Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Польовий транзистор



План:


Введення

Польовий транзистор - напівпровідниковий прилад, в якому струм змінюється в результаті дії перпендикулярного струму електричного поля, створюваного вхідним сигналом.

Протікання в польовому транзисторі робочого струму обумовлене носіями заряду тільки одного знаку (електронами або дірками), тому такі прилади часто включають в більш широкий клас уніполярних електронних приладів (на відміну від біполярних).


1. Історія створення польових транзисторів

Ідея польового транзистора з ізольованим затвором була запропонована Лилиенфельд в 1926 - 1928 роках. Однак об'єктивні труднощі в реалізації цієї конструкції дозволили створити перший працюючий прилад цього типу тільки в 1960. В 1953 Дейк і Рос запропонували і реалізували іншу конструкцію польового транзистора - з керуючим pn-переходом. Нарешті, третя конструкція польових транзисторів - польових транзисторів з бар'єром Шоттки - була запропонована і реалізована Мідом в 1966 році.


2. Схеми включення польових транзисторів

Польовий транзистор можна включати по одній з трьох основних схем: із загальним витоком (ОІ), загальним стоком (ОС) і загальним затвором (ОЗ).

На практиці найчастіше застосовується схема з ОІ, аналогічна схемі на біполярному транзисторі з ОЕ. Каскад із загальним витоком дає дуже велике посилення струму і потужності. Схема з ОЗ аналогічна схемі з ПРО. Вона не дає посилення струму, і тому посилення потужності в ній у багато разів менше, ніж у схемі ОІ. Каскад ОЗ має низький вхідним опором, у зв'язку з чим він має обмежене практичне застосування в підсилювальної техніки.


3. Класифікація польових транзисторів

За фізичною структурою і механізмом роботи польові транзистори умовно ділять на 2 групи. Першу утворюють транзистори з керуючим р-n переходом або переходом метал - напівпровідник ( бар'єр Шоттки), другу - транзистори з управлінням за допомогою ізольованого електроду (затвора), т. зв. транзистори МДП (метал - діелектрик - напівпровідник).

3.1. Транзистори з керуючим pn переходом

Рис. 1. Пристрій польового транзистора з керуючим pn переходом

Польовий транзистор з керуючим pn переходом - це польовий транзистор, затвор якого ізольований (тобто відокремлений в електричному відношенні) від каналу pn переходом, зміщеним у зворотному напрямку.

Такий транзистор має два невипрямляющіх контакту до області, по якій проходить керований струм основних носіїв заряду, і один або два керуючих електронно-діркових переходу, зміщених у зворотному напрямку (див. рис. 1). При зміні зворотної напруги на pn переході змінюється його товщина і, отже, товщина області, по якій проходить керований струм основних носіїв заряду. Область, товщина і поперечний переріз якої управляється зовнішнім напругою на керуючому pn переході і по якій проходить керований струм основних носіїв, називають каналом. Електрод, з якого в канал входять основні носії заряду, називають витоком. Електрод, через який з каналу йдуть основні носії заряду, називають стоком. Електрод, службовець для регулювання поперечного перетину каналу, називають затвором.

Електропровідність каналу може бути як n-, так і p-типу. Тому по електропровідності каналу розрізняють польові транзистори з n-каналом і р-каналом. Все полярності напруги зсуву, що подаються на електроди транзисторів з n-і з p-каналом, протилежні.

Управління струмом стоку, тобто струмом від зовнішнього щодо могутнього джерела живлення в ланцюзі навантаження, відбувається при зміні зворотної напруги на pn переході затвора (або на двох pn переходах одночасно). У зв'язку з малістю зворотних струмів потужність, необхідна для управління струмом стоку і споживана від джерела сигналу в ланцюзі затвора, виявляється нікчемно малою. Тому польовий транзистор може забезпечити посилення електромагнітних коливанні як по потужності, так і по струму і напрузі.

Таким чином, польовий транзистор за принципом дії аналогічний вакуумному тріода. Исток в польовому транзисторі подібний катоду вакуумного тріода, затвор - сітці, стік - аноду. Але при цьому польовий транзистор істотно відрізняється від вакуумного тріода. По-перше, для роботи польового транзистора не вимагається підігріву катода. По-друге, будь-яку з функцій витоку і стоку може виконувати кожний з цих електродів. По-третє, польові транзистори можуть бути зроблені як з n-каналом, так і з p-каналом, що дозволяє вдало поєднувати ці два типи польових транзисторів у схемах.

Від біполярного транзистора польовий транзистор відрізняється, по-перше, принципом дії: у біполярному транзисторі управління вихідним сигналом проводиться вхідним струмом, а в польовому транзисторі - вхідною напругою або електричним полем. По-друге, польові транзистори мають значно більші вхідні опору, що пов'язано із зворотним зсувом pn-переходу затвора в даному типі польових транзисторів. По-третє, польові транзистори можуть мати низьким рівнем шуму (особливо на низьких частотах), так як в польових транзисторах не використовується явище інжекції неосновних носіїв заряду і канал польового транзистора може бути відділений від поверхні напівпровідникового кристала. Процеси рекомбінації носіїв у pn переході і в базі біполярного транзистора, а також генераційно-рекомбінаційні процеси на поверхні кристала напівпровідника супроводжуються виникненням низькочастотних шумів.


3.2. Транзистори з ізольованим затвором ( МДП-транзистори)

Рис. 2. Пристрій польового транзистора з ізольованим затвором.

Польовий транзистор з ізольованим затвором - це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу шаром діелектрика.

У кристалі напівпровідника з відносно високим питомим опором, який називають підкладкою, створено дві сільнолегірованние області з протилежним щодо підкладки типом провідності. На ці області нанесені металеві електроди - витік і стік. Відстань між сильно легованими областями витоку і стоку може бути менше мікрона. Поверхня кристала напівпровідника між витоком і стоком покрита тонким шаром (близько 0,1 мкм) діелектрика. Так як вихідним напівпровідником для польових транзисторів звичайно є кремній, то в якості діелектрика використовується шар двоокису кремнію SiO 2, вирощений на поверхні кристала кремнію шляхом високотемпературного окислення. На шар діелектрика нанесений металевий електрод - затвор. Виходить структура, що складається з металу, діелектрика і напівпровідника. Тому польові транзистори з ізольованим затвором часто називають МДП-транзисторами.

Вхідний опір МДП-транзисторів може досягати 10 10... 10 14 Ом (у польових транзисторів з керуючим pn-Перехід 10 7... 10 9), що є перевагою при побудові високоточних пристроїв.

Існують два різновиди МДП-транзисторів: з індукованим каналом та вмонтованим каналом.

У МДП-транзисторах з індукованим каналом (рис. 2, а) проводить канал між сільнолегірованнимі областями витоку і стоку відсутній і, отже, помітний струм стоку з'являється тільки при певній полярності і при певному значенні напруги на затворі щодо витоку, яке називають граничним напруженням ( U ЗІпор).

У МДП-транзисторах з вбудованим каналом (рис. 2, б) у поверхні напівпровідника під затвором при нульовій напрузі на затворі щодо витоку існує інверсний шар - канал, який з'єднує витік із стоком.

Зображені на рис. 2 структури польових транзисторів з ізольованим затвором мають підкладку з електропровідністю n-типу. Тому сільнолегірованние області під витоком і стоком, а також індукований і вбудований канал мають електропровідність p-типу. Якщо ж аналогічні транзистори створені на підкладці з електропровідністю p-типу, то канал у них буде мати електропровідність n-типу.


3.2.1. МДП-транзистори з індукованим каналом

При напрузі на затворі щодо витоку, рівному нулю, і при наявності напруги на стоці, - струм стоку виявляється нікчемно малою. Він являє собою зворотний струм pn переходу між підкладкою і сільнолегірованной областю стоку. При негативному потенціалі на затворі (для структури, показаної на рис. 2, а) в результаті проникнення електричного поля через діелектричний шар в напівпровідник при малих напругах на затворі (менших U ЗІпор) біля поверхні напівпровідника під затвором виникає збіднений основними носіями шар ефект поля і область об'ємного заряду, що складається з іонізованих нескомпенсованих домішкових атомів. При напругах на затворі, великих U ЗІпор, у поверхні напівпровідника під затвором виникає інверсний шар, який і є каналом, що з'єднує витік із стоком. Товщина і поперечний переріз каналу будуть змінюватися зі зміною напруги на затворі, відповідно змінюватиметься і струм стоку, тобто струм в ланцюзі навантаження і щодо потужного джерела живлення. Так відбувається управління струмом стоку в польовому транзисторі з ізольованим затвором і з індукованим каналом.

У зв'язку з тим, що затвор відокремлений від підкладки діелектричним шаром, струм в ланцюзі затвора нікчемно малий, мала і потужність, споживана від джерела сигналу в ланцюзі затвора і необхідна для управління відносно великим струмом стоку. Таким чином, МДП-транзистор з індукованим каналом може виробляти посилення електромагнітних коливань по напрузі і по потужності.

Принцип посилення потужності в МДП-транзисторах можна розглядати з точки зору передачі носіями заряду енергії постійного електричного поля (енергії джерела живлення в вихідний ланцюга) змінному електричному полю. У МДП-транзисторі до виникнення каналу майже вся напруга джерела живлення в ланцюзі стоку падало на напівпровіднику між витоком і стоком, створюючи відносно велику постійну складову напруженості електричного поля. Під дією напруги на затворі в напівпровіднику під затвором виникає канал, по якому від витоку до стоку рухаються носії заряду - дірки. Дірки, рухаючись у напрямку постійної складової електричного поля, розганяються цим полем і їх енергія збільшується за рахунок енергії джерела живлення, в ланцюзі стоку. Одночасно з виникненням каналу і появою в ньому рухомих носіїв заряду зменшується напруга на стоці, тобто миттєве значення змінної складової електричного поля в каналі направлено протилежно постійної складової. Тому дірки гальмуються змінним електричним полем, віддаючи йому частину своєї енергії.


3.2.2. МДП-транзистори з вбудованим каналом

Рис. 3. Вихідні статичні характеристики (a) і статичні характеристики передачі (b) МДП-транзистора з вбудованим каналом.
У даній схемі в якості нелінійного елемента використовується МДП транзистор з ізольованим затвором і індукованим каналом.

У зв'язку з наявністю вбудованого каналу в такому МДП-транзисторі при нульовій напрузі на затворі (див. рис. 2, б) поперечний переріз і провідність каналу змінюватимуться при зміні напруги на затворі як негативної, так і позитивної полярності. Таким чином, МДП-транзистор з вбудованим каналом може працювати в двох режимах: у режимі збагачення і в режимі збіднення каналу носіями заряду. Ця особливість МДП-транзисторів з вбудованим каналом відбивається і на зсуві вихідних статичних характеристик при зміні напруги на затворі і його полярності (рис. 3).

Статичні характеристики передачі (рис. 3, b) виходять із точки на осі абсцис, відповідній напрузі відсічення U ЗІотс, тобто напрузі між затвором і витоком МДП-транзистора з вбудованим каналом, що працює в режимі збіднення, при якому струм стоку досягає заданого низького значення .

Формули розрахунку I_c \, \! в залежності від напруги U ЗИ

1. Транзистор закрито U_ {3u} <U_ {nop} \, \!

I_c = 0 \, \!

Порогове значення напруги МДП транзистора U_ {nop} = 1.5B \, \!

2. Параболічний ділянку. U_ {3u}> U_ {nop} \, \!

I_c = K_n [(U_ {3u}-U_ {nop}) U_ {cu} - \ frac {U_ {cu} ^ 2} {2}] \, \!

K_n \, \! -Питома крутість транзистора.

3. Подальше збільшення U 3 u призводить до переходу на пологий рівень.

I_c = \ frac {K_n} {2} [U_ {3u}-U_ {nop}] ^ 2 \, \! - Рівняння Ховстайна.

3.2.3. МДП-структури спеціального призначення

У структурах типу метал-нітрид-оксид-напівпровідник (багато хто) діелектрик під затвором виконується двошаровим: шар оксиду SiO 2 і товстий шар нітриду Si 3 N 4. Між шарами утворюються пастки електронів, які при подачі на затвор багато хто-структури позитивної напруги (28 .. 30 В) захоплюють тунелює через тонкий шар SiO 2 електрони. Утворені негативно заряджені іони підвищують порогове напруга, причому їх заряд може зберігатися до кількох років при відсутності живлення, так як шар SiO 2 запобігає витоку заряду. При подачі на затвор великої негативної напруги (28 ... 30 В), накопичений заряд розсмоктується, що істотно зменшує граничну напругу.

Структури типу метал-оксид-напівпровідник (МОП) з плаваючим затвором та лавинної інжекцією ( ЛІЗМОП) мають затвор, виконаний з полікристалічного кремнію, ізольований від інших частин структури. Лавинний пробій pn-переходу підкладки і стоку або витоку, на які подається висока напруга, дозволяє електронам проникнути через шар оксиду на затвор, внаслідок чого на ньому з'являється негативний заряд. Ізолюючі властивості діелектрика дозволяють зберігати цей заряд десятки років. Видалення електричного заряду з затвора здійснюється за допомогою іонізуючого ультрафіолетового опромінення кварцовими лампами, при цьому фотострум дозволяє електронам рекомбінувати з дірками.

Надалі були розроблені структури запам'ятовуючих польових транзисторів з подвійним затвором. Вбудований в діелектрик затвор використовується для зберігання заряду, що визначає стан приладу, а зовнішній (звичайний) затвор, керований різнополярними імпульсами для вводу або видалення заряду на вбудованому (внутрішньому) затворі. Так з'явилися осередки, а потім і мікросхеми флеш-пам'яті, що отримали в наші дні велику популярність і склали помітну конкуренцію жорстким дискам у комп'ютерах.

Для реалізації надвеликих інтегральних схем (НВІС) були створені надмініатюрні польові мікротранзістори. Вони робляться із застосуванням нанотехнологій з геометричним здатністю менше 100 нм. У таких приладів товщина подзатворного діелектрика доходить до декількох атомних шарів. Використовуються різні, у тому числі трехзатворние структури. Прилади працюють в мікропотужні режимі. У сучасних мікропроцесорах корпорації Intel число приладів складає від десятків мільйонів до 2 мільярдів. Новітні польові мікротранзістори виконуються на напруженому кремнії, мають металевий затвор і використовують новий запатентований матеріал для подзатворного діелектрика на основі сполук гафнію. [1]

В останні чверть століття бурхливий розвиток отримали потужні польові транзистори, в основному МДП-типу. Вони складаються з безлічі малопотужних структур або зі структур з розгалуженою конфігурацією затвора. Такі ВЧ і НВЧ прилади вперше були створені в СРСР фахівцями НДІ "Пульсар" Бачуріним В. В. (кремнієві прилади) і Ваксембургом В. Я. (арсенід-галієвих прилади) Дослідження їх імпульсних властивостей було виконано науковою школою проф. Дьяконова В. П. (Смоленський філія МЕІ). Це відкрило область розробки потужних ключових (імпульсних) польових транзисторів зі спеціальними структурами, що мають високі робочі напруги і струми (окремо до 500-1000 В і 50-100 А). Такі прилади нерідко керуються малими (до 5 В) напругою, мають малий опір у відкритому стані (до 0,01 Ом) у потужнострумових приладів, високу крутизну й малі (в одиниці-десятки нс) часи перемикання. У них відсутнє явище накопичення носіїв у структурі і явище насичення, присушити біполярним транзисторам. Завдяки цьому потужні польові транзистори успішно витісняють потужні біполярні транзистори в області силової електроніки малої і середньої потужності. [2] [3]

За кордоном в останні десятиліття стрімко розвивається технологія транзисторів на високоподвижних електронах (ТВПЕ), які широко використовуються в НВЧ пристроях зв'язку та радіонаблюденія. На основі ТВПЕ створюються як гібридні, так і монолітні мікрохвильові інтегральні схеми (англ.)). В основі дії ТВПЕ лежить управління каналом за допомогою двовимірного електронного газу, район якого створюється під контактом затвора завдяки застосуванню гетероперехода і дуже тонкого діелектричного шару - спейсера. [4]


4. Області застосування польових транзисторів

Значна частина вироблених зараз польових транзисторів входить до складу КМОП-структур, які будуються з польових транзисторів з каналами різного (p-і n-) типу провідності і широко використовуються в цифрових і аналогових інтегральних схемах.

За рахунок того, що польові транзистори управляються полем (величиною напруги прикладеного до затвора), а не струмом, що протікає через базу (як в біполярних транзисторах), польові транзистори споживають значно менше енергії, що особливо актуально в схемах чекають і стежать пристроїв, а також в схемах малого споживання і енергозбереження (реалізація сплячих режимів).

Видатні приклади пристроїв, побудованих на польових транзисторах, - наручні кварцові годинники і пульт дистанційного керування для телевізора. За рахунок застосування КМОП-структур ці пристрої можуть працювати до декількох років, тому що практично не споживають енергії.

Грандіозними темпами розвиваються галузі застосування потужних польових транзисторів. Їх застосування в радіопередавальних пристроях дозволяє отримати підвищену чистоту спектра випромінюваних радіосигналів, зменшити рівень перешкод і підвищити надійність радіопередавачів. У силовій електроніці ключові потужні польові транзистори успішно замінюють і витісняють потужні біполярні транзистори. У силових перетворювачах вони дозволяють на 1-2 порядки підвищити частоту перетворення і різко зменшити габарити і масу енергетичних перетворювачів. У пристроях великої потужності використовуються біполярні транзистори з польовим управлінням ( IGBT) успішно витісняють тиристори. У підсилювачах потужності звукових частот вищого класу HiFi і HiEnd потужні польові транзистори успішно замінюють потужні електронні лампи, оскільки володіють малими нелінійними і динамічними спотвореннями.


Примітки

  1. Дьяконов В. П. Intel. Новітні інформаційні технології. Досягнення та люди. М.: СОЛОН-Пресс .- 2004 .- 416 с.
  2. Схемотехніка пристроїв на потужних польових транзисторах: Довідник. В. В. Бачурін, В. Я. Ваксембург, В. П. Дьяконов та ін; Під ред. В. П. Дьяконова .- М.: Радіо і зв'язок, 1994 .- 280 с.
  3. Енциклопедія пристроїв на польових транзисторах. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю.; Під ред. проф. В. П. Дьяконова .- М.: СОЛОН-Р, 2002 .- 512 с.
  4. Semiconductor Physical Electronics (Second Edition). Sheng S. Li .- Springer, 2006 .- 708 p. ISBN 0-387-28893-7 ISBN 978-0387-28893-2
Пасивні твердотільні Резистор Змінний резистор Підлаштування резистор Варистор Конденсатор Змінний конденсатор Конденсатори підлаштування Котушка індуктивності Кварцовий резонатор Запобіжник Самовідновлюється запобіжник Трансформатор
Активні твердотільні Діод Світлодіод Фотодіод Напівпровідниковий лазер Діод Шоттки Стабілітрон Стабистор Варикап Варікондамі Діодний міст Лавинно-пролітний діод Тунельний діод Діод Ганна
Транзистор Біполярний транзистор Польовий транзистор КМОП-транзистор Одноперехідного транзистор Фототранзистор Складовою транзистор
Інтегральна схема Цифрова інтегральна схема Аналогова інтегральна схема
Тиристор Сімістор Динистор Мемристор
Пасивні вакуумні Бареттера
Активні вакуумні та газорозрядні Електронна лампа Електровакуумний діод Тріод Тетрод Пентод Гексод Гептод Пентагрид Октод Нонод Механотрон Клістрон Магнетрон Амплітрон Платінотрон Електронно-променева трубка Лампа біжучої хвилі
Пристрої відображення Електронно-променева трубка РК монітор Світлодіод Газорозрядний індикатор Вакуумно-люмінесцентний індикатор Флажковий індикатор Семисегментний індикатор
Акустичні пристрої і датчики Мікрофон Динамік Тензорезистори П'єзокерамічні випромінювач
Термоелектричні пристрої Термістор Термопара Елемент Пельтье
Транзисторні підсилювачі
Біполярні транзистори із загальним емітером із загальним колектором із загальною базою BJT NPN symbol (case). Svg JFET N-dep symbol.svg
Польові транзистори із загальним стоком із загальним витоком із загальним затвором
Транзисторні каскади Пара Дарлінгтона ("складовою" транзистор) Пара Шіклаі Каскадний підсилювач Диференціальний підсилювач Каскодной підсилювач

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Графеновий польовий транзистор
Транзистор
Біполярний транзистор
Складовою транзистор
Польовий жайворонок
Короставник польовий
Польовий, Петро Миколайович
Польовий, Микола Олексійович
Польовий, Геннадій Петрович
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru