Site Loader

Содержание

Полевой транзистор вместо диода

Camilo Quintáns Graña и Jorge Marcos Acevedo, Испания

На мощных кремниевых выпрямительных диодах прямое падение напряжения может достигать 1.2 В. Рассеиваемая на них мощность снижет КПД источников питания. Так, к примеру, на антивозвратном диоде в фотоэлектрической панели мощностью 120 Вт с номинальным напряжением 24 В может теряться до 6 Вт мощности, что в относительных единицах означает 5%. Система охлаждения диодов требует дополнительных затрат, и, опять же, увеличивает потери мощности.

В статье предлагается более экономичное решение, заключающееся в замене мощного диода MOSFET транзистором, работающим в режиме включения/выключения.

Рисунок 1. Прецизионный мощный диод работает как выпрямитель, питающий индуктивную нагрузку.
Надписи на схеме
POWER PRECISION EQUIVALENT DIODE Эквивалентный мощный прецизионный диод
CATHODE Катод
ANODE Анод

На Рисунке 1 изображена схема выпрямителя с MOSFET транзистором Q1, имеющим во включенном состоянии низкое сопротивление сток-исток. V2 представляет источник переменного напряжения 36 В. Нагрузка образована последовательным соединением резистора 9 Ом и индуктивности 25 мГн. Компаратор IC1 управляет затвором транзистора Q

1 на тех отрезках времени, когда напряжение питания на аноде превышает напряжение на катоде. Таким образом, исток выполняет функцию анода выпрямителя, а сток – катода. В схеме используется способность транзистора проводить ток в направлении исток-сток. При включении Q1 происходит эффективное шунтирование паразитного диода между подложкой и стоком, благодаря чему потери мощности оказываются минимальными. При низком напряжении затвор-исток выключены как транзистор, так и паразитный диод. Диод D1 и резистор R1 выполняют функцию защиты компаратора, ограничивая напряжение на его входах.

Рисунок 2. На этих осциллограммах приведены формы напряжений на индуктивной нагрузке, состоящей из резистора 9 Ом и индуктивности 25 мГн. На осциллограмме C2 максимальный ток нагрузки равен 2.65 А. (100 мВ/А). C1 показывает падение напряжения между анодом и катодом выпрямителя.

На рисунке 2 показана форма напряжения на нагрузке и падение напряжения на выпрямителе Q1.

Рисунок 3. Осциллограммы для случая, когда на затвор подается управляющее напряжение. Паразитный диод MOSFET транзистора закрыт, и падение напряжения на транзисторе всего 33 мВ (осциллограмма C1). На осциллограмме C2 изображена форма тока, протекающего через выпрямитель.

Рисунок 3 иллюстрирует нормальное функционирование выпрямителя, когда при максимальном токе нагрузки 2.65 А падение напряжения равно 33 мВ, а Q1 работает в омической области (области нарастания вольт-амперной характеристики). Напротив, если не управлять напряжением затвора, падение напряжения достигает 629 мВ, приводя к возрастанию максимальной мгновенной мощности до 1.66 Вт (Рисунок 4).

Рисунок 4. Осциллограммы для случая, когда управляющее напряжение на затвор не подается. Паразитный диод MOSFET транзистора открыт , и падение напряжения на транзисторе равно 629 мВ (осциллограмма C1). На осциллограмме C2 изображена форма тока, протекающего через выпрямитель.

Предлагаемый подход справедлив для выпрямителей любого типа с любым количеством диодов. Кроме того, возможно использовать эту схему в DC/DC и DC/AC преобразователях, поскольку в мостовых схемах MOSFET транзисторы могут пропускать как активные, так и реактивные составляющие токов. Существенной особенностью является и исключение влияния паразитного диода подложка-сток.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Полноценная замена диода на полевой транзистор

Автор: Providec
Опубликовано 10.07.2013
Создано при помощи КотоРед.

Так, для начала сами схемы.


Первая схема самая простая, ее выкладывают в сети все кому не лень, с нее и начнем. Это защита от переполюсовки питания, больше применения ей нет, не является полноценной заменой диода, так как будет пропускать ток в обратном направлении, т.е. если вместо нагрузки повесить конденсатор, то при отключении блока питания, этот конденсатор разрядится через открытый полевик на сам блок питания.

Вторая схема – назовем ее электронным (управляемым) рэле. При отсутствии управляющего сигнала на оптроне схема разорвана по питанию с любой стороны. При подаче управляющего сигнала на оптрон оба полевика откроются и мы получим «замкнутые клеммы», т.е. ток (положительной полярности) сможет проходить в любом направлении.

Третья схема – полноценная замена диода (неуправляемая). Вместо оптрона стоит компаратор, который позволяет окрыть полевики когда левый потенциал напряжения больше правого и закрыть, когда все наоборот. Выход компаратора представляет собой свободный коллектор n-p-n транзистора, эмиттер которого посажен на землю.

Четвертая схема – полноценная замена управляемого диода (тиристора). Последовательно с выходным транзистором компаратора стоит оптрон, который и управляет работой схемы.

P.S. Заметил что неправильно подключены входы компаратора, для того чтобы все работало как в описании их нужно поменять местами.

Целесообразность применения каждый выбирает сам, неоспоримым преимуществом является малое сопротивление полевика в открытом состоянии, как следствие практически отсутствие падения напряжения на ключе, что обеспечивает как минимум выигрыш по КПД (актуально для малых нагрузок) и уменьшение напрасного тепловыделения (актуально для больших нагрузок).

Делается одна схемка, в которой несколько источников напряжения должны сводиться в одну точку через диоды, и с этой точки уже запитывается само устройство. Нужно для того, что бы устройство оставалось запитанным при наличии хотя бы одного из источников напряжения, которые могут быть включены или выключены независимо друг от друга.

Гальваническая развязка не требуется.

Простейший вариант – развязать диодами. Вот тут и появляются «проблемы».
Напряжения источников равно 5В, по этому при развязке кремниевыми диодами потеряем на диодах минимум 0,7В и нагрузке достаётся только 5В-0,7В=4,3В.
По этому, лучше поставить диоды Шоттки. Из них можно найти типы с низким падением напряжения – 0,3-0,4В. Нагрузке достанется, в лучшем случае, 5В-0,3В=4,7В.

Вариант с реле не рассматривается.

Ещё один вариант – поставить ключи на полевиках и схемку управления ими. Тогда падение напряжения на ключах можно свести, практически, к нулю.

В связи с этим вспомнилась схемка из какой-то книги зарубежного автора – между источником напряжения и нагрузкой стоит полевик по схеме рисунка №1 в аттаче.
В зависимости от того, в разрыв какого провода источника ставится полевик, используется либо N-канальный, либо Р-канальный.

При правильной полярности напряжение источника проходит на нагрузку через прямосмещённый диод, встроенный в полевик. Для удобства восприятия диод нарисован.
При этом получается, что напряжение нагрузки приложено и к затвору полевика, заставляя его открыться. Ну а так как сопротивление канала открытого полевика может быть очень мало, то и падение напряжения на таком «диоде» так же может быть мало. Зависит только от сопротивления канала полевика и тока нагрузки.

При переполюсовке напряжение не может попасть на нагрузку, так как «упирается» в обратно смещённый диод полевика, а сам полевик, у которого затвор закорочен через нагрузку с истоком, остаётся закрытым.

То есть, получается тот же диод, только отличающийся почти нулевым падением напряжения на переходе.

Максимальное напряжение источника определяет выбор полевика – оно должно быть меньше допустимого напряжения затвора и перехода сток-исток. Обычно, напряжение затвора не превышает 20-30В, в то время как напряжение сток-исток полевиков может достигать 1000В. По этому при больших напряжениях или при возможных выбросах в этом напряжении затвор подключается к схеме не напрямую, а через резистор. При этом затвор шунтируется стабилитроном. В результате, максимальное рабочее напряжение такого «диода» определяется только рабочим напряжения стока полевика. То есть, как и при выборе классического диода – по максимальному обратному напряжению.

Только такой «диод» не может работать в схеме, где напряжение нескольких источников запитывает одну нагрузку. Так как при открывании любого из «диодов» напряжение с нагрузки попадает на затворы полевиков других «диодов» и открывает так же и их. В результате, «диоды» не запитанных каналов начинают работать «перемычками».

А требовалось именно это – запитать одну нагрузку от нескольких источников напряжения.
По этому родился вариант, показанный на рисунке №2 – с добавлением ещё одного полевика и резистора. На рисунке показано сведение двух источников в одну нагрузку при включении «диодов» в плюсовой провод.
Роль диода выполняет полевик VT1, а другой полевик (VT2) лишь разрешает его открытие при наличии напряжения на входе +U1 или +U2.

При правильной полярности (и наличии) напряжения источника открывается дополнительный полевик VT2, соединяющий затвор основного полевика с корпусом, как в схеме на рисунке №1 внизу, а дальше – как уже описывалось – «диод» открыт и пропускает ток в нагрузку с минимальными потерями.

Предположим, что в это же время другой источник напряжения выключен (или включен в неправильной полярности). В результате дополнительный полевик VT2 остаётся закрыт (на его завторе либо ноль, либо обратная полярность напряжения). В этом случае остаётся закрытым и основной полевик VT1.
В результате, напряжение с выхода не попадает на вход выключенного канала, и напряжение обратной полярности с источника не попадает в нагрузку. И всё – из-за обратносмещённого диода полевика VT1 и его закрытого канала.

То есть, в таком варианте схема ведёт себя как обычный диод – пропускает ток только при наличии напряжения источника и только при его правильной полярности. При этом, в отличие от обычного диода, падение напряжения на открытом «диоде» практически отсутствует.
Что и требовалось доказать.

На рисунке №3 приведена практическая схема диодной развязки.
Конденсаторы – блокировочные, резисторы R1,R2 и стабилитроны VD1,VD2 ограничивают напряжение на затворах полевиков, тем самым снимая ограничение на максимальное напряжение источника питания. Тогда оно будет ограничиваться только напряжением стока применённых полевиков.
Номиналы резисторов могут быть увеличены на один-два порядка для уменьшения тока, потребляемого самой схемой «диода». Рабочее напряжение стабилитрона можно взять чуть меньше напряжения пробоя затвора. В этом случае, при напряжении источника меньше, чем напряжение стабилитрона, потребляемый самой схемой ток равен нулю.

Если напряжения источников меньше напряжения пробоя затворов полевиков, то защитные резисторы и стабилитроны можно не ставить.

При применении в качестве VT1 полевика IRLML6402, имеющем сопротивление канала 0,065Ом при токе 3,7А, и максимальном токе нагрузки 0,1А, получим падение напряжения на «диоде» порядка 6,5мВ. При напряжении питания 5В такие потери можно не учитывать.

Стоимость такого «диода» конечно выше, чем обычного и даже диода Шоттки, но в данном случае не превышает $0,28. Стоимость имеющегося в наличии и равнозначного по току диода Шоттки (SS34 – 40В, 3А) равна $0,16.

То есть, схема получилась дороже диодной всего в 2 раза при не достижимом с помощью диодов преимуществе в падении напряжения. Кстати, для SS34 оно не меньше 0,55В. А диоды с меньшим падением напряжения ещё дороже, так что разница в стоимости становится ещё меньше а выигрыш – больше.

При малых напряжениях питания (например, как для моего случая – 5В) стабилитроны и резисторы не нужны, схема будет состоять только из двух полевиков и одного резистора между затвором и истоком VT1 (Рис.2 аттача), а её стоимость уменьшается до $0,18. То есть, уже практически равна стоимости того же диода SS34.

Кстати, кто нибудь встречал подобную схемку.

В принципе, такое решение напрашивалось. Известны, например, схемы синхронных выпрямителей, особенно если 2-тактные от обмотки со средней точкой (когда токи от противофазных ветвей сводятся в одну нагрузку) – очень похоже. но на полевиках конкретная реализация – ваше авторство. Я в глубины не вдавался, но прикидочно полагаю, что если и возможны другие варианты, то ваш – самый простой (особенно рис. 2).

А что будет если к одному входу подключена гальваническая батарея на 9В, а к другому сетевой источник на 12В? Кроме того не напоминает ли схема из 2-х полевиков разной структуры аналог тиристора по принципу действия? Если напряжение постоянно подано на один вход и кратковременно подать открывающее напряжение на другой вход, то он откроется и больше не закроется даже после снятия входного напряжения, т.к. на вход будет подаваться напряжение с выхода.

SAK: на 9В, а к другому сетевой источник на 12В?
Или к одному +4.85В а к другому +5.15В?

Потечёт уравнивающий ток.
Нужно подумать.

Обратный ток. Нужно ставить на компараторах схему которая будет фиксировать обратный ток отрубая полевик.
Что то типа такого http://pro-radio.ru/it-works/6124-9/2009/07/05/19-23-33/

Для одного и того же «диода» он может быть как прямым, так и обратным. По этому, всё таки, уравнивающий. между двумя источниками с разным напряжением.

Не а обратный ток ключа. Который не нормален для схемы. а уравнивающие напряжение для источников питания с конечным сопротивлением.

нужна схема типа многофазного триггера -если подано на 1-остальные- блокировать,если подано на два, то по приоритету номера (или ставить компараторы и выбирать большии) ИМХО оно того не стоит обычная ИЛИ на диодах(шотки или Ge)

musor: или ставить компараторы ивыбирать болшиии) ИМХО оно того не стоит обычная ИЛИ на диодах(шотки или Ge)
Не надо. Если ключ закрыт то разность потенциалов будет держать его закрытым (компаратор не даст). Он останется закрытым пока напряжение источника не превысит напряжение на нагрузке.
В качестве компаратора наверное лучше использовать ОУ с изолированным полевиками на входе, которые допускают синфазное напряжение равное или чуть большее чем питание и запитывать от источника.

Форум про радио — сайт, посвященный обсуждению электроники, компьютеров и смежных тем.

Похожие записи:

Прекращаем ставить диод 2 / Хабр

Несколько лет назад мною была опубликована

статья

под аналогичным заголовком. Если кратко, то в ней я рассказал о процессе разработки с нуля устройства, выполняющего функции «идеального диода» для предотвращения разряда буферного аккумулятора на обесточенный блок питания.

Устройство получилось относительно сложным, хотя и довольно экономичным (ток потребления при использовании современной версии компаратора LM393 получился около 0.5 mA). Читатели обратили внимание на эту сложность и в комментариях предложили другой вариант «идеального диода», который выглядит на порядок более простым. К своему стыду, на тот момент я не был знаком с такой схемой, поэтому решил при удобном случае разобраться с ней подробнее. После серии экспериментов, которые начались с компьютерной симуляции, а закончились макетной платой, было выяснено, что при своей кажущейся простоте, эта схема очень нетривиальна как с позиции понимания всех протекающих в ней процессов, так и с точки зрения подводных камней, которые она в себе таит.

В общем, предлагаю вашему вниманию другой вариант реализации «идеального диода» с подробным описанием его особенностей.

Канонический вариант, предложенный в комментариях, имеет такой вид:

Всего четыре (или пять, смотря как считать) деталей и «идеальный диод» готов. Вроде бы все очень просто. Однако первое, что бросается в глаза, это использование сборки вместо обычных дискретных транзисторов. Может показаться, что это прихоть автора данного конкретного исполнения. Однако после изучения других вариантов обнаруживается, что такой подход используется почти во всех схемах, которые можно найти в сети. Тут мы и подходим к разбору принципа действия этой схемы.

Для понимания принципа начинать лучше с момента, когда все переходные процессы уже завершены, и нагрузка потребляет некоторый ток от блока питания. Этот ток течет через ключ и из-за ненулевого сопротивления канала, напряжение в точке 1 немного больше, чем в точке 2. В этом случае ток из точки 1 через эмиттерный переход T1 попадает в цепь баз обоих транзисторов, а затем через R1 стекает на «землю». В результате на базах транзисторов устанавливается напряжение, равное напряжению открытия эмиттерного pn-перехода. Но из-за того, что эмиттер T2 находится под более низким потенциалом, чем эмиттер T1, ток через его базу почти не течет потому что напряжение между его эмиттером и базой меньше, чем необходимо для открытия перехода. А раз базового тока нет, то T2 закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор высокое, затвор силового ключа заземлен через R2, что создает условия для его открытия. Как итог, ток течет из точки 1 в точку 2 через открытый канал силового ключа (а не просто через технологический диод) и падение напряжения на этом участке измеряется милливольтами.

При обесточивании блока питания напряжение в точке 1 очень быстро станет ниже, чем в точке 2. При этом ток прекратит течение через эмиттерный переход T1 и вместо этого начнет протекать через эмиттерный переход T2, открывая его. В итоге сопротивление эмиттер-коллектор транзистора T2 сильно уменьшится, затвор силового ключа окажется соединенным с истоком, и канал будет закрыт.

Исходя из вышесказанного, необходимым условием работы схемы является тождественность транзисторов T1 и T2. Особенно это касается напряжения открытия эмиттерных переходов. Оно, во-первых, должно совпадать с точностью не хуже единиц милливольт, а во-вторых, любые его колебания под действием температурного фактора должны быть синхронными для обоих транзисторов.

Именно поэтому использование дискретных транзисторов в этой схеме недопустимо. Только изготовленная в рамках единого технологического цикла пара может считаться достаточно тождественной. А их размещение на общей подложке гарантирует необходимую температурную связь.

И уж тем более лишен смысла вариант схемы, который тоже можно найти на просторах интернета, где вместо одного из транзисторов используется диод.

Такая схема при определенном везении заработает, но ни о какой надежности работы тут речи просто не идет.

Кстати, некоторые авторы идут дальше, и кроме транзисторной сборки используют так же и резисторную (либо дискретные резисторы с допуском 1% или лучше), мотивируя это необходимостью дальнейшего соблюдения симметрии схемы. На самом деле резисторы совершенно не нуждаются в точном подборе, но об этом ниже.

Приведенное выше объяснения принципа действия является сильно упрощенным, оно дает краткий ответ на вопрос «как работает», но не дает понимания глубинных процессов, происходящих в схеме, и, в частности, никак не обосновывает выбор номиналов элементов.

Так что, если кому интересны подробности, то читаем дальше, а кому достаточно практической схемы, просто скрольте до последнего изображения статьи.

Для наглядности давайте сначала перевернем схему, заменим PNP-транзисторы более привычными NPN, и, наконец, немного усложним, чтобы было понятно, откуда вообще взялся конечный вариант.

Итак, что мы тут видим? Два простых усилительных каскада по схеме ОЭ и общая цепь смещения через резистор Rs. Если транзисторы одинаковые, то ток, текущий через резистор смещения, поровну разделится между базами обоих транзисторов и приоткроет их на одинаковую величину. В результате через коллекторные нагрузочные резисторы потекут одинаковые токи, и выходные напряжения в точках OUT1 и OUT2 будут тоже равны.

Теперь вернемся к нашим баранам и вспомним, что эмиттеры транзисторов не соединены вместе, напротив, между ними может возникать разность потенциалов, равная падению напряжения на открытом канале силового ключа. Учитывая величину сопротивления канала, разность напряжений между эмиттерами может составлять от единиц до сотен милливольт. Вот как это выглядит на нашей схеме.

В результате смещения эмиттер T2 оказывается немного «выше над землей», чем эмиттер T1, а значит напряжение Ube2 будет ниже, чем Ube1. Теперь вспомним, как выглядит ВАХ эмиттерного pn-перехода.

Если рабочая точка находится в области максимального наклона характеристики, то даже незначительное изменение приложенного напряжения ведет к очень сильному изменению протекающего тока, т.е. чем ниже прямое напряжение, тем больше эквивалентное сопротивление перехода.

Снова посмотрим на схему. Напряжение на эмиттерном переходе T2 уменьшилось, его эквивалентное сопротивление увеличилось, а значит ток смещения, текущий через Rs уже не разделяется симметрично между базами транзисторов, а течет преимущественно через эмиттерный переход T1. От этого T1 открывается, а T2, соответственно, закрывается на ту же величину. Распределение токов теряет симметрию и схему как-бы «перекашивает». Причем абсолютная величина перекоса равна коэффициенту передачи тока транзисторов (не суммарно, а каждого в отдельности, при условии, что транзисторы одинаковые).

Если мы перевернем разность потенциалов эмиттеров на обратную, схему аналогично перекосит в противоположную сторону: чем больше коллекторный ток у одного транзистора, тем меньше у второго и наоборот. В итоге имеем «обратное» токовое зеркало, где под влиянием одного входного сигнала происходит симметрично-противоположное изменение токов в плечах схемы.

Классическое «прямое» токовое зеркало (как те, что входят в состав операционных усилителей и компараторов) отличается тем, что в нем наоборот под влиянием двух однополярных входных величин в противоположные стороны изменяется ток одного транзистора.

Идем дальше. Полученная схема дает нам понятие о ролях резисторов. Коллекторные резисторы R1 и R2 являются нагрузкой транзисторов. Их роль – питание тех цепей, которые подключаются к нашей схеме, как к источнику управляющего сигнала. А значит, их сопротивление должно быть таким, чтобы протекающего через них тока было достаточно для активации входных цепей нагрузки. В данном конкретном случае нагрузкой является затвор MOS-транзистора, который имеет входное сопротивление многие мегаомы.

В даташитах обычно указывается не входное сопротивление, а ток утечки затвора при заданном напряжении. Из этого тока можно определить оммическое сопротивление изоляции затвора и защитных диодов. Например, для транзистора IRF5305 заявлен ток утечки не более 100 нано-ампер при напряжении 20 вольт. Простой подсчет дает нам величину входного сопротивления по меньшей мере 200 МОм.

При таком входном сопротивлении потребителя можно было бы использовать очень высокоомные нагрузочные резисторы, уменьшив таким образом собственное потребление транзисторов до наноамперного уровня. Однако лучше не «шиковать» слишком сильно, потому что высокоимпедансные цепи становятся чувствительными к разнообразным наводкам. А кроме того, при субмикроамперных коллекторных токах падает коэффициент усиления биполярного транзистора. Наиболее уместным сопротивлением нагрузок в данном случае можно считать сотни кОм. Это оптимальное сопротивление с точки зрения надежности, и при этом достаточно высокое с позиции экономичности.

С коллекторными резисторами разобрались. Теперь перейдем к резистору смещения Rs. Что зависит от его сопротивления? От него зависят начальные токи коллекторов, то есть токи полностью сбалансированной схемы. Причем эти токи зависят и от выбранных ранее номиналов нагрузочных резисторов, и от коэффициента усиления транзисторов. Так какое же значение этого сопротивления все-таки будет оптимальным? А такое, при котором режимы транзисторов окажутся в точках наименьшей устойчивости.

Ведь чем проще схема поддается влиянию дисбалансирующих факторов, тем выше получается ее чувствительность ко входному сигналу. Именно поэтому в отсутствие входного сигнала транзисторы не должны быть полностью открытыми или полностью закрытыми, они должны быть в промежуточном состоянии.

Тут уместна аналогия с простейшими качелями-балансирами. Если такие качели находится в равновесии, то вывести их из этого состояния проще всего: легкий толчок, и они наклоняются в нужную сторону. А вот если они уже перекошены грузом на одном из плечей, выведение из такого устойчивого состояния требует значительных усилий.

Поэтому наилучшим сопротивлением Rs является такое, при котором напряжения на коллекторах транзисторов примерно равны половине питающего напряжения. Это условие не нужно воспринимать буквально и подбирать сопротивление до ома. Более того, для уменьшения рабочих токов вполне допустимо сознательно увеличить Rs так, чтобы напряжения на коллекторах было примерно на 5 вольт ниже питающего. Это оставит достаточный запас для надежного управления силовым ключом, но при этом до минимума уменьшит токи во всех цепях, а значит и потребление схемы.

Для управления современным силовым MOSFET-том на его затвор нужно подавать напряжение, не менее того, что заявлено в строке «Gate threshold voltage» даташита. Для типичного современного транзистора это напряжение равно 3-4 вольта, отсюда и выбранное значение 5 вольт, которого гарантировано хватит чтобы полностью открыть транзистор при минимальном входном сигнале.

Что касается конкретного номинала Rs, то натурный эксперимент показал, что, например, для сборки BC807DS его сопротивление должно быть примерно 5 MОм. Для других транзисторов эта величина может отличаться, но есть еще один фактор, который играет нам на руку и уменьшает необходимость в тонком подборе сопротивлений.

Дело в том, что в реальной схеме, когда через силовой ключ начнет идти ток, выводящий схему из равновесия, напряжение на затворе начнет изменяться, а значит, начнет изменяться и сопротивление канала. И вот эта обратная связь носит усиливающий характер, когда падение напряжения на канале приводит к дисбалансу схемы, от чего изменяется напряжение на затворе так, что сопротивление канала меняется еще сильнее, что ведет к еще большему перекосу. И так продолжается до достижения крайнего положения, в котором силовой ключ больше не реагирует изменением сопротивления канала на изменение напряжения затвора. Однако, если коэффициент усиления транзистора достаточно большой, то процесс идет дальше, вплоть до достижения напряжения питания или нуля (в зависимости от соотношения напряжений в точках 1 и 2).

Таким образом, реальная схема, которую можно нарисовать с учетом сказанного выше, может иметь такой вид:

И в таком виде она действительно изредка встречается на сайтах, посвященных электронике. Однако начинали мы с другой вполне рабочей схемы, которая и проще и встречается гораздо чаще. Что отличает эти два варианта? Давайте снова на короткое время вернемся к прототипу, с которого начинали подробный разбор.

Что в этой схеме лишнее? По той причине, что управляющее напряжение для затвора силового ключа мы снимаем с коллектора одного из транзисторов (точка OUT2), напряжение на коллекторе второго (OUT1) нас совершенно не волнует. А по той причине, что наличие или отсутствие малого коллекторного тока весьма слабо сказывается на вольт-амперной характеристике эмиттерного перехода, нагрузочный резистор R1 спокойно можно удалить из схемы. А чтобы коллекторный вывод T1 не болтался воздухе и не собирал наводки, его лучше соединить с базой T1 (хотя делать это не обязательно, схема отлично работает и с оборванным выводом коллектора).

Итоговая схема принимает до боли знакомый вид:

Причем я специально сохранил расположение резисторов как в прототипе, чтобы подчеркнуть тот факт, что резисторы эти выполняют совершенно разные функции. Это не очевидно на исходной схеме, зато хорошо видно здесь, особенно после всех объяснений и выкладок. Левый резистор – это резистор смещения Rs, а правый – нагрузочный резистор R2 из схемы прототипа. Они не то что не должны быть совершенно одинаковыми (как думают некоторые авторы), их номиналы вообще взаимосвязаны очень косвенно и в общем случае не обязаны даже иметь общий порядок.

Именно поэтому нет никакой надобности использовать в этом месте резисторную сборку или дискретные резисторы малого допуска.

А еще из этой схемы следует, что питание устройство получает из точки 2, а точка 1 – просто источник входного сигнала. Таким образом, когда напряжение присутствует только в точке 2, питание подается непосредственно, а если только в точке 1, то сначала запитка происходит через технологический диод силового транзистора, а затем, когда схема проснется и начнет работать, уже через открытый канал.

С принципом действия и номиналами разобрались, результат на схеме:

Именно в таком виде схему массово рекомендуют на разных форумах, но есть пара нюансов, которые сильно ограничивают ее практическое применение. Первая проблема заключается в одном параметре биполярных транзисторов, о котором не принято вспоминать в большинстве практических применений. Вот он:

Оказывается, что максимальное обратное напряжение эмиттерного перехода большинства маломощных транзисторов составляет единицы вольт, и вот чем это грозит нашей схеме. Если напряжение есть только в точке 2, а точка 1 через небольшое сопротивление соединена с землей (как раз так себя ведет обесточенный блок питания), то ток из точки 2 через прямосмещенный эмиттерный переход T2 попадает на обратносмещенный эмиттерный переход T1, за которым уже почти земля. То есть почти все напряжение точки 2 оказывается приложено к эмиттерному переходу T1.

И вот тут и происходит самое интересное. Если напряжение в точке 2 выше предельно допустимого, то эмиттерный переход T1 входит в режим лавинного пробоя, и при достаточно малом значении RL, транзистор просто выходит из строя.

Таким образом, надежная эксплуатация этой схемы возможна только при рабочих напряжениях не выше, чем то, что заявлено в даташите на выбранный транзистор, т.е. на практике это не более 5-8 вольт. Даже 12-вольтовый источник формально уже не может быть подключен к такой схеме.

Тут кстати, интересный факт. Я перепробовал несколько сборок разного типа, у которых заявлено максимальное напряжение эмиттерного перехода от 5 до 8 вольт, и все они показали напряжение лавинного пробоя аж 12-13 вольт. Однако не стоит на это рассчитывать в практических схемах, не зря же говорят, что спецификации пишутся дымом сгоревших компонентов.

Если нужно коммутировать относительно высокое напряжение, то транзистор T1 нуждается в защите. Проще всего это сделать, просто внеся дополнительное сопротивление, которое ограничит обратный ток через переход.

Этот резистор внесет некоторый дисбаланс в схему, однако по той причине, что его сопротивление довольно мало по сравнению с сопротивлением резистора смещения, влияние будет минимальным и на практике не ощутимым. Кроме того, через этот резистор потечет небольшой ток утечки из точки 2 в точку 1, который сделает наш диод не таким идеальным, как хотелось бы. Но тут приходится идти на некоторый компромисс.

Некоторые авторы (те немногие, которые осознали саму необходимость защиты) предлагают дополнительно оградить эмиттерный переход при помощи прямо включенного диода.

Этот диод позволяет вообще не достигать порогового значения напряжения, ограничив его величиной прямого падения, то есть менее одного вольта.

Однако по моему скромному мнению, скрипач диод не нужен. Дело в том, что лавиный пробой для любого pn-перехода является совершенно нормальным режимом работы и с ним не нужно бороться.

Старая поговорка гласит: убивает не напряжение, убивает ток. И это относится не только к случаю поражению человека электрическим током. С диодами и транзисторами ситуация аналогичная. Лавинный пробой сам по себе полностью обратим и штатным образом используется, например, в стабилитронах. А дурная слава закрепилась за ним из-за того, что в силовых схемах это явление как правило сопровождается неконтролируемым ростом тока, протекающего через переход, сильным нагревом, и следующим за ним уже необратимым тепловым пробоем.

Если схему планируется использовать при напряжениях около 12 вольт, то все можно оставить как есть и наслаждаться. Но ситуации в жизни бывают разные и рано или поздно напряжение может оказаться и выше, например 24-27 вольт, как в бортовой сети больших автомобилей.

И вот тут всплывает еще одно ограничение, о котором тоже не часто приходится вспоминать при проектировании маловольтажных схем. Дело в том, что затвор MOSFET отделен от канала тончайшей оксидной пленкой. Ее толщина определяет передаточные свойства транзистора и на практике составляет единицы атомов оксида кремния. Естественно, что электрическая прочность такого тонкого диэлектрика оказывается весьма невысокой. Заглянем в даташит типового мощного «полевика».

Тут мы видим, что предельное напряжение завтора – 20 вольт. А теперь снова посмотрим на конечную схему нашего устройства и подумаем, что будет, когда транзистор T2 окажется полностью закрыт. В этом случае затвор полевого транзистора через R2 окажется заземлен. А так как сопротивление затвора, как мы выяснили выше, имеет порядок сотен мегаом, потенциалы распределятся так, что почти все напряжение питания будет приложено к изоляции затвора.

При питании напряжением выше 20 вольт получаем риск пробоя затвора силового ключа. Чтобы этого не произошло, нужно как-то ограничить напряжение между истоком и затвором до допустимой величины. Проще всего сделать это при помощи стабилитрона, шунтирующего выводы истока и затвора.

В этом случае даже если транзистор T2 окажется полностью закрыт, излишний ток возьмет на себя стабилитрон, и напряжение на затворе ограничится напряжением стабилизации D1. Именно поэтому напряжение стабилизации должно быть в диапазоне от параметра «Gate Threshold Voltage» до «Gate-to-Source Voltage», с небольшими отступами, конечно же.

В принципе, в некоторых даташитах в составе силового MOS-транзистора рисуют встречно-последовательную пару стабилитронов между затвором и истоком, которая, надо полагать, как раз и предназначена для ограничения напряжения на затворе. Так что тут каждый пусть решает сам, доверять судьбу транзистора встроенной защитной цепи, или же подстраховаться собственными силами.

Полученное тут устройство отлично выполняет свои функции «идеального диода», обеспечивая прямое сопротивление, полностью соответствующее выбранному силовому «полевику», обратное сопротивление более 100 кОм, и собственное потребление при напряжении 25 вольт не более 150 мкА.

Использование диода для обеспечения тока течет только в одном направлении, не вызывая падения напряжения

Фактический диод ограничен законами физики [тм]. Фактическое напряжение будет зависеть от тока, напряжения и используемого устройства, но, в качестве ориентира, при очень малой нагрузке диод Шоттки может выдерживать напряжение чуть ниже 0,3 В, но обычно оно возрастает до 0,6 В +, когда нагрузка приближается к максимально допустимому. Сильноточные устройства могут иметь прямое падение напряжения более 1В. Кремниевые диоды хуже в два-три раза.

Использование полевого МОП-транзистора вместо диода обеспечивает резистивный канал, так что падение напряжения пропорционально току и может быть намного ниже, чем для диода.

При использовании MOSFET с каналом P, как показано ниже, MOSFET включается при правильной полярности батареи и выключается при обращении батареи. Схема и другие отсюда. Я использовал это устройство на коммерческой основе (используя устройство зеркального отображения с N-канальным полевым МОП-транзистором в наземном отводе) в течение ряда лет с хорошим успехом.

Когда полярность батареи НЕ правильная, затвор полевого МОП-транзистора положителен относительно источника, а «соединение» источника затвора полевого МОП-транзистора имеет обратное смещение, поэтому полевой МОП-транзистор выключен.

Когда полярность батареи правильная, затвор полевого МОП-транзистора является отрицательным по отношению к источнику, и полевой МОП-транзистор правильно смещен, и ток нагрузки «видит» на полевом транзисторе Rdson = on tresistance. Сколько это зависит, зависит от выбранного FET, но 10 миллиомные FET относительно распространены. При 10 мОм и 1 А вы получаете падение только на 10 милливольт. Даже полевой МОП-транзистор с Rdson 100 мОм будет падать только на 0,1 Вольт на ампер — намного меньше, чем даже диод Шоттки.


Замечание по применению TI Обратный ток / цепи защиты аккумулятора

Та же концепция, что и выше. Версии канала N & P. МОП-транзисторы приведены только в качестве примера. Обратите внимание, что напряжение затвора Vgsth должно быть значительно ниже минимального напряжения батареи.

КАК ПРОВЕРИТЬ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР и ЗАЧЕМ В НЕМ ДИОД | Дмитрий Компанец

Полевые транзисторы с n каналом

Полевые транзисторы с n каналом

В справочной документации по полевым транзисторам MOSFET в символическом обозначении транзистора часто встречается символ диода, включенного параллельно цепи «сток—исток»

На графическом обозначении транзистора иногда рисуют вместо обычного диода диод Зенера. Если бы напряжение пробоя этого зенера лежало ниже напряжения пробоя канала, он мог бы шунтировать ток и напряжение самоиндукции тем самым защищая канал от разрушения.

В подавляющем большинстве случаев в силовых преобразовательных схемах существует необходимость шунтирования транзисторов быстрыми диодами.
Но, к сожалению, в данном случае появление диода связано с технологией изготовления мощных «полевиков». Почему — к сожалению? Потому, что характеристики этого паразитного диода, называемого integral reverse p-njunction diode (интегральный обратный диод р-п-перехода), применительно к использованию в схемах преобразовательных устройств оставляют желать лучшего.

Другими словами, встроенный диод оказывается слишком медленным, поэтому приходится затрачивать дополнительную энергию на его закрывание, что ведет к нагреву транзистора в целом. Технология изготовления МОП транзисторов такова, что образуются некоторые паразитные элементы, в частности биполярный транзистор, включенный параллельно силовым выводам.
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.
Ведущие мировые производители элементной базы постоянно ведут небезуспешную борьбу за улучшение характеристик быстродействия обратных диодов, и их влияние становится все менее заметным, однако подавляющее большинство выпускаемых на сегодняшний момент полевых транзисторов все еще имеют паразитные диоды с достаточно большим временем обратного восстановления.

Кстати, на самом деле встроенный диод получается из технологического биполярного транзистора, включенного параллельно силовым электродам полезного полевого транзистора.

#ЗачемДиодвПолевике

Как защитить технику от переполюсовки с помощью одного полевого транзистора | Электронные схемы

защита от переполюсовки питания на полевом транзисторе мосфет

защита от переполюсовки питания на полевом транзисторе мосфет

Может случиться такая ситуация,что перепутали местами плюс с минусом,техника может из-за этого выйти из строя.Чтобы избежать поломки электроники при переполюсовке,надо поставить защиту по питанию.Это можно сделать на диоде Шоттки,на нем меньше падение напряжения по сравнению с выпрямительными диодами.Но если через диод Шоттки будет проходить большой ток,корпус диода может нагреваться и это будет не экономично.Есть еще одна более экономичная защита,выполненная на мощном полевом транзисторе.

защита от переполюсовки на одном полевом транзисторе

защита от переполюсовки на одном полевом транзисторе

Диод между стоком и истоком находится в самом транзисторе.Когда на сток транзистора подключен минус,ток начинает проходить через диод и напряжение затвор-исток открывает транзистор.Сопротивление канала сток-исток становится около 8мОм и канал шунтирует диод.Падение напряжения на транзисторе меньше чем на диоде Шоттки и корпус транзистора не нагревается.При обратной полярности питания нагрузка будет обесточена.

проверка работы защиты от переполюсовки на транзисторе мосфет

проверка работы защиты от переполюсовки на транзисторе мосфет

Проверил,действительно ли в работе участвует транзистор,или может работает только диод.Отключил затвор транзистора и ток на нагрузку подал через диод в прямом включении.При токе в нагрузке 1 А корпус транзистора начинает нагреваться.Потом подключил затвор к плюсу питания и транзистор не нагревается даже при токе 2 А.

как работает защита от переполюсовки питания на одном полевом транзисторе

как работает защита от переполюсовки питания на одном полевом транзисторе

Транзистор будет меньше нагреваться тот,у которого меньше значение сопротивления открытого канала RDS.Схема работает примерно от 4-5 Вольт,при этом напряжении питания напряжение на затворе будет достаточно чтобы транзистор открылся.При низком напряжении питания работать будет только диод с нагревом корпуса.Максимальное напряжение для схемы до 20 Вольт,это из-за напряжения затвор-исток.Это напряжение можно повысить,достаточно подключить между затвором и истоком стабилитрон на 10-15 Вольт с резистором на плюс питания.

Полевой транзистор в качестве защитного диода — Меандр — занимательная электроника

Для защиты различных радио­электронных приборов от непра­вильной полярности внешнего источни­ка питания часто применяют защитные диоды, которые устанавливают в цепи питания. Основной недостаток такого технического решения — падение на­пряжения, которое зависит от типа применённого диода. С целью минимиза­ции потерь часто используют диоды Шотки (рис. 1), но и на них падает 0,2…0,4 В. Если для напряжения пита­ния более 10 В это вполне допустимо, то для напряжения 5 В и менее эти потери уже существенные.

Рис. 1

Возможным выходом из этой ситуа­ции может быть применение взамен защитного диода полевого транзистора с изолированным затвором, индуциро­ванным каналом и встроенным диодом.

Рис. 2

Схема его включения в линию плюсовой полярности показана на рис. 2. При неправильной (минусовой) полярности напряжения встроенный диод и транзис­тор закрыты (протекают только токи утечки) и напряжение на нагрузку не поступает. При подаче напряжения плю­совой полярности сначала оно поступит на нагрузку через встроенный диод, при этом падение напряжения на нём соста­вит 0,4…0,6 В. Напряжение на нагрузке будет открывающим для полевого тран­зистора, сопротивление его канала уменьшится, соответственно снизится падение напряжения на транзисторе — ток будет протекать уже не через встро­енный диод, а через канал транзистора. Поэтому падение напряжения на транзи­сторе уменьшится и будет определяться сопротивлением канала, которое, в свою очередь, зависит от типа транзистора и напряжения затвор-исток.

Сравнительные графики зависи­мости падения напряжения на диоде 1N5817 и транзисторе IRLML6402 (кор­пус SOT-23) от тока через них при на­пряжении питания 3,3 В показаны на рис. 3. При увеличении напряжения питания до 5 В падение напряжения на транзисторе уменьшится в 1,5…2 раза.

Рис. 3

В плюсовую линию питания надо уста­навливать транзисторы с p-каналом (кро­ме указанного, например IRLMS6802), в минусовую — с n-каналом (например, IRLML2502). При этом транзистор дол­жен быть рассчитан на ток, потребляе­мый нагрузкой, и открываться при ис­пользуемом напряжении питания.

Автор: И. НЕЧАЕВ, г. Москва
Источник: Радио 5/2016

Транзистор вместо диода схема – 4apple – взгляд на Apple глазами Гика

Camilo Quintáns Graña и Jorge Marcos Acevedo, Испания

На мощных кремниевых выпрямительных диодах прямое падение напряжения может достигать 1.2 В. Рассеиваемая на них мощность снижет КПД источников питания. Так, к примеру, на антивозвратном диоде в фотоэлектрической панели мощностью 120 Вт с номинальным напряжением 24 В может теряться до 6 Вт мощности, что в относительных единицах означает 5%. Система охлаждения диодов требует дополнительных затрат, и, опять же, увеличивает потери мощности.

В статье предлагается более экономичное решение, заключающееся в замене мощного диода MOSFET транзистором, работающим в режиме включения/выключения.

Рисунок 1. Прецизионный мощный диод работает как выпрямитель, питающий индуктивную нагрузку.
Надписи на схеме
POWER PRECISION EQUIVALENT DIODE Эквивалентный мощный прецизионный диод
CATHODE Катод
ANODE Анод

На Рисунке 1 изображена схема выпрямителя с MOSFET транзистором Q1, имеющим во включенном состоянии низкое сопротивление сток-исток. V2 представляет источник переменного напряжения 36 В. Нагрузка образована последовательным соединением резистора 9 Ом и индуктивности 25 мГн. Компаратор IC1 управляет затвором транзистора Q1 на тех отрезках времени, когда напряжение питания на аноде превышает напряжение на катоде. Таким образом, исток выполняет функцию анода выпрямителя, а сток – катода. В схеме используется способность транзистора проводить ток в направлении исток-сток. При включении Q1 происходит эффективное шунтирование паразитного диода между подложкой и стоком, благодаря чему потери мощности оказываются минимальными. При низком напряжении затвор-исток выключены как транзистор, так и паразитный диод. Диод D1 и резистор R1 выполняют функцию защиты компаратора, ограничивая напряжение на его входах.

Рисунок 2. На этих осциллограммах приведены формы напряжений на индуктивной нагрузке, состоящей из резистора 9 Ом и индуктивности 25 мГн. На осциллограмме C2 максимальный ток нагрузки равен 2.65 А. (100 мВ/А). C1 показывает падение напряжения между анодом и катодом выпрямителя.

На рисунке 2 показана форма напряжения на нагрузке и падение напряжения на выпрямителе Q1.

Рисунок 3. Осциллограммы для случая, когда на затвор подается управляющее напряжение. Паразитный диод MOSFET транзистора закрыт, и падение напряжения на транзисторе всего 33 мВ (осциллограмма C1). На осциллограмме C2 изображена форма тока, протекающего через выпрямитель.

Рисунок 3 иллюстрирует нормальное функционирование выпрямителя, когда при максимальном токе нагрузки 2.65 А падение напряжения равно 33 мВ, а Q1 работает в омической области (области нарастания вольт-амперной характеристики). Напротив, если не управлять напряжением затвора, падение напряжения достигает 629 мВ, приводя к возрастанию максимальной мгновенной мощности до 1.66 Вт (Рисунок 4).

Рисунок 4. Осциллограммы для случая, когда управляющее напряжение на затвор не подается. Паразитный диод MOSFET транзистора открыт , и падение напряжения на транзисторе равно 629 мВ (осциллограмма C1). На осциллограмме C2 изображена форма тока, протекающего через выпрямитель.

Предлагаемый подход справедлив для выпрямителей любого типа с любым количеством диодов. Кроме того, возможно использовать эту схему в DC/DC и DC/AC преобразователях, поскольку в мостовых схемах MOSFET транзисторы могут пропускать как активные, так и реактивные составляющие токов. Существенной особенностью является и исключение влияния паразитного диода подложка-сток.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Полноценная замена диода на полевой транзистор

Автор: Providec
Опубликовано 10.07.2013
Создано при помощи КотоРед.

Так, для начала сами схемы.


Первая схема самая простая, ее выкладывают в сети все кому не лень, с нее и начнем. Это защита от переполюсовки питания, больше применения ей нет, не является полноценной заменой диода, так как будет пропускать ток в обратном направлении, т.е. если вместо нагрузки повесить конденсатор, то при отключении блока питания, этот конденсатор разрядится через открытый полевик на сам блок питания.

Вторая схема – назовем ее электронным (управляемым) рэле. При отсутствии управляющего сигнала на оптроне схема разорвана по питанию с любой стороны. При подаче управляющего сигнала на оптрон оба полевика откроются и мы получим «замкнутые клеммы», т.е. ток (положительной полярности) сможет проходить в любом направлении.

Третья схема – полноценная замена диода (неуправляемая). Вместо оптрона стоит компаратор, который позволяет окрыть полевики когда левый потенциал напряжения больше правого и закрыть, когда все наоборот. Выход компаратора представляет собой свободный коллектор n-p-n транзистора, эмиттер которого посажен на землю.

Четвертая схема – полноценная замена управляемого диода (тиристора). Последовательно с выходным транзистором компаратора стоит оптрон, который и управляет работой схемы.

P.S. Заметил что неправильно подключены входы компаратора, для того чтобы все работало как в описании их нужно поменять местами.

Целесообразность применения каждый выбирает сам, неоспоримым преимуществом является малое сопротивление полевика в открытом состоянии, как следствие практически отсутствие падения напряжения на ключе, что обеспечивает как минимум выигрыш по КПД (актуально для малых нагрузок) и уменьшение напрасного тепловыделения (актуально для больших нагрузок).

Camilo Quintáns Graña и Jorge Marcos Acevedo, Испания

На мощных кремниевых выпрямительных диодах прямое падение напряжения может достигать 1.2 В. Рассеиваемая на них мощность снижет КПД источников питания. Так, к примеру, на антивозвратном диоде в фотоэлектрической панели мощностью 120 Вт с номинальным напряжением 24 В может теряться до 6 Вт мощности, что в относительных единицах означает 5%. Система охлаждения диодов требует дополнительных затрат, и, опять же, увеличивает потери мощности.

В статье предлагается более экономичное решение, заключающееся в замене мощного диода MOSFET транзистором, работающим в режиме включения/выключения.

Рисунок 1. Прецизионный мощный диод работает как выпрямитель, питающий индуктивную нагрузку.
Надписи на схеме
POWER PRECISION EQUIVALENT DIODE Эквивалентный мощный прецизионный диод
CATHODE Катод
ANODE Анод

На Рисунке 1 изображена схема выпрямителя с MOSFET транзистором Q1, имеющим во включенном состоянии низкое сопротивление сток-исток. V2 представляет источник переменного напряжения 36 В. Нагрузка образована последовательным соединением резистора 9 Ом и индуктивности 25 мГн. Компаратор IC1 управляет затвором транзистора Q1 на тех отрезках времени, когда напряжение питания на аноде превышает напряжение на катоде. Таким образом, исток выполняет функцию анода выпрямителя, а сток – катода. В схеме используется способность транзистора проводить ток в направлении исток-сток. При включении Q1 происходит эффективное шунтирование паразитного диода между подложкой и стоком, благодаря чему потери мощности оказываются минимальными. При низком напряжении затвор-исток выключены как транзистор, так и паразитный диод. Диод D1 и резистор R1 выполняют функцию защиты компаратора, ограничивая напряжение на его входах.

Рисунок 2. На этих осциллограммах приведены формы напряжений на индуктивной нагрузке, состоящей из резистора 9 Ом и индуктивности 25 мГн. На осциллограмме C2 максимальный ток нагрузки равен 2.65 А. (100 мВ/А). C1 показывает падение напряжения между анодом и катодом выпрямителя.

На рисунке 2 показана форма напряжения на нагрузке и падение напряжения на выпрямителе Q1.

Рисунок 3. Осциллограммы для случая, когда на затвор подается управляющее напряжение. Паразитный диод MOSFET транзистора закрыт, и падение напряжения на транзисторе всего 33 мВ (осциллограмма C1). На осциллограмме C2 изображена форма тока, протекающего через выпрямитель.

Рисунок 3 иллюстрирует нормальное функционирование выпрямителя, когда при максимальном токе нагрузки 2.65 А падение напряжения равно 33 мВ, а Q1 работает в омической области (области нарастания вольт-амперной характеристики). Напротив, если не управлять напряжением затвора, падение напряжения достигает 629 мВ, приводя к возрастанию максимальной мгновенной мощности до 1.66 Вт (Рисунок 4).

Рисунок 4. Осциллограммы для случая, когда управляющее напряжение на затвор не подается. Паразитный диод MOSFET транзистора открыт , и падение напряжения на транзисторе равно 629 мВ (осциллограмма C1). На осциллограмме C2 изображена форма тока, протекающего через выпрямитель.

Предлагаемый подход справедлив для выпрямителей любого типа с любым количеством диодов. Кроме того, возможно использовать эту схему в DC/DC и DC/AC преобразователях, поскольку в мостовых схемах MOSFET транзисторы могут пропускать как активные, так и реактивные составляющие токов. Существенной особенностью является и исключение влияния паразитного диода подложка-сток.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Оцените статью: Поделитесь с друзьями! Полевые транзисторы

— обзор

8.17.3.3.1 Полевые транзисторы

До сих пор полевые транзисторы являются наиболее распространенными электронными устройствами. В настоящее время производится около 10 19 полевых транзисторов в год, большинство из них (∼99%) на монокристаллических кремниевых пластинах в качестве строительных блоков интегральных схем для микропроцессоров, твердотельной памяти или мобильных телефонов. 248 Благодаря непрерывному горизонтальному и вертикальному масштабированию современные кремниевые полевые транзисторы представляют собой наноэлектронные устройства; однако миниатюризация обходится дорого.Поэтому альтернативные полупроводники, совместимые с платформами кремниевых технологий, но обеспечивающие более высокую подвижность носителей по сравнению с кремнием, представляют большой интерес, особенно когда они естественным образом вписываются в архитектуру полевых транзисторов нанометрового масштаба. Важной вехой в этом направлении стало изготовление первого полевого транзистора на основе УНТ в 1998 году Че и его сотрудниками. 13 Поскольку УНТ характеризуются очень большой подвижностью и почти баллистическим переносом, они открывают большие перспективы для следующего поколения наноэлектроники. 248

Отсутствие подходящих методов синтеза, которые позволяют получать исключительно полупроводниковые УНТ, что стимулировало множество попыток либо отделить полупроводниковые УНТ от материала в исходном состоянии, либо выборочно удалить металлические УНТ, является давней проблемой при производстве. УНТ – полевых транзисторов. 248,249 Подход к разделению в основном основан на нековалентной химической функционализации с помощью различных типов полимеров, способных селективно оборачивать полупроводниковые ОСНТ, в первую очередь ДНК и полифлуорены. 250,251 Более того, самосортированные полупроводниковые сети ОСНТ были успешно получены путем нанесения углеродных нанотрубок из раствора на соответствующие функционализированные поверхности подложки Si / SiO 2 . 252 Принцип этого метода основан на селективном связывании полупроводниковых УНТ концевыми аминогруппами силанового слоя на кремнеземе. 253 Эффективные химические методы удаления металлических УНТ в ансамблях УНТ включают сочетание бензолдиазониевых солей ( Рисунок 27, ) 254 и плазменное травление метана. 255 В последнем процессе металлические УНТ в пленке преимущественно функционализируются, в то время как полупроводниковые УНТ с диаметром больше 1,4 нм остаются в основном неизменными. Соответственно, функционализированные металлические УНТ могут быть окончательно удалены посредством термического отжига. 248

Рис. 27. Схема изготовления полевого транзистора на основе образца, содержащего как металлические, так и полупроводниковые УНТ.

Адаптировано с разрешения Balasubramanian, K.; Burghard, M. Small 2005 , 1 , 180. 25

Предпочтительное разрушение металлических УНТ также осуществлялось путем селективного фотоокисления с использованием лазерного излучения подходящей длины волны. 256 Совсем недавно Чжан с соавторами 257 продемонстрировали, что облучение длинной дугой Xe-лампой в условиях окружающей среды также может способствовать более быстрому разрушению металлических поверх полупроводниковых УНТ. Замещающий легирование УНТ — еще один многообещающий подход.В качестве первого шага в этом направлении группа Сюй 258 из Стэнфордского университета недавно сообщила о синтезе ОСНТ, содегированных бором и азотом. В соответствии с теорией, предсказывая ширину запрещенной зоны порядка 0,5 эВ для 10% содержания каждого бора и азота, было обнаружено, что совместно легированные B / N ОСНТ (BCN-ОСНТ) полностью полупроводниковые и очень подходят в качестве полевых транзисторов. каналы. Полевые транзисторы из обогащенных полупроводниковых ансамблей SWNT могут легко достигать больших отношений включения / выключения, превышающих 10 5 , что достаточно для множества практических приложений. 248,250,252

Значительное улучшение было также достигнуто в разработке полевых транзисторов, включающих высокоупорядоченные массивы SWNT, произведенные путем выращивания с помощью химического осаждения из паровой фазы на кварцевых подложках. 248 После переноса массивов на полимерную подложку и избирательного электрического пробоя металлических УНТ, устройства демонстрируют очень хорошие характеристики, включая подвижность носителей 1000 см 2 В −1 с −1 , в масштабе крутизна до 3000 См · м −1 , токовые выходы до 1 А. 259 Совсем недавно Форзани и соавторы 260 сообщили о методе функционализации ОСНТ в устройстве на полевых транзисторах для селективного обнаружения ионов тяжелых металлов в 2006 году. В их методе полимеры, функционализированные пептидами, были электрохимически осаждены на ОСНТ и селективное обнаружение ионов металлов проводили с использованием соответствующих пептидных последовательностей. Механизм передачи сигнала функционализированными пептидами SWNT FET также был изучен. Было замечено, что при воздействии ионов Ni 2+ наблюдался очевидный сдвиг в сторону отрицательного направления потенциала затвора, что, вероятно, связано с ослаблением взаимодействий между олигопептидами и ОСНТ. 2

Полевой транзистор с поперечным туннелированием, сделанный на основе гетероструктуры Ван-дер-Ваальса

  • 1.

    Maekawa, T. et al. Увеличение частоты терагерцовых колебаний резонансно-туннельного диода до 1,55 ТГц за счет уменьшения длины щелевой антенны. Электрон. Lett. 50 , 1214–1216 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 2.

    Фейгинов М. и др. Генераторы на резонансно-туннельных диодах, работающие на частотах выше 1.1 ТГц. Заявл. Phys. Lett. 99 , 233506 (2011).

    Артикул Google ученый

  • 3.

    Koyama, Y. et al. Колебания до 1,40 ТГц от генераторов на основе резонансно-туннельных диодов со встроенными патч-антеннами. Заявл. Phys. Экспресс 6 , 064102 (2013).

    Артикул Google ученый

  • 4.

    Jin, N. et al. Трехуровневая логика с использованием вертикально интегрированных Si-SiGe резонансных межзонных туннельных диодов с двойным NDR. IEEE Electron Device Lett. 25 , 646–648 (2004).

    Артикул Google ученый

  • 5.

    Gan, K.-J., Tsai, C.-S., Chen, Y.-W. & Yeh, W.-K. Многозначная логическая схема, управляемая напряжением, с использованием устройств с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Твердотельный электрон. 54 , 1637–1640 (2010).

    Артикул Google ученый

  • 6.

    Berezowski, K. S. & Vrudhula, S. B. Проектирование многозначных логических схем с использованием устройств с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В 37-й межд. Симпозиум по многозначной логике ( ISMVL’07 ) (IEEE, 2007).

  • 7.

    Gong, C., Zhang, H., Wang, W. & Colombo, L. Выравнивание полос двумерных дихалькогенидов переходных металлов: применение в транзисторах с туннельным полевым эффектом. Заявл. Phys. Lett. 103 , 053513 (2013).

    Артикул Google ученый

  • 8.

    Шевчун, Дж. И Темпл, В. Теоретические характеристики туннельного тока SIS-диода. J. Appl. Phys. 43 , 5051–5061 (1972).

    Артикул Google ученый

  • 9.

    Chhowalla, M., Jena, D. & Zhang, H. Двумерные полупроводники для транзисторов. Nat. Rev. Mater. 1 , 16052 (2016).

    Артикул Google ученый

  • 10.

    Huang, M. et al. Многофункциональные высокоэффективные гетероструктуры Ван-дер-Ваальса. Nat. Nanotechnol. 12 , 1148–1154 (2017).

    Артикул Google ученый

  • 11.

    Mou, X., Register, L.F., MacDonald, A.H. & Banerjee, S.K. Двухслойный транзистор с псевдоспиновым переходом (BiSJT) для логики «за пределами КМОП». IEEE Trans. Электронные устройства 64 , 4759–4762 (2017).

    Артикул Google ученый

  • 12.

    Гейм А.К., Григорьева И.В. Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса. Природа 499 , 419–425 (2013).

    Артикул Google ученый

  • 13.

    Yan, R. et al. Эпитаксиальные гетероструктуры полупроводник / сверхпроводник GaN / NbN. Природа 555 , 183–189 (2018).

    Артикул Google ученый

  • 14.

    Zhang, C. et al.Систематическое исследование электронной структуры и ориентации зон однослойных дихалькогенидов переходных металлов в ван-дер-ваальсовых гетероструктурах. 2D Матер. 4 , 015026 (2017).

    Артикул Google ученый

  • 15.

    Линь Ю.-К. и другие. Атомно-тонкие резонансные туннельные диоды, построенные на основе синтетических гетероструктур Ван-дер-Ваальса. Nat. Commun. 6 , 7311 (2015).

    Артикул Google ученый

  • 16.

    Britnell, L. et al. Резонансное туннелирование и отрицательная дифференциальная проводимость в графеновых транзисторах. Nat. Commun. 4 , 1794 (2013).

    Артикул Google ученый

  • 17.

    Мищенко А. и др. Твист-контролируемое резонансное туннелирование в гетероструктурах графен / нитрид бора / графен. Nat. Nanotechnol. 9 , 808–813 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 18.

    Fallahazad, B. et al. Регулируемое затвором резонансное туннелирование в двухслойных гетероструктурах графена. Nano Lett. 15 , 428–433 (2015).

    Артикул Google ученый

  • 19.

    Чен, Дж., Рид, М., Роулетт, А. и Тур, Дж. Большие отношения включения-выключения и отрицательное дифференциальное сопротивление в молекулярном электронном устройстве. Наука 286 , 1550–1552 (1999).

    Артикул Google ученый

  • 20.

    Perrin, M. L. et al. Большая отрицательная дифференциальная проводимость в переходах одиночных молекул. Nat. Nanotechnol. 9 , 830–834 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 21.

    Bhattacharyya, S. et al. Резонансное туннелирование и быстрое переключение в структурах с квантовыми ямами из аморфного углерода. Nat. Матер. 5 , 19–22 (2006).

    Артикул Google ученый

  • 22.

    Roy, T. et al. MoS 2 / WSe 2 туннельные диоды и транзисторы Ван-дер-Ваальса с двойным затвором. АСУ Нано 9 , 2071–2079 (2015).

    Артикул Google ученый

  • 23.

    Yan, R. et al. Диоды Эсаки в гетеропереходах Ван-дер-Ваальса с щелевым выравниванием энергетических зон. Nano Lett. 15 , 5791–5798 (2015).

    Артикул Google ученый

  • 24.

    Burg, G. W. et al. Когерентное межслоевое туннелирование и отрицательное дифференциальное сопротивление с высокой плотностью тока в двухслойных гетероструктурах графен – WSe 2 . Nano Lett. 17 , 3919–3925 (2017).

    Артикул Google ученый

  • 25.

    Shim, J. et al. Устройство отрицательного дифференциального сопротивления на основе гетероперехода фосфора / дисульфида рения для многозначной логики. Nat. Commun. 7 , 13413 (2016).

    Артикул Google ученый

  • 26.

    Sarkar, D. et al. Субтермионный туннельный полевой транзистор с атомарно тонким каналом. Природа 526 , 91–95 (2015).

    Артикул Google ученый

  • 27.

    Li, L. et al. Полевые транзисторы с черным фосфором. Nat. Nanotechnol. 9 , 372–377 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 28.

    Li, T. et al. Транспортировка в сильном поле высокопроизводительных транзисторов с черным фосфором. Заявл. Phys. Lett. 110 , 372 (2017).

    Google ученый

  • 29.

    Xiong, X. et al. Высокопроизводительные электронные и фотонные устройства с черным фосфором и диэлектриком HfLaO. IEEE Electron Device Lett. 39 , 127–130 (2017).

    Артикул Google ученый

  • 30.

    Кастелланос-Гомес, А. Черный фосфор: узкий зазор, широкое применение. J. Phys. Chem. Lett. 6 , 4280–4291 (2015).

    Артикул Google ученый

  • 31.

    Cai, Y., Zhang, G. & Zhang, Y.-W. Зависимое от слоев выравнивание полос и работа выхода многослойного фосфора. Sci. Отчет 4 , 6677 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 32.

    Асахина Х. и Морита А. Полосная структура и оптические свойства черного фосфора. J. Phys. C 17 , 1839–1852 (2000).

    Артикул Google ученый

  • 33.

    Ся, Ф., Ван, Х. и Цзя, Ю. Новое открытие черного фосфора как анизотропного слоистого материала для оптоэлектроники и электроники. Nat. Commun. 5 , 4458 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 34.

    Ду, Й., Лю, Х., Дэн, Й. и Е, П. Д. Перспективы устройства для полевых транзисторов с черным фосфором: контактное сопротивление, амбиполярное поведение и масштабирование. ACS Nano 8 , 10035–10042 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 35.

    Li, X.и другие. Механизмы флуктуации тока в амбиполярных полевых транзисторах с черным фосфором. Наноразмер 8 , 3572–3578 (2016).

    Артикул Google ученый

  • 36.

    Сзе, С. М. и Нг, К. К. Физика полупроводниковых приборов (Wiley, 2006).

  • 37.

    Кастальский, А., Лурый, С. Новые устройства для переноса горячих электронов в реальном пространстве. IEEE Electron Device Lett. 4 , 334–336 (1983).

    Артикул Google ученый

  • 38.

    Кастальский А. и др. Полевой транзистор с отрицательным дифференциальным сопротивлением. IEEE Electron Device Lett. 5 , 57–60 (1984).

    Артикул Google ученый

  • 39.

    Лу, Х. и Сибо А. Туннельные полевые транзисторы: современное состояние. IEEE J. Electron Devices Soc. 2 , 44–49 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 40.

    Ota, H. et al. Полностью связанное трехмерное моделирование FinFET-транзисторов с отрицательной емкостью для интеграции менее 10 нм. В IEEE Int. Electron Devices Meeting 318–321 (IEEE, 2016).

  • 41.

    Si, M. et al. Крутая отрицательная емкость без гистерезиса MoS 2 транзисторов. Nat. Nanotechnol. 13 , 24–28 (2018).

    Артикул Google ученый

  • 42.

    Ганджипур Б., Валлентин Дж., Боргстрём М. Т., Самуэльсон Л. и Теландер С. Туннельные полевые транзисторы на основе нанопроволок гетероструктуры InP-GaAs. ACS Nano 6 , 3109–3113 (2012).

    Артикул Google ученый

  • 43.

    Dewey, G. et al. Изготовление, характеристика и физика транзисторов с туннельным полевым эффектом на гетеропереходах III – V (H-TFET) для крутых подпороговых колебаний. В IEEE Int.Electron Devices Meeting 785–788 (IEEE, 2011).

  • 44.

    Салахуддин, С. и Датта, С. Использование отрицательной емкости для усиления напряжения для маломощных наноразмерных устройств. Nano Lett. 8 , 405–410 (2008).

    Артикул Google ученый

  • 45.

    Затем H. W. et al. Экспериментальное наблюдение и физика «отрицательной» емкости и подпорогового размаха более 40 мВ / декада в Al 0.83 In 0,17 N / AlN / GaN MOS-HEMT на подложке SiC. В IEEE Int. Electron Devices Meeting 691–694 (IEEE, 2013).

  • Новое устройство для защиты от электростатического разряда в глубоких субмикронных технологиях SOI

    Полевой диод (FED): новое устройство для защиты от электростатического разряда в глубоких субмикронных технологиях SOI

    Akram A. Salman, Stephen G. Биби, Мостафа Эмам1, Марио М. Пелелла, Димитрис Э. Иоанну1

    Advanced Micro Devices, One AMD Place, Саннивейл, Калифорния, 94088

    1 Университет Джорджа Мейсона, факультет электротехники и вычислительной техники, 4400 University Drive, Fairfax, VA, 22030

    Abstract

    В этой статье мы представляем полевой диод (FED) как новое устройство

    с новым подходом к защите от электростатического разряда в SOI.

    Параметры устройства определены и оптимизированы для достижения оптимального поведения при включении и выключении

    . Кроме того, мы представляем два

    способа использования FED в схеме защиты от электростатического разряда: в зажиме ввода / вывода

    и в зажиме источника высокого напряжения.

    Введение

    Технология SOI оказалась привлекательной для будущих полупроводниковых изделий

    благодаря своим преимуществам в производительности

    по сравнению с аналогичными массовыми технологиями (1). Тем не менее, защита от электростатического разряда

    (ESD) для устройств SOI остается сложной задачей из-за наличия скрытого оксида (BOX),

    , что приводит к повышенному самонагреву и исключает простую интеграцию

    обычных устройств защиты от электростатического разряда, таких как как

    вертикальных диодов или SCR.Несмотря на трудности, упомянутые выше

    , было введено несколько устройств защиты SOI ESD

    , в том числе боковые диоды (2), транзисторы NMOS с заземленным затвором (GGNMOS)

    с блокировкой силицида (3) и, недавно,

    , устройства SCR. (4). Эти устройства показали приемлемые характеристики ESD

    , но имеют некоторые недостатки, например, диодная защита

    не позволяет локальное ограничение, GGNMOS

    имеет относительно низкий ток второго пробоя (It2), а устройства SCR

    не переключаются быстро. Достаточно для защиты от стрессовых событий

    CDM.По мере развития технологии SOI от плоских устройств

    к вертикальным устройствам, таким как FINFET с двойным затвором (5), уровни ESD

    еще больше ухудшаются, делая некоторые устройства защиты

    бесполезными (например, GGNMOS) (6). Другие решения для

    , улучшающие характеристики КНИ от электростатического разряда, включают установку диодов защиты от электростатического разряда

    под скрытым оксидом (подложка

    диод), что позволяет КНИ иметь сравнимый уровень защиты от электростатического разряда

    с уровнем диодов в массивном корпусе (7).Новое устройство, а именно полевой диод

    с эффектом (FED), было представлено для использования в приложениях с высокоскоростной логикой

    (8), а аналогичная концепция устройства была представлена ​​

    для очень низкой подпороговой крутизны, т. Е. , ИМОС (9). В

    этой статье мы представляем новый подход к защите от электростатического разряда в

    SOI с использованием концепции FED. В следующих разделах мы представляем режимы работы

    FED, а затем изучаем его параметры, такие как

    напряжение включения (Vdon), емкость (Cd) и кривые I-V линии передачи

    , пульсирующие (TLP) (10).Мы также покажем, как FED

    можно использовать для локального зажима, а также для высоковольтных зажимов питания

    .

    Структура и режимы работы полевого диода

    На рис. 1 представлена ​​схема КНИ ФЭД. Структура

    похожа на боковой SOI-диод P-body с двумя затворами по каналу

    длин LG1 и LG2. В таблице 1 показаны состояния FED

    при различных смещениях затвора. При нормальной работе первый затвор

    , G1 смещен высоко относительно второго затвора, G2,

    , создавая перевернутое тело N G1.В этом состоянии диод действует как

    диодная структура PNPN с тремя созданными переходами (J1, J2

    и J3). J1 и J3 — это переходы с прямым смещением, а J2 — переход с обратным смещением

    . J1 и J2 будут называться временными переходами

    , поскольку они могут быть созданы или свернуты

    в зависимости от смещения затвора G1, в то время как J3 будет называться постоянным переходом

    , поскольку это исходный встроенный PN переход.

    Когда G1 высокий по отношению к G2, создаются временные переходы J1

    и J2, и большая часть анодного напряжения падает

    на обратном смещении J2, тем самым предотвращая прохождение тока от

    через FED (состояние ВЫКЛ.) .Во время события ESD,

    FED переключается в другое состояние, в котором G1 остается плавающим или закороченным на G2,

    замыкается на G2, сжимая временные соединения

    и позволяя FED действовать как одно соединение PN. Рис. 2 показывает

    полосовую диаграмму FED на линии разреза A-A для состояния OFF

    (высокий VG, высокий Vd). На рисунке показано расположение трех переходов

    , а уровень Ферми показывает, что большая часть напряжения на диоде

    приложена к переходу J2.Обратите внимание, что у FED

    уменьшенная утечка и емкость в выключенном состоянии (т.е. нормальная работа

    ) из-за наличия трех последовательных переходов,

    , один из которых имеет обратное смещение. Одним из критических параметров FED

    является напряжение включения (Vdon), определяемое как напряжение

    , необходимое для прямого тока 1 мкА / мкм. Пленка КНИ

    толщиной

    (TSOI) является ключевым параметром устройства, определяющим Vdon.

    Другие факторы, влияющие на Vdon, включают легирование P-образной лунки

    (NA), длину затвора LG1 и LG2 и поли-легирование двух затворов

    .

    Рис. 1. Схема двухзатворного полевого диода с затворами, обозначенными как G1

    и G2. Заштрихованные области показывают расположение временных переходов

    (J1 и J2) и постоянного перехода J3.

    Постоянный

    unction

    КОРОБКА

    — сварка N +

    P +

    КОРОБКА

    P + N +

    J1 J2 J3

    LG2

    P- (подложка)

    G1 G2

    Временное соединение

    LG1

    TSOI

    Постоянное соединение

    AA

    Анод и катод

    ©

    1-4244-0439-8 / 06 / $ 20.00 2006 IEEE

    Engineering: Полевой транзистор — HandWiki

    Краткое описание : Тип транзистора

    Вид в разрезе полевого транзистора, показывающий клеммы истока , затвора и затвора и стока

    Полевой транзистор ( FET ) — это тип транзистора, который использует электрическое поле для управления потоком тока в полупроводнике. Полевые транзисторы — это устройства с тремя выводами: исток , затвор и сток .Полевые транзисторы управляют потоком тока путем приложения напряжения к затвору, которое, в свою очередь, изменяет проводимость между стоком и истоком. Полевые транзисторы

    также известны как униполярные транзисторы , поскольку они предполагают работу с одной несущей. То есть полевые транзисторы используют в качестве носителей заряда либо электроны, либо дырки, но не то и другое вместе. Существует много различных типов полевых транзисторов. Полевые транзисторы обычно демонстрируют очень высокое входное сопротивление на низких частотах.Наиболее широко используемым полевым транзистором является MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник).

    История

    Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1925 году.

    Концепция полевого транзистора (FET) была впервые запатентована австро-венгерским физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 г. [1] и Оскаром Хайлем в 1934 г., но им не удалось создать работающее практическое полупроводниковое устройство на основе концепция.Эффект транзистора был позже обнаружен и объяснен Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном во время работы под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs в 1947 году, вскоре после истечения 17-летнего срока действия патента. Первоначально Шокли пытался создать рабочий полевой транзистор, пытаясь модулировать проводимость полупроводника, но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностными состояниями, оборванной связью и материалами соединений германия и меди. В ходе попыток понять загадочные причины их неспособности построить работающий полевой транзистор, это привело к тому, что Бардин и Браттейн вместо этого изобрели транзистор с точечным контактом в 1947 году, за которым в 1948 году последовал биполярный транзистор Шокли. [2] [3]

    Первым успешно построенным полевым транзистором был соединительный полевой транзистор (JFET). [2] JFET был впервые запатентован Генрихом Велкером в 1945 году. [4] Транзистор статической индукции (SIT), тип JFET с коротким каналом, был изобретен японскими инженерами Дзюн-ичи Нисидзава и Ю. Ватанабэ в 1950 году. Следуя теоретической работе Шокли о JFET в 1952 году, Джордж Ф. Дейси и Ян М. создали рабочий практический JFET.Росс в 1953 году. [5] Однако JFET все еще имел проблемы, влияющие на транзисторы в целом. [6] Переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в серийном производстве, что ограничивало их ряд специализированных приложений. Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET) теоретизировался как потенциальная альтернатива переходным транзисторам, но исследователи не смогли создать работающие IGFET-транзисторы, в основном из-за проблемного барьера поверхностного состояния, который не позволял внешнему электрическому полю проникать в материал. [6] К середине 1950-х исследователи в значительной степени отказались от концепции полевых транзисторов и вместо этого сосредоточились на технологии биполярных переходных транзисторов (BJT). [7]

    Основы технологии MOSFET были заложены работами Уильяма Шокли, Джона Бардина и Уолтера Браттейна. Шокли независимо друг от друга представил концепцию полевого транзистора в 1945 году, но он не смог построить работающее устройство. В следующем году Бардин объяснил свою неудачу поверхностными состояниями. Бардин применил теорию поверхностных состояний к полупроводникам (предыдущие работы по поверхностным состояниям были выполнены Шокли в 1939 году и Игорем Таммом в 1932 году) и понял, что внешнее поле блокируется на поверхности из-за дополнительных электронов, которые притягиваются к поверхности полупроводника.Электроны попадают в эти локализованные состояния, образуя инверсионный слой. Гипотеза Бардина ознаменовала рождение физики поверхности. Затем Бардин решил использовать инверсионный слой вместо очень тонкого слоя полупроводника, который Шокли предполагал в своих конструкциях полевых транзисторов. Основываясь на своей теории, в 1948 году Бардин запатентовал прародителя MOSFET, полевого транзистора с изолированным затвором (IGFET) с инверсионным слоем. Инверсионный слой ограничивает поток неосновных носителей, увеличивая модуляцию и проводимость, хотя его перенос электронов зависит от изолятора затвора или качества оксида, если он используется в качестве изолятора, нанесенного над инверсионным слоем.Патент Бардина, а также концепция инверсионного слоя составляют основу современной КМОП-технологии. В 1976 году Шокли описал гипотезу состояния поверхности Бардина «как одну из наиболее значительных исследовательских идей в программе полупроводников». [8]

    После теории поверхностных состояний Бардина трио попыталось преодолеть влияние поверхностных состояний. В конце 1947 года Роберт Гибни и Браттейн предложили использовать электролит, помещенный между металлом и полупроводником, чтобы преодолеть эффекты поверхностных состояний.Их полевой транзистор работал, но усиление было плохим. Бардин пошел дальше и предложил сосредоточиться на проводимости инверсионного слоя. Дальнейшие эксперименты привели к замене электролита твердым оксидным слоем в надежде получить лучшие результаты. Их цель — проникнуть в оксидный слой и попасть в инверсионный слой. Однако Бардин предложил им перейти с кремния на германий, и при этом их оксид случайно смылся. Они наткнулись на совершенно другой транзистор, точечный транзистор.Лилиан Ходдесон утверждает, что «если бы Браттейн и Бардин работали с кремнием вместо германия, они бы наткнулись на успешный полевой транзистор». [8] [9] [10] [11] [12]

    К концу первой половины 1950-х годов, после теоретических и экспериментальных работ Бардина, Браттейна, Кингстона, Моррисон и другие, стало более ясно, что существует два типа поверхностных состояний. Было обнаружено, что быстрые поверхностные состояния связаны с объемом и границей раздела полупроводник / оксид.Было обнаружено, что медленные поверхностные состояния связаны со слоем оксида из-за адсорбции атомов, молекул и ионов оксидом из окружающей среды. Последние оказались гораздо более многочисленными и имели гораздо более длительные времена релаксации. В то время Фило Фарнсворт и другие разработали различные методы получения атомарно чистых полупроводниковых поверхностей.

    В 1955 году Карл Фрош и Линкольн Деррик случайно покрыли поверхность кремниевой пластины слоем диоксида кремния.Они показали, что оксидный слой предотвращает попадание одних примесей в кремниевую пластину, в то время как допускает другие, таким образом обнаруживая пассивирующий эффект окисления на поверхности полупроводника. Их дальнейшая работа продемонстрировала, как вытравливать небольшие отверстия в оксидном слое для диффузии примесей в выбранные области кремниевой пластины. В 1957 году они опубликовали исследовательскую работу и запатентовали свою методику, обобщающую их работу. Разработанный ими метод известен как маскирование диффузии оксидов, которое позже будет использоваться при изготовлении полевых МОП-транзисторов.В Bell Labs сразу же осознали важность техники Фроша. Результаты их работы распространились по Bell Labs в виде записок BTL до того, как были опубликованы в 1957 году. В Shockley Semiconductor Шокли разослал препринт своей статьи в декабре 1956 года всем своим старшим сотрудникам, включая Джин Хорни. [6] [13] [14]

    В 1955 году Ян Манро Росс подал патент на FeFET или MFSFET. Его структура была похожа на структуру современного полевого МОП-транзистора с инверсионным каналом, но в качестве диэлектрика / изолятора вместо оксида использовался сегнетоэлектрический материал.Он представлял это как форму памяти за много лет до MOSFET с плавающим затвором. В феврале 1957 года Джон Уоллмарк подал патент на полевой транзистор, в котором моноксид германия использовался в качестве диэлектрика затвора, но он не стал реализовывать эту идею. В другом своем патенте, поданном в том же году, он описал полевой транзистор с двойным затвором. В марте 1957 года в своем лабораторном блокноте Эрнесто Лабате, научный сотрудник Bell Labs, задумал устройство, подобное предложенному позже MOSFET, хотя в устройстве Лабате явно не использовался диоксид кремния в качестве изолятора. [15] [16] [17] [18]

    Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET)

    Основная страница: Engineering: MOSFET
    Мохамед Аталла (слева) и Давон Канг (справа) изобрели MOSFET (полевой транзистор MOS) в 1959 году.

    Прорыв в исследованиях полевых транзисторов произошел с работой египетского инженера Мохамеда Аталлы в конце 1950-х годов. [3] В 1958 году он представил экспериментальную работу, которая показала, что увеличение толщины оксида кремния на чистой поверхности кремния приводит к нейтрализации поверхностных состояний.Это известно как пассивация поверхности, метод, который стал критически важным для полупроводниковой промышленности, поскольку он сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем. [19] [20]

    Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году. [21] [22] MOSFET в значительной степени заменил как биполярный транзистор, так и JFET, [2] и оказал огромное влияние на развитие цифровой электроники. [23] [22] Благодаря своей высокой масштабируемости, [24] , гораздо более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у биполярных транзисторов, [25] , полевой МОП-транзистор сделал возможным создание интегральных схем высокой плотности . [26] MOSFET также может работать с более высокой мощностью, чем JFET. [27] MOSFET был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений. [6] Таким образом, полевой МОП-транзистор стал наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике, [20] и коммуникационных технологиях (например, в смартфонах). [28] Управление по патентам и товарным знакам США называет это «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире». [28]

    CMOS (дополнительная МОП), процесс изготовления полупроводниковых устройств для полевых МОП-транзисторов, был разработан Чих-Тан Сахом и Фрэнком Ванлассом в Fairchild Semiconductor в 1963 году. [29] [30] Первый отчет МОП-транзистор с плавающим затвором был изготовлен Давоном Кангом и Саймоном Сзе в 1967 году. [31] МОП-транзистор с двойным затвором был впервые продемонстрирован в 1984 году исследователями из электротехнической лаборатории Тошихиро Секигава и Ютакой Хаяши. [32] [33] FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип трехмерного неплоского многозатворного полевого МОП-транзистора, возник в результате исследования Дая Хисамото и его команды в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. [34] [35]

    Основная информация

    полевые транзисторы могут быть устройствами с основными носителями заряда, в которых ток переносится преимущественно по основным носителям, или устройствами с неосновными носителями заряда, в которых ток в основном возникает из-за потока неосновных носителей. [36] Устройство состоит из активного канала, по которому носители заряда, электроны или дырки, текут от истока к стоку. Провода истока и стока подключаются к полупроводнику через омические контакты. Проводимость канала является функцией потенциала, приложенного к клеммам затвора и истока.

    Три терминала полевого транзистора: [37]

    1. источник (S), через который несущие попадают в канал. Обычно ток, поступающий в канал в точке S, обозначается I S .
    2. слив (D), через который носители покидают канал. Обычно ток, поступающий в канал в точке D, обозначается I D . Напряжение сток-исток составляет В DS .
    3. gate (G), терминал, который модулирует проводимость канала. Подавая напряжение на G, можно управлять I D .

    Подробнее о терминалах

    Поперечное сечение полевого МОП-транзистора n-типа

    Все полевые транзисторы имеют выводы истока , стока и затвора , которые примерно соответствуют эмиттеру , коллектору и основанию биполярных транзисторов.Большинство полевых транзисторов имеют четвертый вывод, называемый корпусом , основанием , массивом или подложкой . Этот четвертый вывод служит для смещения транзистора в работу; редко используется нетривиальный вывод корпуса в схемотехнике, но его наличие важно при настройке физической схемы интегральной схемы. Размер затвора, длина L на схеме, — это расстояние между истоком и стоком. Ширина является расширением транзистора в направлении, перпендикулярном поперечному сечению на схеме (т.е.е., в / из экрана). Обычно ширина намного больше длины ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 мкм до примерно 30 ГГц.

    Названия терминалов относятся к их функциям. Терминал ворот можно рассматривать как управляющий открытием и закрытием физических ворот. Этот затвор позволяет электронам проходить через или блокирует их прохождение, создавая или устраняя канал между истоком и стоком. На поток электронов от вывода истока к выводу стока влияет приложенное напряжение.Под телом понимается основная часть полупроводника, в котором находятся затвор, исток и сток. Обычно вывод на корпусе подключается к самому высокому или самому низкому напряжению в цепи, в зависимости от типа полевого транзистора. Вывод на корпусе и вывод источника иногда соединяются вместе, поскольку источник часто подключается к самому высокому или наименьшему напряжению в цепи, хотя есть несколько применений полевых транзисторов, которые не имеют такой конфигурации, например, затворы передачи и каскодные схемы.

    Влияние напряжения затвора на ток

    ВАХ и выходной график n-канального JFET-транзистора. Результат моделирования для правой стороны: формирование канала инверсии (электронная плотность) и левой стороны: кривая напряжения на затворе (передаточные характеристики) в n-канальном полевом МОП-транзисторе с нанопроволокой. Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В. Типы условных обозначений на полевых транзисторах

    Полевой транзистор управляет потоком электронов (или электронных дырок) от истока к стоку, влияя на размер и форму «проводящего канала», создаваемого напряжением (или отсутствием напряжения), приложенным к клеммам затвора и истока.(Для простоты в этом обсуждении предполагается, что корпус и исток соединены.) Этот проводящий канал является «потоком», через который электроны текут от истока к стоку.

    n-канальный полевой транзистор

    В устройстве n-канала «обедненного режима» отрицательное напряжение затвор-исток заставляет обедненную область расширяться по ширине и вторгаться в канал с боков, сужая канал. Если активная область расширяется, чтобы полностью закрыть канал, сопротивление канала от истока к стоку становится большим, и полевой транзистор эффективно выключается, как переключатель (см. Правый рисунок, когда есть очень маленький ток).Это называется «отсечкой», а напряжение, при котором это происходит, называется «отсечным напряжением». И наоборот, положительное напряжение затвор-исток увеличивает размер канала и позволяет электронам легко течь (см. Правый рисунок, когда есть канал проводимости и ток большой).

    В n-канальном устройстве «улучшенного режима» токопроводящий канал в транзисторе не существует, и для его создания необходимо положительное напряжение затвор-исток. Положительное напряжение привлекает свободно плавающие электроны внутри тела к затвору, образуя проводящий канал.Но сначала необходимо привлечь достаточно электронов возле затвора, чтобы противодействовать ионам легирующей примеси, добавленным в тело полевого транзистора; это формирует область без мобильных носителей, называемую областью истощения, а напряжение, при котором это происходит, называется пороговым напряжением полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения затвор-исток привлечет еще больше электронов к затвору, которые смогут активным каналом от истока к стоку; этот процесс называется инверсией .

    p-канальный полевой транзистор

    В устройстве p-канала «обедненного режима» положительное напряжение от затвора к телу расширяет обедненный слой, заставляя электроны двигаться к границе затвор-изолятор / полупроводник, оставляя открытой без носителей область неподвижного, положительно заряженного акцепторные ионы.

    И наоборот, в устройстве «улучшенного режима» с р-каналом проводящая область не существует, и для создания проводящего канала необходимо использовать отрицательное напряжение.

    Влияние напряжения сток-исток на канале

    Для устройств с расширенным или обедненным режимом при напряжениях сток-исток, намного меньших, чем напряжения затвор-исток, изменение напряжения затвора изменит сопротивление канала, а ток стока будет пропорционален напряжению стока (относительно напряжение источника).В этом режиме полевой транзистор работает как переменный резистор, и говорят, что полевой транзистор работает в линейном или омическом режиме. [38] [39]

    Если напряжение сток-исток увеличивается, это приводит к значительному асимметричному изменению формы канала из-за градиента потенциала напряжения от истока к стоку. Форма области инверсии становится «защемленной» около дренажного конца канала. При дальнейшем увеличении напряжения сток-исток точка отсечки канала начинает перемещаться от стока к истоку.Сообщается, что полевой транзистор находится в режиме насыщения ; [40] , хотя некоторые авторы называют его активным режимом для лучшей аналогии с рабочими областями биполярного транзистора. [41] [42] Режим насыщения или область между омическим состоянием и насыщением используется, когда необходимо усиление. Промежуточная область иногда считается частью омической или линейной области, даже если ток стока не является приблизительно линейным с напряжением стока.

    Даже несмотря на то, что проводящий канал, образованный напряжением затвор-исток, больше не соединяет исток со стоком в режиме насыщения, поток несущих не блокируется. Рассматривая снова n-канальное устройство с улучшенным режимом, в корпусе p-типа существует обедненная область, окружающая проводящий канал, а также области стока и истока. Электроны, составляющие канал, могут свободно выходить из канала через область обеднения, если они притягиваются к стоку напряжением сток-исток.Область обеднения свободна от носителей и имеет сопротивление, подобное кремнию. Любое увеличение напряжения сток-исток увеличит расстояние от стока до точки отсечки, увеличивая сопротивление области истощения пропорционально приложенному напряжению сток-исток. Это пропорциональное изменение приводит к тому, что ток сток-исток остается относительно постоянным, независимо от изменений напряжения сток-исток, в отличие от его омического поведения в линейном режиме работы. Таким образом, в режиме насыщения полевой транзистор ведет себя как источник постоянного тока, а не как резистор, и может эффективно использоваться в качестве усилителя напряжения.В этом случае напряжение затвор-исток определяет уровень постоянного тока через канал.

    Композиция

    полевых транзисторов могут быть построены из различных полупроводников, из которых кремний является наиболее распространенным. Большинство полевых транзисторов изготавливаются из обычных массивных методы обработки полупроводников с использованием монокристаллической полупроводниковой пластины в качестве активной области или канала.

    Среди наиболее необычных материалов корпуса — аморфный кремний, поликристаллический кремний или другие аморфные полупроводники в тонкопленочных транзисторах или органические полевые транзисторы (OFET), основанные на органических полупроводниках; Часто изоляторы и электроды затворов OFET также изготавливаются из органических материалов.Такие полевые транзисторы изготавливаются с использованием различных материалов, таких как карбид кремния (SiC), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и арсенид индия-галлия (InGaAs).

    В июне 2011 года IBM объявила об успешном использовании полевых транзисторов на основе графена в интегральной схеме. [43] [44] Эти транзисторы имеют частоту среза около 2,23 ГГц, что намного выше, чем у стандартных кремниевых полевых транзисторов. [45]

    Типы

    Полевые транзисторы обедненного типа при типичных напряжениях: JFET, поликремниевый MOSFET, двухзатворный MOSFET, MOSFET с металлическим затвором, MESFET.

    Истощение

    Электроны

    Отверстия

    Металл

    Изолятор

    Вверху: исток, внизу: сток, слева: затвор, справа: массив. Напряжения, приводящие к образованию каналов, не показаны.

    Канал полевого транзистора легирован для получения полупроводника n-типа или полупроводника p-типа. Сток и исток могут быть легированы противоположным типом по отношению к каналу, в случае полевых транзисторов режима улучшения, или легированы легированием аналогичного типа по отношению к каналу, как в полевых транзисторах режима обеднения.Полевые транзисторы также различаются по способу изоляции между каналом и затвором. Типы полевых транзисторов включают:

    • MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) использует изолятор (обычно SiO 2 ) между затвором и корпусом. Это, безусловно, самый распространенный тип полевых транзисторов.
      • DGMOSFET (МОП-транзистор с двумя затворами) или DGMOS, полевой МОП-транзистор с двумя изолированными затворами.
      • IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) — это устройство для управления мощностью.Он имеет структуру, похожую на полевой МОП-транзистор, соединенный с биполярным основным проводящим каналом. Они обычно используются в диапазоне рабочего напряжения сток-исток 200–3000 В. Силовые полевые МОП-транзисторы по-прежнему являются предпочтительным устройством для напряжений сток-исток от 1 до 200 В.
      • JLNT (транзистор с нанопроволокой без переходов) представляет собой тип полевого транзистора (FET), канал которого представляет собой одну или несколько нанопроволок и не имеет никакого перехода.
      • MNOS (транзистор металл-нитрид-оксид-полупроводник) использует изолятор из слоя нитрида-оксида между затвором и корпусом.
      • ISFET (ионно-чувствительный полевой транзистор) может использоваться для измерения концентрации ионов в растворе; когда концентрация ионов (например, H + , см. pH-электрод) изменяется, ток через транзистор соответственно изменится.
      • BioFET (Биологически чувствительный полевой транзистор) — это класс датчиков / биосенсоров, основанных на технологии ISFET, которые используются для обнаружения заряженных молекул; когда присутствует заряженная молекула, изменения электростатического поля на поверхности BioFET приводят к измеримому изменению тока через транзистор.К ним относятся модифицированные ферментом полевые транзисторы (EnFET), иммунологически модифицированные полевые транзисторы (ImmunoFET), генно-модифицированные полевые транзисторы (GenFET), ДНК-полевые транзисторы, клеточные полевые транзисторы BioFET (CPFET), полевые транзисторы «жук / чип» (BeetleFET) и полевые транзисторы на основе ионных каналов / связывание с белками. [46]
      • DNAFET (полевой транзистор ДНК) — это специализированный полевой транзистор, который действует как биосенсор, используя вентиль, сделанный из одноцепочечных молекул ДНК, для обнаружения совпадающих цепей ДНК.
    • JFET (JFET) использует p – n-переход с обратным смещением для отделения затвора от корпуса.
    • DEPFET — это полевой транзистор, сформированный на полностью обедненной подложке, который одновременно действует как датчик, усилитель и узел памяти. Его можно использовать как датчик изображения (фотона).
    • FREDFET (эпитаксиальный диодный полевой транзистор с быстрым реверсом или быстрым восстановлением) — это специализированный полевой транзистор, предназначенный для обеспечения очень быстрого восстановления (выключения) внутреннего диода, что делает его удобным для управления индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, особенно средней мощности. бесщеточные двигатели постоянного тока.
    • HIGFET (гетероструктурный полевой транзистор с изолированным затвором) в настоящее время используется в основном в исследовательских целях. [47]
    • MODFET (полевой транзистор с модуляционным легированием) — это транзистор с высокой подвижностью электронов, использующий структуру с квантовыми ямами, образованную градиентным легированием активной области.
    • TFET (туннельный полевой транзистор) основан на межполосном туннелировании. [48]
    • HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов), также называемый HFET (гетероструктурный полевой транзистор), может быть изготовлен с использованием технологии запрещенной зоны в тройном полупроводнике, таком как AlGaAs. Полностью обедненный материал с широкой запрещенной зоной образует изоляцию между затвором и корпусом.
    • MESFET (полевой транзистор металл-полупроводник) заменяет p − n-переход JFET барьером Шоттки; и используется в GaAs и других полупроводниковых материалах AIIIBV.
    • NOMFET — полевой транзистор с органической памятью в виде наночастиц. [49]
    • GNRFET (полевой транзистор с графеновой нанолентой) использует в качестве канала графеновую наноленту. [50]
    • VeSFET (полевой транзистор с вертикальной щелью) представляет собой полевой транзистор квадратной формы без перехода с узкой щелью, соединяющей исток и сток в противоположных углах.Два затвора занимают другие углы и контролируют ток через щель. [51]
    • CNTFET (полевой транзистор из углеродных нанотрубок).
    • OFET (органический полевой транзистор) использует в своем канале органический полупроводник.
    • QFET (транзистор с квантовым полевым эффектом) использует преимущества квантового туннелирования для значительного увеличения скорости работы транзистора за счет исключения традиционной транзисторной области электронной проводимости.
    • SB-FET (полевой транзистор с барьером Шоттки) представляет собой полевой транзистор с металлическими контактными электродами истока и стока, которые создают барьеры Шоттки как на интерфейсах исток-канал, так и сток-канал. [52] [53]
    • GFET — это высокочувствительный полевой транзистор на основе графена, используемый в качестве биосенсоров и химических сенсоров. Благодаря двумерной структуре графена, наряду с его физическими свойствами, GFET-транзисторы предлагают повышенную чувствительность и сокращение случаев «ложных срабатываний» в сенсорных приложениях [54]
    • Fe FET использует сегнетоэлектрик между затвором, позволяя транзистору сохранять свое состояние в отсутствие смещения — такие устройства могут применяться в качестве энергонезависимой памяти.

    Преимущества

    Полевые транзисторы имеют высокое сопротивление току затвор-сток, порядка 100 МОм или более, что обеспечивает высокую степень изоляции между управлением и потоком. Поскольку шум базового тока будет увеличиваться со временем формирования, [55] полевой транзистор обычно производит меньше шума, чем биполярный переходный транзистор (BJT), и встречается в чувствительной к шуму электронике, такой как тюнеры и малошумящие усилители для УКВ и спутников. приемники. Он относительно невосприимчив к радиации.Он не показывает напряжения смещения при нулевом токе стока и является отличным прерывателем сигнала. Обычно он имеет лучшую термическую стабильность, чем BJT. [37]

    Поскольку полевые транзисторы управляются зарядом затвора, при закрытии или открытии затвора не требуется дополнительной мощности, как это было бы с биполярным переходным транзистором или с реле без фиксации в некоторых состояниях. Это позволяет осуществлять переключение с очень низким энергопотреблением, что, в свою очередь, обеспечивает большую миниатюризацию схем, поскольку потребности в рассеивании тепла уменьшаются по сравнению с другими типами переключателей.

    Недостатки

    Полевой транзистор имеет относительно низкое произведение коэффициента усиления и ширины полосы по сравнению с биполярным переходным транзистором. МОП-транзисторы очень чувствительны к перегрузкам, поэтому при установке требуется особое обращение. [56] Хрупкий изолирующий слой полевого МОП-транзистора между затвором и каналом делает его уязвимым для электростатического разряда или изменений порогового напряжения во время работы. Обычно это не проблема после того, как устройство было установлено в правильно спроектированной цепи.

    Полевые транзисторы часто имеют очень низкое сопротивление при включении и высокое сопротивление при выключении. Однако промежуточные сопротивления значительны, и поэтому полевые транзисторы могут рассеивать большое количество энергии при переключении. Таким образом, эффективность может иметь большое значение для быстрого переключения, но это может вызвать переходные процессы, которые могут возбуждать паразитные индуктивности и генерировать значительные напряжения, которые могут возникать на затворе и вызывать непреднамеренное переключение. Поэтому схемы на полевых транзисторах могут потребовать очень тщательной компоновки и могут включать компромисс между скоростью переключения и рассеиваемой мощностью.Также существует компромисс между номинальным напряжением и сопротивлением во включенном состоянии, поэтому высоковольтные полевые транзисторы имеют относительно высокое сопротивление во включенном состоянии и, следовательно, потери проводимости.

    Виды отказа

    Полевые транзисторы относительно надежны, особенно при работе в температурных и электрических ограничениях, установленных производителем (надлежащее снижение номинальных характеристик). Однако современные устройства на полевых транзисторах часто могут содержать корпусный диод. Если характеристики основного диода не принимаются во внимание, полевой транзистор может работать медленно, когда паразитный транзистор включается и позволяет потреблять высокий ток от стока к истоку, когда полевой транзистор выключен. [57]

    использует

    Наиболее часто используемый полевой транзистор — это полевой МОП-транзистор. Технологический процесс CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник) является основой современных цифровых интегральных схем. В этом технологическом процессе используется схема, в которой (обычно «режим улучшения») p-канальный MOSFET и n-канальный MOSFET соединены последовательно, так что, когда один из них включен, другой выключен.

    В полевых транзисторах электроны могут течь через канал в любом направлении при работе в линейном режиме.Соглашение об именах выводов стока и истока несколько произвольно, поскольку устройства обычно (но не всегда) построены симметрично от истока до стока. Это делает полевые транзисторы подходящими для переключения аналоговых сигналов между трактами (мультиплексирование). Используя эту концепцию, можно, например, сконструировать твердотельную микшерную панель. Полевой транзистор обычно используется в качестве усилителя. Например, из-за большого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления он эффективен в качестве буфера в конфигурации с общим стоком (истоковый повторитель).

    БТИЗ используются для переключения катушек зажигания двигателей внутреннего сгорания, где важны возможности быстрого переключения и блокировки напряжения.

    Транзистор с истоковым затвором

    Транзисторы с истоковым затвором более устойчивы к производственным и экологическим проблемам в электронике большой площади, такой как экраны дисплеев, но работают медленнее, чем полевые транзисторы. [58]

    См. Также

    Список литературы

    1. ↑ Lilienfeld, J.E. «Способ и устройство для управления электрическим током» Патент США №1 745 175 (подано 8 октября 1926 г .; выдано 28 января 1930 г.).
    2. 2,0 2,1 2,2 Ли, Томас Х. (2003). Конструкция КМОП радиочастотных интегральных схем . Издательство Кембриджского университета . ISBN 9781139643771. https://web.stanford.edu/class/archive/ee/ee214/ee214.1032/Handouts/HO2.pdf.
    3. 3,0 3,1 Пуэрс, Роберт; Бальди, Ливио; Вурде, Марсель Ван де; Ноутен, Себастьян Э. ван (2017). Наноэлектроника: материалы, устройства, приложения, 2 тома . Джон Уайли и сыновья . п. 14. ISBN 9783527340538. https://books.google.com/books?id=JOqVDgAAQBAJ&pg=PA14.
    4. ↑ Грундманн, Мариус (2010). Физика полупроводников . Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-13884-3.
    5. ↑ Дзюн-Ичи Нисидзава (1982). «Переходные полевые устройства». Springer. 241–272. DOI: 10.1007 / 978-1-4684-7263-9_11. ISBN 978-1-4684-7265-3.
    6. 6.0 6,1 6,2 6,3 Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Передовые инновации в материалах: управление глобальными технологиями в 21 веке . Джон Уайли и сыновья . п. 168. ISBN 9780470508923. https://books.google.com/books?id=2STRDAAAQBAJ&pg=PA168.
    7. ↑ «Основа современного цифрового мира: триумф МОП-транзистора». Музей истории компьютеров. 13 июля 2010 г. https://www.youtube.com/watch?v=q6fBEjf9WPw.
    8. 8.0 8,1 Говард Р. Дафф (2001). «Джон Бардин и транзисторная физика». Материалы конференции AIP . 550 . С. 3–32. DOI: 10,1063 / 1,1354371.
    9. ↑ Ханс Камензинд (2005). Разработка аналоговых микросхем . http://www.designinganalogchips.com/.
    10. ULSI Science and Technology / 1997 . 1997. стр. 43. ISBN 9781566771306. https://books.google.com/books?id=I8_O1anzKpsC.
    11. ↑ Лилиан Ходдесон (1994). «Исследования кристаллических выпрямителей во время Второй мировой войны и изобретение транзистора». История и технология 11 (2): 121–130. DOI: 10.1080 / 07341519408581858.
    12. ↑ Майкл Риордан, Лилиан Ходдсон (1997). Хрустальный огонь: рождение информационного века . ISBN 9780393041248.
    13. ↑ Christophe Lécuyer; Дэвид С. Брук; Джей Ласт (2010). Создатели микрочипов: документальная история Fairchild Semiconductor . С. 62–63. ISBN 978-0262014243. https://books.google.com/books?id=LaZpUpkG70QC&pg=PA62.
    14. ↑ Клэйс, Кор Л.(2003). Интеграция процессов ULSI III: Материалы международного симпозиума . Электрохимическое общество. С. 27–30. ISBN 978-1566773768. https://books.google.com/books?id=bu22JNYbE5MC&pg=PA27.
    15. ↑ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media. С. 324. ISBN 978-3540342588.
    16. ↑ Стефан Фердинанд Мюллер (2016). Разработка сегнетоэлектрических запоминающих устройств на основе HfO2 для узлов будущей технологии КМОП .ISBN 97837343.
    17. ↑ Б.Г. Лоу; Р.А. Сарин (2013). Полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения . ISBN 9781466554016.
    18. ↑ Бассетт, Росс Нокс (2007). В цифровую эпоху: исследовательские лаборатории, начинающие компании и рост технологии MOS . Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 22. ISBN 978-0801886393. https://books.google.com/books?id=UUbB3d2UnaAC&pg=PA22.
    19. ↑ «Мартин Аталла в Зале славы изобретателей, 2009». https://www.invent.org/inductees/martin-john-m-atalla.
    20. 20,0 20,1 «Давон Канг». https://www.invent.org/inductees/dawon-kahng.
    21. ↑ «1960 — Металлооксидно-полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован». Кремниевый двигатель (Музей истории компьютеров). https://www.computerhistory.org/siliconengine/metal-oxide-semiconductor-mos-transistor-demonstrated/.
    22. 22,0 22,1 Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media.С. 321–3. ISBN 9783540342588. https://archive.org/details/historysemicondu00loje_697.
    23. ↑ «960 — Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован». Кремниевый двигатель (Музей истории компьютеров). https://www.computerhistory.org/siliconengine/metal-oxide-semiconductor-mos-transistor-demonstrated/.
    24. ↑ Мотоёси, М. (2009). «Сквозной кремниевый переходник (TSV)». Протоколы IEEE 97 (1): 43–48. DOI: 10.1109 / JPROC.2008.2007462.ISSN 0018-9219.
    25. ↑ «Транзисторы поддерживают закон Мура». EETimes . 12 декабря 2018 г. https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1334068.
    26. ↑ «Кто изобрел транзистор?». 4 декабря 2013 г. https://www.computerhistory.org/atchm/who-invented-the-transistor/.
    27. ↑ Дункан, Бен (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука . Эльзевир. п. 177. ISBN 9780080508047. https://books.google.com/books?id=-5UPyE6dcWgC&pg=PA177.
    28. 28,0 28,1 «Выступления директора Янку на Международной конференции по интеллектуальной собственности 2019 года». 10 июня 2019 г. https://www.uspto.gov/about-us/news-updates/remarks-director-iancu-2019-international-intellectual-property-conference.
    29. ↑ «1963: изобретена дополнительная конфигурация схемы МОП». https://www.computerhistory.org/siliconengine/complementary-mos-circuit-configuration-is-invented/.
    30. ↑ Патент США 3102230, подана в 1960 г., выдана в 1963 г.
    31. ↑ Д.Канг и С. М. Сзе, «Плавающий затвор и его применение в устройствах памяти», The Bell System Technical Journal , vol. 46, нет. 4. 1967, с. 1288–1295.
    32. ↑ Colinge, J.P. (2008). FinFET и другие многозатворные транзисторы . Springer Science & Business Media. п. 11. ISBN 9780387717517. https://books.google.com/books?id=t1ojkCdTGEEC&pg=PA11.
    33. ↑ Секигава, Тосихиро; Хаяси, Ютака (1 августа 1984 г.). «Расчетные пороговые характеристики XMOS-транзистора с дополнительным нижним затвором». Твердотельная электроника 27 (8): 827–828. DOI: 10.1016 / 0038-1101 (84) -4. ISSN 0038-1101.
    34. ↑ «Получатели награды IEEE Эндрю С. Гроув». Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. https://www.ieee.org/about/awards/bios/grove-recipients.html.
    35. ↑ «Прорывное преимущество для ПЛИС с технологией Tri-Gate». Intel. 2014. https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/wp/wp-01201-fpga-tri-gate-technology.pdf.
    36. ↑ Джейкоб Миллман (1985). Электронные устройства и схемы . Сингапур: McGraw-Hill International. п. 397. ISBN 978-0-07-085505-2.
    37. 37,0 37,1 Джейкоб Миллман (1985). Электронные устройства и схемы . Сингапур: Макгроу-Хилл. С. 384–385. ISBN 978-0-07-085505-2.
    38. ↑ Galup-Montoro, C .; Шнайдер, М. (2007). MOSFET моделирование для анализа и проектирования схем . Лондон / Сингапур: World Scientific.п. 83. ISBN 978-981-256-810-6. https://archive.org/details/mosfetmodelingfo00schn.
    39. ↑ Норберт Р. Малик (1995). Электронные схемы: анализ, моделирование, проектирование . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice Hall. С. 315–316. ISBN 978-0-02-374910-0.
    40. ↑ Spencer, R.R .; Гаузи, М. (2001). Микроэлектронные схемы . Верхняя река Сэдл, штат Нью-Джерси: Пирсон Образования / Прентис-Холл. п. 102. ISBN 978-0-201-36183-4.
    41. ↑ Sedra, A. S .; Смит, К. (2004). Микроэлектронные схемы (Пятое изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. п. 552. ISBN 978-0-19-514251-8. https://archive.org/details/microelectronicc00sedr_571.
    42. ↑ PR Серый; PJ Hurst; Ш. Льюис; Р. Г. Мейер (2001). Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем (Четвертое изд.). Нью-Йорк: Вили. стр. §1.5.2 с. 45. ISBN 978-0-471-32168-2.
    43. ↑ Боб Йирка (10 января 2011 г.). «IBM создает первую интегральную схему на основе графена». https://phys.org/news/2011-06-ibm-graphene-based-circuit.html.
    44. ↑ Лин, Я.-М .; Valdes-Garcia, A .; Han, S.-J .; Фармер, Д. Б.; Sun, Y .; Wu, Y .; Dimitrakopoulos, C .; Гриль, А и др. . (2011). «Интегральная схема из графена в масштабе пластины». Наука 332 (6035): 1294–1297. DOI: 10.1126 / science.1204428. PMID 21659599.
    45. ↑ Belle Dumé (10 декабря 2012 г.). «Гибкий графеновый транзистор устанавливает новые рекорды». Мир физики . http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/dec/10/f flexible-graphene-transistor-sets-new-records.Проверено 14 января 2019.
    46. ↑ Schöning, Michael J .; Погосян, Аршак (2002). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)». Аналитик 127 (9): 1137–1151. DOI: 10.1039 / B204444G. PMID 12375833. http://juser.fz-juelich.de/record/16078/files/12968.pdf.
    47. ↑ freepatentsonline.com, HIGFET и метод — Motorola]
    48. ↑ Ionescu, A. M .; Риель, Х. (2011). «Туннельные полевые транзисторы как энергоэффективные электронные ключи». Природа 479 (7373): 329–337. DOI: 10,1038 / природа10679. PMID 22094693.
    49. ↑ «Органический транзистор открывает путь для нового поколения компьютеров, вдохновленных нейро». ScienceDaily . 29 января 2010 г. https://www.sciencedaily.com/releases/2010/01/100125122101.htm.
    50. ↑ Sarvari H .; Ghayour, R .; Дастджерды, Э. (2011). «Частотный анализ полевого транзистора графеновой наноленты с помощью неравновесной функции Грина в пространстве мод». Physica E: низкоразмерные системы и наноструктуры 43 (8): 1509–1513.DOI: 10.1016 / j.physe.2011.04.018.
    51. ↑ Ежи Рузилло (2016). Глоссарий по полупроводникам: ресурс для полупроводникового сообщества . World Scientific. п. 244. ISBN 978-981-4749-56-5. https://books.google.com/books?id=UlItDQAAQBAJ&pg=PA244.
    52. ↑ «Навстречу нанопроволочной электронике». Транзакции IEEE на электронных устройствах 55 (11): 2827–2845. Ноябрь 2008 г. doi: 10.1109 / ted.2008.2008011. ISSN 0018-9383. OCLC 755663637. https://docs.lib.purdue.edu/nanodocs/174.
    53. ↑ Пракаш, Абхиджит; Илатихамене, Хесамеддин; Ву, Пэн; Аппенцеллер, Йорг (2017). «Понимание контактного стробирования в транзисторах с барьером Шоттки из 2D каналов». Научные отчеты 7 (1): 12596. DOI: 10.1038 / s41598-017-12816-3. ISSN 2045-2322. OCLC 1010581463. PMID 28974712.
    54. ↑ Миклош, Больца. «Что такое транзисторы с графеновым полевым эффектом (GFET)?». https://www.graphenea.com/pages/what-are-graphene-field-effect-transistors-gfets.
    55. ↑ VIII.5. Шум в транзисторах.
    56. ↑ Аллен Моттерсхед (2004). Электронные устройства и схемы siraj . Нью-Дели: Прентис-Холл Индии. ISBN 978-81-203-0124-5.
    57. ↑ Отказ медленных диодов полевых транзисторов (FET): пример из практики.
    58. ↑ Sporea, R.A .; Трейнор, M.J .; Young, N.D .; Сильва, С. (2014). «Транзисторы с истоковым затвором для улучшения характеристик тонкопленочных цифровых схем на порядок». Научные отчеты 4 : 4295.DOI: 10,1038 / srep04295. PMID 24599023.

    Внешние ссылки

    jfet — Junction Field Effect Transistor

    jfet — Junction Field Effect Transistor — Electrical Engineering Stack Exchange
    Сеть обмена стеков

    Сеть Stack Exchange состоит из 178 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

    Посетить Stack Exchange
    1. 0
    2. +0
    3. Авторизоваться Подписаться

    Electrical Engineering Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для профессионалов в области электроники и электротехники, студентов и энтузиастов.Регистрация займет всего минуту.

    Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

    Кто угодно может задать вопрос

    Кто угодно может ответить

    Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

    Спросил

    Просмотрено 171 раз

    \ $ \ begingroup \ $

    С точки зрения тока стока и истока, P-канальный JFET похож на какой BJT? npn или pnp?

    , пожалуйста, расскажите мне об отношениях BJT и FET?

    Создан 12 фев.

    Али АванАли Аван

    111 серебряный знак66 бронзовых знаков

    \ $ \ endgroup \ $ 6 \ $ \ begingroup \ $

    Транзистор JFEt очень похож на обычный транзистор в том, что касается его подключения.Common Emitter = Общая конфигурация источника. Основное отличие JFET от транзистора заключается в том, что транзистор использует ток для управления базой, а затвор JFET управляется напряжением. Как кто-то сказал выше, он очень похож на ламповый усилитель, но с гораздо меньшим напряжением на стоке. Чем хорош входы, которые имеют очень небольшой ток, но имеют напряжение. Я использовал его для схем синхронизации, зарядки комбинации конденсатора и резистора, поскольку затвор не потребляет много тока, затвор не будет сбрасывать напряжение на конденсаторе во время зарядки.555 Используйте полевые транзисторы. Он имеет и может использоваться в каскадах радиочастотных тюнеров, поскольку он не будет перегружен большим сигналом, как транзистор, действуя как диодный детектор и позволяя сигналу от станции с сильным сигналом перекрывать более удаленную станцию. Если вы хотите что-то спроектировать, я бы вместо этого использовал полевой МОП-транзистор, VN2222 — это N-канал низкого уровня. Чаще используется сегодня. Тот же принцип

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *