19 .Полевые транзисторы. Классификация.

Полевой транзистор — полупроводниковыйприбор, в котором токизменяется в результате действия перпендикулярного электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание  рабочего тока в полевом транзисторе обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками).

Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на две группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл — полупроводник, т.н. барьер Шоттки, вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т.н. МДП-транзисторы (металл — диэлектрик – полупроводник)

Вопрос № 20

          С каналом n-типа                  С каналом p-типа

З — затвор, И — исток, С — сток

Рис.  1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

21 Полевой транзистор с изолированным затвором (мдп). Классификация.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП). Классификация.

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, имеющий один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала.

Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Поскольку металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, то входное сопротивление таких транзисторов велико (для современных транзисторов достигает ).

Полевые транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов:

Структура в обоих типах полевых транзисторов с изолированным затвором одинакова: металл – окисел (диэлектрик) – полупроводник, то такие транзисторы еще называют МОП-транзисторами (метал – окисел – полупроводник) или МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник).

22 Мдп транзистор со встроенным каналом. Принцип действия. Вах. Уго. Параметры.

МДП транзистор со встроенным каналом. Принцип действия.

Рисунок 1 — p-канальный МДП транзистор. б) – со встроенным каналом

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (рис. 1 б. ) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Недостатки таких транзисторов:

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности.

Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности.

Статические характеристики передачи выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта в зависимости от напряжения U_ЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна транзистора.

3. Дальнейшее увеличение U_3u приводит к переходу на пологий уровень.

— Уравнение Ховстайна.

ВАХ

Рассмотрим принцип действия этого МДПтранзистора, воспользо­вавшись его вольт-амперными характеристиками (рис. 28). В за­висимости от величины и полярности напряжения можно выделить три режима работы МДПтранзистора;

1. U_зи=О . Через МДПтранзистор течет ток стокаI_c, оп­ределяемый исходной проводимостью канала. 2.

U_зи>О Положительное напряжение, приложенное к затво­ру относительно истоке и подложки, будет притягивать в канал до­полнительные электроны из подложки. Вследствие этого количество основных носителей заряда (электронов) в токопроводящем канале увеличивается, а его общая проводимость и ток стока I_cвозрас­тают. Стоковые характеристики при U_зи>Орасполагаются выше характеристики U_зи=О Транзистор работает в режиме обогащения.

3. U_зи<О Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока и подложки, отталкивает из канала электро­ны и притягивает из подложки дырки, т.е. обедняет канал основ­ными носителями и уменьшает его проводимость.

Ток стока I_cпри этом уменьшается. При некотором отрицательном напряжении U канал меняет электропроводность с электронной не дыроч­ную, и ток I_c=0. Стоковые характеристики при U_зи<О располагаются ниже характеристики U_зи =О ,Транзистор работает в режиме обеднения.

Таким образом,МДПтранзистор с встроенным каналом в отличие от ПТ с р-п переходом может работать при разной полярности входного напряжения U_зи , что отчетливо видно при сравнение их стоково-затворными характеристиками.

Вольт амперные характеристики МДПтранзистора с встроенным каналом : а-выходная , б-входная

УГО

Это БЕЗ выводом

  со встроенным p-каналом обедненного типа

со встроенным n-каналом обогащенного типа

с индуцированным p-каналом обогащенного типа

с индуцированным n-каналом обогащенного типа

Параметры

Основные параметры МДПтранзисторов аналогичны параметрам ПТ о р-п переходом и имеют тот же физический смысл. Только в МДПтранзис торах с индуцированным каналом вместо параметра напряжения отсечки U вводят параметр — пороговое напряжение затвора U . Наличие диэлектрика, изолирующего затвор от канала, увеличивает на несколько порядков входное сопротивление МДП транзисторов (до 10^х5 Ом). 23 МДП транзистор с индуцированным каналом. Принцип действия. ВАХ. УГО. Параметры.

МДП транзистор с индуцированным каналом. Принцип действия

Различают две разновидности МДП (МОП) транзисторов: с индуцированным каналом, со встроенным каналом. Рисунок 1 — p-канальный МДП транзистор. а) – с индуцированным каналом

При отрицательном потенциале на затворе (рис.1 а. ) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИ пор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов.

При напряжениях на затворе, больших UЗИ пор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом.

Вах

Стоковые (выходные) вольт-амперные характеристики транзистора с индуцированным каналом приведены на рис. 5.5, а. Они близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости . Отличие заключается в том, что управление током  транзистора осуществляется напряжением только положительной полярности, совпадающей с полярностью напряжения . Ток стока  равен нулю при , в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.

 

 

Рис. 5. 5. Характеристики транзистора с индуцированным каналом:

а – стоковые характеристики; б – стоко-затворная характеристика

Вид стоко-затворной характеристики транзистора с индуцированным каналом  показан на рис. 5.5,

б. В отличие от транзистора со встроенным каналом, характеристика имеет только одну ветвь, соответствующую только режиму обогащения.

УГО

Это БЕЗ выводом

  со встроенным p-каналом обедненного типа

со встроенным n-каналом обогащенного типа

с индуцированным p-каналом обогащенного типа

с индуцированным n-каналом обогащенного типа

Параметры

Основные параметры МДПтранзисторов аналогичны параметрам ПТ о р-п переходом и имеют тот же физический смысл. Только в МДПтранзис торах с индуцированным каналом вместо параметра напряжения отсечки U вводят параметр — пороговое напряжение затвора U . Наличие диэлектрика, изолирующего затвор от канала, увеличивает на несколько порядков входное сопротивление МДП транзисторов (до 10^х5 Ом).

Полевые транзисторы — презентация онлайн

Похожие презентации:

3D печать и 3D принтер

Видеокарта. Виды видеокарт

Анализ компании Apple

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Устройство стиральной машины LG. Электрика

Конструкции распределительных устройств. (Лекция 15)

Электробезопасность. Правила технической эксплуатации электроустановок

Магнитные пускатели и контакторы

Работа на радиостанциях КВ и УКВ диапазонов. Антенны военных радиостанций. (Тема 5.1)

1. Полевые транзисторы

2. Полевым транзистором

называется полупроводниковый прибор,
в котором ток создаётся только
основными носителями зарядов под
действием продольного электрического
поля, а управление этим током
осуществляется поперечным
электрическим полем, которое создаётся
напряжением, приложенным к
управляющему электроду.

3. Полевые, или униполярные, транзисторы

в качестве основного физического
принципа используют эффект поля.
в полевых транзисторах для реализации
транзисторного эффекта применяется
только один тип носителей.

4. Несколько определений:

Вывод полевого транзистора, от
которого истекают основные носители
зарядов, называется истоком.
Вывод полевого транзистора, к которому
стекают основные носители зарядов,
называется стоком.
Вывод полевого транзистора, к которому
прикладывается управляющее
напряжение, создающее поперечное
электрическое поле называется
затвором.
Участок полупроводника, по которому
движутся основные носители зарядов,
между p-n переходом, называется
каналом полевого транзистора.
Поэтому полевые транзисторы
подразделяются на транзисторы с
каналом p-типа или n-типа.

6. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

На затвор всегда подаётся такое
напряжение, чтобы переходы
закрывались.
Напряжение между стоком и истоком
создаёт продольное электрическое поле,
за счёт которого через канал движутся
основные носители зарядов, создавая
ток стока.
1) При отсутствии напряжения на
затворе p-n переходы закрыты
собственным внутренним полем, ширина
их минимальна, а ширина канала
максимальна и ток стока будет
максимальным.
2) При увеличении запирающего
напряжения на затворе ширина p-n
переходов увеличивается, а
ширина канала и ток стока
уменьшаются.
3) При достаточно больших
напряжениях на затворе ширина p-n
переходов может увеличиться
настолько, что они сольются, ток стока
станет равным нулю.
Напряжение на затворе, при котором
ток стока равен нулю, называется
напряжением отсечки.
Вывод: полевой транзистор
представляет собой управляемый
полупроводниковый прибор,
так как, изменяя напряжение на
затворе, можно уменьшать ток стока и
поэтому принято говорить, что полевые
транзисторы с управляющими p-n
переходами работают только в режиме
обеднения канала.

13. Условное графическое изображение (УГО) полевого транзистора с

УГО каналом n-типа и с каналом p-типа

14. Практическое применение имеют две основные схемы включения.

Схема с общим
истоком:
Схема с общим
стоком:

15. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Данные приборы имеют затвор в виде
металлической плёнки, которая
изолирована от полупроводника слоем
диэлектрика, в виде которого
применяется окись кремния. Поэтому
полевые транзисторы с изолированным
затвором называют МОП и МДП.
МОП — металл, окись, полупроводник.
МДП — металл, диэлектрик,
полупроводник.
МОП – транзисторы могут быть двух
видов:
Транзисторы со встроенным каналом
Транзисторы с индуцированным
каналом.

17. Технология МДП-транзистора с встроенным затвором

Под действием электрического поля
между стоком и истоком через канал
будут протекать основные носители
зарядов, т. е. будет существовать ток
стока.
При подаче на затвор положительного
напряжения электроны как неосновные
носители подложки будут притягиваться
в канал. Канал обогатится носителями
заряда, и ток стока увеличится.
При подаче на затвор отрицательного
напряжения электроны из канала будут
уходить в подложку, канал обеднится
носителями зарядов, и ток стока уменьшится.
При достаточно больших напряжениях на
затворе все носители заряда могут из канала
уходить в подложку, и ток стока станет равным
нулю.
Вывод: МОП – транзисторы со встроенным
каналом могут работать как в режиме
обогащения, так и в режиме обеднения
зарядов.

20. Силовые полевые транзисторы

В настоящее время полевой транзистор
является одним из наиболее перспективных
силовых приборов.
Для уменьшения сопротивления канала
уменьшают его длину.
Для увеличения тока стока в транзисторе
выполняют сотни и тысячи каналов, причем
каналы соединяют параллельно.
Вероятность саморазогрева полевого
транзистора мала, т. к. сопротивление канала
увеличивается при увеличении температуры.

21. ДМДП-транзистор

Этот транзистор МДП-типа,
изготовленный методом двойной
диффузии, имеет горизонтальный канал.

22. VМДП-транзистор

Этот V-образный МДП-транзистор имеет
вертикальный канал

23. IGBT-транзистор

IGBT – гибридный
полупроводниковый прибор.
В нем совмещены два
способа управления
электрическим током, один
из которых характерен для
полевых транзисторов
(управление электрическим
полем), а второй – для
биполярных (управление
инжекцией носителей
электричества).
Структура этого транзистора
отличается от структуры
ДМДП-транзистора
дополнительным слоем
полупроводника р-типа.
Добавления слоя р-типа приводит к
образованию второй структуры
биполярного транзистора (типа p-n-p).
Таким образом, в IGBT имеется две
биполярные структуры – типа n-p-n и
типа p-n-p

25. SIT-транзистор

SIT – полевой транзистор с
управляющим p-n переходом со
статической индукцией. Является
многоканальным и имеет вертикальную
структуру.
Области полупроводника р-типа имеют форму
цилиндров, диаметр которых составляет
единицы микрометров и более. Эта система
цилиндров играет роль затвора. Каждый
цилиндр подсоединен к электроду затвора (на
рисунке «а» электрод затвора условно не
показан).
Пунктиром обозначены области p-n-переходов.
Реальное число каналов может составлять
тысячи. Обычно SIT используется в схемах с
общим истоком.

27. Полевые транзисторы (MOSFET) применяются

в качестве электронных ключей для
коммутации низковольтных высокочастотных
устройств.
Оптимальные значения коммутируемых
напряжений не превышают 200 В
(максимальное значение до 1000 В), при этом
частота коммутации может находится в
пределах от единиц кГц до 105 кГц. Диапазон
коммутируемых токов составляет 1,5-100 А.
Положительным свойствами этого прибора
является управляемость напряжением, а не
током, и меньшая зависимость от температуры
по сравнению с другими приборами.

English     Русский Правила

(Закрыто) TARGET – Терагерцовые источники с использованием графенового полевого транзистора

Резюме

евро долларов США

Название	Терагерцовые источники на графеновом полевом транзисторе
Номер по каталогу	УТА-ЭКСПЛ/НПН/0038/2019
Научная область	Нанотехнологии
Финансирование (PT)	49 941,61
Финансирование (США)	49 999,00
Ведущие институты	Международная Иберийская лаборатория нанотехнологий (INL) Факультет электротехники и вычислительной техники, Инженерная школа Кокрелла, Юта, Остин
Участвующие организации	Instituto Superior Técnico  (IST/ULisboa)
Продолжительность	12 месяцев 15 месяцев
Дата начала	18 августа 2020 г.
Дата окончания	17 августа 2021 г. 17 ноября 2021 г.
Ключевые слова	Графен, Терагерц, Лазер, Нанотехнологии, Материалы

 

Область Терагерц (ТГц) электромагнитного спектра часто описывается как последняя неисследованная область спектра электромагнитных волн . Технологическое значение ТГц связано с его неионизирующей природой и способностью проникать в ряд материалов, непрозрачных для видимого и инфракрасного излучения. Недавний прогресс в  Транзисторы на основе графена  прокладывают путь к возможности полностью электрических миниатюрных устройств  и маломощному терагерцовому излучению и обнаружению. Тем не менее, такая технология интегральных схем на основе графена находится в зачаточном состоянии. TARGET нацелен на разработку ТГц-излучателей следующего поколения , которые могут работать в комнатных условиях, миниатюрны, просты в эксплуатации и способны интегрироваться с другими устройствами, предлагая новый ТГц-излучатель на основе графенового полевого транзистора .

Успех проекта станет новаторским результатом для общества и рынков. Доступ к простым в эксплуатации ТГц излучателям является узким местом для будущих приложений, так как в настоящее время они громоздки и требуют низких температур для работы. Поэтому с демонстрацией новых источников направление ТГц-науки и развитие технологий ожидает огромный рост, становясь одной из основных областей прикладных исследований.

Основные области применения этой технологии включают визуализацию в астрономии, спектроскопические методы, приложения для проверки безопасности, обнаружение взрывчатых веществ, широкополосную беспроводную передачу данных, проверку сухих пищевых продуктов, биосенсорные устройства, новые методы лечения рака и т. д.

Основные результаты

• Моделирование и симуляция возможных нанотехнологических устройств ;
• Разработка и демонстрация прототипа , что привело к разработке усовершенствованных устройств и последующей заявке на патент;
• Научная продукция  (магистерские и кандидатские диссертации молодым ученым и научные статьи).

Papers and Communications

• Cosme, P., & Terças, H. (2021). Гидродинамическое исследование терагерцового излучения в полевых транзисторах с намагниченным графеном . Письма по прикладной физике, 118(13), 131109. https://doi.org/10.1063/5.0045444
• Фигейредо, Дж. Л., Бизарро, Дж. П. С., и Теркас, Х. (2022). Описание Вейля-Вигнера безмассовой плазмы Дирака: квантовая плазмоника ab initio для монослойного графена . В New Journal of Physics (том 24, выпуск 2, стр. 023026). Издательство ИОП. https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac5132

E-Posters

2021 Annual Conference

Project Team

Exploratory ResearchNanotechnologies

Alexandre Chícharo

Principal Investigator in Portugal (INL)
TARGET

Exploratory ResearchNanotechnologies

Daniel Wasserman

Principal Investigator в Остине (Юта, Остин)
TARGET

• Другие члены группы в Португалии: Уго Теркас (IPFN), Педро Альпуим (INL), Жером Борме (INL) и Чунд-Да Ляо (INL)

США Различные активные электрические нелинейные устройства, схемы и системы Патенты и патентные заявки (класс 327)

Различение специфического сигнала (например, сравнение, выбор и т. д.) без последующего управления (класс 327/1)

• По фазам (класс 327/2)
• По форме (Класс 327/13)
• По наличию или отсутствию пульса (Класс 327/18)
• По импульсному несовпадению (Класс 327/22)
• По совпадению импульсов (Класс 327/23)
• По полярности (класс 327/28)
• По ширине импульса или интервалу (класс 327/31)
• По частоте (класс 327/39)
• По амплитуде (Класс 327/50)
• Разделяя композитный сигнал (класс 327/98)
• Возможность выбора между несколькими непрерывными сигналами (класс 327/99)

Преобразование, формирование или генерация сигналов (класс 327/100)

• Преобразование входного тока или напряжения в выходную частоту (класс 327/101)
• Преобразование входной частоты в выходной ток или напряжение (класс 327/102)
• Преобразование входного напряжения в выходной ток или наоборот (класс 327/103)
• Само по себе преобразование входного переменного тока в соответствующий постоянный ток на ненагруженном выходе (класс 327/104)
• Синтезатор (класс 327/105)
• Текущий водитель (класс 327/108)
• Преобразование или управление частотой или частотой повторения (класс 327/113)
• Периодическим переключением (например, прерывателем и т. д.) (Класс 327/124)
• Создание параболического или гиперболического вывода (класс 327/125)
• Генерация лестничного вывода (класс 327/126)
• Генерация синусоидального выхода (Класс 327/129)
• Генерация трапециевидного выхода (класс 327/130)
• Генерация пилообразных или треугольных выходных данных (класс 327/131)
• Синхронизация (класс 327/141)
• Генерация прямоугольного (например, тактового и т. д.) или импульсного сигнала со случайными характеристиками (например, случайной шириной и т. д.) (класс 327/164)
• Регенерация или восстановление прямоугольной (например, тактовой и т. д.) или импульсной формы сигнала (класс 327/165)
• Управление наклоном переднего или заднего фронта прямоугольного (например, тактового и т. д.) или импульсного сигнала (класс 327/170)
• Выходные импульсы противоположной полярности (класс 327/171)
• Прямоугольное (например, часы и т. д.) или импульсное управление шириной сигнала (класс 327/172)
• Прямоугольное (например, часы и т. д.) или импульсное управление амплитудой сигнала (класс 327/178)
• Формирование электромагнитных импульсов (Класс 327/181)
• Линия задержки или конденсаторный накопительный элемент, заряжаемый или разряжаемый через схему релаксационного генератора для формирования импульса (класс 327/182)
• Линия задержки или накопительный элемент конденсатора заряжается или разряжается через трубку для формирования импульса (класс 327/183)
• Прямоугольная (например, тактовая и т. д.) или импульсная форма волны, генерируемая путем преобразования входной волны переменного тока (например, синусоидальной и т. д.) (класс 327/184)
• Схема с особым устойчивым состоянием (например, тристабильная и т. Д.) (Класс 327/185)
• Фазовый сдвиг меньше, чем период ввода (класс 327/231)
• Имея определенную задержку в формировании формы выходного сигнала (класс 327/261)
• Генерация тактовых или импульсных сигналов (класс 327/291)
• Контроль амплитуды (класс 327/306)

Конкретная функция ввода-вывода (класс 327/334)

• По дифференциации (класс 327/335)
• Интегрируя (класс 327/336)
• Экспоненциальный (класс 327/346)
• Логарифмический (класс 327/350)
• Абсолютное значение (класс 327/354)
• Объединение нескольких сигналов (класс 327/355)
• С компенсацией (Класс 327/362)
• Наличие обратной связи (класс 327/363)
• С вакуумной трубкой (Класс 327/364)

Стробирование (т. е. переключение входа на выход) (класс 327/365)

• Сверхпроводящее (например, криогенное и т. д.) устройство (класс 327/366)
• Ускорение переключения (Класс 327/374)
• Компенсация изменений внешних физических величин (например, температуры и т. д.) (класс 327/378)
• Целостность передачи сигнала или подавление паразитного шума (класс 327/379)
• Переключатель, управляемый задержкой (например, фиксированный, однократное управление задержкой и т. д.) (класс 327/392)
• Параллельно управляемые пути (класс 327/403)
• Конвергенция с несколькими входами и одним выходом (класс 327/407)
• Расхождение с одним входом и несколькими выходами (класс 327/415)
• Использование твердотельного устройства с тремя или более электродами (класс 327/419)
• Использование двухэлектродного твердотельного устройства (класс 327/493)
• Электронная лампа с тремя или более электродами (класс 327/506)
• Двухэлектродная электронная лампа (класс 327/507)

Внешний эффект (Класс 327/509)

• Магнитный (класс 327/510)
• Температура (класс 327/512)
• Легкий (класс 327/514)
• Использование преобразования механических вариаций в электрические вариации (например, чувствительные к вибрации и т. д.) (класс 327/516)
• Реагирует на близость или прикосновение (класс 327/517)

С особым контролем (Класс 327/518)

• Множество нагрузочных устройств (Класс 327/519)
• Несколько активных компонентов, включенных в схему управления (класс 327/520)
• Газовая трубка (Класс 327/523)

Конкретное идентифицируемое устройство, цепь или система (класс 327/524)

• Плавкая вставка или цепь преднамеренного разрушения (класс 327/525)
• Резервный (класс 327/526)
• Сверхпроводящее (например, криогенное и т.