 В — Vce-sat (напряжение насыщения)) / R _L ).Этот тип коммутационной схемы часто используется, чтобы позволить микроконтроллеру, логической ИС или подобному небольшому компоненту управлять энергоемким устройством, которое он не может управлять напрямую, например, светодиодным индикатором питания, реле или двигателем постоянного тока.

Рисунок 6: Транзистор, работающий как переключатель

Ключевой компонент интегральных схем

Существует два основных типа полевых транзисторов (полевых транзисторов): полевые МОП-транзисторы (полевые транзисторы из металла, оксида и полупроводника) и полевые транзисторы с переходным соединением.В частности, полевые МОП-транзисторы имеют более плоскую структуру, чем биполярные транзисторы, рассмотренные выше, могут быть размещены ближе друг к другу, не подвергаясь перекрестным помехам, и могут работать с низким энергопотреблением. Поэтому они поддерживают лучшую интеграцию и миниатюризацию и стали важными компонентами ИС и БИС. Давайте кратко рассмотрим, как работает полевой МОП-транзистор.

На рисунке 7 показан МОП-транзистор N-типа. Он имеет вывод затвора («G»), под которым находится оксидная пленка, служащая изолятором. Также имеется вывод истока («S») с одной стороны от G и вывод стока («D») с другой стороны.Когда между затвором и истоком нет напряжения, полупроводник P-типа, разделяющий исток и сток, действует как изолятор. Таким образом, ток не течет между истоком и стоком.

Рисунок 7: МОП-транзистор N-типа

Однако, когда на затвор подается напряжение, оно притягивает и подтягивает свободные электроны, которые находятся прямо под затвором, в результате чего этих электронов становится много в области между истоком и стоком. Эти электроны образуют канал, по которому теперь может свободно течь ток.

Другими словами, напряжение затвора используется для управления током между истоком и стоком. МОП-транзисторы в основном используются в схемах переключателей и усилителей. Их также можно использовать для обеспечения постоянного тока, поскольку приложение фиксированного напряжения на затворе будет генерировать фиксированный ток между истоком и стоком.

На MOSFET N-типа канал является N-типом. На МОП-транзисторе P-типа канал является P-типом.

Полупроводники КМОП: важный элемент цифровых схем

Полупроводник CMOS (комплементарный MOS) — это набор полевых МОП-транзисторов, подключенных, как показано на рисунке 8.