Istoricul creării și implementării tranzistorilor cu efect de câmp
Primul efect de câmp tranzistor a fost inventat de Julius Edgar Lilienfeld - fizician austro-ungar, care a dedicat o mare parte a vieții sale studierea efectului tranzistor. Sa întâmplat în 1928, dar prima tehnologie de fabricare a tranzistoarelor nu a permis fizic să realizeze acest element radio în industrie. Primul tranzistor cu efect de câmp de operare cu o poartă izolată, conform lucrărilor lui Lilienfeld, a fost produs în SUA abia în 1960. Cu 7 ani înainte, a fost propusă o altă tehnologie pentru fabricarea unui tranzistor cu efect de câmp bazat pe controlul joncțiunii pn (tranzistor MOS). Bazat pe lucrările lui Walter Schottky în 1966, inginerul american Carver Andress Meade a propus un nou tip de tranzistori folosind bariera Schottky.
Baza fizică a operațiunii FET
Un tranzistor de câmp (unipolar) este un dispozitiv electronic bazat pe principiul utilizării încărcărilor unui singur semn, și anume E. electroni sau găuri. Controlul curent în tranzistoare cu efect de câmp se realizează prin schimbarea conductivității canalului sub influența câmpului electric și nu a potențialului de tensiune, care este diferența principală a tranzistorului cu efect de câmp de la bipolar. Metoda de creare a canalului distinge între tranzistoare cu efect de câmp cu joncțiune p-n, canal încorporat și canal indus. Tranzistorii cu canal încorporat și indus aparțin unei varietăți de tranzistoare MIS.
Dispozitiv FET de câmp
a - cu o joncțiune p-n; b - cu o poartă izolată și un canal încorporat; c - cu o poartă izolată și un canal indus.
Lucrarea tranzistorilor cu efect de câmp se bazează pe mișcarea principalilor purtători din semiconductor.
Field-effect tranzistor cu p-n joncțiune.
Acest tranzistor constă dintr-un canal principal de semiconductor de tip n, realizat dintr-o placă de siliciu cu conductori ohmi de la fiecare capăt. Canalul este format prin metoda difuziei (introducerea materialului dopat) și formează un strat foarte subțire cu conductivitate a găurii. Canalul este închis între doi electrozi de tip p conectați unul la celălalt. Astfel, canalul n formează două joncțiuni p-n paralele cu direcția curentului. Iesirea prin care este livrată purtătorul de sarcină este denumită sursa (I), iar electrodul, de unde fluxul de sarcină - este un canal de scurgere (C). Ambele straturi p sunt conectate electric unul cu celălalt și au un electrod extern, numit poarta (З). Există două tipuri de canale. Încărcarea pozitivă curge prin canalul cu conductivitate p, iar sarcina negativă trece prin canal cu conductivitate n. Figura de mai jos prezintă un canal de câmp cu conductivitate negativă controlată de un câmp de polaritate pozitivă. În acest caz, electronii se deplasează prin canal de la sursă la scurgere. O construcție similară are și tranzistori cu efect de câmp cu un canal p de tip.
Comanda sau tensiunea de intrare (UIS) se aplică între poartă și sursă. Această tensiune pentru ambele joncțiuni p-n este inversă. În circuitul de ieșire, care include și canalul tranzistorului, tensiunea Uc este conectată cu un pol pozitiv la scurgere.
Abilitatea de a controla tranzistorul se datorează faptului că atunci când variația tensiunii Ui se modifică, lățimea joncțiunilor p-n se modifică, care sunt regiuni din semiconductor care sunt epuizate de purtători de sarcină. Deoarece un strat p cu o rezistență inferioară are o concentrație mai mare de impurități decât un n-strat, controlul lățimii canalului se datorează unui n-strat cu rezistență mai mare. Aceasta schimbă secțiunea transversală și conductivitatea canalului curent (Ic - curent de scurgere) de la sursă la scurgere.
Particularitatea funcționării tranzistorului cu efect de câmp este influența tensiunii Ui și Uci asupra conductivității canalului. Influența tensiunilor aplicate este prezentată în figura de mai jos.
A) tensiunea este aplicată numai circuitului de control al intrării. Schimbarea în Uzy controlează secțiunea transversală a canalului pe întreaga lățime, totuși, curentul de ieșire Ic = 0 se datorează lipsei de tensiune Uci.
B) Există numai tensiunea canalului, tensiunea de control este absentă și curentul Ic începe să curgă. Se creează o cădere de tensiune pe electrodul de scurgere, ca rezultat, capacitatea canalului se îngustează și la o anumită valoare se închide limita joncțiunii p-n. Rezistența internă a canalului crește și curentul Ic nu mai este capabil să treacă.
B) În această variantă, figura arată valoarea totală a tensiunilor atunci când canalul de tensiune Uci este blocat de o mică tensiune de comandă Ui. Când se aplică această tensiune, regiunea n este extinsă și curentul Ic începe să curgă.
Field-effect tranzistor cu poarta izolata (MIS si MOSFET)
În aceste tranzistoare, electrodul de poartă este separat de canal printr-un strat subțire izolant de oxid de siliciu. Prin urmare, un alt nume pentru aceste tranzistoare este MOSFET (structura metal-oxid-semiconductor). Prezența unui dielectric asigură o rezistență ridicată la intrare a tranzistorilor considerați. Penetrarea câmpului de control în canal nu este dificilă, dar curentul porții scade considerabil și nu depinde de polaritatea tensiunii aplicate la poartă. MIS-tranzistori (metal-izolator-structura semiconductori) sunt realizate din siliciu. Principiul de funcționare a tranzistorilor MIS se bazează pe efectul unei modificări a conductivității stratului apropiat al unui semiconductor la limita cu un dielectric sub acțiunea unui câmp electric transversal.
Canalele MIS câmp tranzistori pot fi epuizate (b - un canal construit) și tipuri de îmbogățiți (- canal de induse) (. Vezi Figura dispozitive FET).
- Curentul Ic curge prin canalul încorporat în absența tensiunii Ui. Valoarea sa poate fi controlată în jos prin aplicarea unei tensiuni pozitive Ui dacă un tranzistor cu un canal p și o tensiune negativă, dacă este un tranzistor cu un canal n. Cu alte cuvinte - închideți tranzistorul controlând tensiunea inversă.
- În canalul indus, dacă nu există tensiune, curentul dintre scurgere și sursă este foarte mic. Când se aplică tensiunea de control, curentul Ici crește.
Deci, tensiunea de control când este aplicată la poarta unui tranzistor cu un canal încorporat - închide tranzistorul, în canalul de inducție - deschide tranzistorul.
Volt-amperi și caracteristicile porții de scurgere ale tranzistorului cu efect de câmp
Caracteristica curentului de tensiune a unui tranzistor cu efect de câmp determină caracteristicile sale de ieșire (scurgere), precum și informații despre proprietățile sale în diferite moduri de funcționare. În plus, caracteristica I-V arată relația dintre parametri una față de cealaltă. Utilizați graficul pentru a determina unele dintre parametrii care nu sunt documentate în caietul de sarcini al circuitelor tranzistor pentru a produce un calcule la nivel de tensiune offset (Uzi), stabilizare modul, precum și pentru a evalua performanța FET pe o gamă largă de curenți și tensiuni.
Figura din stânga arată un exemplu de caracteristică de scurgere a unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n și un canal de tip p pentru diferite tensiuni de comandă fixe. Graficele arată dependența curentului de scurgere (Ic) de tensiunea sursei de scurgere (Uci). Pe fiecare dintre aceste curbe există trei regiuni caracteristice:
1. Dependența puternică a curentului Ic de tensiunea Uci (secțiunea până la linia punctată). Această parte determină perioada de saturație a canalului până la tensiunea U c us, la care tranzistorul trece într-o stare închisă (deschisă). Cu cât este mai mare tensiunea de declanșare a comenzii UiS, cu atât mai repede se va închide (deschide) tranzistorul cu efect de câmp.
2. Dependența slabă a curentului Ic, atunci când canalul este saturat la valoarea sa maximă și intră într-o stare închisă (deschisă) permanent.
3. În momentul în care tensiunea Uci depășește valoarea maximă permisă pentru tranzistorul cu efect de câmp, apare o defecțiune ireversibilă electrică a joncțiunii p-n. Un tranzistor cu efect de câmp va eșua.
Caracteristica de scurgere indică dependența Ic de tensiunea dintre poartă și sursă.
Tensiunea la poartă, la care curentul de scurgere tinde la zero, este o caracteristică foarte importantă a unui tranzistor cu efect de câmp. Aceasta corespunde tensiunii dispozitivului de blocare prin circuitul porții și se numește tensiunea de închidere sau tensiunea de cutoff.
Imaginile grafice conjugate ale tranzistorilor cu efect de câmp în circuitele electrice arată astfel.
Unde este FET:
a - cu joncțiune p-n și canal p;
b - cu joncțiune p-n și n-canal;
c - cu un canal p încorporat de tip epuizat;
g - cu un n-canal încorporat de tip epuizat;
d - cu canalul p indus de tip îmbogățit;
e - cu un n-canal indus de tipul îmbogățit;
- tipul p (p) și o concluzie dintr-un substrat;
tip p (e) și terminalul din substrat
Desemnarea europeană a contactelor: poarta - poarta, scurgere - scurgere, sursă - sursă, tab - substrat (adesea în tranzistori neizolați este un exod).
Principalele caracteristici tehnice ale tranzistorului cu efect de câmp
Tranzistorii moderni cu efect de câmp sunt caracterizați prin caracteristici de bază, caracteristici de temperatură și caracteristici electrice la temperaturi de până la +25 grade pe substrat (sursă). În plus, există caracteristici statice și dinamice ale tranzistorilor cu efect de câmp care determină performanța maximă atunci când sunt aplicate în semnale de frecvență. Caracteristicile de frecvență ar trebui să se acorde o atenție deosebită atunci când se utilizează tranzistori în generatoare, modulatoare, surse de comutare, amplificatoare digitale moderne de clasa D și de mai sus. Proprietățile de frecvență sunt determinate de constanta temporală a porții RC, care determină viteza la care canalul este blocat / deblocat. În câmp tranzistori cu efect (Insulated Gate MOSFET și TIR) capacitate de intrare este mult mai mici tranzistori cu efect de câmp, cu p-n joncțiune, ceea ce face posibilă aplicarea acestora într-un echipament de înaltă frecvență.
Principalele caracteristici ale tranzistorilor cu efect de câmp sunt:
Vds (Vdss) sau Uc max - determină tensiunea maximă admisibilă între sursă și scurgere;
Id sau Ic este curentul de scurgere maxim admisibil care trece prin canalul deschis al tranzistorului;
Rdc (on) - rezistența canalului dintre poartă și sursă (indicată de obicei împreună cu tensiunea de control Ui sau Vgs).
Iz ut sau Igss - curentul de scurgere al porții la o anumită tensiune între poartă și restul terminalelor închise unul cu celălalt.
Pd sau Pmax - puterea maximă disipată a tranzistorului la o temperatură, de regulă, de +25 grade.
Parametrii termici ai unui tranzistor cu efect de câmp determină stabilitatea caracteristicilor sale atunci când operează într-un interval de temperatură, deoarece proprietățile materialelor semiconductoare se modifică odată cu temperatura. Valoarea lui Ic depinde foarte mult de temperatură. abrupta si curentul de scurgere al obturatorului.
Tj sau Tmax este temperatura de distrugere a cristalului substratului, care corespunde temperaturii maxime admise de funcționare
Tstg sau Tmin - temperatura minimă negativă la care parametrii de bază ai pașaportului tranzistorului
O caracteristică distinctivă a funcționării tranzistorilor cu efect de câmp în comparație cu cele bipolare este o cifră de zgomot foarte scăzută sau Ksh. Acest raport are un efect redus asupra tensiunii sursei de scurgere, a curentului de scurgere și a temperaturii de funcționare a tranzistorului (până la +50 grade).