Kenttäväylätransistorit p tyyppi. Kenttätransistorin perusparametrit. MOSFET-transistorin toimintaperiaate

Kyllästysvirta I s0 yhteisen lähteen piirin mukaisesti kytketyn transistorin nielupiirissä, jossa hila on oikosuljettu lähteeseen (ts. kohdassa U s.i = 0) - tyypillistä vain kenttätransistoreille, joissa on ohjaus p-n-liitos.

Tyhjennysvirta toimintapisteessä voidaan määrittää seuraavalla kaavalla:

I s = I s0 (1-U z.i /U ots) 2 (1)

missä U ots on katkaisujännite.

Yhtälö (1) on likimääräinen yhtälö minkä tahansa lähetysominaisuuksille kenttäefektitransistori(erityisesti matalilla katkaisujännitteillä).

Katkaisujännite U ots- yksi kenttätransistorin pääparametreista. Kun hilajännite on numeerisesti yhtä suuri kuin katkaisujännite, kenttätransistorikanava on lähes kokonaan tukossa ja nieluvirta pyrkii nollaan.

Katkaisujännitteen todellisen arvon mittaaminen (kanavan täydellisellä tukkeutumisella) on melko vaikeaa, koska tässä tapauksessa on kohdattava erittäin pieniä tyhjennysvirtoja, jotka riippuvat myös eristysresistanssista. Kenttätransistorien vertailutiedot osoittavat aina, millä nieluvirran arvolla katkaisujännite mitattiin. Joten esimerkiksi transistoreille KP102 jännitteet U otc saatiin 20 μA:n tyhjennysvirralla ja transistorille KP103 - 10 μA:n tyhjennysvirralla.

Kulkukäytävän ominaisuuden kaltevuus. Kenttätransistoreiden syöttöresistanssi ohjauselektrodipuolella on 10 7 -10 9 ohmia p-n-liitoksella varustetuilla transistoreilla. Koska kenttätransistorien tulovirrat ovat erittäin pieniä, lähtöpiirin virtaa ohjataan tulojännitteellä. Siksi kenttätransistorin vahvistusominaisuudet, kuten tyhjiöputket, on suositeltavaa karakterisoida virtausominaisuuden kaltevuus.

Kenttätransistorien kaltevuus

Ominaisuuden S max jyrkkyyden maksimiarvo saavutetaan arvolla U z.i = 0. Tässä tapauksessa Smax:n numeerinen arvo on yhtä suuri kuin kenttätransistorikanavan johtavuus sen elektrodien nollabiasissa.

Kenttätransistoreiden ominaisuuden jyrkkyys on 1-2 suuruusluokkaa pienempi kuin bipolaaristen transistoreiden, joten alhaisilla kuormitusresistanssilla kaskadin vahvistus kenttätransistoreilla on pienempi kuin vastaavan vahvistus. kaskadi bipolaarisella transistorilla.

Saamme ominaisuuden jyrkkyyden lausekkeen PT-toimintapisteessä käyttämällä (1):

missä U g.i on hilalähteen jännite, jolla S lasketaan;

Relaatio (3) antaa meille mahdollisuuden laskea kolmas käyttämällä kahta tunnettua parametria.

Läpilyöntijännite. Kenttätransistorin rikkoutumismekanismi voidaan selittää lumivyöryprosessin esiintymisellä hila-kanavasiirtymässä. Hilakanavadiodin käänteinen jännite vaihtelee hilan pituuden mukaan saavuttaen maksimiarvon kanavan nielupäässä. Tässä tapahtuu kenttätransistorin hajoaminen. Jos tyhjennys- ja lähdeliittimet vaihdetaan, läpilyöntijännite tuskin muutu. Esimerkiksi KP102-transistorissa rikkoutuminen tapahtuu, kun hilan ja nielun välinen kokonaisjännite on 30 V. Tämä jännite on minimaalinen; Itse asiassa läpilyöntijännite on keskimäärin noin 55 V, ja joissakin näytteissä se saavuttaa 120 V.

Häiriö ei johda PT:n vikaantumiseen, jossa on ohjaus p-n-liitoksella, jos hajautettu teho ei ylitä sallittua arvoa. Normaalin toimintatilan rikkoutumisen jälkeen nämä transistorit palauttavat toimintansa. Tämä p-n-liitostransistoreiden ominaisuus antaa niille tietyn edun MOS-transistoreihin verrattuna, joissa rikkoutuminen johtaa selvästi laitteen vikaantumiseen.

On kuitenkin syytä tehdä varaus, että edes p-n-liitoksella varustetussa PT:ssä rikkoutuminen ei aina ole vaaratonta. Sen vaikutuksen asteen transistorin parametreihin määrää portin läpi kulkevan virran arvo ja kesto. Siten rikkoontumisen seurauksena portin vuotovirta normaalitilassa voi kasvaa.

Dynaaminen kanavavastus r k määräytyy lausekkeen mukaan

Tämä resistanssi arvolla U c.i = 0 ja mielivaltainen bias U c.i voidaan ilmaista transistorin parametreilla:

Matalalla nielulähdejännitteellä lähellä origoa FET käyttäytyy muuttuvana ohmisena vastuksena hilajännitteestä riippuen. Tämä pätee, vaikka nielujännitteen napaisuutta muutetaan (katso kuva 4); on vain välttämätöntä, että jännite portissa on suurempi kuin nielussa.

Kenttäefektitransistori on puolijohdevahvistin, jonka resistanssi voi muuttua sähkökentän vaikutuksesta. Resistanssin muutos saadaan aikaan muuttamalla puolijohdekerroksen sähköistä ominaisvastusta tai muuttamalla sen puolijohteen tilavuutta, jonka läpi sähkövirta kulkee.

Kenttätransistorien toiminnassa käytetään erilaisia ​​tehosteita, kuten äänenvoimakkuuden muutoksia R-P-siirtymä, kun siihen vaikuttava estojännite muuttuu; puolijohteen pintakerroksen ehtymisen, varauksenkuljettajien rikastumisen tai johtavuustyypin inversion vaikutukset. Kenttätransistoreja kutsutaan joskus yksinapainen, koska niiden läpi kulkeva virta johtuu vain yhden merkin kantajista. Kenttätransistoreja kutsutaan myös kanava transistorit, koska transistorin toimintaa ohjaava sähkökenttä tunkeutuu puolijohteen läpi suhteellisen matalasti ja kaikki prosessit tapahtuvat ohuessa kerroksessa ns. kanava.

Kenttätransistorin ohjauspiiri ei kuluta käytännössä lainkaan virtaa ja tehoa. Tämän avulla voit vahvistaa signaaleja lähteistä, joilla on erittäin korkea sisäinen vastus ja pieni teho. Lisäksi tämä mahdollistaa satojen tuhansien transistorien sijoittamisen yhdelle sirulle.

Kenttäväylätransistorit ohjaus-pn-liitoksella

Kenttätransistori voidaan valmistaa puolijohdelevyn muodossa (jossa P- tai R-johtavuus), jonka yhteen pinnoista on sulatettu metallikerros, ns sulkija, muodostaen tasaisen r-p-siirtymä (kuva 5.1). Johdot on kytketty levyn ala- ja yläpäähän, joita kutsutaan vastaavasti lähde Ja valua. Jos portissa on sammutusjännite (positiivinen P-suljin ja negatiivi päällä R-gate), sitten riippuen sen arvosta kanavassa ( r-p-siirtymä) ilmaantuu varauksenkantajista tyhjentynyt kerros, joka on käytännössä eriste.

Vaihtelemalla hilajännitettä nollasta johonkin melko suureen jännitteeseen, jota kutsutaan katkaisujännite (estojännite, tai kynnysjännite, katso kuva. 5.6), voit laajentaa käyttämän puolijohteen tilavuutta r-p-siirtymä, että se valtaa koko kanavan ja varauksenkuljettajien liikkuminen lähteen ja viemärin välillä tulee mahdottomaksi. Transistori sulkeutuu kokonaan (kuva 5.2).

Toisin kuin virtaohjatut bipolaaritransistorit, kenttätransistorit ovat jänniteohjattuja, ja koska tämä jännite syötetään ohjaukseen r-p-siirtymä käänteiseen (esto)napaisuuteen, silloin ohjauspiirissä ei käytännössä kulje virtaa (5 V jännitteellä ohjausvirta ei ylitä 10 -10 A).

Eristetyt hilakenttätransistorit

kenttätransistorit indusoidulla kanavalla

Kuvassa Kuvassa 5.3 on eristetyn hilan kenttätransistorin laite, ns MOS-transistori. Tämä nimi johtuu rakenteesta: portti on valmistettu metallista (M) ja se on erotettu ohuella eristekerroksella (D) puolijohteesta (P), josta transistori on valmistettu. Jos transistori on valmistettu piistä, dielektrisenä käytetään ohutta piioksidikalvoa. Tässä tapauksessa nimi muuttuu muotoon MOSFET(metallioksidi-puolijohde).

Kuvassa 5.3 vasemmalla, transistori on valmistettu levyn perusteella ( substraatit, tai perusteita) silikonista R- johtavuus. Kaksi aluetta P- johtavuus (lähde ja viemäri), erotettu alueella P-kanava, jolla on hallitseva asema R- johtavuus. Tämän seurauksena, kun transistoriin syötetään jännite, lähteen ja nielun välillä ei kulje virtaa, koska nielu-kanta- ja lähde-kanta-siirtymät muodostavat kaksi peräkkäin kytkettyä r-p- siirtymä, joista yksi suljetaan missä tahansa käytetyn jännitteen napaisuudessa.

Jos kuitenkin pintakerroksessa R- puolijohde altistetaan riittävän voimakkaalle sähkökentällä kohdistaen positiivisen napaisuuden hilan ja kannan väliin, jolloin virta alkaa kulkea lähteen ja nielun välillä. Tämä selittyy sillä, että portin alla sijaitsevasta puolijohteen pintakerroksesta sähkökenttä työntää ulos reikiä ja elektronit kerääntyvät muodostaen kanavan (jossa P- johtavuus näkyy kuvassa. 5.3 katkoviivalla), seurauksena r-p- lähde-kanava- ja kanava-lähde-siirtymät lakkaavat olemasta. Johtavuus P- kanava on sitä suurempi, mitä suurempi jännite hilan ja kannan väliin syötetään.

Tarkastelun mallin transistoria kutsutaan MOS-transistori indusoidulla kanavalla.

Kanta on yleensä kytketty lähteeseen, mutta joskus siihen syötetään jännite erikseen, jolloin kanta toimii lisäporttina.

Jos pohja on valmistettu P-pii, lähteen ja viemärin muodostavat voimakkaasti seostetut alueet R- johtavuudet, ja piioksidia käytetään eristeenä, käy ilmi Indusoitu p-kanava MOSFET(johtavuudella R) (Kuva 5.3 oikealla).

kenttätransistorit sisäänrakennetulla kanavalla

MOSFETit voidaan suunnitella integroidulla kanavalla. Esimerkiksi kuvassa Fig. 5.4 vasemmalla on kaavio tällaisen transistorin laitteesta P- kanava. Pohja on valmistettu R-pii, ja lähde ja viemäri ovat P-johtavuus ja saatu diffuusiomenetelmällä. Lähde ja viemäri on yhdistetty suhteellisen ohuella kanavalla, jolla on merkityksetön R- johtavuus.

Jos pohja on valmistettu P-pii sekä lähde ja viemäri - alkaen R-pii, niin transistorissa on sisäänrakennettu p-kanava (kuva 5.4 oikealla) .

Job P-kanavainen MOS-transistori voidaan selittää seuraavasti. Jos hilaan kohdistetaan negatiivinen (suhteessa kantaan) jännite, johtavuuselektronit siirtyvät P-kanava pohjaan ja kanavan johtavuus laskee kanavan täydelliseen tyhjentymiseen ja tukkeutumiseen asti .

Kun positiivinen jännite syötetään porttiin P-kanava rikastuu elektroneilla ja sen johtavuus kasvaa (kuva 5.6).

Kenttätransistorien luokittelu ja ominaisuudet

Kenttätransistorit ovat tyhjennettyjä ja rikastettuja tyyppejä. Ensimmäiset sisältävät kaikki transistorit р-п-siirtymä ja P-kanavan ehtymisen tyyppiset MOS-transistorit. Rikastetut MOSFETit ovat saatavilla mm P-kanava ja R-kanava (kuva 5.5).

Rikastetun ja tyhjennetyn tyypin transistorit eroavat toisistaan ​​vain ns kynnysjännite, joka saadaan ekstrapoloimalla ominaiskäyrän suora leikkaus (kuva 5.6.).

Lähtöominaisuudet kenttätransistoreja kutsutaan nieluvirran riippuvuuksiksi nielulähteen jännitteestä eri hilalähdejännitteen arvoille.

Kenttätransistori on erittäin hyvä laite lähdön johtavuuden suhteen - vakiohilalähteen jännitteellä nieluvirta on lähes riippumaton jännitteestä (lukuun ottamatta pienten nielulähdejännitteiden aluetta). Kuvassa 5.7 näyttää tyypilliset riippuvuudet i alkaen u si arvoalueelle u zi.

Kenttätransistorit ovat aktiivisia puolijohdelaitteita, joissa lähtövirtaa ohjataan sähkökentän avulla (kaksinapaisissa transistoreissa lähtövirtaa ohjataan tulovirralla). Kenttätransistoreja kutsutaan myös unipolaariseksi, koska vain yksi kantoaaltotyyppi on mukana sähkövirran virtauksessa.

Kenttätransistoreja on kahta tyyppiä: ohjausliitoksella ja eristetyllä portilla. Niissä kaikissa on kolme elektrodia: lähde (virrankuljettajien lähde), hila (ohjauselektrodi) ja nielu (elektrodi, jossa kantoaaltoja virtaavat).

Transistori ohjauksellap- n-siirtyminen . Sen kaavamainen esitys on esitetty kuvassa. 1.21, A Tämän transistorin tavanomainen graafinen merkintä on kuvassa. 1.22, A, b (s- Ja n-tyypit). Nuoli osoittaa suunnan poispäin tasosta R kerrostaa P(kuten nuoli bipolaarisen transistorin emitterin kuvassa). Integroiduissa piireissä transistorien lineaariset mitat voivat olla huomattavasti alle 1 mikronin.

Riisi. 1.22 Transistorisuunnittelu

Riisi. 1.23 Graafinen esitys:a – p-tyypin kanava; b – kanava n-tyyppinen

Kerroksen resistanssi n(portti) on paljon pienempi kuin kerroksen ominaisvastus R(kanava), joten alue R-n-liitos, jossa liikkuvat varauksen kantajat on tyhjennetty ja jolla on erittäin korkea resistanssi, sijaitsee pääasiassa kerroksessa R.

Jos tarkasteltavan transistorin puolijohdekerrosten johtavuustyypit muutetaan päinvastaisiksi, saadaan kenttätransistori ohjauksella
R-n-siirtymä ja kanava n-tyyppi. Jos käytät positiivista jännitettä p-kanavatransistorin hilan ja lähteen välillä: ja zi > 0, sitten se muuttuu s—n- siirtyminen vastakkaiseen suuntaan.

Kun käänteinen jännite liitoksessa kasvaa, se laajenee pääasiassa kanavan vuoksi (edellä mainitusta resistiiviserosta johtuen). Siirtymäleveyden lisääminen vähentää kanavan paksuutta ja siten lisää sen vastusta. Tämä johtaa virran pienenemiseen lähteen ja viemärin välillä. Juuri tämän ilmiön avulla voit ohjata virtaa jännitteen ja vastaavan sähkökentän avulla. Jos jännite ja zi on riittävän suuri, alue on täysin tukossa s—n-siirtymä (katkaisujännite).

Työtilassa R—n- liitoksen on oltava käänteisen tai nollajännitteen alla. Siksi toimintatilassa hilavirta on suunnilleen nolla ( i z? 0 ), ja tyhjennysvirta on lähes yhtä suuri kuin lähdevirta.

Leveyteen R—n-siirtymään ja kanavan paksuuteen vaikuttaa myös suoraan lähteen ja nielun välinen jännite. Antaa uzi= 0 ja kytketty positiivinen jännite uOn(Kuva 1.24). Tämä jännite syötetään gate-drain-rakoon, ts. siitä käy ilmi uzs= uOn Ja R—n- risteyksessä on käänteinen jännite.

Käänteinen jännite eri alueilla R—n– Siirtymät ovat erilaisia. Lähteen lähellä olevilla alueilla tämä jännite on käytännössä nolla, ja viemärin lähellä tämä jännite on suunnilleen sama kuin uOn . Siksi s—n-siirtymä on leveämpi niillä alueilla, jotka ovat lähempänä viemäriä. Voidaan olettaa, että kanavan jännite kasvaa lineaarisesti lähteestä nieluun.

klo uon =Uziots kanava sulkeutuu kokonaan viemärin lähellä (kuva 1.25). Jännitteen lisääntyessä edelleen uOn tämä kanavan alue, jossa se on estetty, laajenee.

Transistorin kytkentäpiirit . Kenttätransistorilla, kuten bipolaarisella transistorilla, on kolme kytkentäpiiriä: piirit, joissa on yhteinen portti (03), yhteinen lähde (CS) ja yhteinen nielu (OS). Yleisimmin käytetyt piirit ovat yhteislähteitä (kuva 1.26).

Koska käyttötilassa i c? 0, silloin syöttöominaisuuksia ei yleensä oteta huomioon.

Tuotoksen (varaston) ominaisuudet . Lähtöominaisuutta kutsutaan muodon riippuvuudeksi

Missä f- jokin toiminto.

Lähtöominaisuudet transistorin kanssa R—n-liitos ja n-tyypin kanava on esitetty kuvassa. 1.27.

Siirrytään ehtoa vastaaviin hahmonäyttelijöihin u zi= 0. Lineaarisella alueella ( sinä olet < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.

klo sinä olet> 4 V Viemärialueen kanava on tukossa. Jännitteen lisänousu johtaa hyvin vähäiseen virran nousuun, koska jännitteen kasvaessa alue, jossa kanava on tukossa, laajenee. Tässä tapauksessa lähde-tyhjennysraon vastus kasvaa ja virta kasvaa i c käytännössä ei muutu. Tämä on kylläisyysalue. Tyhjennä virta kyllästymisalueella u zi = 0 ja tietyllä jännitteellä ja si kutsutaan alkutyhjennysvirraksi ja sitä merkitään minä c aloitan. Tarkasteltavien ominaisuuksien osalta minä c aloitan= 5 mA at ja si= 10 V.

Parametrit, jotka kuvaavat transistorin ominaisuuksia vahvistaa jännitettä ovat:

1) Portin kaltevuusominaisuus S(kenttätransistorin kaltevuusominaisuus):

2) Sisäinen erovastus Ris diff

3) Voitto

Sen voi huomata

Eristetyt porttitransistorit. Eristetty hilakenttätransistori on transistori, jonka hila on sähköisesti erotettu kanavasta dielektrisellä kerroksella. Tällaisten transistorien toiminnan fyysinen perusta on kenttäilmiö, joka koostuu vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuuden muuttamisesta puolijohteen pinnanläheisellä alueella ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Rakenteensa mukaisesti tällaisia ​​transistoreja kutsutaan MOS-transistorit (metalli-eriste-puolijohde) tai MOS-transistorit (metallioksidi-puolijohde). MOS-transistoreja on kahdenlaisia: indusoiduilla ja sisäänrakennetuilla kanavilla.

Kuvassa Kuva 1.28 esittää sisäänrakennetulla kanavalla varustetun transistorin periaatetta.

Pohja (substraatti) on piikiekko, jolla on sähkönjohtavuus s-tyyppi. Siihen luodaan kaksi sähkönjohtavaa aluetta n+ -tyyppi, jossa on parannettu johtavuus. Nämä alueet ovat lähde ja nielu, ja niistä tehdään johtopäätökset. Viemärin ja lähteen välissä on pintaa lähellä oleva kanava, jonka sähkönjohtavuus on n-tyyppinen. Varjostettu alue on dielektrinen piidioksidikerros (sen paksuus on yleensä 0,1 - 0,2 µm). Dielektrisen kerroksen päällä on ohuen metallikalvon muodossa oleva portti. Tällaisen transistorin kide on yleensä kytketty lähteeseen ja sen potentiaali on nolla. Joskus kristallista tehdään erillinen johtopäätös.

Jos hilaan kohdistetaan nollajännite, niin kun jännite syötetään nielun ja lähteen väliin, elektronien virtausta edustava virta kulkee kanavan läpi. Virta ei kulje kiteen läpi, koska yksi niistä s—n-siirtymät ovat käänteisen jännitteen alaisia. Kun portille syötetään negatiivisen polariteetin jännite suhteessa lähteeseen (ja siten kiteeseen), kanavaan muodostuu poikittaissuuntainen sähkökenttä, joka työntää elektronit ulos kanavasta lähteen, nielun ja kiteen alueille. Kanava tyhjenee elektroneista, sen vastus kasvaa ja virta pienenee. Mitä suurempi hilajännite, sitä pienempi virta. Tätä tilaa kutsutaan laiha tila . Jos hilaan kohdistetaan positiivinen jännite, kentän vaikutuksesta elektronit virtaavat nielu-, lähde- ja kidealueilta kanavaan. Kanavan vastus laskee, virta kasvaa. Tätä tilaa kutsutaan rikastustila . Jos kristalli n-tyyppiä, kanavan on oltava p-tyyppinen ja jännitteen napaisuus on käänteinen.

Toinen tyyppi on transistori, jossa on indusoitu (käänteinen) kanava (Kuva 1.29). Se eroaa edellisestä siinä, että kanava ilmestyy vain, kun hilaan syötetään tietyn napaisuuden jännite.

Kun portissa ei ole jännitettä, lähteen ja viemärin välillä ei ole kanavaa
n+ -tyyppi vain kristalli sijaitsee s-tyyppi ja yksi niistä p-n+ -siirtymät tuottavat käänteisen jännitteen. Tässä tilassa nielun ja lähteen välinen vastus on korkea ja transistori on kytketty pois päältä. Kun hilaan kohdistetaan positiivisen polariteetin jännite, hilakentän vaikutuksesta johtavuuselektroneja siirtyy nielu- ja lähdealueelta ja s-alueet sulkimen suuntaan. Kun hilajännite saavuttaa avaus- (kynnys-) arvonsa (volttiyksikköä), elektronipitoisuus pinnanläheisessä kerroksessa kasvaa niin paljon, että se ylittää reikäpitoisuuden, ja ns. inversio sähkönjohtavuuden tyyppi, ts. muodostuu ohut kanava n-tyyppiä, ja transistori alkaa johtaa virtaa. Mitä suurempi hilajännite on, sitä suurempi on tyhjennysvirta. Ilmeisesti tällainen transistori voi toimia vain rikastustilassa. Jos substraatti n-tyyppi, niin saat indusoidun kanavan s-tyyppi. Indusoituja kanavatransistoreja löytyy usein kytkinlaitteista. Kenttätransistorien kytkentäpiirit ovat samanlaisia ​​kuin bipolaaristen transistorien kytkentäpiirit. On huomattava, että kenttätransistori mahdollistaa paljon suuremman vahvistuksen kuin kaksinapainen. Suurella tuloresistanssilla (ja alhaisella teholla) kenttätransistorit korvaavat vähitellen bipolaariset transistorit.

Kanavan sähkönjohtavuuden perusteella ne erottavat s- kanava ja n- kanavan MOS-transistorit. Näiden laitteiden symbolit sähkökaavioissa on esitetty kuvassa. 1.30 . MOS-transistoreilla on luokitus suunnittelun ja teknisten ominaisuuksien mukaan (yleensä portin materiaalin tyypin mukaan).

Riisi. 1.30 Kenttätransistorien graafiset symbolit
eristetyllä portilla: a – sisäänrakennetulla p-kanavalla; b – sisäänrakennettu
n-kanava; c – indusoidulla p-kanavalla; d – indusoidulla n-kanavalla

Integroidut piirit, jotka sisältävät samanaikaisesti p — kanava- ja n-kanavaisia ​​MOS-transistoreja kutsutaan komplementaariseksi (lyhenne KMDP-IC). KMDP-IC:ille on ominaista korkea melunsieto, alhainen virrankulutus ja korkea suorituskyky.

Taajuusominaisuudet kenttätransistorit määräytyvät aikavakion mukaan R.C.- porttipiirit. Koska tulokapasitanssi KANSSAzi transistoreille R—n-siirtymä on suuri (kymmeniä pikofaradeja), niiden käyttö vahvistinportaissa, joissa on korkea tuloimpedanssi, on mahdollista taajuusalueella, joka ei ylitä satoja kilohertsejä - megahertsiä.

Kytkentäpiireissä toimiessa kytkentänopeus määräytyy täysin RC-porttipiirin aikavakion mukaan. Eristetyillä hila-kenttätransistoreilla on paljon pienempi tulokapasitanssi, joten niiden taajuusominaisuudet ovat paljon paremmat kuin p-n-liitoksen kenttätransistoreilla.

Tekniset ominaisuudet ja edistysaskel suuritehoisten kenttätransistorien kehityksessä ovat johtaneet siihen, että nykyään niitä ei ole vaikea ostaa edulliseen hintaan.

Tässä suhteessa radioamatöörien kiinnostus tällaisten MOSFET-transistorien käyttöön elektronisissa kotitekoisissa tuotteissaan ja projekteissaan on lisääntynyt.

On syytä huomata, että MOSFETit eroavat merkittävästi bipolaarisista vastineistaan ​​sekä parametrien että suunnittelun suhteen.

On aika tutustua tehokkaampien MOSFET-transistorien suunnitteluun ja parametreihin, jotta voit tarvittaessa tietoisemmin valita analogin tietylle esiintymälle ja myös ymmärtää tiettyjen tietolomakkeessa ilmoitettujen määrien olemuksen.

Mikä on HEXFET-transistori?

Kenttätransistorien perheessä on erillinen voimakas ryhmä puolijohdelaitteet nimeltä HEXFET. Niiden toimintaperiaate perustuu erittäin omaperäiseen tekniseen ratkaisuun. Niiden rakenne koostuu useista tuhansista rinnakkain kytketyistä MOS-soluista.

Solurakenteet muodostavat kuusikulmion. Kuusikulmaisen tai muuten kuusikulmaisen rakenteen vuoksi tämä tyyppi teho-MOSFETtejä kutsutaan HEXFETeiksi. Tämän lyhenteen kolme ensimmäistä kirjainta on otettu englanninkielisestä sanasta hex agonaalinen- "kuusikulmainen".

Moninkertaisella suurennuksella tehokkaan HEXFET-transistorin kide näyttää tältä.

Kuten näet, sillä on kuusikulmainen rakenne.

Osoittautuu, että tehokas MOSFET on pohjimmiltaan eräänlainen supermikropiiri, joka yhdistää tuhansia yksittäisiä yksinkertaisia ​​kenttätransistoreja. Yhdessä he luovat yhden tehotransistori, joka voi siirtää suuren virran itsensä läpi ja samalla käytännössä ei tarjoa merkittävää vastusta.

HEXFETin erityisen rakenteen ja valmistustekniikan ansiosta niiden kanavan kestävyys RDS (päällä) onnistui vähentämään merkittävästi. Tämä mahdollisti useiden kymmenien ampeerien kytkentävirtojen ongelman 1000 voltin jännitteillä.

Tässä on vain pieni sovellusalue suuritehoisille HEXFET-transistoreille:

Virtalähteen kytkentäpiirit.

Latauslaite.

Sähkömoottorien ohjausjärjestelmät.

Matalataajuiset vahvistimet.

Huolimatta siitä, että HEXFET-teknologialla (rinnakkaiskanavat) valmistetuilla mosfeteilla on suhteellisen alhainen avoimen kanavan vastus, niiden laajuus on rajallinen ja niitä käytetään pääasiassa suurtaajuisissa, suurvirtapiireissä. Korkeajännitteisessä tehoelektroniikassa IGBT-pohjaiset piirit ovat joskus suositeltavia.

Kuva MOSFET-transistorista piirilevyllä sähkökaavio(N-kanavainen MOS).

Kuten bipolaaritransistorit, kenttärakenteet voivat olla eteenpäin tai taaksepäin johtavaa. Eli P-kanavalla tai N-kanavalla. Johtopäätökset esitetään seuraavasti:

D-tyhjennys (tyhjennys);

S-lähde (lähde);

G-portti (suljin).

Tietoja siitä, kuinka kenttätransistorit nimetään eri tyyppejä päällä piirikaaviot löytyy tältä sivulta.

Kenttätransistorien perusparametrit.

Vain monimutkaisten parametrien kehittäjät voivat vaatia koko MOSFET-parametrisarjan elektroniset laitteet eikä sitä yleensä mainita teknisissä tiedoissa (viitesivulla). Riittää, kun tietää perusparametrit:

V DSS(Drain-to-Source Voltage) – jännite viemärin ja lähteen välillä. Tämä on tyypillisesti piirisi syöttöjännite. Kun valitset transistorin, sinun on aina muistettava 20% marginaali.

Minä D(Continuous Drain Current) – tyhjennysvirta tai jatkuva tyhjennysvirta. Ilmoitetaan aina vakiohilalähteen jännitteellä (esim. V GS =10V). Datalehti ilmaisee yleensä suurimman mahdollisen virran.

RDS (päällä)(Static Drain-to-Source On-Resistance) – avoimen kanavan valuma-lähdevastus. Kun kiteen lämpötila nousee, avoimen kanavan vastus kasvaa. Tämä on helppo nähdä kaaviosta, joka on otettu yhden suuritehoisen HEXFET-transistorin tietolomakkeesta. Mitä pienempi on-channel resistanssi (R DS(on)), sitä parempi MOSFET. Se lämmittää vähemmän.

P D(Power Dissipation) – transistorin teho watteina. Toisella tavalla tätä parametria kutsutaan myös hajoamistehoksi. Tietyn tuotteen tietolomakkeessa tämän parametrin arvo on ilmoitettu tietylle kidelämpötilalle.

VGS(Gate-to-Source Voltage) – hilasta lähteeseen saturaatiojännite. Tämä on jännite, jonka yläpuolella kanavan läpi kulkeva virta ei kasva. Pohjimmiltaan tämä on suurin jännite portin ja lähteen välillä.

V GS(th)(Gate Threshold Voltage) – kynnysjännite transistorin kytkemiseksi päälle. Tämä on jännite, jolla johtava kanava avautuu ja se alkaa kuljettaa virtaa lähde- ja nieluliittimien välillä. Jos jännite on pienempi kuin V GS(th) hila- ja lähdeliittimien väliin, transistori kytkeytyy pois päältä.

Kaavio näyttää kuinka kynnysjännite V GS(th) pienenee transistorikiteen lämpötilan noustessa. 175 0 C lämpötilassa se on noin 1 voltti ja 0 0 C lämpötilassa noin 2,4 volttia. Siksi lomakkeessa ilmoitetaan yleensä minimi ( min.) ja maksimi ( max.) kynnysjännite.

Tarkastellaan esimerkin avulla tehokkaan HEXFET-kenttätransistorin pääparametreja IRLZ44ZS International Rectifieriltä. Vaikuttavasta suorituskyvystään huolimatta siinä on kompakti runko D 2 PAK pinta-asennukseen. Katsotaanpa tietolehteä ja arvioidaan tämän tuotteen parametreja.

Tyhjennyslähteen jänniteraja (V DSS): 55 volttia.

Suurin tyhjennysvirta (I D): 51 A.

Hilalähteen jänniteraja (V GS): 16 volttia.

Avoimen kanavan nielulähteen vastus (R DS(päällä)): 13,5 mOhm.

Suurin teho (P D): 80 wattia.

IRLZ44ZS avoimen kanavan vastus on vain 13,5 milliohmia (0,0135 ohmia)!

Katsotaanpa "kappaletta" taulukosta, jossa on ilmoitettu enimmäisparametrit.

On selvästi nähtävissä, kuinka tasaisella hilajännitteellä, mutta lämpötilan noustessa, virta pienenee (51A:sta (t=25 0 C) 36A:iin (t=100 0 C)). Teho kotelon lämpötilassa 25 0 C on 80 wattia. Jotkut pulssitilan parametrit näytetään myös.

MOSFET-transistorit ovat nopeita, mutta niillä on yksi merkittävä haittapuoli - suuri kapasiteetti sulkija Asiakirjoissa portin tulokapasitanssi on merkitty muodossa C iss (Tulokapasiteetti).

Mihin portin kapasitanssi vaikuttaa? Se vaikuttaa suuresti tiettyihin kenttätransistorien ominaisuuksiin. Koska tulokapasitanssi on melko suuri ja voi saavuttaa kymmeniä pikofaradeja, kenttätransistoreiden käyttö piireissä korkeataajuus rajoitettu.

MOSFET-transistorien tärkeitä ominaisuuksia.

Kenttätransistoreiden kanssa työskennellessä on erittäin tärkeää muistaa, että ne ovat "tappavia". pelkää staattista sähköä. Voit juottaa ne piiriin vain oikosulkemalla johdot yhteen ohuella langalla.

Varastoinnin aikana on parempi oikosulkea kaikki MOS-transistorin liittimet tavallisella alumiinifoliolla. Tämä vähentää riskiä, ​​että staattinen sähkö vahingoittaa porttia. Kun asennat sen päälle painettu piirilevy parempaa käyttöä juotosasema, ei tavallinen sähköinen juotoskolvi.

Tosiasia on, että tavallisella sähköjuottimella ei ole suojaa staattiselta sähköltä, eikä sitä ole "eristetty" verkkovirrasta muuntajan kautta. Sen kuparikärki sisältää aina sähkömagneettisia häiriöitä sähköverkosta.

Kaikki sähköverkon jännitepiikit voivat vahingoittaa juotettua elementtiä. Siksi, kun juotat kenttätransistorin piiriin sähköisen juotosraudan kanssa, vaarana on MOSFET-transistorin vaurioituminen.

AIHE 5. KENTTÄTRANSISTORIT

Kenttätransistori on sähkön muunnoslaite, jossa kanavan läpi kulkevaa virtaa ohjataan sähkökentällä, joka syntyy ottamalla jännite hilan ja lähteen välillä ja joka on suunniteltu vahvistamaan tehoa. sähkömagneettiset värähtelyt.

Kenttätransistorien luokkaan kuuluvat transistorit, joiden toimintaperiaate perustuu vain yhden merkkien (elektronien tai reikien) varauksenkuljettajien käyttöön. Kenttätransistoreiden virransäätö tapahtuu muuttamalla sen kanavan johtavuutta, jonka läpi transistorin virta kulkee sähkökentän vaikutuksesta. Tämän seurauksena transistoreja kutsutaan kenttätransistoreiksi.

Kanavan luomismenetelmän mukaan kenttätransistorit erotetaan portilla, joka on ohjaus p-n-liitoksen muodossa, ja eristetyllä hilalla (MDS- tai MOS-transistorit): sisäänrakennettu kanava ja indusoitu kanava.

Kanavan johtavuudesta riippuen kenttätransistorit jaetaan: kenttätransistoreihin, joissa on p-tyyppi ja n-tyyppinen kanava. P-tyypin kanavalla on reikäjohtavuus ja n-tyypin kanavalla elektroninen johtavuus.

5.1 Kenttäväylätransistorit ohjauksella p-n-siirtymä

5.1.1 Rakenne ja toimintaperiaate

Kenttätransistori ohjauksella pn-risteys on kenttätransistori, jonka hila on sähköisesti erotettu kanavasta käänteisesijännitetyllä p-n-liitoksella.

Kuva 5.1 – Kenttätransistorin suunnittelu ohjaus-p-n-liitoksella (n-tyypin kanava)

Kuva 5.2 – P-n-liitoksella ja n-tyypin kanavalla (a), p-tyypin kanavalla (b) varustetun kenttätransistorin symboli

Kenttätransistorikanava on puolijohteen alue, jossa päävarauksenkuljettajien virtaa säädetään muuttamalla sen poikkileikkaus.

Elektrodia (liitintä), jonka kautta päävarauksen kantajat tulevat kanavaan, kutsutaan lähteeksi. Elektrodia, jonka kautta päävarauksen kantajat poistuvat kanavasta, kutsutaan nieluksi. Elektrodia, joka säätelee kanavan poikkileikkausta ohjausjännitteen takia, kutsutaan hilaksi.

Pääsääntöisesti valmistetaan piikenttätransistoreja. Piitä käytetään, koska hilavirta, ts. P-n-liitoksen vastavirta on monta kertaa pienempi kuin germaniumin.

Legenda Kenttätransistorit n- ja p-tyypin kanavilla on esitetty kuvassa. 5.2.

Transistoriin syötettyjen ulkoisten jännitteiden napaisuus on esitetty kuvassa. 5.1. Ohjaus (tulo) jännite syötetään portin ja lähteen väliin. Jännite Uzi on käänteinen molemmille p-n-liitoksille. Tästä jännitteestä riippuvat p-n-liitosten leveys ja siten kanavan tehollinen poikkipinta-ala, sen vastus ja virta kanavassa. Kun se kasvaa, p-n-liitokset laajenevat, virtaa kuljettavan kanavan poikkipinta-ala pienenee, sen vastus kasvaa ja siten kanavan virta pienenee. Siksi, jos lähteen ja nielun väliin on kytketty jännitelähde Uc, niin kanavan läpi virtaavan nieluvirran Ic voimakkuutta voidaan säätää muuttamalla kanavan vastusta (poikkileikkaus) käyttämällä hilaan syötettyä jännitettä. Ohjaus-pn-liitoksella varustetun kenttätransistorin toiminta perustuu tähän periaatteeseen.

Jännitteellä Uzi = 0 kanavan poikkileikkaus on suurin, sen resistanssi minimaalinen ja virta Iс on suurin.

Tyhjennysvirtaa Ic init, kun Uzi = 0, kutsutaan alkunieluvirraksi.

Jännite Uzi, jolla kanava on täysin tukossa ja nieluvirta Ic tulee hyvin pieneksi (mikroampeerin kymmenesosia), kutsutaan katkaisujännitteeksi Uziots.

5.1.2 Ohjauksella p- varustetun kenttätransistorin staattiset ominaisuudetn-siirtymä

Tarkastellaan p-n-liitoksella varustettujen kenttätransistorien virta-jännite-ominaisuuksia. Näille transistoreille kahden tyyppiset volttiampeeriominaisuudet ovat kiinnostavia: tyhjennys ja tyhjennysportti.

P-n-liitoksella ja n-tyypin kanavalla varustetun kenttätransistorin nielu- (lähtö)-ominaisuudet on esitetty kuvassa. 5.3, a. Ne kuvastavat nieluvirran riippuvuutta jännitteestä Usi kiinteä jännite Uzi: Ic= f(Usi), jossa Uzi = vakio.

a) b)

Kuva 5.3 – Kenttätransistorin virta-jännite-ominaisuudet pn-siirtymä ja n-tyypin kanava: a – tyhjennys (lähtö); b – varasto - pultti

Kenttätransistorin ominaisuus on, että kanavan johtavuuteen vaikuttavat sekä ohjausjännite Uzi että jännite Uci. Kun Usi = 0, lähtövirta Ic = 0. Kun Usi > 0 (Uzi = 0), virta Ic kulkee kanavan läpi, mikä johtaa jännitehäviöön, joka kasvaa nielun suuntaan. Lähde-tyhjennysosan kokonaisjännitehäviö on yhtä suuri kuin Uс. Jännitteen Uс nousu aiheuttaa kanavan jännitehäviön kasvun ja sen poikkileikkauksen pienenemisen ja siten kanavan johtavuuden pienenemisen. Tietyllä jännitteellä Uс kanava kapenee, jolloin molempien pn-liitosten rajat sulkeutuvat ja kanavan vastus kasvaa. Tätä Usi-jännitettä kutsutaan limitysjännitteeksi tai kyllästysjännitteeksi Usinas. Kun hilaan kohdistetaan käänteinen jännite Uzi, tapahtuu kanavan lisäkapeneminen ja sen päällekkäisyys tapahtuu pienemmällä jännitearvolla Usinas. Toimintatilassa käytetään tasaisia ​​(lineaarisia) lähtöominaisuuksien osia.

Kenttätransistorin nieluporttikäyrä osoittaa virran Ic riippuvuuden jännitteestä Uzi kiinteällä jännitteellä Usi: Ic = f (Usi) kun Usi = const (kuva 5.3, b).

5.1.3 Perusparametrit

· suurin tyhjennysvirta Icmax (pisteessä Uzi = 0);

· suurin nielulähteen jännite Uсmax;

· katkaisujännite Uziots;

· sisäinen (lähtö) vastus ri - edustaa transistorin resistanssia nielun ja lähteen välillä (kanavaresistanssi) vaihtovirta:

jossa Uzi = const;

· viemäriportin ominaiskäyrän kaltevuus:

kun Uсi = const,

näyttää hilajännitteen vaikutuksen transistorin lähtövirtaan;

· tuloimpedanssi

kun Uс = transistorin const, määräytyy p-n-liitosten resistanssi, joka on biasoitu vastakkaiseen suuntaan. P-n-liitoksella varustettujen kenttätransistoreiden tuloresistanssi on melko korkea (saavuttaa yksiköitä ja kymmeniä megaohmeja), mikä erottaa ne suotuisasti bipolaarisista transistoreista.

5.2 Eristetyt hila-kenttätransistorit

5.2.1 Rakenne ja toimintaperiaate

Eristetty hilan kenttätransistori (IGF-transistori) on kenttätransistori, jonka hila on sähköisesti erotettu kanavasta dielektrisellä kerroksella.

MIS-transistorit (rakenne: metalli-dielektrinen-puolijohde) on valmistettu piistä. Dielektrisenä aineena käytetään piioksidia SiO2. tästä syystä näille transistoreille toinen nimi - MOS-transistorit (rakenne: metallioksidi-puolijohde). Eristeen läsnäolo tarjoaa tarkasteltaville transistoreille korkean tuloresistanssin (1012 ... 1014 ohmia).

MIS-transistoreiden toimintaperiaate perustuu puolijohteen pinnanläheisen kerroksen johtavuuden muuttamiseen rajalla dielektrin kanssa poikittaissähkökentän vaikutuksesta. Puolijohteen pintakerros on näiden transistorien virtaa kuljettava kanava. MIS-transistoreja on kahta tyyppiä - sisäänrakennetulla kanavalla ja indusoidulla kanavalla.

Tarkastellaan MIS-transistoreiden ominaisuuksia, joissa on sisäänrakennettu kanava. Tällaisen n-tyypin kanavalla varustetun transistorin rakenne on esitetty kuvassa. 5.4, ​​a. Alkuperäisessä p-tyypin piikiekossa, jonka ominaisvastus on suhteellisen korkea, jota kutsutaan substraatiksi, luodaan diffuusiotekniikalla kaksi voimakkaasti seostettua aluetta, joilla on päinvastainen sähkönjohtavuustyyppi n. Näille alueille - lähde ja viemäri - asetetaan metallielektrodeja. Lähteen ja viemärin välissä on ohut lähellä pintaa oleva kanava, jonka sähkönjohtavuus on n-tyyppinen. Lähteen ja nielun välinen puolijohdekiteen pinta on peitetty ohuella kerroksella (noin 0,1 μm) eristettä. Metallielektrodi - portti - levitetään dielektriselle kerrokselle. Dielektrisen kerroksen läsnäolo mahdollistaa tällaisen kenttätransistorin syöttää molempien polariteettien ohjausjännitteen hilalle.

Kuva 5.4 – MIS-transistorin suunnittelu sisäänrakennetulla n-tyypin kanavalla (a); sen kaluston ominaisuudet (b); tyhjennysportin ominaisuus (c)

Kun hilaan kohdistetaan positiivinen jännite, tässä tapauksessa muodostuva sähkökenttä työntää kanavasta reikiä substraattiin ja elektronit vedetään ulos substraatista kanavaan. Kanava on rikastettu päävarauksen kantajilla - elektroneilla, sen johtavuus kasvaa ja tyhjennysvirta kasvaa. Tätä tilaa kutsutaan rikastustilaksi.

Kun hilaan kohdistetaan lähteeseen nähden negatiivinen jännite, syntyy kanavaan sähkökenttä, jonka vaikutuksesta elektronit työntyvät ulos kanavasta substraattiin ja substraatista vedetään reikiä kanavaan. Kanava tyhjenee tärkeimmistä varauksenkuljettajista, sen johtavuus laskee ja nieluvirta pienenee. Tätä transistorin tilaa kutsutaan tyhjennystilaksi.

Tällaisissa transistoreissa arvolla Usi = 0, jos nielun ja lähteen väliin syötetään jännite (Usi > 0), virtaa nieluvirta Iin, jota kutsutaan alku-u:ksi, joka on elektronien virtaa.

MIS-transistorin suunnittelu n-tyypin indusoidulla kanavalla on esitetty kuvassa. 5.5, a