Site Loader

Содержание

Принцип работы полевого транзистора

Принцип работы полевого транзистора

Транзисторами  называют полупроводниковые триоды, у которых расположено три выхода.

Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы.

Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

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

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

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

Видео «Подробно о полевых транзисторах»

//www.youtube.com/embed/WKx_3fUtcSk?autohide=2&autoplay=0&mute=0&controls=1&fs=1&loop=0&modestbranding=0&playlist=&rel=1&showinfo=1&theme=dark&wmode=&playsinline=0

Виды полевых транзисторов

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

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

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

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

Принцип работы полевого транзистора

Радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов.

По участку n проходит электроток.

Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. 

Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока.

Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет.

В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора.

Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

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

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор.

Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

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

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

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

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

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Устройство и принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором

Классификация полевых транзисторов

Лекция 12. Полевые транзисторы. Классификация, принцип действия, основные параметры, схемы включения и режимы работы

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, ток в котором создаётся основными носителями зарядов (только электронами или только дырками). Заряды перемещаются в области, которая называется канал. Электрод, через который ток втекает в транзистор, называется исток (И). Прошедшие через канал заряды выходят из него через электрод, который называется сток (С). Движением зарядов управляет электрод, который называется затвор (З).

Классификация. В зависимости от типа проводимости канала различают полевые транзисторы с каналом типа p и типа n

, а в зависимости от способа выполнения затвора – с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Условное графическое обозначение полевых транзисторов представлено на рис. 12.1. Стрелка показывает направление от слоя p к слою n.

Рис. 12.1. Условное графическое обозначение полевых транзисторов

В 1926 году был открыт полевой эффект и указан его недостаток — поверхностные волны в металле не позволяли проникать полю затвора в канал. Однако в 1952 году Уильям Шокли исследовал влияние управляющего p-n перехода на ток в канале, а в 1959 году Джон Аталла и Дэвон Канг из Bell Labs изготовили полевой транзистор с изолированным затвором по технологии МОП металлический (Al) затвор, изолятор оксид кремния (SiO2) и канал-полупроводник (Si).


Система обозначений транзисторов была рассмотрена в лекции 6, и для полевых транзисторов, как и для биполярных, установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919 – 81 и его последующими редакциями.

12.2. Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

Рассмотрим физические процессы, происходящие в полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и каналом n-типа, схематичное изображение которого представлено на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и каналом n-типа

Такая конструкция, в которой электроды расположены в одной плоскости, называется планарной. В исходном полупроводниковом материале методом

диффузии создаётся легированная область n – канал. Затем на поверхности образуют сток, исток и затвор таким образом, что канал получается под затвором. Нижняя область исходного полупроводника – подложка – обычно соединяется с затвором. Исток подключают к общей точке источников питания, и напряжения на стоке и затворе измеряют относительно истока.


Изменение проводимости канала осуществляется изменением напряжения, прикладываемого к p-n переходам затвора и подложки. На рис. 12.3. представлены графики статических характеристик. Поскольку ток затвора не зависит от напряжения UЗИ, входная характеристика отсутствует. Вместо неё применяется сток — затворная характеристика передачи . Выходная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения на стоке при фиксированном напряжении на затворе

.

Рис. 12.3. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

При UЗИ = 0 толщина p-n – переходов затвора и подложки минимальна, канал «широкий» и проводимость его наибольшая. Под действием напряжения UСИ по каналу будет проходить ток, создаваемый основными носителями зарядов – электронами. На участке напряжений от 0 до UСИ.НАС ток будет нарастать и достигнет величины IС.нач – начального тока стока. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке повышает напряжённость поля в запорном слое p-n переходов затвора и подложки, но не увеличивает ток стока. Когда напряжение на стоке достигнет

UСИ.макс, может наступить электрический пробой по цепи сток – затвор, что показывает вертикальная линия роста тока на выходной характеристике.

Если отрицательное напряжение на затворе увеличивать, то, в соответствии с эффектом Эрли, толщина p-n – переходов затвора и подложки начнёт увеличиваться за счёт канала, сечение канала будет уменьшаться. Ток стока будет ограничен на меньшем уровне. Если и дальше увеличивать отрицательное напряжение на затворе, то, при некоторой его величине, называемой напряжением отсечки UЗИотс, p-n переходы затвора и подложки сомкнутся и перекроют канал. Движение электронов в канале прекратится, ток стока будет равен нулю, и не будет зависеть от напряжения на стоке.

Следовательно, полевой транзистор с управляющим

p-n–переходом до напряжения на стоке UСИ.НАС работает как регулируемое сопротивление, а на горизонтальных участках выходных характеристик может использоваться для усиления сигналов в режиме нагрузки.

Отличие полевых транзисторов с изолированным затвором состоит в том, что у них между металлическим затвором и полупроводником-каналом находится слой диэлектрика, в качестве которого используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния методом высокотемпературного окисления. Существуют два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: с индуцированным каналом и с встроенным каналом.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа, упрощённая конструкция которого представлена на рис. 12.4.

Основой транзистора является подложка – пластина Si с проводимостью р типа и с высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильно легированные области с проводимостью n типа, не соединённые между собой. К ним подключают металлические контакты, которые будут выводами стока и истока. Поверхность пластины покрывают слоем SiO2, на который между стоком и истоком наносят слой металла – затвор. Подложку обычно электрически соединяют с истоком.

При UЗИ = 0, даже если между стоком и истоком приложено напряжение, транзистор закрыт, и в цепи стока протекает малый обратный ток p-n перехода между стоком и подложкой (рис. 12.4, а).

а) б)

Рис. 12.4. Конструкция и принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом:

а – при UЗИ = 0; б – при UЗИ > порогового значения

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него вглубь полупроводника основные носители зарядов (дырки) и притягивая электроны. При малых напряжениях UЗИ под затвором возникает обеднённый основными носителями зарядов слой и область объёмного заряда, состоящего из ионизированных атомов примеси.

При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе в поверхностном слое полупроводника происходит инверсия электропроводности (рис. 12.4, б). Образуется тонкий инверсный слой – канал – соединяющий сток с истоком. Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называется пороговым напряжением.

Изменение напряжения на затворе вызывает изменение толщины и электропроводности канала, а, следовательно, и ток стока.

На рис. 12.5 представлены графики статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа.

Рис. 12.5. Графики статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа

Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями зарядов при увеличении напряжения на затворе, называется режимом обогащения.

Отсутствие тока стока при нулевом напряжении на затворе, а также одинаковая полярность напряжений UЗИ и UСИ у транзисторов с индуцированным каналом позволяет использовать их в экономичных цифровых микросхемах.

Рассмотрим теперь принцип действия полевого транзистора с встроенным каналом n-типа, упрощённая конструкция которого аналогична конструкции, представленной на рис. 12.4, б.

На стадии изготовления такого транзистора между областями стока и истока методом диффузии создаётся тонкий слаболегированный слой – канал – с таким же типом проводимости, как у стока и истока.

При UЗИ = 0, когда между стоком и истоком приложено напряжение, транзистор открыт, и в цепи стока протекает ток. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока, будет выталкивать электроны из канала и втягивать в канал дырки из подложки. Канал обедняется основными носителями зарядов, его толщина и электропроводность уменьшаются. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки, канал закрывается, ток стока становится равным нулю.

Увеличение положительного напряжения на затворе вызывает приток электронов из подложки в канал. Канал обогащается носителями, ток стока возрастает.

Таким образом, транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

На рис. 12.6 представлены графики статических характеристик полевого транзистора с встроенным каналом n-типа.

Рис. 12.6. Графики статических характеристик полевого транзистора с встроенным каналом n-типа

Принцип работы транзистора

Принцип работы транзистора

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок.

Принцип действия

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным — большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером.

Биполярный прибор бывает двух типов:

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

Классификация устройств

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы.

Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

  1. Канальность. В зависимости от того, какие носители зарядов являются основными бывают p-типа и n-типа.
  2. Технологии изготовления. Выпускаются биполярными, полевыми, комбинированными.
  3. По типу полупроводника. В качестве материала для изготовления применяется кремний, германий и арсенид-галлия. В последнее время начали выпускаться транзисторы, использующие в качестве основы прозрачные полупроводники. Например, для построения дисплейных матриц. А также использующие в качестве материалов полимеры и углеродные нанотрубки.
  4. По рассеиваемой мощности. Разделяются на три типа: маломощные, средней мощности и мощные. Первые не превышают значения 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1−1 Вт, а к мощным относят все те, что превышают 1 Вт.
  5. По виду исполнению. Выделяют дискретные транзисторы, которые могут быть как корпусными, так и нет, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный.

В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

  • Б – база, очень тонкий внутренний слой;
  • Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
  • К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

  • n-типа — носителями зарядов являются электроны.
  • p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто».

В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

  • Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
  • Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
  • При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Как работает транзистор — видео

Принцип работы биполярного транзистора

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы  транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
  2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
  3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
  4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как 

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

  1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате  ток базы  отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
  2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.  В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
  3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
  4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи.  Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы  эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет

Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Типы полевых транзисторов

1. С управляющим pn-переходом. В англоязычной литературе они обозначаются JFET или Junction FET, что можно перевести как «переходный полевой транзистор». Иначе они именуются JUGFET или Junction Unipolar Gate FET.

2. С изолированным затвором (иначе МОП- или МДП-транзисторы). По английски они обозначаются IGFET или Insulated Gate FET.

Внешне они очень похожи на биполярные, что подтверждает фото ниже.

Режимы работы

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Mosfet транзисторы принцип работы

Что такое МОП-транзистор, принцип работы, типы, на схеме, преимущества недостатки

МОП-транзистор (полевой транзистор на основе оксидов металлов и полупроводников) является наиболее широко используемым типом полевых транзисторов с изолированным затвором. Они используются в различных приложениях благодаря простым рабочим явлениям и преимуществам по сравнению с другими полевыми транзисторами. 

Что такое МОП-транзистор

Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (Металлооксидные полевые транзисторы) сокращается как МОП-транзистор. Это униполярный транзистор, используемый в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов. Устройство имеет три терминала, состоящих из истока, затвора и стока. Помимо этих клемм имеется подложка, обычно называемая корпусом, которая всегда подключается к клемме источника для практических применений.

В последние годы его открытие привело к доминирующему использованию этих устройств в цифровых интегральных схемах из-за его структуры. Слой диоксида кремния (SiO2) действует как изолятор и обеспечивает электрическую изоляцию между затвором и активным каналом между истоком и стоком, что обеспечивает высокий входной импеданс, который почти бесконечен, таким образом захватывая весь входной сигнал.

Принцип работы МОП-транзистора (MOSFET)

Он изготовлен путем окисления кремниевых подложек. Он работает путем изменения ширины канала, через который происходит движение носителей заряда (электронов для N-канала и дырок для P-канала) от источника к стоку. Терминал затвора изолирован, напряжение которого регулирует проводимость устройства.

Типы МОП-транзистора (MOSFET)

На основе режима эксплуатации МОП-транзисторы можно разделить на два типа.

  • Режим насыщения
  • Режим истощения

Режим насыщения

В этом режиме отсутствует проводимость при нулевом напряжении, что означает, что оно по умолчанию закрыто или «ВЫКЛ», так как канал отсутствует. Когда напряжение затвора увеличивается больше, чем напряжение источника, носители заряда (дырки) смещаются, оставляя позади электроны, и, таким образом, устанавливается более широкий канал.

Напряжение на затворе прямо пропорционально току, то есть с увеличением напряжения на затворе ток увеличивается и наоборот.

Классификация режима насыщения МОП- транзисторов

Усовершенствованные МОП-транзисторы можно классифицировать на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).

  • N-канальный тип насыщения MOSFET
  • P-канальный тип насыщения MOSFET

N-канальный тип насыщения MOSFET

  • Слегка легированная субстрат P-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
  • N-канал имеет электроны в качестве основных носителей.
  • Подаваемое напряжение затвора положительно для включения устройства.
  • Он имеет более низкую собственную емкость и меньшую площадь соединения из-за высокой подвижности электронов, что позволяет ему работать на высоких скоростях переключения.
  • Он содержит положительно заряженные примеси, что делает преждевременным включение полевых МОП-транзисторов с N-каналом.
  • Сопротивление дренажу низкое по сравнению с P-типом.

P-канальный тип насыщения MOSFET

  • Слегка легированная подложка N-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями P-типа.
  • P-канал имеет отверстия в качестве основных носителей.
  • Он имеет более высокую внутреннюю емкость и малую подвижность отверстий, что делает его работающим при низкой скорости переключения по сравнению с N-типом.
  • Подаваемое напряжение затвора является отрицательным для включения устройства.
  • Водостойкость выше по сравнению с N-типом.

Режим истощения

В этом типе канал уже установлен, и очевидно, что проводимость происходит даже при нулевом напряжении, и он открыт или включен по умолчанию. В отличие от типа насыщения, здесь канал лишен носителей заряда, чтобы уменьшить ширину канала.

Напряжение на затворе обратно пропорционально току, т. Е. С увеличением напряжения на затворе ток уменьшается.

Классификация режима истощения МОП-транзисторов

Истощающие МОП-транзисторы могут быть классифицированы на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).

  • Тип истощения канала N МОП-транзистор
  • Тип истощения канала P МОП-транзистор
Тип истощения канала N МОП-транзистор

  • Полупроводник P-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
  • Применяемое напряжение на затворе отрицательное.
  • Канал обеднен свободными электронами.
Тип канала истощения канала MOSFET

  • Полупроводник N-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
  • Поданное напряжение затвора положительное.
  • Канал обеднен свободными отверстиями.

Символ на схеме разных типов МОП-транзистора (MOSFET)

Символы различных типов МОП-транзисторов изображены ниже.

Применение МОП-транзистора

  • Усилители MOSFET широко используются в радиочастотных приложениях.
  • Он действует как пассивный элемент, такой как резистор, конденсатор и индуктор.
  • Двигатели постоянного тока могут регулироваться силовыми полевыми МОП-транзисторами.
  • Высокая скорость переключения MOSFET делает его идеальным выбором при проектировании цепей прерывателей.

Преимущества МОП-транзистора

  • МОП-транзисторы обеспечивают большую эффективность при работе при более низких напряжениях.
  • Отсутствие тока затвора приводит к высокому входному импедансу и высокой скорости переключения.
  • Они работают при меньшей мощности и не потребляют ток.

Базовая структура MOSFET транзистора

Конструкция MOSFET (что это, рассказано в статье подробно) очень отличается от полевых. Оба типа транзисторов используют электрическое поле, создаваемое напряжением на затворе. Чтобы изменить поток носителей заряда, электронов для п-канала или отверстия для р-канала, через полупроводящий канал сток-исток. Электрод затвора помещен на вершине очень тонким изолирующим слоем, и есть пара небольших областей п-типа только под сток и исток электродов.

При помощи изолированного устройства затвора для МОП-транзистора никаких ограничений не применяется. Поэтому можно соединять с затвором полевого МОП-транзистора источник сигнала в любой полярности (положительный или отрицательной). Стоит отметить, что чаще встречаются импортные транзисторы, нежели их отечественные аналоги.

Это делает MOSFET устройства особенно ценными в качестве электронных переключателей или логических приборов, потому что без воздействия извне они, как правило, не проводят ток. И причина этому высокое входное сопротивление затвора. Следовательно, очень маленький или несущественный контроль необходим для МОП-транзисторов. Ведь они представляют собой устройства, управляемые извне напряжением.

Режим истощения МОП-транзистора

Режим истощения встречается значительно реже, нежели режимы усиления без приложения напряжения смещения к затвору. То есть, канал проводит при нулевом напряжении на затворе, следовательно, прибор «нормально закрыт». На схемах используется сплошная линия для обозначения нормально замкнутого проводящего канала.

Для п-канального МОП-транзистора истощения, отрицательное напряжение затвор-исток отрицательное, будет истощать (отсюда название) проводящий канал своих свободных электронов транзистора. Аналогично для р-канального МОП-транзистора обеднение положительного напряжения затвор-исток, будет истощать канал своих свободных дырок, переведя устройство в непроводящее состояние. А вот прозвонка транзистора не зависит от того, какой режим работы.

Другими словами, для режима истощения п-канального МОП-транзистора:

  1. Положительное напряжение на стоке означает большее количество электронов и тока.
  2. Отрицательное напряжение означает меньше электронов и ток.

Обратные утверждения также верны и для транзисторов р-канала. Тогда режим истощения МОП-транзистора эквивалентно «нормально разомкнутому» переключателю.

N-канальный МОП-транзистор в режиме истощения

Режим истощения МОП-транзистора построен таким же образом, как и у полевых транзисторов. Причем канал сток-исток – это проводящий слой с электронами и дырками, который присутствует в п-типа или р-типа каналах. Такое легирование канала создает проводящий путь низкого сопротивления между стоком и источника с нулевым напряжением. Используя тестер транзисторов, можно провести замеры токов и напряжений на его выходе и входе.

Режим усиления МОП-транзистора

Более распространенным у транзисторов MOSFET является режим усиления, он обратный для режима истощения. Здесь проводящий канал слаболегированный или даже нелегированный, что делает его непроводящим. Это приводит к тому, что устройство в режиме покоя не проводит ток (когда напряжение смещения затвора равно нулю). На схемах для обозначения МОП-транзисторов такого типа используют ломаную линию, чтобы обозначить нормально открытый токоизолирующий канал.

Для повышения N-канального МОП-транзистора ток стока будет течь только тогда, когда напряжение на затворе прикладывается к затвору больше, чем пороговое напряжение. При подаче положительного напряжения на затвор к п-типа MOSFET (что это, режимы работы, схемы включения, описаны в статье) привлекает большее количество электронов в направлении оксидного слоя вокруг затвора, тем самым увеличивая усиление (отсюда название) толщины канала, позволяя свободнее протекать току.

Особенности режима усиления

Увеличение положительного напряжения затвора вызовет появление сопротивления в канале. Это не покажет тестер транзисторов, он может только проверить целостность переходов. Чтобы уменьшить дальнейший рост, нужно увеличить тока стока. Другими словами, для режима усиления п-канального МОП-транзистора:

  1. Положительный сигнал транзистор переводит в проводящий режим.
  2. Отсутствие сигнала или же его отрицательное значение переводит в непроводящий режим транзистор. Следовательно, в режиме усиления МОП-транзистор эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Обратные утверждения справедливы для режимов усиления р-канальных МОП-транзисторов. При нулевом напряжении устройство в режиме «Выкл» и канал открыт. Применение напряжения отрицательного значения к затвору р-типа у MOSFET увеличивает проводимость каналов, переводя его режим «Вкл». Проверить можно, используя тестер (цифровой или стрелочный). Тогда для режима усиления р-канального МОП-транзистора:

  1. Положительный сигнал переводит транзистор «Выкл».
  2. Отрицательный включает транзистор в режим «Вкл».

Режим усиления N-канального МОП-транзистора

В режиме усиления МОП-транзисторы имеют низкое входное сопротивление в проводящем режиме и чрезвычайно высокое в непроводящем. Также их бесконечно высокое входное сопротивление из-за их изолированного затвора. Режима усиления транзисторов используется в интегральных схемах для получения типа КМОП логических вентилей и коммутации силовых цепей в форме, как PMOS (P-канал) и NMOS (N-канал) входов. CMOS – это комплементарный МОП в том смысле, что это логическое устройство имеет как PMOS, так и NMOS в своей конструкции.

Транзистор полевой

В современной цифровой электронике, транзисторы работают, как правило — в ключевом (импульсном) режиме: открыт-закрыт. Для таких режимов оптимально подходят – полевые транзисторы. Название «полевой» происходит от «электрическое поле». Это значит, что они управляются полем, которое образует напряжение, приложенное к управляющему электроду. Другое их название – униполярный транзистор. Так подчеркивается, что используются только одного типа носители заряда (электроны или дырки), в отличии от классического биполярного транзистора. «Полевики» по типу проводимости канала и типу носителей бывают двух видов: n-канальный – носители электроны и p-канальный – носители дырки. Транзистор имеет три вывода: исток, сток, затвор.

исток (source) — электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, источник носителей. В традиционной схеме включения, цепь истока n-канального транзистора подключается к минусу питания, p-канального — к плюсу питания.

сток (drain) — электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда. В традиционной схеме включения, цепь стока n-канального транзистора подключается к плюсу питания, p-канального — к минусу питания.

затвор (gate) —  управляющий электрод, регулирует поперечное сечения канала и соответственно ток протекающий через канал. Управление происходит напряжением между затвором и истоком – Vgs.

Полевые транзисторы бывают двух основных видов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. С изолированным затвором делятся на: с встроенным и индуцированным каналом. На рис.1  изображены типы полевых транзисторов и их обозначения на схемах.

Рис.1. Типы полевых транзисторов и их схематическое обозначение. 

«Полевик» с изолированным затвором и индуцированным каналом

Нас интересуют транзисторы Q5 и Q6. Именно они используются в цифровой и силовой электронике. Это полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Их называют МОП (метал-оксид-полупроводник) или МДП (метал-диэлектрик-полупроводник) транзисторами. Английское название MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Таким названием подчеркивается, что затвор отделен слоем диэлектрика от проводящего канала. Жаргонные названия: «полевик», «мосфет», «ключ».

Индуцированный канал — означает, что проводимость в нем появляется, канал индуцируется носителями (открывается транзистор) только при подаче напряжения на затвор. В отличии от транзисторов Q3 и Q4 которые тоже МОП транзисторы, но со встроеным каналом, канал всегда открыт, даже при нулевом напряжении на затворе. Схематически, разница между этими двумя типами транзисторов на схемах обозначается сплошной (встроенный) или пунктирной (индуцированный) линией канала. Другое название индуцированного канала – обогащенный, встроенного – обеднённый.

Обратный диод

Технология изготовления МОП транзисторов такова, что образуются некоторые паразитные элементы, в частности биполярный транзистор, включенный параллельно силовым выводам. См. рис.2. Он оказывает негативное влияние на характеристики транзистора, поэтому технологической перемычкой замыкают вывод истока с подложкой (замыкают переход: база-эмиттер, паразитного транзистора), а оставшийся переход: коллектор-база, образует диод, включенный параллельно стоку-истоку, в направлении обратном протеканию тока (в классической схеме включения). Параметры этого диода производители уже могут контролировать, поэтому он не оказывает существенного влияния на работу транзистора. И даже наоборот, его наличие специально используется в некоторых схематических решениях.

Именно этот диод (стабилитрон) обозначается на схематическом изображении МОП транзистора, а технологическая перемычка показана стрелкой соединенной с истоком. Существуют и транзисторы без технологической перемычки, на их условном обозначения нет стрелкой.

В зависимости от модели транзистора, диод может быть, как и штатный – паразитный, низкочастотный, так и специально добавленный, с заданными характеристиками (высокочастотный или стабилитрон). Это указывается в документации к транзистору.

Рис.2. Паразитные элементы в составе полевого транзистора. 

 Основные преимущества MOSFET 

  • меньшее потребление, высокий КПД. Транзисторы управляются напряжением, и в статике не потребляют ток управления.
  • простая схема управления.  Схемы управления напряжением более просты, чем схемы управления током.
  • высокая скорость переключения. Отсутствуют неосновные носители. Следовательно не тратится время на их рассасывание. Частота работы сотни и тысячи килогерц
  • повышеная теплоустойчивость. С ростом температуры растет сопротивление канала, следовательно понижается ток, а это приводит к понижению температуры. Происходит саморегуляция.

Основные характеристики MOSFET

  • Vds(max) – максимальное напряжение сток-исток в закрытом состоянии транзистора
  • Rds(on) – активное сопротивление канала в открытом состоянии транзистора. Этот параметр указывают для определенных значений Vgs 10В или 4.5В  или 2.5 В при которых сопротивление становится минимальным.
  • Vgs(th) –  пороговое напряжение при котором транзистор начнет открываться. 
  • Ids – максимальный постоянный ток через транзистор.
  • Ids(Imp) – импульсный (кратковременный) ток, который выдерживает транзистор.
  • Ciss, Crss, Coss – емкость затвор-исток (input), затвор-сток (reverse), сток-исток(output).
  • Qg – заряд который необходимо передать затвору для переключения.
  • Vgs(max) – максимальное допустимое напряжение затвор-исток.
  • t(on), t(of) – время переключения транзистора.
  • характеристики обратного диода сток-исток ( максимальный ток, падение напряжения, время восстановление)

Что еще нужно знать про полевой транзистор?

P-канальные транзисторы имеют хуже характеристики чем N-канальные. Меньше рабочая частота, больше сопротивление, больше площадь кристалла. Они реже используются и выпускаются в меньшем ассортименте. 

МОП транзистор — потенциальный прибор и управляется напряжением (потенциалом), затвор отделен слоем диэлектрика , по сути это конденсатор и через него не протекает постоянный ток, поэтому он не потребляет ток управления в статике, но во время переключения требуется приличный ток для заряда-разряда емкости.

МОП транзистор имеет хоть и не большое, но активное сопротивление в открытом состоянии Rds. Это сопротивление уменьшается с ростом отпирающего напряжения и становится минимальным при определенном напряжении затвор-исток, 4.5В или 10В. По сути – это резистор, сопротивление которого управляется напряжением Vgs.

Vgs – управляющее напряжение, Vg-Vs. Если измерять относительно общего минуса, то: для n канального Vgs>0, для p канального Vgs<0 (красный провод вольтметра на затвор, черный на исток). У силовых транзисторов управляющее напряжение, при котором будет минимальное сопротивление – 10 вольт и больше. У низковольтных «полевиков», которые управляются логическими уровнями микросхем, оно составляет 4.5 вольт или 2.5В , для разных транзисторов. Общее правило: чем выше напряжение – тем транзистор лучше откроется, но это напряжение не должно превышать масимально допустимого Vgs(max).

Схема включения MOSFET

Традиционная, классическая схема включения «мосфет», работающего в режиме ключа (открыт-закрыт), приведена на рис 3. Это схема, с общим истоком. Она наиболее распространена, легка в реализации и имеет самый простой способ управления транзистором. 

Нагрузку включают в цепь стока. Встроенный диод, оказывается включенным в обратном направлении и ток через него не протекает.  

Для n-канального: исток на землю, сток через нагрузку к плюсу. Тогда для его открытия, на  затвор нужно подать положительное напряжение, подтянуть к плюсу питания. При работе от ШИМ (широтно импульсный модулятор), открывать его будет положительный импульс. 

Для p-канального: исток на плюс питания, сток через нагрузку на землю. Тогда для его открытия, на затвор нужно подать отрицательное напряжение, подтянуть к минусу питания (земле). При управлении от ШИМ, открывающим будет – отрицательный импульс (отсутствие импульса).

Рис. 3. Классическая схема включения MOSFET в ключевом режиме.

МОП транзистор, в открытом состоянии, будет пропускать ток как от истока к стоку, так и от стока к истоку. Также и нагрузку можно включать как в цепь стока, так и истока. Но при «нестандартном» включении, усложняется управление транзистором, так для n-канального может потребоваться, напряжение выше питания, а для p-канального – отрицательное напряжение ниже земли (двухполярное питание).

МОП транзисторы, используемые в цифровой электронике, делятся на два типа. 

  1. Мощные силовые – используются в импульсных преобразователях напряжения и в цепях питания. 
  2. Транзисторы логического уровня – используются как ключи, коммутируют различные сигналы и управляются микросхемами.

Транзисторы бывают в разных корпусах, с разным количеством выводов, часто в одном корпусе объединяют два транзистора.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Типы полевых транзисторов

A cluster of field effect transistor A cluster of field effect transistor Кластер полевых транзисторов

Полевой транзистор или полевой транзистор — это транзистор, выходной ток которого контролируется электрическим полем. Полевой транзистор иногда называют униполярным транзистором, поскольку он включает в себя работу с одним несущим. Основные типы транзисторов FET полностью отличаются от основ транзисторов BJT. FET — это трехполюсные полупроводниковые устройства с выводами истока, стока и затвора.

Носителями заряда являются электроны или дырки, которые текут от источника к стоку через активный канал.Этот поток электронов от источника к стоку контролируется напряжением, приложенным к клеммам затвора и источника.


Типы полевых транзисторов

Полевые транзисторы бывают двух типов — полевые транзисторы или полевые транзисторы.

Соединительный полевой транзистор

A Junction FET A Junction FET A Соединительный полевой транзистор

Соединительный полевой транзистор представляет собой тип полевого транзистора, который может использоваться в качестве переключателя с электрическим управлением. Электрическая энергия течет по активному каналу между источниками к сливным клеммам. При подаче напряжения обратного смещения на клемму затвора канал напрягается, поэтому электрический ток полностью отключается.

Транзистор с полевым транзистором имеет две полярности;

N-канальный JFET

PCBWay PCBWay
N channel JFET N channel JFET N-канальный JFET

N-канальный JFET состоит из стержня n-типа, по бокам которого легированы два слоя p-типа. Канал электронов составляет N канал для устройства. Два омических контакта выполнены на обоих концах N-канального устройства, которые соединены вместе, чтобы сформировать клемму затвора.

Клеммы истока и стока взяты с двух других сторон планки.Разность потенциалов между истоком и стоком обозначается как Vdd, а разность потенциалов между истоком и затвором обозначается как Vgs. Поток заряда связан с потоком электронов от источника к стоку. . Поскольку ток течет через устройство, он находится в одном состоянии.

Когда на клемму затвора подается напряжение отрицательной полярности, в канале создается область истощения. Ширина канала уменьшается, следовательно, увеличивается сопротивление канала между истоком и стоком. Поскольку соединение затвор-исток смещено в обратном направлении и ток не течет в устройстве, он находится в выключенном состоянии.

Таким образом, в основном, если напряжение, подаваемое на клемму затвора, увеличивается, меньшее количество тока будет течь от источника к стоку.

N-канальный JFET имеет большую проводимость, чем P-канальный JFET.Таким образом, N-канал JFET является более эффективным проводником по сравнению с P-каналом JFET.

P-канал JFET

trzvp2106 trzvp2106 P-канал JFET состоит из стержня P-типа, с двух сторон которого легированы слои n-типа. Терминал затвора образован соединением омических контактов с обеих сторон. Как и в N-канальном JFET, клеммы истока и стока взяты с двух других сторон панели. Канал P-типа, состоящий из отверстий в качестве носителей заряда, сформирован между истоком и стоком.

P channel JFET bar P channel JFET bar P-канал JFET bar

Отрицательное напряжение, приложенное к клеммам стока и истока, обеспечивает протекание тока от источника к клемме стока, и устройство работает в омической области. Положительное напряжение, приложенное к клемме затвора, обеспечивает уменьшение ширины канала, тем самым увеличивая сопротивление канала. Более положительным является напряжение на затворе; меньше ток, протекающий через устройство.

Характеристики транзистора полевого транзистора с каналом p-типа

Ниже приводится характеристическая кривая полевого транзистора с полевым эффектом p-канала и различных режимов работы транзистора.

Characteristics of p channel junction FET transistor Characteristics of p channel junction FET transistor Характеристики транзистора полевого транзистора с каналом p-типа

Область отсечки : Когда напряжение, подаваемое на клемму затвора, достаточно положительное, чтобы ширина канала была минимальной, ток не течет. Это приводит к тому, что устройство находится в отрезанной области.

Омическая область : ток, протекающий через устройство, линейно пропорционален приложенному напряжению, пока не будет достигнуто напряжение пробоя. В этой области транзистор демонстрирует некоторое сопротивление току.

Область насыщения : Когда напряжение сток-исток достигает значения, при котором ток, протекающий через устройство, является постоянным с напряжением сток-исток и изменяется только в зависимости от напряжения затвора, устройство считается находящимся в область насыщения.

Область пробоя : Когда напряжение истока-истока достигает значения, которое вызывает разрушение области истощения, вызывая резкое увеличение тока утечки, устройство считается находящимся в области пробоя.Эта область пробоя достигается раньше для более низкого значения напряжения сток-исток, когда напряжение затвор-исток более положительное.

МОП-транзистор

MOSFET transistor MOSFET transistor МОП-транзистор

МОП-транзистор, как следует из его названия, представляет собой полупроводниковую линейку p-типа (n-типа) (с двумя сильно легированными областями n-типа, рассеянными в нее) со слоем оксида металла, нанесенным на его поверхность и отверстия, взятые из слоя, чтобы сформировать исток и сливные терминалы. Металлический слой наносится на оксидный слой, чтобы сформировать клемму затвора.Одним из основных применений полевых транзисторов является использование MOSFET в качестве переключателя.

Этот тип полевого транзистора имеет три клеммы: исток, сток и затвор. Напряжение, приложенное к клемме затвора, контролирует поток тока от источника к стоку. Наличие изолирующего слоя оксида металла приводит к тому, что устройство имеет высокий входной импеданс.

Типы МОП-транзисторов на основе режимов работы

МОП-транзистор является наиболее часто используемым типом полевых транзисторов.Работа МОП-транзистора достигается в двух режимах, в зависимости от которых классифицируются МОП-транзисторы. Работа полевого МОП-транзистора в режиме улучшения состоит из постепенного формирования канала, тогда как в полевом МОП-транзисторе он состоит из уже рассеянного канала. Расширенное приложение MOSFET — CMOS.

Усовершенствованный МОП-транзистор

Когда на клемму затвора МОП-транзистора подается отрицательное напряжение, носители или отверстия, несущие положительный заряд, накапливаются в большей степени вблизи оксидного слоя.Канал формируется от истока до сливного терминала.

Enhancement MOSFET Transistor Enhancement MOSFET Transistor Усовершенствованный МОП-транзистор

По мере того, как напряжение становится более отрицательным, ширина канала увеличивается, и ток течет от источника к клемме стока. Таким образом, поскольку поток тока «усиливается» с приложенным напряжением затвора, это устройство называется MOSFET типа усиления.

МОП-транзистор с режимом обеднения

МОП-транзистор с режимом обеднения состоит из канала, рассеянного между стоком и выводом истока.При отсутствии напряжения на затворе ток течет от источника к стоку из-за канала.

Depletion mode MOSFET transistor Depletion mode MOSFET transistor Транзистор с МОП-транзистором в режиме истощения

Когда это напряжение затвора становится отрицательным, положительные заряды накапливаются в канале.
Это вызывает область истощения или область неподвижных зарядов в канале и препятствует протеканию тока. Таким образом, поскольку на течение тока влияет формирование области обеднения, это устройство называется MOSFET в режиме обеднения.

Применение с полевым МОП-транзистором в качестве переключателя

Управление скоростью двигателя BLDC

МОП-транзистор можно использовать в качестве переключателя для управления двигателем постоянного тока.Здесь транзистор используется для запуска MOSFET. ШИМ-сигналы от микроконтроллера используются для включения или выключения транзистора.

Controlling speed of BLDC motor Controlling speed of BLDC motor Управление скоростью двигателя BLDC

Логический сигнал низкого уровня с вывода микроконтроллера приводит к срабатыванию соединителя OPTO, генерирующего высокий логический сигнал на его выходе. Транзистор PNP отключается и, соответственно, MOSFET срабатывает и включается. Клеммы стока и истока закорочены, и ток течет к обмоткам двигателя, так что он начинает вращаться.Сигналы ШИМ обеспечивают контроль скорости двигателя.

Управление массивом светодиодов:

Driving an array of LEDs Driving an array of LEDs Управление массивом светодиодов

Работа MOSFET в качестве переключателя включает в себя применение управления интенсивностью массива светодиодов. Здесь транзистор, управляемый сигналами от внешних источников, таких как микроконтроллер, используется для управления МОП-транзистором. Когда транзистор выключен, полевой МОП-транзистор получает питание и включается, обеспечивая надлежащее смещение для светодиодной матрицы.

Лампа переключения с помощью MOSFET:

Switching Lamp using MOSFET Switching Lamp using MOSFET Лампа переключения с помощью MOSFET MOSFET

может использоваться в качестве переключателя для управления переключением ламп. Здесь также полевой МОП-транзистор запускается с помощью транзисторного переключателя. ШИМ-сигналы от внешнего источника, такого как микроконтроллер, используются для управления проводимостью транзистора, и, соответственно, МОП-транзистор включает или выключает, таким образом, управляя переключением лампы.

Мы надеемся, что нам удалось предоставить читателям лучшие знания по теме полевых транзисторов.Мы хотели бы, чтобы читатели ответили на простой вопрос — как FET отличаются от BJT и почему они более используются сравнительно.

Пожалуйста, ваши ответы вместе с вашими отзывами в комментариях ниже.

Photo Credits

Кластер полевого транзистора с помощью JFET
N-канала Alibaba
с помощью Ebaying
P-канала JFET с помощью Solarbotics 9-полосный JF-бар канала JFET с помощью wikimedia Кривая характеристик JFET
-P с помощью обучающей электроники
MOSFET транзистор МОП-транзистора Транзистор по схеме сегодня

.
транзисторов с высокой подвижностью электронов: анализ производительности, тенденции исследований и приложения

1. Введение

Требование высокой скорости переключения, например, в области микроволновой связи и радиочастотной технологии, побудило транзисторы развиваться с высокой подвижностью электронов и превосходными транспортными характеристиками. , Изобретение устройств HEMT аккредитовано Т. Мимурой, который принимал участие в исследовании высокочастотных высокоскоростных полупроводниковых приборов на основе состава III-V в Fujitsu Laboratories Ltd, Кобе, Япония.После этого HEMT впервые был коммерчески использован в качестве криогенного усилителя с низким уровнем шума в Обсерватории радио Nobeyama (NRO), Нагано, Япония, в 1985 году [1].

Для удовлетворения потребностей в приложениях с высокой частотой, низким уровнем шума и высокой удельной мощностью традиционные МОП-транзисторы и МОП-транзисторы должны быть построены с очень короткими длинами каналов, чтобы большинство несущих сталкивалось с минимальным рассеянием примесей и снижением производительности. Такие применения также подразумевают ограничения по конструкции и характеристикам, требующие высокого тока насыщения, а также большой проводимости, которая может быть достигнута при сильном легировании.Чтобы преодолеть эти ограничения, устройства HEMT включают гетеропереходы, образованные между двумя различными материалами с запрещенной зоной, где электроны заключены в квантовой яме, чтобы избежать рассеяния примесей. Материал GaAs с прямой запрещенной зоной использовался в высокочастотной работе, а также в оптоэлектронных интегральных схемах благодаря его более высокой подвижности электронов и диэлектрической проницаемости. AlGaAs являются наиболее подходящим кандидатом для барьерного материала GaAs, обладающего почти такой же постоянной решетки и большей шириной запрещенной зоны, чем у GaAs.Вот почему GaAs / AlGaAs гетероструктура считается наиболее популярным выбором для включения в HEMT. Тем не менее, AlGaN / GaN HEMT — это еще одно превосходное устройство, которое в последнее время широко исследовалось. Он может работать на очень высоких частотах с удовлетворительными характеристиками, а также обладать высокой прочностью на разрыв и высокой скоростью электронов при насыщении [2]. GaN демонстрирует очень сильную пьезоэлектрическую поляризацию, которая способствует накоплению огромных носителей на границе раздела AlGaN / GaN. В этих типах HEMT производительность устройства зависит от типов слоя материала, толщины слоя и концентрации легирования слоя AlGaN, обеспечивая гибкость в процессе проектирования.Из-за своего превосходства над устройствами HEMT с другими материалами, AlGaN / GaN HEMT был выбран в качестве примера для различных тем в этой главе.

Глава начинается с краткого объяснения различных общих структур и основного принципа работы устройств HEMT. Основное внимание уделяется анализу производительности устройства HEMT на основе аналитического и численного анализа, найденного в литературе. Например, I ‑ V характеристик HEMT [3], оценка двумерного электронного газа (2DEG) [4], эффект коллапса тока в коротком канале [5], расчет емкости [6] и тепловые эффекты [7] на HEMT были обсуждены в разделе 4, которые были получены с использованием аналитического исследования.Раздел 5 включает более строгие методы, такие как моделирование дрейф-диффузия [8], расчет переноса [9], моделирование Монте-Карло [10], формализм функций Грина [11] и анализ напряжения сдвига на основе поляризации [12], которые требуют значительного численного расчета. методы для характеристики производительности устройства HEMT. Оглядываясь назад на самые последние годы, некоторые новейшие результаты были представлены в разделе 6, а именно в разделе «Последние исследования». В разделе 7 представлены некоторые прогнозы будущих направлений исследований на основе этих последних результатов.Наконец, возможные области применения устройств HEMT были обсуждены в последнем разделе.

2. Общие конструкции HEMT

2.1. HEMT на основе GaAs

Типичная HEMT-структура на основе GaAs показана на рисунке 1. В целях отделения основных носителей от ионизированных примесей между материалом с широкой запрещенной зоной AlGaAs и материалом с более низкой запрещенной зоной GaAs создается резкая гетероструктура. материал с широкой запрещенной зоной легирован (например, плотность легирования, n = 7 × 10 17 см −3 ).Таким образом, на границе раздела гетеропереход GaAs / AlGaAs формируется канал. Для уменьшения кулоновского рассеяния в качестве разделительного слоя используется тонкий слой нелегированного AlGaAs. Внизу слой Si или GaAs служит подложкой.

Рисунок 1.

Структура HEMT на основе GaAs.

2.2. HEMT на основе GaN

HEMT на основе GaN имеют слоистую структуру, аналогичную традиционным HEMT на основе GaAs, как показано на рисунке 2. Но преднамеренного легирования в HEMT AlGaN / GaN не требуется. Скорее электроны приходят из поверхностных состояний из-за спонтанной поляризации, обнаруженной в GaN со структурой вюрцита.Это накопление свободных носителей формирует высокую концентрацию носителей на границе раздела, приводит к каналу 2DEG. На рисунке 2 также показаны донороподобные поверхностные ловушки (пустые) сверху и, таким образом, положительно поляризованный заряд на границе раздела AlGaN / GaN. 2DEG является явной функцией поверхностного барьера, толщины AlGaN и связанного положительного заряда на границе раздела.

Рисунок 2.

Структура HEMT на основе GaN.

2.3. HEMT на основе InP

HEMT на InP приводят к более низкой эффективной электронной массе в канальном слое InGaAs по сравнению с обычными HEMT на основе GaAs.Эти HEMT содержат сравнительно большое смещение зоны проводимости (приблизительно 0,5 эВ) между канальным слоем и соседним барьерным слоем, InAlAs [13]. Следовательно, HEMT на основе InP демонстрируют высокую подвижность электронов, высокую скорость насыщения электронов и высокую концентрацию электронов. Устройство обычно состоит из композитного верхнего слоя InGaAs / InAlAs для улучшенного омического контакта, нелегированного InAlAs в качестве барьера Шоттки и композитного канала InGaAs / InAs для превосходных свойств переноса электронов, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Структура HEMT на основе InP.

3. Принцип работы HEMT

HEMT — это, по существу, гетеропереходы, образованные полупроводниками, имеющими разные запрещенные зоны. Когда образуется гетеропереход, зона проводимости и валентная зона по всему материалу должны изгибаться, образуя непрерывный уровень. Широкополосный элемент имеет избыточные электроны в зоне проводимости, так как он легирован донорными атомами (или из-за поляризационного заряда в HEMT на основе GaN). Узкополосный материал имеет состояния зоны проводимости с меньшей энергией.Следовательно, электроны будут диффундировать из материала с широкой запрещенной зоной в соседний материал с более низкой запрещенной зоной, поскольку он имеет состояния с меньшей энергией. Таким образом, изменение потенциала будет происходить из-за движения электронов, и между материалами будет индуцировано электрическое поле. Индуцированное электрическое поле будет дрейфовать электроны обратно в зону проводимости элемента с широкой запрещенной зоной. Процессы дрейфа и диффузии продолжаются до тех пор, пока они не уравновесят друг друга, создавая соединение в равновесии, подобное p-n-соединению. Обратите внимание, что нелегированный материал с узкой запрещенной зоной теперь имеет избыточные основные носители заряда, которые обеспечивают высокую скорость переключения.Интересный факт заключается в том, что нелегированный полупроводник с низкой запрещенной зоной не имеет донорных атомов, вызывающих рассеяние, и, таким образом, обеспечивает высокую подвижность.

Другим интересным аспектом HEMT является то, что разрывы зон через зоны проводимости и валентной зоны могут быть спроектированы для управления типом носителей, входящих и выходящих из устройства. Эта диффузия носителей приводит к накоплению электронов вдоль границы двух областей внутри узкополосного материала. Накопление электронов может привести к очень сильному току в этих устройствах.Накопленные электроны также известны как 2DEG. На рисунке 4 показана обобщенная полосовая диаграмма, сформированная на гетеропереходе для типичных HEMT. И зона проводимости (E c ), и валентная зона (E v ) изгибаются относительно уровня Ферми (E F ), что приводит к квантовой яме, заполненной 2DEG, и, в конечном итоге, образуется проводящий канал.

Рисунок 4.

Обобщенная диаграмма энергетических зон HEMT.

4. Анализ производительности: аналитический подход

В связи с быстро растущей популярностью в высокочастотных и мощных приложениях, устройства HEMT в последние дни стали объектом пристального внимания исследователей.В литературе можно найти множество аналитических моделей для изучения характеристик HEMTS, а также для улучшения характеристик устройства. В этом разделе мы представляем некоторые из выдающихся и эффективных аналитических исследований по HEMT AlGaN / GaN.

4.1. Вольт-амперные характеристики с использованием модели управления зарядом

Улучшенная модель управления зарядом для I-V характеристик AlGaN / GaN HEMT была представлена ​​в 2008 году Li et al. [3]. Эта модель включает в себя граничные условия Робина в решении 1-D уравнения Шредингера и настраиваемые собственные значения в решении 2-D уравнения Пуассона.Нелинейная поляризация и паразитное сопротивление источника и стока были включены в эту модель. Модель оценивает ток утечки, предполагая непрерывность второго порядка с аналитическим представлением трансдуктивности. Структура устройства, использованная в этой модели, почти аналогична структуре на рисунке 2. Однако единственное отличие состоит в том, что легированный слой AlGaN 22 нм с концентрацией легирования N D = 2 × 10 18 см — 3 присутствует над нелегированным слоем AlGaN для усиления поляризации.Результат I В , построенный с использованием этой аналитической модели, показан на рисунке 5 для различных напряжений затвора.

Рисунок 5.
Вольт-амперные характеристики

для HEMT Al0.15Ga0.85N / GaN. Смещение между затвором и источником изменяется от 1 до -2 В с шагом -1 В.

4.2. Зависимость плотности заряда 2DEG от смещения затвора

Khandelwal et al. предложил физическую аналитическую модель для плотности 2DEG в HEMT AlGaN / GaN [4]. Используя эту модель, они показывают взаимозависимость между уровнями 2DEG и Fermi.Предлагаемая модель не требует подгонки параметров. Он моделирует 2DEG с учетом концентрации заряда в двух разных областях. Один имеет более высокую энергию первого поддиапазона, в то время как другой имеет более низкую энергию первого поддиапазона по сравнению с уровнем Ферми. Кроме того, также представлена ​​унифицированная модель, объединяющая эти два региона. Это представляет изменение 2DEG с напряжением смещения затвора, как показано на рисунке 6. Результаты показывают отличное согласие с численными расчетами.

Рисунок 6.

Сравнение плотности заряда 2DEG, нс с численными расчетами в зависимости от напряжения на затворе.

4.3. Характеристики короткого канала I ‑ V с обрывом тока

Обрыв тока — нежелательное, но неизбежное явление в HEMT на основе GaN. Это неидеальный эффект короткого канала, когда ток зависит от предыдущей памяти напряжения затвора. Для I ‑ V характеристик AlGaN / GaN HEMTS при наличии коллапса тока была предложена другая компактная модель [5]. Он включает механизм захвата и края затвора и основан на экспериментальных данных. Емкостное напряжение ( C-V ) характеристик AlGaN / GaN HEMT также может быть рассчитано с использованием этой модели.Эта модель анализирует коэффициент трансдуктивности устройства в зависимости от смещения затвора, когда происходит коллапс тока. Сравнительный график трансдуктивности с коллапсом тока и без него, как определено этой компактной моделью короткого канала, показан на рисунке 7.

Рисунок 7.

Сравнение трансдуктивности с коллапсом тока и без него для HEMT AlGaN / GaN.

4.4. Емкость затвора, включая паразитные компоненты

Zhang et al. предложил аналитическую модель на основе поверхностного потенциала для расчета емкости, включая паразитные компоненты для HEMT AlGaN / GaN [6].Плотность заряда листа моделируется с помощью уравнений управления зарядом, а емкость рассчитывается на основе концепции потенциала поверхностного заряда, которая согласуется с моделью плотности заряда листа. Паразитные компоненты дополнительно включены в модель, чтобы обеспечить полную модель. Разработанная модель показывает соответствие с моделированиями TCAD и экспериментальными данными.

4.5. Тепловые эффекты со сложными структурами

Несмотря на то, что AlGaN / GaN HEMT является перспективным устройством для высокочастотных и мощных применений, его производительность может ухудшаться при высоких температурах.Следовательно, тепловое моделирование необходимо для прогнозирования производительности устройства при различных температурах. Bagnall et al. разработал такую ​​тепловую модель, которая включает тепловые эффекты с аналитическими решениями в замкнутой форме для сложных многослойных структурированных HEMT [7]. Эта структура состоит из N слоев ( j = 1, 2, 3,…, N) и источника тепла, размещенного внутри слоев, как показано на рисунке 8 (а). Аналитическое моделирование выполняется с использованием решения ряда Фурье и проверяется с помощью спектров комбинационного рассеяния.Распределение температуры вдоль границы раздела AlGaN / GaN x -ось, включая источник тепла, как представлено моделью, показано на рисунке 8 (b).

Рисунок 8.

(a) Сложная многослойная структура HEMT с источником тепла и (b) распределение температуры вдоль оси x для AlGaN / GaN HEMT, включая источник тепла.

Помимо этих моделей, было предложено много других аналитических моделей для устранения шума, расчета потерь, оценки поляризации, анализа слабых сигналов и т. Д.

5. Анализ производительности: численный подход

Были проведены различные численные исследования HEMT для анализа влияния внутренних физических механизмов. В этом разделе представлены некоторые обобщенные численные модели, рассмотренные из литературы.

5.1. Полностью связанная модель дрейфовой диффузии

Yoshida et al. представил двумерный численный анализ HEMT для моделирования работы устройства [8]. Модель Андерсона используется для генерации уравнений линий края полосы и рассматривается статистика Больцмана.Пространственно непрерывное изменение края полосы в этой модели не оправдано, поскольку ток через гетероинтерфейс не учитывается. Током дырки и током генерации-рекомбинации также пренебрегают. Аппроксимация конечных разностей используется для дискретизации уравнения Пуассона и уравнения непрерывности электронного тока. После этого получающиеся уравнения решаются самостоятельно последовательно, используя метод Ньютона. Эта полностью связанная модель традиционно известна как модель дрейфа-диффузии [14].

5.2. Модель переноса энергии: расчет переноса

Буот представил двумерный численный симулятор, основанный на анализе первых трех моментов уравнения Больцмана, известного как модель переноса энергии [9].Он использовался для изучения различных влияний на производительность HEMT AlGaAs / GaAs [9]. Связанные уравнения переноса (подробности уравнений переноса энергии см. В [15]) решались численно с использованием метода конечных разностей на равномерной сетке с использованием итерационной схемы. Используя HISSDAY, программу компьютерного симулятора, уравнения переноса для модели переноса энергии решаются численно с использованием неявной схемы для уравнений непрерывности; Метод Шарфеттера-Гуммеля [16] для текущего уравнения переноса; и явный разностный «маршевый» метод для расчета средней энергии.Эта модель имеет улучшение по сравнению с моделью переноса энергии Видигера [17], где проводимость в слое AlGaAs игнорируется [9].

5.3. Моделирование Монте-Карло

Ueno et al. представил моделирование HEMT Монте-Карло для анализа электронного транспорта 2DEG [10]. Анализ основан на модели электрон-фононного взаимодействия, предложенной Прайсом [18]. В этом контексте предполагается, что электроны 2DEG рассеиваются объемными фононами. Таким образом, волновые функции, рассчитанные методом самосогласованного анализа, используются для оценки скорости рассеяния.Область канала не считается однородной, а электроны вблизи области стока рассматриваются как трехмерные, а область вблизи источника рассматриваются как двумерные. Кроме того, электроны с высокой энергией за пределами высоты барьера ведут себя как трехмерные электроны и не ограничены квантовой ямой. В этих симуляциях сначала оценивается начальное условие. Затем электронная плотность листа в каждой позиции между истоком и стоком оценивается с использованием отношения непрерывности тока вдоль канала.Затем выполняется моделирование по методу Монте-Карло путем разделения канала на различные ячейки и оценки скорости рассеяния электронных состояний в каждой ячейке. Затем, принимая распределение потенциала данного устройства из двумерного уравнения Пуассона, шаги повторяются, пока не будет получено устойчивое состояние.

5.4. Шумовой ток с использованием формализма функции Грина

Ли и Уэбб описали численный подход к моделированию источников собственного шума в HEMT [11].В этой модели используется двумерный решатель числовых устройств. Спектральные плотности для источников тока затвора и шума стока и их корреляция оцениваются с помощью емкостной связи. После решения уравнений Пуассона и непрерывности с использованием двумерного числового решателя устройства получаются функции Грина. Здесь функции Грина используются для определения локальных колебаний (с точки зрения тока или напряжения в любой точке канала) на клеммах затвора и стока. Эта приблизительная концепция поля импеданса [19] помогает определить источники шума затвора и стока и их корреляцию.Для численного моделирования все устройство делится на несколько ортогональных областей, и считается, что результаты двумерного моделирования будут соответствовать результату трехмерного моделирования. Также рассматриваются спонтанная поляризация и деформационно-индуцированная пьезоэлектрическая поляризация. Предполагается, что микроскопические флуктуации в каждом сегменте пространственно некоррелированы и происходят только из-за флуктуации скорости (диффузионного) шума.

5.5. Высокотемпературный анализ напряжения сдвига

Hirose et al.предложили численную модель для структур AlGaN / GaN HEMT, где напряжение сдвига, вызванное обратным пьезоэлектрическим эффектом, используется для прогнозирования результатов высокотемпературных испытаний напряжением постоянного тока [12]. В этой модели скольжение плоскости решетки в кристалле считается начальной стадией образования трещин. Напряжение сдвига вызывает скольжение, и скольжение деформирует кристалл, когда напряжение сдвига превышает предел текучести. В HEMT на основе GaN базовая плоскость скольжения равна (0001), а направление скольжения равно <1120>. Слой AlGaN представляет собой кристалл вюрцита, выращенный в направлении <0001> [20].Предполагается, что напряжение сдвига является результатом обратного пьезоэлектрического эффекта. Механическое напряжение и электрическое смещение возникают из-за пьезоэлектрического эффекта. В предположении рассогласования решетки в слое AlGaN напряжение сдвига относится к скольжению в направлении <1120>. Однако для расчета напряжения сдвига электрическое поле получается из двумерного моделирования устройства на основе уравнения Пуассона и уравнений непрерывности дрейф-диффузионного тока. Эта модель включает пьезоэлектрические заряды и разницу в зарядах спонтанной поляризации на границе раздела AlGaN / GaN.

Среди числовых моделей любая может иметь преимущество перед другими моделями, но также имеет некоторые ограничения. Например, модель переноса энергии может включать эффект горячих электронов [14]. Модель дрейфовой диффузии не может предсказать характеристики устройств затвора субмикронного уровня [9]. Подход Монте-Карло является одним из передовых подходов [21]. Все эти числовые модели обеспечивают уникальное понимание физики устройства и создают возможность улучшения производительности с TCAD до изготовления устройства.

6. Последние исследования

С ростом популярности, исследования по устройствам HEMT все еще продолжаются. В этом разделе были кратко освещены некоторые недавние исследовательские работы, опубликованные в известной научной литературе.

6.1. ВЧ-генератор с резонатором на основе GaN HEMT

Hörberg et al. представил генератор на основе GaN для X-диапазона, настроенного радиочастотными микроэлектромеханическими системами (RF-MEMS) [22]. Сообщается, что фазовый шум снижается в диапазоне от -140 до -129 дБн / Гц со смещением 100 кГц, что значительно ниже.Этот генератор подходит для высокочастотных модуляторов с низким уровнем шума.

6.2. Компактный усилитель мощности GaN HEMT MMIC

Недавно был представлен компактный усилитель мощности на основе GaN HEMT MMIC с подробным анализом производительности [23]. Хороший диапазон выходной мощности (47,5–48,7 дБм) может быть получен от этого усилителя. Такой усилитель может быть использован для построения электронных систем, которые требуют воздушной фазированной антенной решетки или спутниковых передатчиков. Улучшенная выходная мощность усилителя также повышает стабильность, надежность и производительность этих электронных систем.На рисунке 9 показаны характеристики выходной мощности как в импульсном режиме, так и в режиме непрерывной волны (CW) с изменением частоты в этом усилителе мощности.

Рисунок 9.

Выходная мощность усилителя мощности GaN HEMT MMIC с изменением частоты в импульсном и непрерывном режимах.

6.3. Q-спойлинг на основе режима истощения HEMTs

Q-спойлинг — это процесс, в котором катушки МРТ расстраиваются для обеспечения безопасности и защиты. Традиционно такая развязка или Q-испорчение выполняются с помощью PIN-диодов, которые требуют высокого тока и потребляемой мощности.Лу и соавт. Предложена альтернативная методика Q-спойлинга, которая заменяет ПИН-диоды на GaN HEMTs в режиме обеднения [24]. Показано, что предложенная технология эффективно расстраивает МРТ-катушки с низким током и потреблением энергии по сравнению с традиционными технологиями Q-Spilling. Это также обеспечивает соответствующие меры безопасности, необходимые для расстройки катушек МРТ.

6.4. Генераторы GaN HEMT с низким фазовым шумом

Превосходная добротность (FOM) была достигнута для низкого фазового шума при разработке генераторов на основе GaN HEMT [25].Конструкция продемонстрировала, что низкий фазовый шум может совпадать с низкой мощностью смещения. Результат проверен при разработке Колпитта и генераторов с отрицательным сопротивлением, и оба они представляют наилучшие из представленных FOM.

6.5. Эффект кинка в технологии GaN HEMT

Crupi et al. исследовал эффект кинка (KE) в современной технологии GaN HEMT [26]. Для лучшего понимания KE изучается всесторонне с изменением температуры и условий смещения. Показано, что зависимость КЕ от условий эксплуатации в основном обусловлена ​​трансдуктивностью устройства.Характеристика аномального KE была бы полезной для инженеров микроволновой печи, которым необходимы эти знания KE для проектирования и моделирования устройств с GaN HEMT.

6.6. Переключатели 600 В GaN HEMT для силовых преобразователей

Экспериментально были продемонстрированы переключатели 600 В GaN HEMT, чтобы показать сравнение производительности с кремниевыми транзисторными переключателями, такими как IGBT и MOSFET [27]. Переключатели HEMT, несмотря на то, что они новички, показывают отличную производительность по сравнению со зрелыми аналогами, MOSFET на основе Si.Показано, что GaN-переключатели обеспечивают более высокую эффективность повышающего преобразователя, чем MOSFET-переключатели. Далее, GaN-переключатели сравниваются экспериментально с IGBT. Были рассмотрены как IGBT на основе Si-тела, так и основанные на SiC-теле. Обнаружено, что при более высокой частоте переключения IGBT переключает эффективность потерь очень быстро, в то время как HEMT монотонно переключает эффективность потерь, как показано на рисунке 10. Следовательно, HEMT предлагают превосходную производительность по сравнению с MOSFET на основе Si и IGBT для приложений переключения высокочастотных преобразователей энергии.

Рисунок 10.

Сравнение эффективности для GaN-HEMT-переключателей с IGBT-корпусом с Si-корпусом и IGBT-корпусом с SiC-корпусом.

7. Будущие тенденции

Будущие устройства HEMT, основанные на двухмерном ограничении носителей, кажутся очень яркими в электронике, связи, физике и других дисциплинах. HEMT на основе GaAs, InP и GaN будут продолжать свой путь к более высокой интеграции, более высокой частоте, более высокой мощности, более высокой эффективности, более низкому уровню шума и более низкой стоимости. В частности, GaN предлагает мощные, высокочастотные территории вакуумных трубок и приводит к созданию более легких, более эффективных и более надежных систем связи.

HEMT будут продолжать формировать другие виды FET, которые будут использовать уникальные свойства 2DEG в различных системах материалов. В силовой электронике HEMT на основе GaN могут оказать большое влияние на потребительские, промышленные, транспортные, коммуникационные и военные системы. С другой стороны, структуры MOS-HEMT или MISFET, вероятно, будут работать в усиленном режиме с очень низким током утечки.

Si CMOS технология быстро продвигается к режиму затвора 10 нм.Чтобы достичь этого, управление рассеянием мощности в ультраплотных микросхемах будущего поколения будет серьезной проблемой. Снижение рабочего напряжения может быть решением этой проблемы. Однако в настоящее время трудно достичь этого с помощью Si CMOS, сохраняя при этом качественные характеристики. Устройства на основе квантовых ям, такие как InGaAs или InAs HEMT, обладают очень высоким потенциалом. Следовательно, HEMT могут продлить закон Мура еще на несколько лет, что будет гигантским для общества [28].

Из прошлого можно ожидать, что исследование новых моделей устройств и структур HEMT определенно приведет к новому пониманию часто странной физики квантованных электронов.ZnO, SiGe и GaN продемонстрировали дробный квантовый эффект Холла (FQHE), наибольший показатель безупречной чистоты и атомного порядка, которые обеспечивают светлое будущее устройств HEMT [29].

Концепция различных видов физических и биосенсоров все еще очень нова для такого рода устройств. Сверхвысокая мобильность, которая возможна в системе на основе InAlSb / InAsSb, позволяет использовать высокочувствительные микро-датчики Холла для многих применений, включая сканирующую зондовую микроскопию Холла и биораспознавание [30].Трехосные магнитные датчики Холла были описаны в микромашинных HEMT на основе AlGaAs / GaAs [31]. Эти устройства могут быть использованы в будущих электронных компасах и навигации. ТГц детекция, микширование и умножение частоты также могут использоваться устройствами на базе 2DEG [32]. GaN и родственные материалы имеют сильную пьезоэлектрическую поляризацию, и они также являются химически стабильными полупроводниками. Комбинируя функционализированные 2DEG-структуры на основе GaN с отдельно стоящими резонаторами, можно создавать сложные датчики [33].Они могут предложить методы измерения нескольких свойств, таких как вязкость, pH и температура.

Без ссылок расширение этой технологии в области «машина-машина» (M2M), как ожидается, будет использоваться в различных функциях обнаружения на основе облачных сетей. Разнообразные приложения, такие как исследования окружающей среды, биотехнологии и структурный анализ, могут быть значительно улучшены с помощью недавно появившейся сенсорной технологии, которая обладает высокой скоростью, высокой мобильностью и высокой чувствительностью.Ожидается, что технология HEMT сильно изменит интеллектуальную социальную инфраструктуру на уровне устройств. Система «умный город», транспортная система, пищевая промышленность, логистика, сельское хозяйство, здравоохранение, экология и системы образования — примеры, где эта технология может делать исключения [34].

Рост полупроводникового освещения на основе III-N приведет к постоянному развитию материалов, подложек и технологий, продвигаемых сильным потребительским рынком. По аналогии, оптоэлектроника III-N бросит вызов лампочкам, а электроника III-N бросит вызов электронному эквиваленту — лампам [35].

8. Приложения

Взрыв мультимедийных интернет-коммуникаций быстро распространился по всему миру, что срочно требует увеличения пропускной способности сети передачи. Устройства на основе HEMT являются наиболее привлекательным выбором для преодоления ограничения скорости и механизма с высоким коэффициентом усиления и бесшумностью. Различные компании по всему миру разрабатывают и производят устройства на основе HEMT, и для этих устройств было предложено множество возможных применений. Не рассматривая все эти возможности, некоторые ключевые приложения приведены в этом разделе.

8.1. Широкополосная связь

Сотовая связь получила самое важное невоенное применение устройств HEMT, заменив Si-транзисторы. Для таких приложений широкополосной / многополосной связи мы получаем множество преимуществ. Увеличение относительной полосы пропускания для данного уровня мощности является одним из них. Некоторые новые схемы и системные концепции обеспечивают пропускную способность с повышенной эффективностью. Линейность была улучшена для той же выходной мощности. Уменьшение эффектов памяти также обнаруживается при использовании GaN HEMT-устройств [36].

8.2. Компоненты радара и космическое применение

Усилители с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума являются основными характеристиками для изготовления компонентов радара. GaN HEMT являются одним из первых вариантов для таких компонентов. Активные электронные сенсорные матрицы построены из HEMT на основе GaN, которые используются для бортовых радаров, наземных радаров ПВО и военно-морских радаров [37]. Применение ракет Ka-диапазона на частоте 35 ГГц также обсуждается в литературе [38]. Дискретные HEMT почти всегда используются в качестве предварительного усилителя в типичном приемнике DBS, за которым следуют одна или несколько монолитных микроволновых интегральных микросхем (MMIC) GaAs MESFET из-за их превосходных характеристик с низким уровнем шума.Использование малошумящего предварительного усилителя HEMT привело к существенному улучшению производительности системы при небольших дополнительных затратах. Понижающий преобразователь с низким уровнем шума, состоящий из 0,25 мкм HEMT и трех микросхем GaAs MMIC, показал коэффициент шума системы менее 1,3 дБ с усилением около 62 дБ с 11,7 ГГц до 12,2 ГГц, что является феноменальным для коммерческой системы. [39]. Микроволновое оборудование, используемое для космических применений, очень дорого, поскольку для выживания ему необходима дополнительная защита от суровых условий в космосе.Кроме того, космический корабль должен быть запущен, и это означает, что оборудование также должно выдерживать без повреждений при высоких уровнях вибрации и ударов. HEMT могут быть изготовлены, чтобы выжить в этих условиях и широко используются в различных областях. Как правило, микроволновый компонент для космических применений в десять-сто раз дороже, чем для коммерческих применений. Сотрудники Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) использовали отличные криогенные характеристики HEMT для получения сигналов во время полета Нептуна на космическом корабле-вояджере.

8.3. Применение датчиков

В последнее десятилетие химические датчики приобрели значение для приложений, которые включают в себя вопросы национальной безопасности, медицинского и экологического мониторинга, а также безопасности пищевых продуктов. Желаемой целью является возможность одновременно анализировать широкий спектр экологических и биологических газов и жидкостей в полевых условиях и иметь возможность выборочно определять целевой аналит с высокой специфичностью и чувствительностью. Проводящий 2DEG канал HEMT очень близок к поверхности и очень чувствителен к адсорбции аналитов.Следовательно, датчики HEMT могут быть хорошей альтернативой для обнаружения газов, ионов и химических веществ [40].

8.4. Обнаружение ДНК

AEM-связанные AlGaN / GaN HEMT, функционализированные в области ворот с 3′-тиол-модифицированными олигонуклеотидами, не содержащими метки, служат связующим слоем к поверхности AlGaN, который может обнаружить гибридизацию соответствующих ДНК-мишеней. XPS показывает иммобилизацию модифицированной тиолом ДНК, ковалентно связанной с золотом, в стробированной области. Ток сток-источник демонстрирует явное снижение на 115 мкА, поскольку эта согласованная ДНК-мишень вводится в ДНК-зонд на поверхности, показывая перспективу обнаружения последовательности ДНК для биологического зондирования [41].

8.5. Обнаружение белка

Используя аминопропилсилан в области затвора, можно активировать HEGT-структуры без ворса AlGaN / GaN, которые могут служить связующим слоем на поверхности AlGaN для прикрепления биотина. Биотин обладает очень высоким сродством к белкам стрептавидина. Когда химикаты прикреплены к AlGaN / GaN HEMT, заряды на подключенных химикатах влияют на ток устройства. Прибор показывает явное снижение на 4 мкА, как только этот белок собирается на поверхности, показывая признаки чувствительности белка [41].

8,6. Определение pH

Использование Sc 2 O 3 диэлектрика затвора дает превосходные результаты по сравнению с природным оксидом или оксидом, индуцированным ультрафиолетовым излучением озона, в области затвора. HEMT без ворот с Sc 2 O 3 в области затвора демонстрируют линейное изменение тока между pH 3–10 и 37 мкА / pH. Датчики pH HEMT демонстрируют стабильную работу с разрешением pH <0,1 во всем диапазоне pH. Результаты показывают, что HEMT могут найти применение при мониторинге изменений pH раствора в диапазоне от 7 до 8, представляющих интерес для анализа крови человека [40].

9. Заключение

В этой главе обсуждались характеристики устройства и анализ производительности HEMT на основе доступной литературы. В этой главе кратко представлены различные структуры и краткий принцип работы. В ней кратко изложены некоторые выдающиеся аналитические и численные исследования по HEMT. I ‐ V характеристики, оценка заряда, расчет емкости, эффекты короткого канала и тепловой отклик HEMT были обсуждены. Кроме того, обсуждались модели дрейфовой диффузии, расчет переноса, моделирование методом Монте-Карло, формализм функций Грина и анализ напряжения сдвига, которые основаны на численных подходах.Генераторы на основе HEMT, усилители, Q-спойлеры, переключатели и диоды приобретают популярность в последние дни. Они были рассмотрены на основе последних исследований. На основе этих последних исследований были рассмотрены будущие направления исследований в области HEMT. И последнее, но не менее важное, многие важные области применения HEMT, такие как широкополосная связь и радиолокационная связь, космические и сенсорные компоненты, обнаружение ДНК, белка и pH, были перечислены, чтобы подчеркнуть огромные перспективы устройств HEMT.Эта глава предоставляет исследователям в соответствующих областях направление будущего совершенствования устройств HEMT с предполагаемыми применениями.

полевых транзисторов для обнаружения газа

1. Введение

Важность и потребность в чувствительных газах, парах и летучих органических соединениях (ЛОС) возрастают в таких областях, как диагностика [1–4], мониторинг окружающей среды для промышленных предприятий. сельское хозяйство, бытовая безопасность и т. д. [4, 5]. Различные типы газовых датчиков и сенсорных массивов были исследованы и разработаны [6–8], включая датчики на основе полевых транзисторов (FET). После доклада о новаторских работах по полевым транзисторам с каталитическими затворами, исследование газовых датчиков на основе полевых транзисторов было распространено на различные типы чувствительных к газу полевых транзисторов.В этой главе представлены полевые транзисторы с каталитическим затвором, полевые полевые транзисторы (SGFET) и полевые полевые транзисторы на основе твердого электролита. Газочувствительные полевые транзисторы на основе наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки (УНТ), нанопровода (NWs), графен и халькогениды переходных металлов, также были исследованы, потому что высокие отношения поверхности к объему наноматериалов привлекательны для улучшения сенсорных свойств [5, 9]. Эти FET на основе наноматериалов также рассматриваются.

Для распознавания газообразных и летучих аналитов по результатам зондирования были использованы два основных метода [3].В общепринятом способе распознавания используются селективные сенсоры со специфическими рецепторами, предназначенные для селективного взаимодействия с целевыми аналитами [3, 6]. Другой метод распознавания использует комбинацию перекрестно-реактивных сенсорных матриц и методов распознавания образов [3, 6–8, 10]. Эти перекрестно-реактивные сенсорные матрицы состоят из газовых сенсоров, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют дифференциальную чувствительность. До настоящего времени в сенсорных матрицах применялись различные газовые датчики [6, 8], включая чувствительные к газу полевые транзисторы.В этой главе кратко рассматривается исследование сочетания сенсорных массивов на основе FET и методов распознавания образов.

2. Газочувствительные полевые транзисторы и полевые устройства в сочетании с каталитическими металлическими затворами.

Каталитические полевые транзисторы являются одним из типов газочувствительных полевых транзисторов. В 1975 году Lundström et al. впервые сообщили о полевых транзисторах с Pd-затвором, чувствительных к водороду [11, 12]. Новаторские исследования в области полевых транзисторов с каталитическими затворами открыли область применения газовых сенсоров на полевых транзисторах и других чувствительных к газу полевых устройств, таких как конденсаторные [13–17] и диодные датчики Шоттки [18, 19].Устройства с полевым эффектом каталитического затвора имеют наноразмерный слой каталитических металлов, таких как палладий и платина, в качестве электрода затвора на изоляционных слоях в структуре металл-изолятор-полупроводник (MIS) [20]. На рисунке 1 показаны схематичные иллюстрации этой структуры и пороговое смещение напряжения полевого транзистора с Pd-затвором, чувствительного к водороду [21]. В первоначальных сообщениях о полевых транзисторах с каталитическим затвором Pd в качестве электрода с каталитическим затвором наносился на изолирующий слой МДП-структуры полевого транзистора [11, 12, 21].На рис. 2 показаны изменения, наблюдаемые в пороговом напряжении [11] при введении водорода в полевые транзисторы с Pd-затвором. Газочувствительные механизмы полевых транзисторов с каталитическим затвором и полевых устройств с каталитическим затвором были описаны в предыдущих обзорах [20, 21].

Рис. 1.

Схематические иллюстрации (а) структуры и (б) порогового сдвига напряжения полевого транзистора с Pd-затвором, чувствительного к водороду. Перепечатано с разрешения Ref. [21]. Copyright 1993 Elsevier.

Рисунок 2.

Изменения порогового напряжения в направлении h3 при различных концентрациях при 150 ° C.Перепечатано с разрешения Ref. [11]. Copyright 1975 Американский институт физики.

Пористые металлические затворы в полевых устройствах с каталитическим затвором позволили добиться значительного прогресса в области зондирования NH 3 [20, 22]. На рис. 3 показаны полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа наблюдения слоев Pt толщиной 3 и 7 нм, испаренных на SiO 2 . Эти тонкие слои Pt состоят из разрывных металлов [22]. Выбор каталитических материалов, структура каталитического слоя и рабочая температура влияют на чувствительность и селективность полевых устройств с каталитическим затвором [14, 15, 20].Кроме того, тип изоляционных материалов, используемых в структуре МДП, также влияет на чувствительные свойства газочувствительных полевых устройств [16].

Рис. 3.

Микрофотографии просвечивающих электронов пористых металлических слоев Pt толщиной 3 и 7 нм на SiO2. Перепечатано с разрешения Ref. [22]. Copyright 1987 Elsevier.

Для работы при высоких температурах были исследованы полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC). SiC является широкозонным полупроводником и может использоваться в качестве подложки для МДП структуры вместо обычной подложки Si [17].SiC может использоваться при высоких температурах и агрессивных средах из-за его химической инертности [23–25]. Полевые транзисторы на основе SiC были применены для определения CO [23], NH 3 [23, 24], NO 2 [24] и SO 2 [25]. Как и в случае обычных полевых транзисторов с каталитическим затвором, использующих подложку Si, материал каталитического затвора, используемый в полевых транзисторах на основе SiC, влияет на чувствительность и селективность датчика [25].

Устройства с каталитическим затвором, состоящие из транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), также были исследованы для работы при высокой температуре.Например, гетероструктуры GaN / AlGaN, которые демонстрируют двумерный электронный газ (2DEG), индуцированный спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией на границе раздела гетероструктуры, были применены к HEMT с каталитическим затвором в качестве датчика газа [26]. В этом отчете HEMT на основе GaN / AlGaN в сочетании с Pt-затворным электродом работали при температуре около 400 ° C для определения H 2 , CO, C 2 H 2 и NO 2 .

3. Полевые транзисторы на основе твердого электролита

Твердые электролиты можно также наносить на датчики на основе полевого транзистора.Например, был описан датчик кислорода на основе полевого транзистора, использующий стабилизированный иттрием диоксид циркония (YSZ) в качестве твердого электролита (рис. 4) [27]. В этом датчике пленка YSZ была сформирована на изолирующем слое, состоящем из Si 3 N 4 и SiO 2 . Кроме того, наноразмерный слой Pt был нанесен на пленку YSZ в качестве электрода затвора. На рисунке 5 показаны реакции этого датчика на кислород и азот (1 атм) [27]. При комнатной температуре наблюдалась повторная ступенчатая кривая отклика и последующий дрейф.Реакция датчика показала линейную зависимость от парциального давления кислорода в логарифмическом диапазоне от 0,01 до 1 атм. Чувствительность датчика к кислороду возрастала с уменьшением толщины слоя Pt.

Рисунок 4.

Схематическое изображение полевого транзистора на базе YSZ. Основанный на YSZ FET является устройством n-канального типа и режима истощения. Наноразмерный слой Pt формируется на слое YSZ. Перепечатано с разрешения Ref. [27]. Copyright 1988 Американский институт физики.

Рисунок 5.

Реакция при 20 ° C полевого транзистора на основе YSZ на O2 и N2. Перепечатано с разрешения Ref. [27]. Copyright 1988 Американский институт физики.

Для исследования структуры полевого транзистора на основе YSZ для использования в качестве кислородного датчика была исследована кристаллическая структура и электрические свойства пленки YSZ, нанесенной на слой Si 3 N 4 методом радиочастотного распыления [28]. На кривой емкость-напряжение наблюдался гистерезис, который, как считается, был вызван движением ионов кислорода и / или электронов в пленке YSZ.Это приводило к нестабильному отклику при комнатной температуре, как указано выше. Следовательно, для повышения стабильности и ускорения отклика кислородного датчика при комнатной температуре в полевом транзисторе на основе твердого электролита должен быть включен электролит с высоким коэффициентом диффузии для ионов кислорода [28].

4. Полевые транзисторы с подвесными воротами

В 1983 году Janata et al. сообщили о SGFET, чувствительном к дипольным молекулам, таким как метанол и метиленхлорид [29]. В SGFET, показанном на рисунке 6, образцы жидкости могут проникать в зазор между изолирующим слоем и подвесной металлической сеткой.Электрохимическая модификация поверхности с использованием полипирролов была использована для улучшения селективности SGFET [30]. В этом отчете описано получение SGFET с дифференциальной селективностью путем химической модификации с полимерным покрытием.

Рисунок 6.

Схематическое изображение подвесных ворот FET. Перепечатано с разрешения Ref. [29]. Copyright 1983 Американский институт физики.

Улучшение производственных процессов является важной темой в исследовании SGFET.Сообщалось о гибридных SGFET, полученных с использованием улучшенного процесса и с использованием различных материалов в чувствительном слое [31]. В процессе изготовления гибридных SGFET затвор и чип корпуса готовятся отдельно и затем объединяются. Эта технология изготовления имеет преимущества по сравнению с обычными методами, поскольку она позволяет включать в структуру разнообразные чувствительные материалы. Метод перевернутой микросхемы также был применен для подготовки SGFET для обнаружения аммиака [32]. В этом отчете, слой полиакриловой кислоты был сформирован на структуре ворот путем распыления.

Воздушный зазор в структуре затвора SGFET вызывает нежелательное влияние на стабильность чувствительности из-за отсутствия пассивации, малого отношения W / L и низкой пропускной способности затвора [33]. Чтобы преодолеть эти недостатки, исследования SGFET были расширены до емкостных управляемых полевых транзисторов (CCFET) [33] и GasFET с плавающим затвором (FGFET) [34]. CCFET содержат структуру FET и газочувствительный конденсатор с воздушным зазором. FGFET являются модификацией CCFET, которые используют плавающий затвор для улучшения стабильности сигнала [34].Сообщалось о FGFET с гибридным газочувствительным верхним электродом (рис. 7а) [34]. В этой структуре газочувствительный конденсатор и считывающий транзистор были объединены в одну микросхему. На рисунке 7b показана эквивалентная принципиальная схема FGFET. Затвор и пластина электрически плавающие, потому что они изолированы слоем SiO 2 . Этот FGFET был использован для определения H 2 (500 частей на миллион).

Рисунок 7.

(a) Схематическое изображение и (b) эквивалентная принципиальная схема сообщенного FGFET.Перепечатано с разрешения Ref. [34]. Copyright 2003 Elsevier.

Различные датчики FET могут быть объединены для расширения диапазона чувствительности. Например, SGFET, чувствительный к высоким концентрациям H 2 , и каталитический затвор с хорошей чувствительностью к низким концентрациям H 2 были объединены в одном чипе для увеличения диапазона чувствительности [35].

5. Полевые транзисторы на основе наноматериалов

Датчики газа на основе полевых транзисторов были расширены до сенсоров, содержащих наноматериалы.Полевые транзисторы на основе наноматериалов имеют большое отношение поверхности к объему, что способствует высокой чувствительности и быстрому отклику и времени восстановления [3]. Наноматериалы допускают высокую плотность упаковки из-за их собственных небольших размеров [5]. В этом разделе кратко рассматриваются датчики газа на основе FET с использованием наноматериалов, таких как УНТ, NW, графен и халькогениды переходных металлов.

5.1. Полевые транзисторы на основе CNT

Изготовление полевых транзисторов на основе CNT впервые было сообщено в 1998 году [36, 37]. Типичный полевой транзистор на основе УНТ состоит из УНТ, электродов истока и стока, изолирующего слоя и подложки в качестве заднего затвора [38].Как отдельные УНТ, так и случайные сети УНТ могут использоваться для подготовки полевых транзисторов на основе УНТ. В 2000 году сообщалось о химическом стробировании отдельных одностенных полевых транзисторов на основе CNT, вызванных воздействием газообразного NH 3 или NO 2 [39]. На сегодняшний день полевые транзисторы на основе УНТ были применены для определения H 2 [40], CH 4 [40], CO [40], CO 2 [41], NO 2 [40], NH 3 [40], H 2 S [40], спирты [42] и образцы дыхания [43].

Для повышения чувствительности и селективности полевых транзисторов на основе УНТ они были модифицированы наноразмерными каталитическими материалами, такими как Pd [40, 44], Pt [40, 44], Rh [40], Au [40, 44], и Ag [44].Кроме того, сообщалось о модификациях с полимерами [41], пептидами [44], обонятельными рецепторными белками [45] и ДНК [46, 47].

5.2. Полевые транзисторы на базе СЗ

5.2.1. Газочувствительные полевые транзисторы с использованием Si NW

В качестве газочувствительного полевого транзистора с использованием одномерных наноматериалов в 2006 году было сообщено о применении полевого транзистора на основе Si для обнаружения NH 3 [48]. После этого был подготовлен датчик на основе полевого транзистора, состоящий из высокоупорядоченного массива Si NW на гибкой пластиковой подложке, который был применен для измерения уровня NO 2 на уровне частей на миллиард [49].Кроме того, датчики на основе Si NW были применены для измерения H 2 [50].

Несмотря на потенциал полевых транзисторов на основе Si для обнаружения газа, чувствительность полевых полевых транзисторов на основе Si к неполярным летучим аналитам ограничена [51]. Чтобы преодолеть это, естественный слой SiO 2 на поверхности Si Si был химически модифицирован монослоями силана [51]. Модифицированные силаном монослойные полевые транзисторы Si на основе NW использовались для измерения неполярных ЛОС [51] и образцов выдыхаемого воздуха [52].Модификация наночастицами [50] также использовалась для улучшения откликов полевых транзисторов на основе наноматериала Si на целевые аналиты. Кроме того, сообщалось о FET на основе нанолент Si, функционализированного органическим соединением, которое реагирует на нервные агенты при уровнях ниже ppm [53].

5.2.2. Чувствительные к газу полевые транзисторы с использованием оксидов металлов или составных полупроводниковых кристаллов

оксидов металлов, таких как In 2 O 3 [54, 55], SnO 2 [56–58] и α-Fe 2 O 3 [59] также были применены к газовым датчикам на основе FET.Например, полевой транзистор In 2 O 3 NW был использован для определения NO 2 и NH 3 [54].

Модификация поверхности NW наночастицами была использована для улучшения чувствительности и селективности газочувствительных полевых транзисторов на основе NW на основе оксида металла. На сегодняшний день наночастицы Pd [56, 58], Pt [55], Ag [55], Au [55], ZnO [57] и NiO [57] используются для улучшения свойств полевых транзисторов на основе NW на основе оксида металла. для обнаружения газа. Например, Moskovis et al. сообщили о модификации полевых полевых транзисторов SnO 2 с наночастицами Pd и применении этого устройства для измерения H 2 [58].В этой работе сообщалось о необычной чувствительности к H 2 в области истощения заряда устройства [58]. Это устройство использовалось для определения диапазона концентраций H 2 от 10 до 2500 ppm [58].

СЗ составных полупроводников также применяются в датчиках на основе полевых транзисторов [60, 61]. Гао и его коллеги применили СЗ InAs, который является полупроводником III-V, для изготовления газочувствительного полевого транзистора [60]. Этот датчик на основе FET реагировал на некоторые газы и пары алкоголя [60].

5.3. 2D полевые транзисторы на основе наноматериалов

Из-за высокого отношения поверхности к объему при взаимодействии на молекулярном уровне двумерные наноматериалы привлекательны для использования в сенсорах на основе полевых транзисторов [5, 62]. Изучено применение двумерных наноматериалов, таких как графен и халькогениды переходных металлов, к газовым сенсорам типа FET.

С тех пор, как впервые было сообщено о потенциале сенсоров на основе графена для определения газа [63], в других исследованиях исследовалось измерение газа с использованием полевых транзисторов на основе графена [62, 64].Сообщенный FET на основе графена показан на рисунке 8 [64]. На рисунке 8а показано изображение атомной силовой микроскопии (АСМ) FET на основе графена. Принципиальная схема полевого транзистора с задним затвором показана на рисунке 8b [64]. В этой структуре полевой транзистор состоит из образца графена, соединенного с электродом истока и стока из Au / Cr, слоя SiO 2 и подложки p-Si в качестве заднего затвора. В этом отчете датчик использовался для определения паров NH 3 [64].

Рисунок 8.

(а) АСМ-изображение и (б) схематическое изображение полевого транзистора на основе графена. Перепечатано с разрешения Ref. [64]. Copyright 2009 Американское химическое общество.

В качестве двумерных наноматериалов халькогениды переходных металлов MoS 2 [65], MoTe 2 [66] и WS 2 [67] также были применены в газовых сенсорах на основе FET. На рисунке 9а показана схематическая иллюстрация полевого транзистора с задним затвором на основе MoS 2 [5]. На рисунке 9b показано оптическое изображение полевых транзисторов на основе MoS 2 .В этом FET листы MoS 2 были выращены на подложке SiO 2 / Si с Ti / Au в качестве электродов истока и стока. Этот датчик реагировал на 20 ppb NO 2 и 1 ppm NH 3 [5].

Рис. 9.

(a) Схематическое изображение и (b) оптическое изображение полевого транзистора на основе нанопроволоки MoS2 с задним затвором. Перепечатано с разрешения Ref. [5]. Copyright 2014 Американское химическое общество.

6. Комбинация газовых сенсоров и методов распознавания образов

Согласно более раннему обзору [6], рецепторы в обонятельных системах млекопитающих не показывают высокоселективных реакций против специфических аналитов.Считается, что методы распознавания образов являются доминирующим способом, используемым при обработке сигналов от широких реакций обонятельной системы млекопитающих [6].

Массивы перекрестно-реактивных химических сенсоров в сочетании с методами распознавания образов, имитирующими обонятельные системы млекопитающих, были изучены в качестве альтернативы сенсорной системе традиционным сенсорным устройствам, использующим конструкцию «замок-ключ» [6]. В массивах интеллектуальных датчиков, использующих методы распознавания образов, сложные образцы, генерируемые неспецифическими перекрестно-реактивными датчиками, анализируются для классификации и идентификации аналитов [3, 6–8].Массивы перекрестно-реактивных датчиков построены с использованием датчиков, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют дифференциальную чувствительность [3, 6]. Обычные полупроводниковые процессы могут применяться для миниатюризации датчиков на основе FET для изготовления перекрестно-реактивных сенсорных матриц.

Перед анализом данных сложные сигналы, полученные из массивов датчиков, могут быть предварительно обработаны и нормализованы для применения соответствующих вычислительных методов [7, 8, 10]. После предварительной обработки и извлечения признаков выбранный метод выполняется.В настоящее время не существует общего правила выбора вычислительных методов. Следовательно, вычислительные методы должны быть соответствующим образом выбраны с учетом характера данных и конкретной ситуации [7].

Различные типы массивов датчиков газа использовались с методами распознавания образов [6–8], в том числе матрицы датчиков на основе FET. Например, Lundström et al. сообщалось о комбинации массивов газовых датчиков на основе FET с каталитическими затворами и методов распознавания образов [68, 69]. Сигналы от массивов датчиков на основе FET обрабатывались с использованием обычной частичной регрессии наименьших квадратов и искусственной нейронной сети для прогнозирования концентрации отдельных газов [69].Молекулярно модифицированные датчики FET на основе Si NW также были объединены с искусственной нейронной сетью для распознавания ЛОС и оценки их концентраций [70].

7. Обзор и перспективы

Для введения чувствительных к газу полевых транзисторов в этой главе представлен широкий обзор полевых транзисторов с каталитическим затвором, полевых полых транзисторов на твердом электролите, полевых полевых транзисторов и полевых транзисторов на основе наноматериалов. Массивы этих датчиков могут быть объединены с вычислительными методами распознавания образов. Как уже говорилось, комбинация сенсорных матриц с перекрестно-реактивным газом и методов распознавания образов является многообещающим методом распознавания аналитов в газовой фазе.Массивы перекрестно-реактивных датчиков должны содержать датчики, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют дифференциальную чувствительность. Обычные полупроводниковые процессы могут быть использованы для миниатюризации датчиков на основе FET. Датчики на основе FET могут иметь преимущества перед другими датчиками, используемыми в миниатюризации устройства перекрестно-реактивных сенсорных матриц.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Программы Совета по науке, технологиям и инновациям ImPACT.

Что такое униполярный / полевой транзистор?

FET basics

полевой транзистор (FET) — также известный как униполярный транзистор , представляет собой трехконечный (три электрода) управляемый напряжением полупроводниковый электронный компонент, который способен усиливать электрический сигнал Семейство полевых транзисторов состоит из группы нескольких типов различных компонентов, общей особенностью которых является косвенное влияние электрического поля на сопротивление полупроводника или сопротивление тонкого непроводящего слоя.Теоретически, полевым транзистором можно управлять без потребления энергии. Только один тип несущих нагрузки принимает участие в работе компонента, отсюда и униполярное название, тогда как контроль выходного тока осуществляется с использованием электрического поля (полевые транзисторы).

FET — Внутренняя конструкция и принцип действия

Униполярный транзистор имеет три электрода:

  • Слив «D» — электрод, к которому достигаются носители нагрузки.Ток стока — I D , напряжение сток-исток — В DS ,
  • Затвор «G» — электрод, управляющий потоком зарядов. Ток затвора — I G , напряжение затвора — В GS ,
  • Источник «S» — электрод, с которого носители нагрузки поступают в канал. Ток источника обозначается как I S .

Это эквиваленты электродов в биполярных транзисторах .Два из них: Drain и Source подключены к правильно легированному полупроводниковому кристаллу. Между этими концами создается канал, по которому течет ток. Третий конец размещен вдоль канала: Гейт , благодаря которому мы можем контролировать течение тока. В случае подключения нескольких МОП-транзисторов в интегральной схеме часто используется четвертый электрод: B — Корпус (или Bulk ) для смещения подложки. Но в целом этот конец связан с источником.


FET — Задания для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи полевого транзистора, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных заданий ,


Разделение полевых транзисторов

В зависимости от принципов и законов работы мы можем выделить два основных типа полевых транзисторов, которые далее разделены, как показано на рис.1. ниже:

types of fet

Рис.1. Разделение полевых транзисторов

JFET — принцип построения и принцип действия

Транзистор JFET состоит из полупроводникового слоя n-типа в транзисторах JFET с N-каналом или полупроводника p-типа в транзисторах с J-транзистором с P-каналом. Эти слои образуют канал. Электроды подключены к обоим концам канала. В транзисторах JFET затвор изолирован от канала с помощью обратного смещения (с очень высоким входным сопротивлением).

Транзисторы JFET

должны быть поляризованы таким образом, чтобы носители перемещались от истока к стоку, а соединение затвора с каналом затвора должно было иметь обратное смещение.

Существует два варианта этого соединения:

  • P-N-переход (PNFET),
  • M-S-переход (металл-полупроводник).

Канал, по которому будет течь ток, расположен между стоком и истоком. Можно контролировать ширину канала (его сопротивление), изменяя напряжение затвор-источник (V GS ). Повышение напряжения V GS (которое смещает обратный контакт) вызывает сужение канала до его полного «закрытия» — ток не будет течь.К напряжению V GS добавляется падение напряжения между определенной точкой канала и источником (V DS ). Увеличение значения напряжения V DS в конечном итоге соединит истощающие слои и заблокирует канал путем насыщения транзистора. Значение тока утечки I D не будет расти независимо от дальнейшего увеличения напряжения V DS , и транзистор становится очень хорошим компонентом для преобразования.

Jfet symbols

Рис. 2. Символы JFET

construction and working of jfet

Рис.3. Внутренняя структура JFET с каналом «N» типа

МОП-транзистор (Metal-Oxide Semiconductor FET) — Принцип построения и принцип действия

В МОП-транзисторе затвор изолирован от канала слоем диэлектрика. Область, обозначенная «N +», является сильно легированным полупроводником типа «N». В случае транзисторов E MOS с напряжением V GS = 0 канал заблокирован (его сопротивление принимает значение МОм, а ток I D не течет).При увеличении напряжения канала V GS увеличивается его проводимость, и после достижения определенного значения, называемого пороговым напряжением V T , протекание тока стока I D стало возможным через канал. Ток стока MOSFET регулируется сигналом напряжения затвора величиной до нескольких вольт, что обеспечивает совместимость с любыми системами MOS, особенно CMOS. Мощность, необходимая для управления ею, очень мала, а площадь безопасной работы больше, чем у BJT транзисторов .Кроме того, время переключения также меньше по сравнению с BJT.

Минимальное значение сопротивления канала, указанное производителем, можно найти в технических характеристиках как rds на (оно зависит от максимального напряжения транзистора V DS . Значение тока I D , который будет проходить через созданный канал зависит от напряжения V DS , но не является линейным отношением. Он описывается формулой:

β — коэффициент усиления усилителя тока
Этот ток влияет на состояние смещения затвора путем изменения это, что приводит к сужению канала около стока.В случае дальнейшего увеличения напряжения затвор-источник V GS , в какой-то момент отключение напряжения V GSoff будет превышено, что приведет к потере созданного канала (V GS = V DS )

  • Режим истощения MOSFET — D MOS (обычно включен):
Mosfet symbols

Рис. 4. Символы D MOS

  • Режим улучшения MOSFET — E MOS (обычно выключен):
Mosfet symbols

Рис. 5. E Символы MOS

Mosfet structure

Рис.6. Внутренняя структура E MOS с каналом типа «N»

FET — режимы работы

Существует три режима работы транзисторов:

  • Режим отсечки: | V GS | > | V T | в любом | V DS |,
  • Активный режим (также известный как линейный или ненасыщенный): | V GS | <| V T | и | V DS | <= | V DSsat |,
  • Режим насыщения : | V GS | <| V T | и | V DS | => | V DSsat |.

Примечание: Во многих странах единица и символ напряжения называются «V» вместо «U», как в этой статье.

FET — Основные параметры

  • В DS макс. — максимальное напряжение сток-исток,
  • I Dmax — максимальный ток стока,
  • В GSmax — максимальный ток затвор-источник,
  • P totmax — допустимая потеря мощности,
  • В T — пороговое напряжение, при котором ток начинает течь,
  • I DSS (V GS = 0) — ток насыщения при определенном токе V DS ,
  • гс [S-Siemens] — коэффициент трансдуктивности,
  • rds (вкл) — минимальное значение сопротивления канала транзистора, работающего в режиме ненасыщенности,
  • I Gmax — максимально допустимый ток затвора,
  • I D (ВЫКЛ) — ток стока в отсечке де — при напряжении | V GS | > | V GS (OFF) |.

FET — Вольт-амперные характеристики

Передаточные характеристики — они описывают зависимость тока стока I D от напряжения затвор-исток V GS с определенным стоком-истоком V GS напряжение.

FET characteristics

Рис. 7. JFET «N»

Mosfet characteristic

Рис. 8. D MOS «N»

Mosfet characteristics

Рис. 9. E MOS «N»

  • Характеристики слива (для полевого типа «N») — описывает отношение тока стока I D от напряжения стока-источника В DS с определенным напряжением затвора В GS .Область характеристик была разделена на две части: активную и насыщенную область.
Unipolar characteristics

Рис. 10. Характеристики стока (для однополярного транзистора типа «N»)

Практическое применение — униполярный МОП-транзистор — NMOS-транзистор

В практическом упражнении показано влияние транзистора NMOS в его простейшей форме. в качестве транзисторного ключа. Такое использование в основном работает в приложениях микроконтроллеров, оно используется для управления сигналом от микроконтроллера к внешним приемникам.

Для этого упражнения нам понадобятся следующие вещи:

Схема подключения цепи выглядит следующим образом:

Unipolar characteristics

Рис. 11. Схема подключения цепи: V2: источник питания постоянного тока 9 В, D1: белый светодиод, R1: резистор 220 Ом , M1: транзистор BUZ11, резистор R2: 1 кОм, аккумулятор V1: 3 В (в схеме синусоидальный источник используется для иллюстрации работы транзистора). Обратите внимание, что символы на схеме отличаются для транзистора, но имеют параметры, аналогичные BUZ11.

Готовая подключенная цепь на макете показана ниже на рис. 12:

Unipolar characteristics

Рис. 12. Иллюстрация подключения макета

Система после подключения питания 9 В не показала никаких действий. После подключения аккумулятора к цепи светодиод начал светиться. Это простейший способ проиллюстрировать принцип действия напряжения V T (пробивное напряжение) в однополярных транзисторах. В транзисторе BUZ11 диапазон напряжения VGSTh составляет от 2.От 1 до 4 В. Используя аккумуляторы 3 В, мы получаем напряжение, достаточное для открытия канала между стоком и истоком в униполярном транзисторе. После этого светодиод начинает светиться.

Unipolar characteristics

Рис. 13. Еще одна иллюстрация подключения и работы макета

Кроме того, на графике ниже мы видим напряжения на батарее V (n005), которая варьируется от 3 до -3 В и подается на затвор транзистора, между током на светодиоде I (D1). Кроме того, на форме сигнала мы видим напряжение VDS, внешний вид формы сигнала зависит от времени включения транзистора.

Unipolar characteristics

Рис. 14. Иллюстрация подключения макета

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *