Типовые области применения полевых транзисторов

Анализ особенностей типовых конструкций полевых транзисторов с изолированным затвором

This paper presents an analytical review of field-effect transistors. We consider their application. Special attention is given to consideration of the typical structures of field-effect transistors and their basic characteristics. On the basis of research with the main prospects for the development of field-effect transistors in Russia.

Keywords: field-effect transistor, topology, integrated structure

Актуальность работы обусловлена тенденциями развития рынка производства вспомогательных микросхем с проектными нормами 90 нм [1].

Усовершенствование характеристик и технологий производства, непрерывное повышение требований к качеству и надежности, позволяет создавать конкурентоспособную на мировом рынке элементную базу полевых транзисторов, которые в свою очередь по своим характеристикам, а именно наносекундной скоростью переключения, высокими рабочими напряжениями и температурами, большими токами и значительной мощностью, превосходят биполярные транзисторы [2, 3].

Полевые транзисторы — это полупроводниковыйприбор, работа которого основана на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением. По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы (ПТ) делят на две группы: с управляющим p — n переходом и с изолированным затвором, о которых дальше будет идти речь [2].

Особенностями применения ПТ являются: мгновенная скорость переключения, и почти полное отсутствие потребление тока в статическом режиме.

Полевые транзисторы, из-за ряда своих характеристик, широко используются в силовой электронике. Они позволяют управлять большими токами и при малой мощности управления обеспечить высокую скорость переключения, что делает их почти «идеальными переключателями».

Большое количество разнообразных структур и технологических решений позволило расширить диапазон применения ПТ в цепях питания от низковольтных устройств до высоковольтных.

Низковольтные ПТ, рассчитанные на напряжения до 30 В, массово используются в цепях питания ноутбуков, планшетов, принтеров, персональных компьютеров, серверов, в электроинструментах с питанием от аккумуляторных батарей [2, 4].

Основные области применения полевых транзисторов среднего напряжения (40…300 В) во многом пересекаются с низковольтными, но при повышенных уровнях мощности и напряжения на оборудовании [2].

Для работы в разнообразной аппаратуре с питанием от сети переменного тока 110 В или 230 В в сетевых источниках электропитания, светотехнике, бытовой и промышленной технике используются ПТ с допустимыми напряжениями от 500 В и выше [5–7].

Однако, до сих пор остаются нерешенными проблемы — кремниевые полевые транзисторы почти достигли предела своих возможностей, в связи с этим толчок получили такие направления: разработка новых моделей корпусов и модулей, применение альтернативных материалов подложки. В статье приведены данные по сравнению разного типа корпусов, которые позволили увеличить показатели полевых транзисторов, и данные по сравнению характеристик полевых транзисторов, изготовленных на подложке из альтернативных материалов

Цель работы— провести аналитический обзор ПТ, рассмотреть их типовые структуры и их основные характеристики, дать рекомендации по направлениям развития элементной базы на основе полевых транзисторов.

В работе при помощи метода сравнения основных характеристик и технологических особенностей обозначены ключевые преимущества и недостатки базовых структур полевых транзисторов. Проанализированы основные особенности структур полевых транзисторов и области их применения.

Использование полевых транзисторов значительно облегчает решение задач, связанных с питанием электронных устройств, увеличением производительности и эффективности.

Анализ основных структур полевых транзисторов сизолированным затвором

Классическая структура MOSFET транзистора

Полевой транзистор, у которого затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика, получил сокращенное название — MOSFET — (от слов «металл — окисел — полупроводник — транзистор — управляемый — электрическим полем», англ.

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), в русскоязычной литературе встречается как МОП-транзистор (от слов «металл — окисел — полупроводник»).

Подразделяются такие транзисторы на две категории: с индуцированным и с встроенным каналом.

Классическая структура МОП — транзистора с индуцированным каналом n–типа представлена на рисунке 1 [2].

Рис. 1. MOSFET транзистор с индуцированным каналом n–типа

Подложка выполнена из полупроводника р — типа, т. е. легирована акцепторной примесью и потому обладает дырочной проводимостью. Области стока и истока сильно обогащены донорной примесью (электронная проводимость) и имеют обозначение n+. Затвор изолируется от подложки слоем оксида кремния (SiO2).

Если на область затвора подать положительный потенциал, то между выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле, которое, в свою очередь, будет притягивать отрицательно заряженные свободные электроны из подложки к приповерхностному слою. После того как в приповерхностном слое накопится достаточно электронов, образуется так называемый канал, который проводит электрический ток. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал исчезает и транзистор закрывается.

Полевой транзистор с индуцированным каналом отличается от полевого транзистора со встроенным каналом тем, что он открывается только при определенном значении напряжении на затворе, называемым пороговым напряжением. Полевой транзистор со встроенным каналом открывается уже при «U = 0» и при дальнейшем увеличении этого значения переходит в режим обогащения, при этом ток стока увеличивается.

1.2 История развития МОП-транзисторов

Первые образцы полевых транзисторов были маломощными. Рассеиваемая мощность 100–150 Вт, рабочие токи — 10–20 мА, максимальное напряжение на стоке 15 В — 20 В, время переключения исчислялось долями микросекунд. Прошло немало времени, прежде чем параметры полевого транзистора позволили использовать его в высоконагруженных цепях.

Первым серийным мощным МОП-транзистором можно считать советский КП901 [10]. Он имел ток стока до 2 А и максимальное напряжение 65 В.

Доработанный впоследствии КП902 имел время переключения около 1 нс, а самый мощный из этой серии КП904 обладал рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А, и отдаваемую на частоте 60 МГц мощность до 50Вт.

Структура первых мощных советских МОП — транзисторов представлена на рисунке 2

Рис. 2. Структура первых мощных советских МОП-транзисторов

В 70–80 годах прошлого столетия было проведено немало экспериментов со структурой МОП-транзисторов. На основе результатов таких экспериментов были разработаны транзисторы с V-образной структурой, представленной на рисунке 3.

Пропускная способность канала в таком МОП-транзисторе определялась не длиной, а его шириной. Такая структура создавалась методом анизотропного травления.

Минусом этой структуры является то, что электрическое поле локализовалось под канавкой, а это приводит к снижению максимальных рабочих напряжений.

Рис. 3. МДП — транзистор с V — образной структурой

Развитием данной технологии вызвало появление МОП-транзисторов с U-образной канавкой. Это снизило локализацию поля. Металлизация сверху и снизу улучшила теплоотвод и снизила сопротивление затвора.

Дальнейшие эксперименты со структурами МОП-транзисторов привели к появлению SIMPOS — транзисторов, структура которых показана на рисунке 4 (ttp://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml), (разработанные фирмой Siemens (www.siemens.com)).

Рис. 4. Структура SIMPOS-транзистора фирмы Siemens

Фирмой InternationalRectifler разработан МОП-транзистор с гексагональной структурой ячейки — HEXFET, эта технология стала самой популярной технологией производства, рисунок 5 (http://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml).

Рис. 5. Структура HEXFET-транзистора

Сплошная металлизация с двух сторон увеличивает емкость и заметно снижает время переключения, однако при этом позволяет уменьшить сопротивление стока — истока и позволяет получать большие токи стока.

Конструктивный анализ современных MOSFET-транзисторов

Важным элементом MOSFET транзисторов является корпус. Оптимальное сочетание кристалла и корпуса обеспечивает создание по-настоящему эффективного устройства [8]. Большое внимание этому уделяет компания IR.

Технологичным прорывом стала технология DirectFET, обеспечивающая двусторонний отвод тепла. Прямой контакт кристалла, платы и корпуса обеспечивает низкое тепловое и электрическое сопротивление корпуса, высокие показатели по компактности изделия.

МОП-транзистор изображен на рисунке 6.

Рис. 6. МОП-транзистор, изготовленный по технологии DirectFET

Корпуса марки S0–8 менее эффективны, чем DirectFET, но они позволяют размещать одновременно два мощных транзистора и диода, а теплоотвод уменьшать путем подключения стока и истока одновременно к трем выводам, рисунок 7. (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet)

Рис. 7. Транзистор в корпусе S0–8

Корпуса для плотного монтажа PQFN за счет клипсы обладают меньшим тепловым сопротивлением, чем SO-8, но большим чем у DirectFET, рисунок 8 (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet).

Рис. 8. Транзистор в корпусе PQFN

Из выше перечисленного получается следующая зависимость сложности монтажа от тепловых характеристик, рисунок 9 (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet).

Рис. 9. Зависимость сложности монтажа различных корпусов от тепловых характеристик

Данные типы корпусов позволяют создавать полевые транзисторы под разные задачи, от низковольтных до высоковольтных. Перспективные серии устройств с высоким КПД FastIRFET, и помехоустойчивостью StrongIRFET, выполнены именно в этих корпусах.

Анализ основных направлений развития полевых транзисторов сиспользованием альтернативных полупроводниковых материалов

В связи с тем, что MOSFET транзисторы потенциально достигают предела своих возможностей, их развитие частично перешло на усовершенствование корпусов, перечисленных выше, и эксперименты с компоновкой.

Многие считают, что развитие технологий с применением новых полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны шире, чем у кремния и относительно большей подвижностью заряда, является основным.

Ученые GE (www.ge.com/ru) развивают технологии по использованию карбида кремния. GE планирует использовать новый завод для производства микросхем, которые будут установлены на оборудовании компании — от насосов для перекачки нефти и газа до МРТ-сканеров. Мерфелд и Стеванович считают (http://gereports.

ru/post/126512633745/tehnologija-izgotovlenija-mikroshem), что эта технология позволит повысить эффективность поездов, самолетов и автомобилей на 10 %, снизить энергопотребление центров обработки данных на 5 % и повысить эффективность ветровых и солнечных электростанций более чем на 1 %.

Структура ПТ на основе карбида кремния изображена на рисунке 10.

Рис. 10. Структура транзистора на основе карбида кремния

Пробой у таких транзисторов происходит при напряженности на порядок выше, чем у классических полевых транзисторов, выполненных на кремниевой подложке. Удельное напряжение по разным оценкам примерно в 400 раз меньше, что позволяет получать транзисторы с малым сопротивлением сток — исток в открытом состоянии.

Опытные приборы, изготовленные по технологии LDMOS, позволяют получать напряжение на стоке до 10кВ. Пуск данного типа устройств в серийное производство — задача будущего. Альтернативным решением применения карбида кремния является использование нитрида галлия.

Полевые транзисторы, изготовленные с использованием нитрида галлия не уступает по характеристикам полевым транзисторам, изготовленных из карбида кремния.

Классификация областей применения в виде mindmap представлена на рисунке 11.

Рис. 11. Классификация областей ПТ с использованием альтернативных полупроводниковых технологий

Основными областями применения полевых транзисторов с применением альтернативных полупроводниковых материалов должны стать системы, где эффективность, и энергоэффективность является главным, критическим параметром, например: солнечные батареи, ветряные электростанции, автомобили, поезда, самолеты, а также системы, где снижение энергопотребления является главной задачей, а именно: центры обработки данных и т. д.

Сравнение характеристик полевых транзисторов, изготовленных на кремниевой подложке иизготовленных сприменением альтернативных полупроводниковых материалов.

Приведем сравнение по некоторым показателям арсенид-галлиевого ПТ с традиционным ПТ, выполненным с использованием кремния.

Таблица 1

Сравнение характеристик ПТ

Полевые транзисторы, изготовленные на подложке сиспользованием кремния
Полевые транзисторы, изготовленные сприменением арсенида галлия

Сопротивление открытого канала при напряжении пробоя 200В

7мОм/см2
0.7мОм/см2

Показатель Rds(on)x OgFOM, мОм х нКл

30 мОм х нКл
5 мОм х нКл

Размер площадки, которую занимает устройство, частота работы, при токе нагрузки 10 А

15 х 15 мм, 1 МГц
7 х 9 мм, 5 МГц

КПД % при токе нагрузки 10 А

88 %
91 %

ПТ с применением альтернативных полупроводниковых материалов значительно превосходят характеристики своих кремниевых аналогов. У этих устройств имеется огромный потенциал, равносильный тому потенциалу, который был у классических ПТ в 80е-90е годы прошлого столетия.

Однако имеется еще большой спектр задач, связанный с производством таких структур.

Технологический процесс изготовления ПТ на основе карбида кремния насчитывает около 300 операций, откуда следует вывод о том, что дороговизна и сложность технологического процесса изготовления является главным препятствием массового использования данного типа устройств в современном приборостроении.

Заключение

В связи с тем, что близок потенциальный порог характеристик полевых транзисторов, изготовленных с применением Si, будущее остается за применением новых технологий с использованием альтернативных полупроводниковых материалов, которые позволяют создавать полевые транзисторы с характеристиками, намного превосходящими характеристики классических ПТ. Основной задачей, на которую состоит сделать акцент, является задача удешевления производства, уменьшение процента брака, а именно: отработка технологического процесса изготовления современных полевых транзисторов с применением альтернативных полупроводниковых материалов.

В данной статье был проведен краткий обзор информации о классической структуре полевого транзистора, определены его основные элементы и функциональные возможности.

Была рассмотрена история развития данных полупроводниковых приборов и основные технологические решения, применяемые для их изготовления.

Также были приведены перспективные направления разработки представленных полупроводниковых приборов.

Литература:

Аверьянихин А. Е., Власов А. И., Журавлева Л. В. и др. Интегрированная система мониторинга национальной нанотехнологической сети. Сборник аналитических материалов — Москва, РНЦ «Курчатовский институт». 2011. Том 2. 111 с.

Макарчук В. В., Родионов И. А. Проектирование электронной элементной базы наносистем — Москва. Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2011. Сер. Библиотека «Наноинженерия». Том 5. 156 с.

Варламов П. И., Елсуков К. А., Макарчук В. В. Технологические процессы в наноинженерии — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2011. Сер. Библиотека «Наноинженерия». Том 2. 175 с.

Дронов Н. Н., Макарчук В. В., Макушина Н. В. Технологические процессы микроэлектроники — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2016. 24 с.

Применение полевого транзистора

Полевые транзисторы используют как аналоговые выключатели. Применение их как выключателей в аналоговых схемах является прямым следствием их способа работы. Это обусловлено тем обстоятельством, что когда напряжение на затворе-источнике, VGS равно нулю, n-канал транзистора будет работать в области насыщения и будет действовать почти как небольшая схема.

Таким образом, напряжение на выходе будет равно нулю (Рисунок 1). С другой стороны, если отрицательное напряжение находится между выводами затвора и источника i.e., если VGS отрицательно, то транзистор работает в области выключения или в области отсечки.

Это означает, что в данном случае полевой транзистор действует как открытая схема и ток стока, ID будет равен нулю. Вследствие этого, напряжение через загрузочное сопротивление RD будет равно нулю, что порождает то обстоятельство, что VDD похоже на V0.

Рисунок 1 Полевой транзистор как аналоговый выключатель

Это свойство вести себя как выключатель может быть использовано для проектирования аналогового мультиплексора, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 n-к-1 Мультиплексор, использующий полевые транзисторы.

Тут каждый из сигналов на входе (сигнал 1, сигнал 2, … сигнал n) проходит через выделенный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (T1, T2, … Tn) перед контактом с выводом выхода, V0. Тут лишь один сигнал среди множества сигналов на входе возникает на выводе выхода, в зависимости от напряжения VGS на выводах затвора.

К примеру, если VGS2 отрицательное, в то время как все остальные VGS равны нулю, то сигнал на выходе будет Сигналом 2. Более того, способность к выключению у биполярных транзисторов с изолированным затвором используется в двигателе внутреннего сгорания, а именно в обмотках, ответственных за возгорание, которые требуют быстрого выключения и возможностей блокировки напряжения.

Усилители

Переход в полевых транзисторах используется на стадии усиления. Он изолирует предыдущую стадию от следующей стадии и, таким образом, действует как буферные усилители (Рисунок 3). Это обусловлено тем, что такие транзисторы имеют очень высокое полное сопротивление на входе, в силу чего предыдущая стадия будет слегка загружена, вызывая полный выход Стадии 1, возникая на входе буфера.

Можно сделать так, что весь выход буфера будет возникать на входе в Стадии 2, используя данные транзисторы в конфигурации общего стока, благодаря низкому полному сопротивлению на выходе. Это даже значит, что буферные усилители способны к управлению большими нагрузками или сопротивлениями с небольшой нагрузкой.

Рисунок 3 Полевой транзистор как буферный усилитель

Полевые транзисторы являются устройствами, которые издают мало шума, по крайней мере, если сравнивать их с биполярными плоскостными транзисторами. Это делает их полезными компонентами для использования в качестве усилителя на приёмниках с внешним интерфейсом, ведь они нуждаются в минимальном уровне шума на выходе в итоге.

Полевой транзистор как усилитель в конфигурации общего источника может быть использован для управления другим полевым транзистором (усилителем) в конфигурации общего затвора, формируя каскадный усилитель, как показано на рисунке 4.

Хотя коэффициент усиления каскадного усилителя такой же, как и у усилителя в конфигурации с общим источником, его ёмкостное сопротивление на входе весьма низкое, если сравнивать с ним же у усилителя в конфигурации с общим источником. Более того, каскадный усилитель даёт очень высокое сопротивление на входе.

Генератор с фазовращателем

Полевой транзистор даёт высокое полное сопротивление на своих выводах входа, которое уменьшает эффект нагрузки. Также они могут использоваться как для усиления, так и для функций обратной связи. Эта особенность полевых транзисторов делает их подходящими для использования в схемах генераторов с фазовращателем, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5 Полевой транзистор как генератор с фазовращателем

Модулятор

Полевой транзистор, действующий как выключатель, может быть использован как модулятор (Рисунок 6), где напряжение постоянного тока, VDS преобразуется в напряжение переменного тока с таким же уровнем амплитуды, VAC.

Это вытекает из того, что квадратная форма волны напряжения используется как VGS, в результате чего транзистор действует в области выключения и в области насыщения, попеременно.

Такие схемы модулятора помогают преодолеть проблему смещения, которая существует в случае усилителей с непосредственной связью.

Рисунок 6 Полевой транзистор как модулятор

Ограничитель тока

N-канальный полевой транзистор, чей терминал затвора укорочен вместе с выводом источника, действует как ограничитель тока.

Это означает, что в этом размещении, полевой транзистор даёт току проходить через них, чтобы достигнуть только определённого уровня, после чего, он становится удерживаемой постоянной, безотносительной к колебаниям уровня напряжения.

Эти ограничители тока из интегральной части не изменяющегося постоянного тока или стабилизирующих диодов.

Рисунок 6 Полевой транзистор как ограничитель тока

Полевые транзисторы широко используются в интегрированных схемах из-за их компактного размера. Они используются в схемах микшеров для телевизоров и радиоприемников из-за низких модуляционных искажений.

Более того, полевые транзисторы также применяют в резисторах с переменным напряжением в операционных усилителях, схемах контроля звука, ведь они обеспечивают большую изоляцию между их выводами затвора и стока.

Полевые транзисторы применяются в таких областях как цифровая электроника и оптоволоконные системы.

Пора подвести итоги: полевой транзистор может использоваться как аналоговый выключатель, как усилитель, как генератор с фазовращателем, как модулятор и как ограничитель тока. Каждый вариант имеет свои особенности, делающие его действительно значимым.

Вряд ли можно переоценить роль полевого транзистора в повседневной жизни. Все перечисленные пять способов его применения имеют очень существенное значение в наши дни. Сложно выделить какое-то наиболее значимое использование среди названных, ведь каждое может оказаться где-то просто незаменимым.

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

Схемы включения транзистора полевого :

При конструировании схем важную роль играют многие детали: резисторы, транзисторы, конденсаторы. Вместе с этим каждый из них делится на определённые виды. И в рамках статьи будет рассмотрен транзистор полевой. Что он собой представляет? Какие существуют схемы включения полевых транзисторов? И где применяются данные приборы?

Транзистор полевой

Первоначально определимся с терминологией. Полевой транзистор является полупроводниковым прибором, через который движется поток носителей зарядов.

Он регулируется электрическим полем поперечного типа, которое, в свою очередь, создаётся напряжением, что приложено между стоком и затвором или истоком и затвором.

Благодаря тому, что принцип функционирования полевых транзисторов базируется на перемещении основных носителей однотипного заряда (дырок или электронов), их называют униполярными.

На практике чаще всего используются схема включения транзистора с общим эмиттером. Дело в том, что использование в первую очередь истока позволяет получить значительное усиление тока и мощности. При этом, когда используется схема включения транзистора с общей базой, не увеличивается показатель тока.

Поэтому показатель мощности увеличивается значительно меньше, чем в случае с эмиттером. Также при ставке на базу необходимо понимать, что схема тогда имеет низкий показатель входного сопротивления. Поэтому использование такого подхода на практике сильного ограничено в усилительной технике.

Что ж, начнём рассматривать схемы включения полевых транзисторов.

Схема с общим истоком

Истоком называют электрод, через который в канал поступают носители основного заряда. Это схема включения полевого транзистора, у которого управляющий p-n-переход использует данную деталь в общем режиме.

Схема с общим стоком

Стоком называют электрод, через который уходят носители основного заряда. Это схема, где включается полевой транзистор, который имеет управляющий p-n-переход и использует в общем режиме эту деталь.

Схема с общим затвором

Затвор – это электрод, который служит для регуляции поперечного сечения канала. Перед вами схема, где включен полевой транзистор, у которого управляющий p-n-переход использует в общем режиме эту деталь.

Типы полевых транзисторов

Когда ориентируются по данным деталям электрических схем, то принимают во внимание такие показатели: внутреннее и внешнее сопротивление, напряжение отсечки и крутизна стокозатворной характеристики. Полевые транзисторы делятся на два основных типа:

Имеющие р-n-переход.

С изолированным затвором.

Схемы включения транзисторов одинаковы в обоих типахх.

Полевой транзистор с р-n-переходом

Прибор, в котором есть управляющий р-n-переход – это полевой транзистор, где пластина сделана из полупроводника одного типа и на противоположных концах имеет электроды (исток и сток). Благодаря им она включается в управляемую цепь.

Та, в свою очередь, подключена к третьему электроду (который называется затвор) и образует область, в которой другой тип проводимости. Вот такие существуют схемы включения транзистора. Если пластина имеет показатель n, то будет р. Источник питания, который включен во входную цепь, реализовывает на единственном переходе обратное напряжение.

Также сюда подключается и усилитель колебаний. Во время изменения входного напряжения меняется и обратное. Проводимость канала бывает n- и р-типа. В зависимости от неё может меняться полярность напряжений смещения на противоположное значение. Схемы включения транзистора очень сильно зависят от поставленной цели и его характеристик.

Данный тип полевого транзистора по своему принципу функционирования аналогичен вакуумному триоду, хотя и существуют некоторые отличия. Также их важным преимуществом является то, что они обладают низким уровнем шума. Это возможно благодаря тому, что не используется инжекция неосновных носителей заряда.

Также от поверхности полупроводникового кристалла отделяется канал полевого транзистора. Схемы включения транзистора на этот процесс не оказывают влияния.

Полевой транзистор, имеющий изолированный затвор

Прибор, где есть изолированный затвор. Кристалл полупроводника с довольно высоким удельным сопротивлением имеет две сильнолегированные области с противоположным типом проводимости.

Конструктивная особенность данного вида полевого транзистора заключается в том, что затвор отделяется слоем диэлектрика от основной части прибора. На сильнолегированных областях имеются металлические электроды – сток и исток. Расстояние между ними может составлять меньше микрона.

Поверхность между истоком и стоком покрывается тонким слоем (что-то около 0,1 микрометра) диэлектрика. Поскольку в качестве проводника используется кремний, то изолятор – это его диоксид, который выращивается путём окисления при высокой температуре. На слой диэлектрика наносят металлический электрод – затвор.

Такое разнообразие привело к возникновению нового названия – МДП-транзистор. Ведь в конструкции используется металл, диэлектрик и полупроводник. Хотя схемы включения транзисторов от этого не меняются.

Существует две разновидности полевых МДП-транзисторов:

Индуцированный канал. Могут производить значительное усиление электромагнитных колебаний, причем как по мощности, так и по напряжению.

Встроенный канал. Могут работать в 2-х режимах и меняют статические характеристики.

Область применения полевого транзистора

КМОП-структуры, которые строятся из комплементарной пары данных устройств и у которых каналы разного типа (n- и р-), нашли широкое применение в аналоговых и цифровых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (точнее, размером величины напряжения, которое попадает на затвор), а не током, что протекает через базу (что можно наблюдать в биполярных транзисторах), происходит меньшее потребление энергии.

Это актуально для схем следящих и ждущих устройств, а также там, где необходимо обеспечение малого энергопотребления и энергосбережения (спящий режим на телефоне).

В отличие от полевых схемы включения биполярных транзисторов будут требовать большей энергии, поэтому не приходится рассчитывать на их длительную работу без источника постоянной энергии. Это одно из наиболее весомых преимуществ. Схемы включения биполярных транзисторов, кстати, строятся на более знакомых большинству радиолюбителей терминах: база, эмиттер и коллектор.

В качестве примера использования полевых транзисторов на практике можно привести пульт дистанционного управления или наручные кварцевые часы.

За счёт реализации с применением КМОП-структур данные устройства могут похвастаться работой в несколько лет, используя при этом всего один миниатюрный источник питания, такой как аккумулятор или батарейка. Вот такие преимущества дают схемы включения транзистора. И это ещё не предел возможностей их использования.

Благодаря конструктивному усовершенствованию полевые транзисторы всё шире применяются в разных радиоустройствах, где они успешно заменяют биполярные. Поскольку в открытом состоянии они обладают низким сопротивлением, то их можно встретить в усилителях, которые увеличивают звуковые частоты высокой верности.

Использование в радиопередающей технике позволяет увеличивать частоту несущего сигнала и таким образом обеспечивать устройствам высокую помехоустойчивость. Поэтому схемы включения транзистора и пользуются такой популярностью.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы

Полевой транзистор – это полупроводниковый преобразовательный прибор, в котором ток, текущий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения  между затвором и истоком. Предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении микросхем.

Принцип действия полевых транзисторов снован на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током, осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Поэтому эти транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП – или МОП – транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на полевые транзисторы с каналом р- типа и полевые транзисторы с каналом n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа – электронной.

Полевой транзистор с управляющим р-n- переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении.

Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (каналом n- типа)

Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа (а), каналом р- типа (б)

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.

Электрод, через который в канал входят носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда – сток.

Электрод, для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения – затвор.

 Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратным для обоих р-n- переходов. Ширина  р-n- переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения.

С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале.

Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения Uси, то силой тока стока Iс, протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р-n- переходом.

При напряжении Uзи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим. Ток стока Iс нач при Uзи = 0 называют начальным током стока. Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки Uзи отс.

 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-n- переходом

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа, отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic = f(Uси) при Uзи = const.

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые; б –  стокозатворная 

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость  канала оказывает влияние и управляющее напряжение Uзи, и напряжение Uси. При Uси = 0 выходной ток Iс = 0. При Uси > 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результате создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока.

Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала.

При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов сужаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением насыщения Uси нас.

При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uси нас. В рабочем режиме используются пологие участки выходных характеристик. 

Полевые транзисторы с изолированным затвором

У полевого транзистора с изолированным затвором (МДП – транзистор), затвор отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП – транзисторы в качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO2. Другое название таких транзисторов – МОП – транзисторы ( металл-окисел-полупроводник).

Принцип действия МДП – транзисторов основан на изменении проводимости поверхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. Поверхностный слой, является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП – транзисторы выполняют двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Конструкция МДП – транзистора со встроенным каналом n-типа. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, с помощью диффузионной технологии созданы две легированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток.

Между истоком и стоком имеется поверхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика. На этот слой нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

При подаче на затвор положительного напряжения,создающимся электрическим полем дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны – из подложки в канал. Канал обогащается – электронами, и его проводимость увеличивается при возрастании ток стока . Это называется режим обогащения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения, относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость уменьшается, а ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси > 0), протекает ток стока Iс нач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Канал проводимости тока не создается, а образуется благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины, при приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока.

При отсутствии этого напряжения канала нету, и между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р- типа, а на одном из р-n- переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком велико, и транзистор заперт.

Но при подаче на затвор положительное напряжение, под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области к затвору.

Когда напряжение затвора превысит пороговое значение Uзи пор, в поверхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и произойдет инверсия типа электропроводности, индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока. Транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Условное обозначение МДП – транзисторов:

а − со встроенным каналом n- типа;

б − со встроенным каналом р- типа;

в − с выводом от подложки;

г − с индуцированным каналом n- типа;

д − с индуцированным каналом р- типа;

е − с выводом от подложки.

Статические характеристики полевых МДП – транзисторов.

При Uзи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения Uзи 0 располагаются выше исходной кривой при Uзи = 0.

Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Ic = 0 при Uси = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо  изменить полярность  напряжения на затворе относительно истока.

Параметры МДП – транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р-n- переходом. По входному сопротивлению МДП – транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р-n- переходом.

схемы включения

Полевой транзистор можно включать с общим истоком-а (ОИ), общим стоком-в (ОС) и общим затвором-б (ОЗ).

Чаще всего применяется схема с ОИ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем имеет ограниченное применение.

усилительный каскад на полевых транзисторах

Схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ.

Транзистор в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока Iсп и соответствующим ему напряжением  сток-исток Uсип. Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора Uзип.

Это напряжение возникает на резисторе Rи при прохождении тока Iсп (URи = Iсп Rи) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R3. Резистор Rи, кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя Iсп.

Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си. Этим и обеспечивают постоянство коэффициента усиления каскада.

   Справочники радиодеталей

Разновидности и режимы работы полевых транзисторов

Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые приборы, которые в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем, т.е. практически без затраты мощности управляющего сигнала. В англоязычной литературе эти транзисторы называют транзисторами типа FET (FieldEffectTransistor).

Различают шесть различных типов ПТ. Их условные обозначения в электрических схемах представлены на рис.8.1.

Управляющим электродом ПТ является затвор З. Он позволяет управлять величиной сопротивления между стоком С и истоком И (область полупроводника между С и И называют каналом). Управляющим напряжением является напряжение UЗИ. Большинство ПТ являются симметричными, т.е.

их свойства почти не изменяются, если их электроды С и И поменять местами. В транзисторах с управляющим переходом затвор отделен от канала СИ p-n переходом. При правильной полярности напряжения UЗИp-n переход запирается, и изолирует затвор от канала; при противоположной полярности он открывается.

Для ПТ с управляющим переходом такой режим является запрещенным. 

Рис.8.1. Разновидности полевых транзисторов. 

У ПТ с изолированным затвором, или МОП транзисторов (МОП – металл-оксид-полупроводник) затвор отделен от канала СИ тонким слоем диэлектрика. При таком исполнении транзистора ток через затвор не будет протекать при любой полярности напряжения на затворе.

Входные сопротивления ПТ с управляющим переходом составляют от 1010 до 1013 Ом, а для МОП транзисторов – от 1013 до 1015 Ом. В МОП транзисторах присутствует четвертый вывод от так называемой подложки. Этот электрод, как и затвор, может выполнять управляющие функции, но он отделен от канала только p-n переходом.

Управляющие свойства подложки обычно не используются, а ее вывод соединяют с выводом истока.

Аналогично делению биполярных транзисторов на p-n-p и n-p-n-транзисторы, полевые транзисторы делятся на p-канальные и n-канальные. У n-канальных ПТ ток канала становится тем меньше, чем меньше потенциал затвора. У p-канальных ПТ наблюдается обратное явление.

Типовые передаточные характеристики ПТ приведены на рис. 8.2. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон управляющего напряжения.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики ПТ с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке.

Наоборот, все характеристики приборов с каналом p-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики ПТ с управляющим переходом при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется IС НАЧ.

При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки UОТС становится близким к нулю.

Характеристики МОП транзисторов с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения UПОР. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики МОП транзистора со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока IС НАЧ.Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается. 

Рис.8.2. Типовые передаточные характеристики ПТ 

Карта входных и выходных напряжений при заземленном истоке (рис.8.3) помогает разобраться в ситуации.

Различные транзисторы, включая биполярные, нарисованы в квадрантах, характеризующих их входное и выходное напряжение в активной области при заземленном истоке (или эмиттере). При этом вовсе не обязательно запоминать свойства каждого из шести представленных здесь типов ПТ, поскольку они в основном все одинаковы.

Во-первых, при заземленном истоке ПТ включается (переходит в проводящее состояние) путем смещения напряжения затвора в сторону напряжения питания стока. Это верно как для всех видов ПТ, так и для биполярных транзисторов.

Например, для n-канального ПТ с управляющим p-n переходом используется положительное напряжение питания стока, как и для всех n-канальных приборов. Таким образом, этот ПТ включается положительным смещением затвора. Во-вторых, в связи с примерной симметрией истока и стока любой из этих выводов может работать как исток.

При анализе работа ПТ за исток принимается вывод, наиболее «удаленный» по напряжению от активного питания стока. 

Рис.8.3. Карта входных и выходных полярностей транзисторов. 

         На рис.8.4 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТ с управляющим переходом с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

Рис.8.4. Выходные характеристики ПТ с управляющим переходом и каналом n-типа

 В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе.

В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. Особенности этих характеристик обусловливают применение ПТ.

В линейной области ПТ используют как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.

Полевые транзисторы

В отличие от биполярных, полевые транзисторы (ПТ) основаны на дрейфе основных носителей тока в канале под действием разности потенциалов между истоковым и стоковым зажимами. Ток канала можно модулировать, изменяя напряжение затвора относительно истока.

В зависимости от конструкции затвора ПТ делятся на два класса: с затвором в виде р-n-перехода (ПТ с управляющим переходом) и с изолированным затвором.

Последние относительно затвора представляют собой структуру: металл-диэлектрик-полупроводник и поэтому называются либо МДП (MOS в английской транскрипции) транзисторами, либо МОП-транзисторами (МОП — аббревиатура от «металл-окисел-полупроводник»).

Для этих приборов также широко применяется название MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect Transistor), подчеркивающее, что управление каналом осуществляется электрическим полем. Оба класса ПТ широко распространены в силовой электронике и имеют «свои» предпочтительные области применения.

МДП-транзисторы в свою очередь подразделяются на транзисторы со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В первых ПТ проводящий токовый канал создан технологически («встроен»), и он, как и в ПТ с управляющим переходом, существует при нулевом напряжении на затворе, поэтому эти МДП транзисторы называют транзисторами обедненного типа.

В МДП с индуцированным каналом токовый канал появляется только при подачи напряжения на затвор, поэтому эти приборы также называют транзисторами обогащенного типа. МДП обогащенного типа могут быть, как и любые другие ПТ, с каналом n-типа и с каналом p-типа, которые чаще всего создаются методом диффузии.

Функционально эти два типа МДП-транзисторов являются аналогами n-р-n- и р-n-р-биполярных транзисторов соответственно. В современных устройствах электропитания наибольшее применение в качестве мощных токовых, ключей находят МДП-транзисторы с индуцированным n-каналом (DNMOS в английской транскрипции). В этих приборах для создания токового канала между стоком и истоком на затвор необходимо подать положительное напряжение относительно истока, большее некоторого порогового, т. е. приборы являются нормально закрытыми. Далее обсуждаются именно эти приборы.

К достоинствам ПТ следует отнести:

• чрезвычайно малую мощность управления по сравнению биполярными транзисторами;

• высокую скорость переключения, резко снижающую коммутационные (динамические) потери мощности;

• возможность параллельного включения между собой транзисторов, без каких либо устройств выравнивания токов через эти транзисторы;

• высокая температурная стабильность времени переключения и крутизны вольтамперной характеристики.

Из недостатков ПТ можно отметить возможность вторичного пробоя, вызванного влиянием паразитного биполярного n-р-n-транзистора, образующегося в полупроводниковой структуре. При низких напряжениях сток-исток паразитный транзистор не проявляет себя.

С повышением напряжения биполярный транзистор «просыпается», определяя вид ВАХ транзистора в области пробоя. Для того чтобы обеспечить нормальную работу МДП-транзисторов в области рабочих напряжений, необходимо надежно закрыть этот паразитный транзистор.

Для этого подложка прибора всегда соединяется с истоковым выводом, в результате чего база и эмиттер этого паразитного транзистора оказываются практически объединены между собой, и этот транзистор превращается в диод, включенный между стоковым и истоковым выводами.

В настоящее время выпускаются МДП-транзисторы с рабочим напряжением сток-исток 800… 1000 В.

Рассмотрим типичные статические характеристики МДП-транзистора. На проходной характеристике показаны две кривые для двух различных напряжений Uси (Uси2 >Uси1)

На проходной характеристике отмечено пороговое напряжение Uпор, при котором начинает открываться транзистор. Конструктивно-технологическими способами удается получить режим образования канала и открывания транзистора при напряжении Uпор выше 2…

4 В. Следует отметить, что из-за малости толщины подзатворного изоляционного слоя предельное значение напряжения между затвором и истоком не должно превышать 20 В. Его превышение вызывает электрический пробой изоляции затвора и выход из строя прибора.

Для защиты транзистора в его входной цепи рекомендуется включение ограничивающего стабилитрона с напряжением стабилизации Uстаб  Iн2.

В момент времени t4 начинается восстановление запирающих свойств диода (его обратный ток стремится к нулю), соответственно и ток стока уменьшается до значения Iн2. Начиная с момента времени t4, напряжение на стоке начинает снижаться.

С этого момента также начинает проявляться эффект Миллера, сопровождаемый образованием «полки» на кривой uзи(t).

Таким образом, наличие вспомогательного диода VD приводит к опасности возникновения импульсов потерь мощности на транзисторе с пиком А Рс вблизи момента времени t4. Для повышения надежности работы ключа необходимо уменьшать пиковые значения потерь мощности, что требует применения быстродействующих диодов.

Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский, Л. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —

384 с.: ил.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com