Полевые транзисторы. Их характеристики, виды и принцип работы

Дата 05.10.2015 Автор ElectricianКомментироватьПросмотров: 11 090

Одним из главных недостатков биполярных транзисторов является их небольшое входное сопротивление h₁₁, благодаря чему требует значительного тока, что в последствии требует большой мощности для его управления. Во избежание этого были придуманы так называемые униполярные транзисторы. ток в Них создают только носители одного знака, обычные электроны, поэтому приборы и называют униполярными. Эти транзисторы имеют большое входное сопротивление. Кроме этого они оказались более технологичными при изготовлении и несколько дешевле чем биполярные. Благодаря большому входному сопротивлению униполярные транзисторы почти не потребляют ток управления, смена выходного тока осуществляется приложением ко входу напряжения, которое создает электрическое поле.

Поэтому такой тип транзисторов называют еще полевыми. Полевые транзисторы бывают:

• С p-n переходом;
• С МДП со встроенным каналом;
• С МДП с наведенным каналом;

Рассмотрим их каждый по очереди.

Полевые транзисторы с p-n переходом

Ниже показана схема полупроводника с n-проводимостью:

К торцам кристалла В и С прикладывают напряжение U_С, под действием этого поля протекает ток. С боку кристалла созданы зоны с р-проводимостью, благодаря чему вдоль кристалла возникает p-n переход.

Электроны под действием U_С  движутся от отрицательного электрода В к положительному С, поэтому отрицательный электрод называют истоком, а положительный – стоком. Боковая поверхность с р-проводимостью и вывод от нее зовут затвором З. между истоком и затвором приложено напряжение U_З с отрицательным знаком к затвору и положительным к истоку.

Ниже показано условное обозначение транзистора с n-проводимостью:

И р-проводимостью:

Поскольку электроны более подвижны, то обычно строят транзисторы с электронной проводимостью.

Пускай U_З=0, то есть отрицательный потенциал приложен к р-проводнику, а положительный через электрод С к самому кристаллу с n-проводимостью. В p-n переходе возрастет потенциальный барьер. Напряжение U_С  пропорционально распределяется вдоль кристалла пропорционально его длине, благодаря чему потенциальный барьер будет больший со стороны стока, и свободная зона для носителей полупроводников будет сужаться в направлении от истока к стоку в виде конуса. Уменьшение сечения полупроводника, свободного от носителей, приведет к увеличении сопротивления, которое будет расти при увеличении U_C. Сток-затворная характеристика данного устройства показана ниже:

Если по мимо того приложить к затвору отрицательный потенциал относительно истока, потенциальный барьер еще больше и ток уменьшится. Характеристики, отвечающие разным значениям U_З создают семейство характеристик:

Полевые транзисторы с МДП со встроенным каналом

Для увеличения входного сопротивления металлический затвор изолируют от полупроводника с помощью диэлектрика, зачастую используют SiO₂. Поэтому их называют транзисторами типа «металл-диэлектрик-полупроводник» или МДП. Ниже показана их конструкция:

В кристалле с р-проводимостью создано две зоны И (исток) и С (сток), заполненные полупроводниками n-типа. Обе зоны соединены каналом К, над которым через диэлектрик расположен металлический вывод затвору З. Ток переносят электроны под действием напряжения, приложенного к точкам И и С. Если подать между З и основой р-типа отрицательное напряжение, канал сузится и стоковый ток уменьшится. При положительном потенциале затвора канал расширится и ток возрастет. Выходные характеристики этого устройства:

Сток-затворная характеристика:

Она размещена уже в двух квадрантах. Условное обозначение на схеме:

Противоположная сторона полупроводника р-типа тоже имеет вывод, имеющий название подложки (П), которую обычно соединяют с истоком.

Полевой транзистор с МДП с наведенным каналом

Транзисторы такого типа с наведенным каналом не имеют специально созданного канала:

Он возникал при подаче на затвор относительно основы р положительного напряжения. Благодаря этому сток-затворная характеристика будет иметь вид:

Выходные характеристики:

Обозначение на схеме:

Posted in Электротехника

Мощные полевые транзисторы-принцип работы, применение

Существует два главных основополагающих типа полевых (униполярных, управляемых напряжением) транзисторов, являющихся активными полупроводниковыми элементами, обладающими высокой мощностью – это n-канальные иp-канальные.

Первые из них применяются более часто и отличаются наибольшим диапазоном токов и напряжений. Кроме этих моделей производятся полевые транзисторы, управляемые сигналом логического уровня, они обладают ограничением по току и защелкой по напряжению.

Определение полевого транзистора

Транзистор полевого типа считается полупроводниковым прибором, в конструкции которого регулировка осуществляется измерением проводимости проводящего канала, благодаря использованию поперечного электрического поля.

Другими словами, он является источником тока, который управляется Uз-и. От параметра напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала. Помимо p–n – канальных транзисторов существует их разновидность с затвором из металла, который изолирован от канала кремниевым диэлектриком. Это МДП-транзисторы (металл – диэлектрик, (окисел) – проводник). Транзисторы с использованием окисела называются МОП-транзисторы.

Параметры, характеризующие полевой транзистор

1. Ширина канала – расстояние между p-n-переходами W.
2. Напряжение отсечки — напряжение на затворе при исчезновении каналов.
3. Напряжение насыщения – с него начинается формирование пологой части ВАХ.
4. Стоко-затворная ВАХ (вольт-амперная характеристика).

Рис. №1. Стоко-затворная ВАХ n-канального транзистора с

I_c= I_cmax (I – Uзи / U₀)² , здесь I_cmax стока.

5. Крутизна определяется по формуле S = dI_c / dUзи(мА/В),что является следствием увеличенияU рабочего стока, при этом крутизна полевого транзистора становится меньше.
6. Внутреннее сопротивление транзистора (дифференциальное сопротивление) r_cсоставляет в пологой части характеристики несколько МОм.
7. Лавинный пробой p-n-переходов возможен после повышения напряжения области стока и истока, что считается причиной ограничения применения полевого транзистора относительноUc.
8. Коэффициент усиления относительно напряжения µ_u= sr_спри уменьшении величины тока стока коэффициент µ_uповышается.
9. Инерционность полевого транзистора обуславливается временем,отводимым на заряд барьерной емкости переходов затвора.
10. Полевой транзистор обладает граничной частотой для улучшения своих качественных частотных свойств.

Проводимость транзистора

Существует две разновидности проводимости – электронная и дырочная, это означает, что в основе работы лежит использование электронов и дырок. Транзистор с электронной проводимостью относится к n-канальным устройствам, p-канальные транзисторы обладают дырочной проводимостью.

Отличие полевых униполярных транзисторов от биполярных заключается в наличии значительно высокого значения величины входного сопротивления. Потребление электроэнергии полевыми транзисторами отличается значительной экономией.

Небольшие габаритные размеры МОП-транзисторах позволяет занимать очень малую площадь в конструкции интегральной схемы, в противоположность биполярным аналогам. Благодаря этому достигается значительно уплотненная компоновка элементов в интегральных схемах. Технология производства интегральной схемы на МОП-транзисторах затрачивает намного меньшее количество операций, чем технология производства ИС с применением биполярного транзистора.

Структура полевого транзистора

Основополагающий принцип работы, на котором осуществляется действие полевого транзистора с использованием управляющего p-n-перехода основывается на изменении проводимости канала, которая возможна благодаря изменению поперечного сечения.

Сток и исток включают напряжение полярности, при котором главные носители заряда (ими являются электроны в канале n-типа) движутся от истока к стоку. В свою очередь, между затвором и истоком включается отрицательное напряжение, управляющее запиранием p – n–переходом.

Рис. №2. Структуры (а) полевых транзисторов с управляющим p—n-перехода и (б) структура транзистора с изолированным затвором.

При большем значении напряжения расширяется запирающий активный слой и канал становится уже. С уменьшением поперечного размера канала происходит увеличение сопротивления и уменьшение величины тока между стоком и истоком. Это действие позволяет управлять протеканием тока. При невысоком значении напряжения затвор  — исток происходит перекрытие канала запирающим слоем, что снижает проводимость канала. Ширина канала варьируется от нулевого значения  до отрицательных величин, иначе говоря, p-n-переходы затвора сдвигаются в обратном направлении, сопротивление увеличивается.

Напряжение на затворе после исчезновения канала и смыкании  p-n-перехода, определяется, как напряжение отсечки U

0– это величина считается одной из основополагающих для всех  разновидностей полевых транзисторов.

Рис. №3. Структура полевого транзистора. Канал, расположенный между электродами стоком и истоком сформирован из слабообогащенного полупроводника n-типа.

 

Сфера использования полевых транзисторов

Полевой транзистор является устройством, рассчитанным на большую мощность, характерным в конструкции регуляторов, конвертеров, драйверов, электродвигателей, реле и мощных биполярных транзисторов. Они применяются в конструкции зарядных устройств, автоэлектроники, устройствах управления температурным режимом, широкополосных и малошумящих усилителях в схемах зарядочувствительных предусилителей и прочее.  Для полевых транзисторов характерно наличие высокого входного сопротивления.

Управление полевым транзистором производится непосредственно от микросхемы, без применения добавочных усиливающих каскадов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Основы полевых транзисторов и масштабирование технологий

Доступен один сеанс:

Начало 30 марта

Окончание 25 июля

Регистрация

Я хотел бы получать электронные письма от HKUSTx и узнавать о других предложениях, связанных с основами Полевые транзисторы и технология масштабирования.

Об этом курсе

Чему вы научитесь

Преподаватели

Как пройти этот курс

edX For Business

7 недель

4–5 часов в неделю

Самостоятельный темп

Прогресс с вашей собственной скоростью

Бесплатно

Доступно дополнительное обновление

Зарегистрируйтесь

Я хотел бы получать электронные письма от HKUSTx и узнавать о других предложениях, связанных с основами полевых транзисторов и масштабированием технологий.

Основы полевых транзисторов и технология масштабирования

Этот онлайн-курс является последней частью программы сертификации специалистов по полупроводниковым приборам. В этом курсе будет представлен

МОП-транзистор как наиболее важный компонент интегральных схем. Мы объясним основной принцип работы МОП-конденсатора и его применение в устройствах с зарядовой связью (ПЗС) и КМОП-сенсорах с активными пикселями (APS) в современных цифровых камерах.

Основываясь на теории МОП-конденсаторов, будут описаны различные области работы МОП-транзисторов, включая сильную инверсию, подпороговую область, линейную область и область насыщения. Будут рассмотрены недостатки классической теории полевых МОП-транзисторов и необходимость более продвинутой теории деградации подвижности и насыщения скорости носителей.

Чтобы объединить знания о транзисторах с практическими приложениями, мы объясним закон Мура и подход к масштабированию транзисторов. Будут объяснены некоторые специфические особенности современных полевых МОП-транзисторов, включая силицид, инженерию деформации, неглубокий переход, диэлектрики с высоким значением k, набор металлических затворов и процессы их изготовления. Также будет представлен принцип работы передовых структур MOSFET, таких как FinFET, транзисторы с нанопроволокой, MOSFET с затвором и двумерные транзисторы.

на взгляде

• Язык: английский
• Видео транскрипты: английский, 中文
• Связанные программы:
  • Профессиональный сертификат в принципе полупроводниковых устройств

• Визуализации и Capacitains and Capacicits of
  • .
  • описывает принцип работы устройств с зарядовой парой и КМОП-сенсора с активными пикселями для создания цифровой камеры
  • рассчитать вольтамперные характеристики полевых МОП-транзисторов
  • объясните, как уменьшение размеров транзисторов и масштабирование устройств стимулируют развитие технологий
  • определить наиболее важные параметры для управления эффектами короткого канала
  • конструкция полевых МОП-транзисторов с коротким каналом
  • связь на языке нано-CMOS технологии

  Неделя 1: Заряд и емкость МОП-конденсатора
  Введение в структуру МОП-конденсатора, характеристики заряда и емкости

  Неделя 2: Устройство с зарядовой связью, КМОП-датчик с активными пикселями и МОП-конденсатор с источником
  Принцип работы устройств с зарядовой связью, КМОП-датчик с активными пикселями для цифровых камер. Эффект добавления источника к МОП-конденсатору.

  Неделя 3: Классические ВАХ MOSFET
  Вывод классических уравнений MOSFET и подпороговых характеристик.

  Неделя 4: Деградация подвижности и насыщение несущей скорости
  Поправка к классической модели пинчоффа путем включения эффекта деградации подвижности и насыщения скорости носителя.

  Неделя 5: Масштабирование КМОП-устройств и полевой МОП-транзистор с коротким каналом
  Влияние масштабирования транзистора, эффекты короткого канала и проблемы конструкции малых транзисторов.

  Неделя 6: Нетрадиционные нано-CMOS транзисторы
  Знакомство с современной структурой транзисторов, включая технологию SOI, FinFET, многозатворный MOSFET, туннельный транзистор и транзисторы на основе двумерных материалов.

  Неделя 7: выпускной экзамен

  Выберите путь при регистрации.

  	$149 USD	Free
  	Unlimited	Limited Expires on May 18

  Прочтите часто задаваемые вопросы в новой вкладке

  о часто задаваемых вопросах по этим трекам.

  Работа полевого транзистора — Электрический портал

  Тразистор

  11 сентября 2016 г. администратор 0 Комментарии

  В этой статье мы узнаем о работе полевых транзисторов и их применении. Мы также будем знать, что основная конструкция полевого транзистора.

  Полевой транзистор (FET) представляет собой трехвыводной однополярный полупроводниковый прибор, в котором ток управляется электрическим полем. Полевые транзисторы помечены как униполярные устройства, потому что они могут нести либо дырки, либо электроны. Полевые транзисторы в основном используются в логических схемах, в телевизионных приемниках и в качестве усилителей. Следовательно, это работает полевой транзистор, чтобы узнать больше о полевом транзисторе, нам нужно знать о конструкции полевого транзистора.

  Конструкция полевого транзистора (полевой транзистор).

  Чтобы лучше понять работу полевого транзистора, мы должны знать о конструкции полевого транзистора. Итак, конструкция полевого транзистора приведена ниже.

  Полевой транзистор может быть изготовлен как с N-канальным, так и с P-канальным, поэтому N-канальный предпочтительнее для изготовления N-канального полевого транзистора. Берется узкий стержень из полупроводника n-типа, и два перехода P-типа распределяются по противоположным сторонам его средней части, как показано на схеме. Эти два перехода образуют два pn-диода или затвора, а область, остающаяся между двумя затворами, называется каналом. Два затвора соединены внутри, и один соединительный провод выведен из устройства, которое называется клеммой затвора. В этой конструкции зависит работа всего полевого транзистора.

  К стержню присоединяются два вывода, по одному с каждой стороны, и они называются истоком и отводом. Канальный полевой транзистор p-типа аналогичен по конструкции, за исключением того, что в нем используется стержень p-типа и два перехода n-типа.

  FET имеет три клеммы, с помощью которых осуществляется электрическое соединение. Работа полевого транзистора зависит от этих трех выводов.

  1. Источник

  Терминал, через который в канал поступают основные носители заряда.

  2. Слив

  Это терминал, через который формируется путем внутреннего соединения двух царств примеси. Он контролирует перемещение большинства носителей из источника в сток.

  3. Ворота 

  это терминал, образованный путем внутреннего соединения двух примесных областей. он управляет перемещением большинства несущих от истока к стоку.

  Параметры FET

   Чтобы знать, как работает полевой транзистор, необходимо знать параметры FET.

  Ниже приведены некоторые параметры полевого транзистора при подключении в конфигурации с общим источником.

  Сопротивление стока переменному току

  Это отношение изменения напряжения сток-исток к изменению тока стока при постоянном напряжении затвор-исток.

  Единицей измерения является ом. Оно также известно как динамическое сопротивление стока.

  Коэффициент усиления

  Это отношение изменения напряжения сток-исток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

  Входной импеданс

  Импеданс, доступный на клемме затвора, называется входным импедансом. Полевой транзистор имеет высокий входной импеданс, потому что затвор смещен в обратном направлении, а ток затвора незначителен.

  Выходной импеданс

  Импеданс на выводе стока полевого транзистора называется выходным импедансом. Полевой транзистор имеет низкий выходной импеданс, потому что ток стока имеет большую величину.

  Применение FET (полевой транзистор).

   После того, как мы узнали о работе полевого транзистора, нам также необходимо узнать о применении полевого транзистора.