Цоколевка распространенных биполярных и полевых транзисторов

Полевые и биполярные транзисторы

Источник: https://electric-220.ru/news/polevye_i_bipoljarnye_tranzistory/2015-02-20-836

Полевой МОП-транзистор

Ну вот наконец-то  дошли и до МОП-транзисторов ;-).
Как часто вы слышали название МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Да-да… это все слова синонимы и относятся они к одному и тому же радиоэлементу.

Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе звучит как Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор ;-). Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором? С чем это связано? Об этих и других вещах вы узнаете в нашей статье. Не переключайтесь на другую вкладку!

Источник: https://www.ruselectronic.com/polevoj-mop-tranzistor/

Полевые транзисторы. For dummies

А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов.

И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход.

Что нам на это скажут официальные источники?
Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения.

А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами.

Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году.

В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор.

Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой.

Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.

Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки. Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока. Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область.

Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако).

Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления.

Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика.

Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.

Устройство транзисторов такого вида следующее.

Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа.

Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение.

Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток.

Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.

Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.

Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора.

И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа.

Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.

Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения. Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:Здесь

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 МДП-транзисторов

Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
3. Внутреннее (выходное) сопротивление.

   Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).

4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
5. Входное сопротивление.

   Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.

6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком.

По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.

Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.

Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения.

И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

• высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
• высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
• поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
• высокая температурная стабильность;
• малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
• малое потребление мощности.

Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

Список источников:

ru.wikipedia.org
dssp.petrsu.ru
zpostbox.narod.ru
electrono.ru
radio.cybernet.name

Полезные комментарии:

http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4435883
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4436509
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4441531

Рекомендую почитать:

Источник: https://habr.com/post/133493/

Лекция 4 БИПОЛЯРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ – PDF

1 Лекция 4 ИПОЛЯРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ иполярные транзисторы. Взаимодействие двух близкорасположенных электроннодырочных переходов. Принцип работы биполярного транзистора. Виды биполярных транзисторов. Роль тока утечки между коллектором и базой. Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов. Режимы работы. Основные схемы включения.

Усиление тока и напряжения. Схема с общей базой. Схема с общим эмиттером. Схема с общим коллектором. Усилитель мощности. Транзисторный ключ. Особенности ключевого режима работы транзистора. Параметры транзисторного ключа. ыстродействие ключевой схемы. Транзистор с барьером Шоттки. Планарные транзисторы. Транзисторы, изготовленные по планарной технологии.

Многоэмитерные и многоколлекторные транзисторы. Полевые транзисторы. Принцип работы полевых транзисторов. Виды полевых транзисторов. Металл-оксид-полупроводник МОП (МДП) структуры с изолированным затвором. МДП транзистор со встроенным каналом. МДП транзистор с индуцированным каналом. ыстродействие ключей на полевых транзисторах. Приборы и устройства транзисторного типа.

Флэш-память. Приборы с зарядовой связью. Транзистор (от английского transfer переносить и латинского resistor сопротивление) электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три электрода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

По физическому принципу работы транзисторы можно разделить на два основных класса: биполярные и униполярные. В биполярных транзисторах физические процессы обусловлены переносом носителей заряда обоих знаков. В основе работы биполярных транзисторов лежат процессы инжекции и диффузии неосновных носителей, дрейфа основных и неосновных носителей заряда.

В униполярных транзисторах физические процессы протекания электрического тока в полупроводниках обусловлены носителями заряда одного знака электронами или дырками. Перенос носителей заряда осуществляется за счет их дрейфа в электрическом поле.

роме двух основных классов, можно рассмотреть целый ряд устройств и структур транзисторного типа, действие которых основано на использовании различных физических явлений в полупроводниках и связанных, так или иначе, с управлением током при помощи тока. 1

2 ИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Взаимодействие двух близкорасположенных электронно-дырочных переходов. Рассмотрим трехслойную полупроводниковую структуру, в которой два слоя с одинаковым типом проводимости разделены слоем полупроводника с другим типом проводимости. Получились два полупроводниковых диода, включенных навстречу друг другу.

Если приложить внешнее поле, то один окажется включенным в прямом направлении, а другой в обратном. Подавая определенный потенциал на средний слой, можно управлять токами через каждый из p-n-переходов, величина которых будет определяться видом ВАХ каждого из переходов.

Теперь представим, что средний слой довольно тонкий (толщина невелика по-сравнению с диффузионной длиной неосновных носителей). В этом случае эти два p-n-перехода не являются независимыми.

Неосновные носители, инжектированные из левой части в средний слой, за счет диффузии быстро его проходят насквозь и попадают в правую часть, независимо от того, как включен правый p-n-переход.

Такая трехслойная полупроводниковая структура, состоящая из двух слоев полупроводника с одинаковым типом проводимости, разделенных тонким слоем полупроводника с другим типом проводимости, называется биполярным транзистором. Обозначение n+ означает, что концентрация носителей повышенная по-сравнению с n, то есть, область эмиттера сильно легированная. Напротив, слой базы имеет малую степень 2

3 легирования. Толщина слоя базы либо много меньше диффузионной длины неосновных носителей ( l > r, r, то диф 8

9 K, то есть, имеем возможность в определенной степени определять требуемую величину усиления по напряжению.

Для входного сопротивления получим: ( r + r ) r + + ( r r ) диф = = β диф, или, при наличии, β Таким образом, схема с О обеспечивает возможность усиления и по току, и по напряжению, то есть, она может использоваться для усиления мощности.

тому же, эта схема характеризуется достаточно высоким входным сопротивлением. Схема с общим коллектором В данном случае входной сигнал подается на базу транзистора, а выходная нагрузка находится в цепи эмиттера. =, =, ( β 1) K = β Напряжение на открытом p-n-переходе очень маленькое.

Поэтому = +, То есть, усиления по напряжению в схеме с О нет. Такое включение называется эмиттерным повторителем. Найдем входное сопротивление: + ( β + 1) диф + ( β + 1) Н = β, с учетом того, что сопротивление нагрузки может быть довольно большим. 9

10 Схема с общим характеризуется отсутствием усиления по напряжению и очень большим входным сопротивлением. По этой причине ее очень часто используют для согласования каскадов между собой.

Если у какого-то каскада маленькое входное сопротивление перед ним ставится эмиттерный повторитель. Он не меняет напряжение, а входное сопротивление увеличивает значительно. Усилитель мощности (графический анализ работы).

Вернемся к схеме с общим эмиттером. 10

11 Для выходного напряжения можно написать: = E. где Е напряжение источника питания. то уравнение так называемой нагрузочной прямой для данных параметров схемы, которая налагает ограничения на выбор выходных значений тока и напряжения из всех возможных значений.

Нужно выбрать условия так, чтобы рабочая точка (то есть величина сигнала на выходе при нулевом уровне входного сигнала) приходилась примерно на середину рабочей нагрузочной прямой. огда на вход ничего не подается, должно быть: E = E 0 = 2 Здесь 0 – величина коллекторного тока при отсутствии сигнала на входе схемы.

То есть, переход при этом должен быть открыт путем подачи на переход начального смещения определенного уровня, а ток через переход будет иметь величину, определяемую напряжением источника питания и сопротивления нагрузки в цепи коллектора.

Чтобы правильно выбрать рабочую точку, нужно подобрать правильное соотношение напряжения питания и сопротивления нагрузки: 1 E = средний коллекторный ток, оптимальный для данного транзистора (можно найти в справочнике) и обеспечивающий требуемые характеристики схемы. Для обычных маломощных транзисторов это порядка 0,1 ма. Если течет такой ток, то сопротивление перехода довольно мало.

Если мы добились того, что рабочая точка попадает в середину нагрузочной прямой, мы подаем на вход схемы определенное напряжение сравнительно небольшой амплитуды. тому входному сигналу соответствует на характеристике конкретный диапазон токов. одной сигнал небольшой амплитуды соответствует большой амплитуде изменения тока.

ольшая амплитуда изменения тока соответствует довольно большому диапазону изменения напряжения на выходе. Т.е. с помощью маленького сигнала мы управляем большим сигналом. оэффициент усиления по напряжению: K = r + ( r + rдиф + ) rдиф + Например: Е = 5 В, 0 порядка 1 ма. Получается K примерно 2,5 ком, диф r 25 Ом. Такая схема будет усиливать по напряжению в тысячу раз. Реальная схема должна быть несколько сложней этой упрощенной схемы. 11

12 В цепь эмиттера ставится сопротивление обратной связи K Допустим в стоит 2,5кОм, а в 250 Ом. оэффициент усиления будет равен 10. Он будет меньше, но зато он будет определяться только номиналами этих сопротивлений, которые можно задавать достаточно точно.

ТРАНЗИСТОРНЫЙ ЛЮЧ Особенности ключевого режима работы транзистора Транзисторный ключ устройство на транзисторе, обеспечивающее переключение тока в нагрузке при подаче на базу транзистора напряжения определенной полярности и уровня.

Транзисторный ключ позволяет преобразовать входной сигнал в последовательность импульсов с достаточно крутыми фронтами. Транзистор в ключевой схеме попеременно находится в режиме отсечки и в режиме насыщения.

Простейший транзисторный ключ: При подаче на вход прямоугольного сигнала на выходе тоже получаем прямоугольный сигнал. 12

13 Параметры транзисторного ключа Основное требование: H, если L L, если H Пусть у нас Si-транзистор: β = 100, нас = 0. 6В. оллекторный ток в открытом состоянии нас не должен быть слишком большим, чтобы не ухудшать быстродействие, например, 10-3 А. Надо выбрать разумные значения H и L, а также значения и! Выбор L : кремниевый транзистор полностью открывается при = 0.

6В и остается надежно запертым при = 0. 4В. Из этих соображений выбираем L = 0. 4В! Выбор H : Минимальное разумное значение сопротивления внешней нагрузки EН E Н =. В этом случае на выходе закрытого ключа = =, что должно Н + 2 восприниматься последующей схемой как 1. Для уверенности зададим H 1. 5В. Область В область неопределенных значений.

E 5В! Выбор : в открытом состоянии = = 5кОм 3 нас 10 А! Выбор : сопротивление в базе ограничивает максимальный ток. Оно должно быть выбрано так, чтобы транзистор надежно открывался при поступлении на вход сигнала с минимально допустимой для высокого уровня величины. Ток базы должен быть = нас β = 10мкА. Для надежности потребуем, чтобы был еще меньше, так чтобы = 100мкА.

Для этого необходимо 1.5В 0.6В = 10 А H нас 9 4 мин ком. 13

14 ыстродействие ключевой схемы Транзистор находится либо в закрытом состоянии (отсечка), либо в открытом (насыщение). ачество работы электронного ключа определяется скоростью работы, то есть временем перехода из одного состояния в другое. До t 0 – транзистор в режиме отсечки; t 0…

t1 – время задержки включения (пока электроны долетят до коллектора, разряд барьерной емкости); t 1 – отпирание; t 2 – переход в режим насыщения, заряд диффузионной емкости; t 3 – конец входного импульса; t 4 – время рассасывания заряда (разряд диффузионной емкости) t…t время спада Чем больше насыщение транзистора, тем меньше его быстродействие.

Насыщенные ключи применяются в устройствах автоматики, где быстродействие не требуется. Транзистор с барьером Шоттки Для повышения быстродействия используются ненасыщенные ключи на основе транзисторов с диодом Шоттки (транзистор Шоттки), у которых коллекторный переход зашунтирован быстродействующим ДШ (время восстановления 0.1нс и менее, напряжение отпирания около 0.25В).

Применяются также устройства на эмиттерно-связанной логике (СЛ), у которых также отсутствует режим насыщения. 14

15 ПЛАНАРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Транзисторы, изготовленные по планарной технологии Обычно кремниевая подложка; Защитная диэлектрическая пленка SiO 2 ; n-p-n вследствие большей подвижности электронов; Si допускает большую температуру, до С, меньше обратные токи. Многоэмиттерные транзисторы. Позволяет повысить степень миниатюризации. Если хотя бы к одному эмиттеру приложить низкий потенциал, транзистор откроется. Многоколлекторные транзисторы. 15

16 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Принцип работы полевых транзисторов FET Field effect transistor Униполярные транзисторы (в отличие от биполярных). Полевой транзистор с управляющим переходом и каналом p типа Полевые транзисторы были предложены где-то в 30-е г.г. ыли реализованы позже б/п. Между затвором, истоком и стоком может подаваться определенное напряжение.

Подаем напряжение зи на затвор так, что n + -p переход включен в обратном направлении. Ширина запирающего слоя начинает меняться. Соответственно меняется ширина канала. Ширина объединенного слоя увеличивается, а ширина канала, который может проводить ток, уменьшается. Соответственно изменяется проводимость.

Таким образом, с помощью маленького сигнала меняем проводимость транзистора. Если подать слишком большое напряжение ЗИотс, ширина запирающего слоя может перекрыть весь канал, и транзистор перейдет в режим отсечки. За счет падения напряжения в подложке p-n- переход шире в тех областях, которые ближе к стоку.

Все основные закономерности похоже на те, что имеют место в случае биполярных транзисторов, но принцип работы другой. 16

17 Есть обедненный слой. Поэтому такой транзистор будет характеризоваться барьерной емкостью, так же как б/п транзистор. Диффузионной емкости тут не будет, поскольку нет инжекции.

Для полевого транзистора также могут быть выделены схемы включения с общим истоком (эквивалентно схеме с общим ), с общим затвором (эквивалентно схеме с общей ), с общим стоком (эквивалентно схеме с общим ). Виды полевых транзисторов.

Металл-оксид-полупроводник МОП (МДП) структуры с изолированным затвором Принцип его работы примерно такой же. Отличие: благодаря диэлектрику входное сопротивление очень большое. то очень ценное свойство. Но надо предпринимать дополнительные меры для защиты от статического электричества.

МДП транзистор со встроенным каналом Уже до подачи напряжения на затвор имеется канал p-типа, соединяющий исток и сток. Режим обеднения. Если ЗИ > 0, то канал обедняется. Режим отсечки. При некотором напряжении отсечки ЗИ > ЗИотс практически все дырки из канала уходят в подложку. Ток между истоком и стоком равен 0. Режим обогащения.

Если ЗИ > 0, проводимость канала растет за счет увеличения концентрации дырок. Обозначение на схеме транзистора со встроенным каналом. Подложка образует с истоком, стоком и каналом p-n-переход. Надо следить, чтобы он не смещался в прямом направлении. Обычно подложка соединяется с истоком. 17

18 МДП транзистор с индуцированным каналом При подаче отрицательного напряжения ЗИ на затвор индуцируется канал при превышении ЗИ > ЗИпорог. При этом концентрация дырок под затвором увеличивается, то есть, изменяется тип проводимости (инверсия). ыстродействие ключей на полевых транзисторах ыстродействие в большинстве случаев уступает ключам на биполярных транзисторах.

Однако, они дают большой выигрыш по току из-за большого входного сопротивления. ыстродействие ключей на МОП-транзисторах на порядок выше. ПРИОРЫ И УСТРОЙСТВА ТРАНЗИСТОРНОГО ТИПА Флэш-память Нужно устройство, в котором информация может храниться достаточно долго.

При подаче на управляющий затвор положительного напряжения происходит туннелирование электронов из сильно легированной области через слой оксида кремния на плавающий затвор, происходит запись. Для считывания подаем на затвор положительное напряжение (оно меньше, чем требуется для записи) и одновременно проверяем напряжение между истоком и затвором.

Если есть напряжение, значит нет ничего, если нет – значит есть запись. Для стирания информации подаем отрицательный импульс на затвор. 18

19 Приборы с зарядовой связью В данном случае прибор с зарядовой связью двухмерная (может быть одномерная) матрица. Например, в цифровых фотокамерах для получения изображения. Затворы через два на третий между собой объединены в линии. В результате приложения к затвору напряжения создается потенциальная яма. В ней скапливаются электроны.

За счет конфигурации поля они остаются локализованными в яме. ак считать электроны? Пусть начальное распределение напряжения на затворах создано таким образом, что производится накопление электронов в ячейках, пропорциональное освещенности. В момент времени t 2 меняем конфигурацию поля.

На второй затвор подаем напряжение еще более сильное, чем на первом затворе. За счет того, что эти потенциальные ямы находятся очень близко, заряд переходят на одну позицию. В момент времени t 3 мы считали заряд. И т.д. Таким образом, мы двигаем заряд и считываем его последовательно. За определенное число циклов мы считаем всю информацию.

Заряд в потенциальной яме образуется при освещении светом или каким-то электрическим путем. 19

Источник: https://docplayer.ru/44018586-Lekciya-4-bipolyarnye-i-polevye-tranzistory.html

Принцип работы полевого транзистора для чайников

Транзистор (transistor, англ.) – триод, из полупроводниковых материалов, с тремя выходами, основное свойство которого – сравнительно низким входным сигналом управлять значительным током на выходе цепи.

В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы.

Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор — это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми.

Контакты:

• исток – контакт входящего электрического тока, находящийся в зоне n;
• сток – контакт исходящего, обработанного тока, находящийся в зоне n;
• затвор – контакт, находящийся в зоне р, изменяя напряжение на котором, можно регулировать пропускную способность устройства.

Полевой транзистор с п – р переходом – особый вид транзисторов, которые служат для управления током.

Он отличается от простого обычного тем, что ток в нем проходит, не пересекая зоны р — n перехода, зоны, образующейся на границы этих двух зон. Размер р — n зоны регулируется.

Полевые транзисторы, их виды

Полевые транзисторы с п – р переходом делят на классы:

1. По типу канала проводника: n или р. От канала зависит знак, полярность, сигнала управления. Она должна быть противоположна по знаку n -зоне.
2. По структуре прибора: диффузные, сплавные по р – n — переходом, с затвором Шоттки, тонкопленочные.
3. По числу контактов: 3-х и 4-контактные. В случае 4-контактного прибора, подложка также исполняет роль затвора.
4. По используемым материалам: германий, кремний, арсенид галлия.

Классы делятся по принципу работы:

• устройство под управлением р — n перехода;
• устройство с изолированным затвором или с барьером Шоттки.

Полевой транзистор, принцип работы

По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль.

Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.

Прибор с управляющим р — п канальным переходом — это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине — контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода.

Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю. В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал.

При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.

В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля.

Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества.

Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.

Зачем нужен полевой транзистор

Рассматривая работу сложной электронной техники, как работу полевого транзистора (как одного из компонентов интегральной схемы) сложно представить, что основных направления его работы пять:

1. Усилители высоких частот.
2. Усилители низких частот.
3. Модуляция.
4. Усилители постоянного тока.
5. Ключевые устройства (выключатели).

На простом примере работу транзистора, как выключателя, можно представить как компоновку микрофона с лампочкой. Микрофон улавливает звук, от этого появляется электрический ток. Он поступает на запертый полевой транзистор.

Своим присутствием ток включает устройство, включает электрическую цепь, к которой подключена лампочка.

Лампочка загорается при улавливании звука микрофоном, но горит за счет источника питания, не связанного с микрофоном и более мощного.

Модуляция применяется для управления информационным сигналом. Сигнал управляет частотой колебания. Модуляция применяется для качественного звукового сигнала в радио, для передачи звукового ряда в телевизионных передачах, трансляции цвета и телевизионного сигнала высокого качества. Она применяется везде, где требуется работа с материалом высокого качества.

Как усилитель полевой транзистор упрощенно работает так: графически любой сигнал, в частности, звуковой ряд, можно представить в виде ломаной линии, где ее длина – это время, а высота изломов частота звука.

Для усиления звука на радиодеталь подают мощное напряжение, которое приобретает необходимые частоты, но с более большими значениями, за счет подачи слабого сигнала на управляющий контакт.

Другими словами, устройство пропорционально перерисовывает изначальную линию, но с более высокими пиковыми значениями.

Применение полевых транзисторов

Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат. Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.

В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике. Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.

На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков. В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.

Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров. По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.

Плюсы и минусы полевых транзисторов

Полевые транзисторы своими характеристиками оставили далеко позади другие виды устройства. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.

Плюсы:

• каскад деталей расходует мало энергии;
• усиление выше, чем у других видов;
• высокая помехоустойчивость достигается отсутствием прохождения тока в затворе;
• более высокая скорость включения и выключения – они могут работать на недоступных другим транзисторам частотах.

Минусы:

• более низкая температура разрушения, чем у других видов;
• на частоте 1,5 ггц, потребляемая энергия начинает резко возрастать;
• чувствительность к статическому электричеству.

Характеристики полупроводниковых материалов, взятых за основу полевых транзисторов, позволили применять устройства в быту и производстве.

На основе плевых транзисторов создали бытовую технику в привычном для современного человека виде.

Обработка высококачественных сигналов, производство процессоров и других высокоточных компонентов невозможна без достижений современной науки.

Источник: https://instrument.guru/elektronika/printsip-raboty-polevogo-tranzistora-dlya-chajnikov.html

• Главная
• Электротехника

Цоколевка распространенных биполярных и полевых транзисторовСсылка на основную публикацию Adblock
detector