10.2: Измерение основных транспортных свойств полевых транзисторов

Типичные характеристики V-I полевых транзисторов

— отличный способ узнать об устройстве. На рисунке \ (\ PageIndex {10} \) показан типичный график развертки напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток при измерении тока стока, ID для n-канального JFET. Характеристики V-I имеют четыре различных региона. Анализ этих областей может предоставить важную информацию о характеристиках устройства, таких как напряжение отсечки, VP, усиление прозрачности, gm, сопротивление канала сток-исток, RDS и рассеиваемая мощность, PD.

Омическая область (линейная область)

Эта область ограничена VDS

\ [R_ {DS} \ = \ \ frac {\ Delta V_ {DS}} {\ Delta I_ {D}} \ = \ \ frac {1} {g_ {m}} \ label {1} ​​\]

\ [g_m \ = \ \ frac {\ Delta I_ {D}} {\ Delta V_ {DS}} \ = \ \ frac {1} {R_ {DS}} \ label {2} \]

Область насыщенности

Это область, в которой JFET полностью включен. Максимальный ток протекает для данного напряжения затвор-исток. В этой области ток стока можно смоделировать с помощью \ ref {3}, где ID — это ток стока, IDSS — максимальный ток, VGS — напряжение затвор-исток, а VP — напряжение отсечки.Решение для напряжения отсечки приводит к \ ref {4}.

\ [I_ {D} \ = \ I_ {DSS} (1 \ — \ frac {V_ {GS}} {V_ {P}}) \ label {3} \]

\ [V_ {P} \ = \ 1 \ — \ \ frac {V_ {GS}} {\ sqrt {\ frac {I_D} {I_ {DSS}}}} \ label {4} \]

Область разбивки

Эта область характеризуется резким увеличением тока. Подаваемое напряжение сток-исток превышает предел сопротивления полупроводникового канала, в результате чего транзистор выходит из строя и протекает неконтролируемый ток.

Область отсечения (Cutoff Region)

В этой области напряжения затвор-исток достаточно, чтобы ограничить поток через канал, по сути, отсекая ток стока.{2} / R_ {DS} \ label {5} \]

V-I характеристики p-канального JFET ведут себя аналогично, за исключением того, что напряжения меняются местами. В частности, точка отсечки достигается, когда напряжение затвор-исток увеличивается в положительном направлении, а область насыщения достигается, когда напряжение сток-исток увеличивается в отрицательном направлении.

Типичные характеристики V-I полевых МОП-транзисторов

На рисунке \ (\ PageIndex {11} \) показан типичный график развертки напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток при измерении тока стока, I _D для идеального n-канального полевого МОП-транзистора.Подобно JFET, V-I характеристики MOSFET имеют отдельные области, которые предоставляют ценную информацию о транспортных свойствах устройства.

Омическая область (линейная область)

n-канальный усовершенствованный MOSFET ведет себя линейно, действуя как переменный резистор, когда напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение, а напряжение сток-исток больше, чем напряжение затвор-исток. В этой области ток стока можно смоделировать с помощью \ ref {6}, где ID — ток стока, VGS — напряжение затвор-исток, VT — пороговое напряжение, VDS — напряжение сток-исток, а k — геометрическое коэффициент, описываемый как \ ref {7}, где µ _n — эффективная подвижность носителей заряда, C _OX — емкость оксида затвора, W — ширина канала, а L — длина канала.{2} \ label {8} \]

Решение для порогового напряжения VT приводит к \ ref {9}.

\ [V_ {T} \ = \ V_ {GS} \ — \ \ sqrt {\ frac {I_ {D}} {k}} \ label {9} \]

Область отсечения (Cutoff Region)

Когда напряжение затвор-исток, VGS, ниже порогового напряжения VT, носители заряда в канале недоступны, «перекрывая» поток заряда. Рассеяние мощности для полевых МОП-транзисторов также можно решить с помощью уравнения 6 в любой области, как в случае полевого транзистора.

Обзор полевых транзисторов V-I

Типичные ВАХ для всего семейства полевых транзисторов, показанных на рисунке \ (\ PageIndex {11} \), показаны на рисунке \ (\ PageIndex {12} \).

Из рисунка \ (\ PageIndex {12} \) видно, как схемы легирования, которые приводят к усилению и истощению, смещены вдоль оси VGS. Кроме того, из графика можно определить состояние ВКЛ или ВЫКЛ для заданного напряжения затвор-исток, где (+) положительно, (0) равно нулю, а (-) отрицательно, как показано в Таблице \ (\ PageIndex {1} \).

Полевые транзисторы — обзор

8.17.3.3.1 Полевые транзисторы

До сих пор полевые транзисторы являются наиболее распространенными электронными устройствами. В настоящее время производится около 10 ¹⁹ полевых транзисторов в год, большинство из них (∼99%) на монокристаллических кремниевых пластинах в качестве строительных блоков интегральных схем для микропроцессоров, твердотельных запоминающих устройств или мобильных телефонов. ²⁴⁸ В результате непрерывного горизонтального и вертикального масштабирования современные кремниевые полевые транзисторы представляют собой наноэлектронные устройства; однако миниатюризация обходится дорого.Поэтому альтернативные полупроводники, совместимые с платформами кремниевых технологий, но обеспечивающие более высокую подвижность носителей по сравнению с кремнием, представляют большой интерес, особенно когда они естественным образом вписываются в архитектуру полевых транзисторов нанометрового масштаба. Важной вехой в этом направлении стало изготовление первого полевого транзистора на основе УНТ в 1998 году Че и его коллегами. ¹³ Поскольку УНТ характеризуются очень большой подвижностью и почти баллистическим переносом, они открывают большие перспективы для следующего поколения наноэлектроники. ²⁴⁸

Отсутствие подходящих методов синтеза, которые позволяют получать исключительно полупроводниковые УНТ, что стимулировало множество попыток либо отделить полупроводниковые УНТ от исходного материала, либо выборочно удалить металлические УНТ, является давней проблемой при производстве УНТ – полевых транзисторов. ^248,249 Подход к разделению в основном основан на нековалентной химической функционализации с помощью различных видов полимеров, способных селективно оборачивать полупроводниковые ОСНТ, в первую очередь ДНК и полифлуорены. ^250,251 Кроме того, самосортированные полупроводниковые сети ОСНТ были успешно получены путем центрифугирования УНТ из раствора на должным образом функционализированных подложках Si / SiO ₂ . ²⁵² Принцип этого метода основан на селективном связывании полупроводниковых УНТ концевыми аминогруппами силанового слоя на кремнеземе. ²⁵³ Эффективные химические методы удаления металлических УНТ в ансамблях УНТ включают сочетание бензолдиазониевых солей ( Рисунок 27 ) ²⁵⁴ и травление метановой плазмой. ²⁵⁵ В последнем процессе металлические УНТ в пленке предпочтительно функционализируются, в то время как полупроводниковые УНТ с диаметром более 1,4 нм остаются в основном неизменными. Соответственно, функционализированные металлические УНТ могут быть окончательно удалены посредством термического отжига. ²⁴⁸

Рис. 27. Схема изготовления полевого транзистора на основе образца, содержащего как металлические, так и полупроводниковые УНТ.

Предпочтительное разрушение металлических УНТ также осуществлялось путем селективного фотоокисления с использованием лазерного излучения подходящей длины волны. ²⁵⁶ Совсем недавно Чжан и его сотрудники ²⁵⁷ продемонстрировали, что облучение длинной дугой Xe-лампой в условиях окружающей среды также может способствовать более быстрому разрушению металлических поверх полупроводниковых УНТ. Замещающий легирование УНТ — еще один многообещающий подход.В качестве первого шага в этом направлении группа Сюя ²⁵⁸ из Стэнфордского университета недавно сообщила о синтезе ОСНТ, содегированных бором и азотом. В соответствии с теорией, предсказывая ширину запрещенной зоны порядка 0,5 эВ для 10% содержания каждого бора и азота, было обнаружено, что совместно легированные B / N ОСНТ (BCN-ОСНТ) полностью полупроводниковые и очень подходят в качестве полевых транзисторов. каналы. Полевые транзисторы, изготовленные из обогащенных полупроводниковых ансамблей ОСНТ, могут легко достигать больших отношений включения / выключения, превышающих 10 ⁵ , что достаточно для множества практических приложений. ^248,250,252

Значительные улучшения были также достигнуты в разработке полевых транзисторов, включающих высокоупорядоченные массивы SWNT, произведенные путем выращивания с помощью химического осаждения из паровой фазы на кварцевых подложках. ²⁴⁸ После переноса массивов на полимерную подложку и избирательного электрического пробоя металлических УНТ устройства демонстрируют очень хорошие характеристики, в том числе подвижность носителей 1000 см. ² В ⁻¹ с ⁻¹ в масштабе крутизна до 3000 См · м ⁻¹ , токовые выходы до 1 А. ²⁵⁹ Совсем недавно Форзани и его сотрудники ²⁶⁰ сообщили о методе функционализации ОСНТ в устройстве на полевых транзисторах для селективного обнаружения ионов тяжелых металлов в 2006 году. В их методе полимеры с пептидными функциональными группами были электрохимически осаждены на ОСНТ и селективное обнаружение ионов металлов проводили с использованием соответствующих пептидных последовательностей. Механизм передачи сигнала функционализированными пептидами SWNT FET также был изучен. Было замечено, что при воздействии ионов Ni ²⁺ наблюдался очевидный сдвиг в сторону отрицательного направления потенциала затвора, что, вероятно, связано с ослаблением взаимодействий между олигопептидами и ОСНТ. ²

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Полевой транзистор | Журнал Nuts & Volts

Необходимое устройство для современной ИС

Обычно используемый биполярный транзистор — в котором электроны или дырки проходят через два PN-полупроводниковых перехода — по существу является устройством усиления тока . Хотя напряжение может быть усилено косвенно, если используются конфигурации проводки «общий эмиттер» или «общий коллектор», все же верно, что небольшая величина входного тока всегда должна течь в базовую область транзистора для целей управления.

Другой тип полупроводникового устройства, полевой транзистор или «полевой транзистор», не так хорошо знаком многим энтузиастам электроники, возможно, потому, что его легко повредить при неправильном использовании. Полевой транзистор усиливает напряжение напрямую, а ток , необходимый для управления, настолько мал, что его невозможно измерить обычными приборами. Этот транзистор был фактически первым типом полупроводникового усилителя, теоретически предсказанным в Bell Labs еще в 1950-х годах, но он не был разработан в практическое устройство до тех пор, пока биполярный тип не стал популярным.Однако сейчас наиболее распространенным типом стали полевые транзисторы, их десятки миллионов находятся в каждой микросхеме микропроцессора.

С таким огромным количеством транзисторов, работающих в одной микросхеме, мы, конечно, не хотим, чтобы для управления каждым из них требовался большой ток — энергия батареи будет израсходована быстро, и потребуется много тепла. удаленный. Кроме того, существует множество других приложений, в которых желателен сверхнизкий входной ток. Очевидный пример — первая ступень точного вольтметра, когда мы не хотим вызывать каких-либо новых падений напряжения путем отвода тока из исследуемой цепи.

Еще одним преимуществом полевого транзистора, вероятно, менее важным, является тот факт, что его входные и выходные характеристики аналогичны характеристикам электронных ламп. Поскольку лампы используются примерно с 1910 года, у нас есть большой опыт работы с ними, и некоторые конструкторы чувствуют себя более комфортно с полевыми транзисторами, чем с биполярными устройствами, особенно в усилителях звука. (Действительно ли это преимущество или нет, зависит не только от научных факторов, но и от эмоциональных факторов. Некоторые читатели могут признать автора настоящей статьи одним из первых сторонников этой активно обсуждаемой проблемы, поэтому мы не будем ее обсуждать. дальше сюда!)

В любом случае полевой транзистор полностью реагирует на напряжение на управляющем электроде, и это можно использовать для регулирования довольно большого количества выходного тока и / или напряжения в двух других проводах.

JFET

Вместо того, чтобы делать транзистор, который проводит через оба PN перехода, когда он включен («биполярный»), один тип полевого транзистора может быть изготовлен только с одним PN переходом («однопереходный»). Поскольку он имеет переход, он называется juncFET или JFET, и упрощенная диаграмма поперечного сечения показана на , рис. 1, .

РИСУНОК 1. Упрощенное поперечное сечение полевого транзистора с рабочей схемой. Это N-канальный режим, режим истощения и обычно включен.Символ находится в правой части рисунка.

Прямоугольники, обведенные жирной линией, представляют собой твердые материалы, включая две области, которые представляют собой кремний P-типа, но не проводят заметного тока. Посередине находится область N-типа, которая может проводить весь ток. В очень простой схеме, показанной на схеме, которую читатель может легко построить, чтобы получить некоторый опыт работы с полевым транзистором, омметр выдает напряжение, а также показывает протекание тока нагрузки. Этот тип полевого транзистора обычно находится во включенном состоянии до подачи какого-либо управляющего напряжения.Если потенциометр 5K настроен так, что на «затворе» нет напряжения (перемещая его стрелку вниз, как показано на схеме), то «положительный» ток нагрузки с омметра переходит в верхний левый угол полевого транзистора, а затем вниз. в самый верхний металл, затем вниз через сплошной кремний N-типа и из транзистора через нижний металл. (Области «Бык» — изоляторы из диоксида кремния.)

Диаграмма построена не в масштабе, и прямоугольники показывают области, размер которых на самом деле составляет всего около микрона.(Более формальное обозначение размера — «микрометр», что составляет миллионную долю метра.) Металл обычно представляет собой тонкую алюминиевую или медную пленку толщиной около микрона, и вся конфигурация иногда бывает более сложной, чем показано на этой упрощенной диаграмме. Кремний P-типа (справа, как показано здесь) в основном является просто механической опорой для небольших активных областей, которые проводят. Его часто называют «субстратом».

Чтобы выключить транзистор, настройку потенциометра 5K можно увеличить, чтобы получить отрицательное управляющее напряжение.Это заряжает область P-типа, но электричество практически не течет, потому что имеется «обратносмещенный» PN переход (отрицательное напряжение на кремнии P-типа и положительное на N). Однако этот заряд сильно отталкивает электроны от очень тонкого проводящего «канала» N-типа в середине. Здесь образуется зона обеднения, содержащая меньше электронов, поэтому кремний внутри овала, изображенного пунктирной линией, становится внутренним (I-тип, как обозначено буквой I в скобках), который является изолирующим, и полевой транзистор перестает проводить.Такой тип поведения называется «режимом истощения». Поскольку управляющее действие осуществляется электрическим полем (а не носителями, текущими в базовую область), все устройство называется полевым транзистором или «полевым транзистором».

Один металлический электрод называется истоком, один — затвором, а третий — стоком, аналогично эмиттеру, базе и коллектору в биполярном транзисторе. Это «N-канальное» устройство, потому что ток проходит через кремний N-типа. Символ отображается справа от поперечного сечения.Другой тип JFET, устройство с «P-каналом», имеет полупроводниковые области P и N противоположного типа, поэтому стрелка в символе направлена ​​в сторону от канала. Этот тип ворот должен быть заряжен положительно, чтобы отключить канал, отталкивая дыры. Он не так распространен, как показанный здесь, но он существует и может быть полезен для специальных целей.

Диод постоянного тока

Интересным применением JFET является «диод постоянного тока». Общий эффект от этого аналогичен эффекту биполярного регулятора напряжения, за исключением того, что здесь регулируется ток , , а не напряжение.Это может быть очень простая схема, как показано на Рисунок 2 , диаграмма B.

РИСУНОК 2. N-канальный полевой транзистор JFET, подключенный к саморегулирующемуся устройству с постоянным током, с символом, показанным рядом с ним слева. Два других символа справа относятся к источникам постоянного тока, в том числе к источникам питания, например батареям.

Если посмотреть на отрицательный ток, который течет вверх через резистор, некоторая его часть будет направлена ​​на затвор, который частично отключает полевой транзистор.Это отрицательная обратная связь, поэтому, если ток в цепи начинает увеличиваться, транзистор отключается еще больше. Таким образом, протекает меньше тока, пока не будет достигнут некоторый постоянный уровень тока. Полевой транзистор и потенциометр находятся внутри изоляционного пластикового «пакета». Все это вместе с источником питания, таким как батарея (здесь не показана), символизируется двумя перекрывающимися кругами, Рисунок 2 , диаграмма C. Иногда используется альтернативный символ со стрелкой вверх, особенно в Европе, как показано на диаграмме D.

МОП-транзистор

Другой тип полевого транзистора проиллюстрирован на , рис. 3, , металл-оксид-полупроводник , или «МОП» устройство.

РИСУНОК 3. Упрощенная диаграмма поперечного сечения полевого МОП-транзистора с рабочей схемой. Это N-канальный режим, режим улучшения и обычно выключен. Справа показаны два альтернативных символа.

В этом транзисторе вместо обратносмещенного перехода, который использовался в полевом транзисторе, используется изолирующий диоксид кремния для предотвращения попадания тока затвора в основной полупроводник.Его иногда называют IGFET из-за изолированного затвора. Это обычно выключенное устройство, которое необходимо включить каким-либо действием, поэтому оно называется устройством «улучшенного режима». (IGFET также может быть выполнен в конфигурации режима истощения.)

На рисунке, если потенциометр понижен до нуля, то ток батареи, проходящий через лампочку и транзистор, будет остановлен одним из PN-переходов. На этой диаграмме это верхний, который имеет обратное смещение.(Изначально пунктирная линия и область N посередине отсутствуют.)

Если стрелка потенциометра поднята, и теперь к затвору приложен положительный потенциал, дыры в кремнии P-типа отталкиваются, в результате чего эта область становится N-типа (на что указывает N в скобках). Теперь нет соединения PN непосредственно на пути между верхней и нижней областями N-типа, потому что все это одна непрерывная область N-типа (нарисованная в виде вертикальной черты с пунктирной линией в качестве одного края).Этот транзистор также является N-канальным, потому что электричество проходит через кремний N-типа, когда он включен.

Если читатель желает получить некоторый опыт работы с полевым МОП-транзистором, можно установить амперметр, как показано на рис. 3 , , чтобы показать, что измеримый ток не течет в затвор, даже когда лампа горит. На этой схеме мультиметр был переключен на измерение тока, и он перемещен к выводу затвора. (Эту схему также можно использовать для эксперимента с полевым транзистором. Экспериментатор должен отметить, что меры предосторожности для предотвращения повреждения МОП-устройств описаны в разделе «Чувствительность к электростатическому разряду» ниже.)

Символы для полевого МОП-транзистора показаны справа. Стрелка в этом случае указывает, что электрод «истока» внутренне соединен с подложкой, что часто делается, если один из PN-переходов не будет использоваться.

Если бы устройство было P-каналом, исток и сток были бы P-типа, а стрелка была бы направлена ​​в сторону от подложки N-типа.

Характеристические кривые и линия нагрузки

В типичных «спецификациях» полевых транзисторов используются форматы, аналогичные форматам электронных ламп.Форма кривых почти такая же, но напряжения обычно намного ниже. На входе — V _GS , на выходе — I _D . В этом случае MOSFET типа 2N7000 используется в N-канальном режиме расширения.

«Линия нагрузки» показана здесь пунктирной линией. Его наклон представляет собой эффект сопротивления нагрузки (например, лампочка на рис. 4 , ), и он весьма полезен как способ показать величину тока в любой ситуации.

РИСУНОК 4. Характеристические кривые для полевого МОП-транзистора 2N7000 с линией нагрузки.

В случае, показанном здесь, сопротивление нагрузки составляет 1000 Ом, а V _DS составляет 20 вольт. Пунктирная линия нагрузки проведена от максимально возможного напряжения (показано здесь как B) до максимально возможного тока с этой конкретной нагрузкой, который составляет 20 В / 1 кВт = 20 мА (показано как A). Если транзистор частично включен (V _GS = 3 вольта), ток стока будет около 11 мА, как показано пересечением (кружок под буквой C).

КМОП

Два МОП-транзистора противоположного типа могут быть подключены, как на , рис. 5, , в комплементарной конфигурации МОП- («КМОП»).

РИСУНОК 5. Пара КМОП транзисторов. При отсутствии входного сигнала ток очень низкий.

Когда на вход не подается сигнал, один из транзисторов всегда «выключен», поэтому практически нулевой ток может проходить от источника питания вниз через резистор, а затем через пару транзисторов.Когда сигнал поступает на вход, ток нагрузки может поступать с выходной клеммы либо с высоким (V +), либо с низким (заземление) напряжением, в зависимости от полярности входного напряжения. Однако в ситуациях, когда нет входа, общий ток практически равен нулю.

В современных интегральных схемах миллионы транзисторов подключены параллельно, поэтому, если бы только микроампер «тока утечки» протекал через каждый из неиспользуемых транзисторов, ампер или более все равно потреблялись бы от источника питания или батареи.Это будет генерировать много тепла, а также слишком быстро разряжать батареи для портативных устройств. Поэтому почти все современные калькуляторы, портативные компьютеры, сотовые телефоны и т. Д. По возможности используют схемы CMOS.

Чувствительность к электростатическому разряду

МОП-транзистор особенно чувствителен к повреждению статическим электричеством, которое возникает, когда человек идет по ковру в сухую погоду. Искра, которую создает человек при прикосновении к металлической лицевой панели выключателя света, называется электростатическим разрядом или «ESD», но полевой МОП-транзистор может быть поврежден, даже если статического электричества недостаточно, чтобы образовалась видимая искра.

Статическое электричество может разрушить очень тонкий оксид кремния, изолирующий затвор. Некоторые МОП-транзисторы защищены стабилитронами, подключенными параллельно им внутри корпусов, но большинство из них не защищены. Чтобы предотвратить повреждение, люди, работающие с IGFET, всегда должны соблюдать эти две меры предосторожности:

1. Прикасайтесь только к пластиковой изоляции руками, а не непосредственно к металлическим проводам;
2. Используйте заземленный браслет.

Последний представляет собой пластиковую ленту (обычно черного или розового цвета), которая проводит электричество и прикрепляется к длинному проводу.Его следует закрепить на любом запястье, касаясь кожи человека, а затем другой конец провода подсоединить к надежному заземлению, например к водопроводу. NV

Список деталей

Структура и принцип работы полевых транзисторов

Полевой транзистор — это полупроводниковое устройство, которое использует эффект электрического поля входной цепи управления для управления током выходной цепи и названо в честь него.Поскольку проводимость электричества зависит только от основного носителя в полупроводнике, его также называют униполярным транзистором. FET на английском языке — полевой транзистор, сокращенно FET. Существует два основных типа: транзисторный полевой транзистор (JFET) и полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

Каталог

Полевые транзисторы делятся на две категории: полевые транзисторы (JFET) и металлические оксидные полупроводниковые полевые транзисторы МОП-транзистор) .

В зависимости от типа материала канала и типа изолированного затвора существуют транзисторы с каналом N и каналом P;

В зависимости от режима проводимости различают тип истощения и тип улучшения. Все полевые транзисторы JFET имеют истощенные типы, а полевые МОП-транзисторы имеют как типы истощения, так и типы расширения.

(1) Структура

Структура N-канального полевого транзистора с переходом показана на следующем рисунке.Это структура, в которой PN-переход изготовлен на каждой стороне полупроводниковой кремниевой пластины N-типа, образуя структуру, в которой два PN-перехода образуют между собой канал N-типа. Две области P являются затворами, один конец кремния N-типа — сток, а другой конец — исток.

Рис. 1. Структура переходного полевого транзистора

(2) Принцип работы

Рассмотрим N-канал в качестве примера, чтобы проиллюстрировать его принцип работы.

Когда VGS = 0, когда определенное напряжение приложено между стоком и истоком, основная несущая будет дрейфовать между стоком и истоком, создавая ток стока. Когда VGS <0, PN-переход смещен в обратном направлении, образуя обедненный слой. Канал между стоком и истоком сузится, и ID уменьшится. Если VGS продолжает уменьшаться, канал будет продолжать сужаться, и ID будет продолжать уменьшаться, пока не достигнет 0. Когда ID равен 0, соответствующий VGS называется напряжением отсечки VGS (выключено).

(3) Характеристическая кривая переходных полевых транзисторов

Имеются две характеристические кривые переходного полевого транзистора,

Одна из них является выходной характеристической кривой (ID = f (VDS) | VGS = константа) , второй — кривая передаточной характеристики (ID = f (VGS) | VDS = constant).

Характеристическая кривая полевого транзистора с N-канальным переходом показана на рисунке ниже.

(A) Характеристическая кривая дренажного выхода (b) Кривая передаточной характеристики

Рисунок 2.Характеристическая кривая полевого транзистора с N-канальным переходом

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы делятся на:

Тип обеднения & rarr; Канал N, канал P

Тип расширения & rarr; N-канал, P-канал

(1) Структура N-канального полевого транзистора с истощением

Структура и символ N-канального режима с истощением показаны на следующем рисунке (а).Изолирующий слой SiO2 под затвором легирован большим количеством положительных ионов металлов. Таким образом, когда VGS = 0, эти положительные ионы индуцировали инверсионный слой, образуя канал. Следовательно, пока есть напряжение сток-исток, существует ток стока.

Когда VGS> 0, ID будет увеличиваться. Когда VGS <0, ток стока постепенно уменьшается по мере уменьшения VGS до ID = 0. VGS, когда ID = 0, называется напряжением отсечки, иногда обозначается символом VGS (выкл.) Или VP.

Кривая передаточной характеристики N-канального обедненного режима показана на рисунке (b) ниже.

(a) Структурная диаграмма (b) Кривая передаточной характеристики

Рисунок 3. Структура и кривая передаточной характеристики в режиме обеднения N-канала

(2) Тип расширения N-канала Полевой транзистор FET

N-канальный полевой транзистор улучшенного типа имеет структуру, аналогичную структуре режима обеднения.Но когда VGS = 0 В, добавление напряжения между стоком и истоком не образует тока. При подаче напряжения на затвор, если VGS> VGS (th), образуется канал, соединяющий сток и исток. Если в это время приложено напряжение сток-исток, может быть сформирован идентификатор.

Когда VGS = 0V, ID = 0, и ток стока улучшенного типа появится только после VGS> VGS (th).

ВГС (th) — напряжение открытия или напряжение клапана;

Рисунок 4.N-канальный тип расширения FET

(3) P-канальный режим расширения и режим истощения MOSFET

Принцип работы P-канального MOSFET точно такой же, как у N-канального MOSFET, за исключением того, что токопроводящие носители и полярность питающего напряжения различны. Это похоже на типы биполярных транзисторов NPN и PNP.

Существует много типов характеристических кривых полевых транзисторов.Имеются четыре кривые передаточных характеристик и кривые выходной характеристики в зависимости от того, увеличены они или истощены, а также их направления напряжения и тока, соответствующие разным проводящим каналам. Если положительное направление задано равномерно, характеристические кривые будут построены в разных квадрантах. Чтобы упростить рисование, положительное направление транзистора с каналом P изменено на обратное. Соответствующие кривые показаны на рисунке ниже.

Рисунок 5.Кривая вольт-амперной характеристики полевых транзисторов

(a) Кривая передаточной характеристики (b) Кривая выходной характеристики

Рисунок 6. Сравнение различных характеристик полевых транзисторов

Существует множество параметров полевых транзисторов, включая параметры постоянного тока, параметры переменного тока и предельные параметры, но в целом нам нужно обратить внимание только на следующие параметры.

(1) Напряжение отсечки (UP)

Это относится к напряжению UGS, приложенному к затвору, когда ток стока / D (т. Е. Ток канала) равен нулю или меньше небольшого значения тока (например, 1 мкА. 10 мкА) при указанном напряжении стока UDS. Это важный параметр полевых МОП транзисторов переходного или обедненного типа.

(2) Напряжение включения (UT)

Это напряжение затвора UGS, когда токопроводящий канал (между стоком и истоком) только что включен, когда напряжение стока UDS имеет определенное значение .Это важный параметр усиленного полевого транзистора. Когда напряжение затвора UGS меньше абсолютного значения напряжения включения, полевой транзистор не может быть включен.

(3) Ток утечки насыщения (DSS)

Это относится к току утечки насыщения тока стока D, вызванному определенным напряжением стока UDS (больше, чем напряжение отсечки), когда затвор и исток закорочены (UGS = 0). Он отражает проводимость исходного канала при нулевом напряжении на затворе, что является важным параметром истощенных полевых транзисторов.

(4) Низкочастотная крутизна (gm)

Когда напряжение стока UDS находится на заданном значении, отношение изменения тока стока к изменению напряжения затвора △ UGS, которое вызывает это изменение, называется крутизной , то есть:

Общая единица измерения грамма — мСм (миллисименс). gm — это параметр, который измеряет силу напряжения затвора полевого транзистора при управлении током стока, а также эффект усиления.Он аналогичен коэффициенту усиления переменного тока транзистора β и связан с рабочей площадью транзистора. Чем больше ток стока / D, тем больше gm.

(5) Напряжение пробоя истока стока (BUDS)

Это относится к максимальному напряжению стока, которое может выдержать полевой транзистор при постоянном напряжении затвора UGS. Это эквивалентно напряжению пробоя коллектор-эмиттер V (BR) ceo (т.е. BUceo) обычного кристаллического транзистора.Это предельный параметр, и рабочее напряжение, подаваемое на полевой транзистор, должно быть меньше BUDS.

(6) Максимальный ток сток-исток (DSM)

Это относится к максимальному току, допустимому между стоком и истоком, когда полевой транзистор работает нормально. Это эквивалентно рабочему току обычного кристаллического транзистора. Этот предельный параметр не должен превышаться.

(7) Максимальная рассеиваемая мощность (PDSM)

Это относится к максимальной рассеиваемой мощности стока, допустимой, когда характеристики полевого транзистора не ухудшаются, что эквивалентно Pcm обычного транзистора.При использовании фактическая потребляемая мощность полевого транзистора (PD = UDS & times; / D) должна быть меньше этого предельного параметра и оставлять определенный запас.

Затвор полевого транзистора эквивалентен базе транзистора, а исток и сток соответствуют эмиттер и коллектор транзистора соответственно.Установите мультиметр на «R × 1k» и используйте два измерительных провода для измерения прямого и обратного сопротивления между каждыми двумя контактами. Когда положительное и обратное сопротивление двух выводов составляют несколько тысяч Ом, тогда эти два вывода являются стоком и истоком (взаимозаменяемы), а оставшийся вывод — затвором. Для соединительных полевых транзисторов с 4 контактами другой полюс является полюсом экранирования (заземление при использовании).

Подключите черный измерительный провод мультиметра к одному электроду транзистора, а красный измерительный провод — к двум другим электродам соответственно.Если значения сопротивления, измеренные дважды, очень большие, это означает, что они являются обратными сопротивлениями. Итак, это N-канальный полевой транзистор, и черный провод подключен к затвору.

Рис. 7. Тестовый полевой транзистор с мультиметром

В процессе производства определяется, что исток и сток полевого транзистора симметричны и могут использоваться взаимозаменяемо , не влияя на нормальную работу цепи, поэтому нет необходимости их различать.Сопротивление между истоком и стоком составляет около нескольких тысяч Ом.

Обратите внимание, что этот метод не может использоваться для определения затвора полевого МОП-транзистора. Поскольку входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно велико, а межэлектродная емкость между затвором и истоком очень мала, до тех пор, пока во время измерения остается небольшое количество зарядов, на межэлектродной емкости может формироваться высокое напряжение, что легко повредить транзистор.

Установите мультиметр на «R × 100» и подключите красный измерительный провод к источнику, а черный измерительный провод к стоку, что эквивалентно добавлению 1.Напряжение питания 5В на полевой транзистор. В это время стрелка указывает значение сопротивления между стоком и истоком.

Затем зажмите затвор пальцем, чтобы подать индуцированное напряжение человеческого тела в качестве входного сигнала на затвор. Из-за эффекта усиления транзистора изменятся как UDS, так и ID, что означает, что сопротивление между стоком и истоком также изменится, и измерительный провод сильно колеблется. Если качание небольшое, когда вы зажимаете затвор, это означает, что способность транзистора к увеличению мала; если вывод не двигается, это означает, что транзистор поврежден.

Поскольку напряжение переменного тока 50 Гц, индуцированное человеческим телом, довольно велико, и разные полевые транзисторы могут иметь разные рабочие точки при измерении с помощью резистивного редуктора, руки могут качаться вправо или влево, когда затвор защемлен. рука. Когда RDS транзисторов уменьшается, измерительный провод поворачивается вправо, а при увеличении RDS — влево.

Независимо от направления движения стрелок, пока есть четкое движение, это означает, что транзистор может усиливать.

Этот метод также подходит для измерения МОП-транзисторов. Чтобы защитить полевой МОП-транзистор, необходимо удерживать изолирующую ручку и соединить затвор с помощью металлического стержня, чтобы предотвратить непосредственное добавление индуцированного телом человека заряда к затвору и повреждения транзистора.

После каждого измерения МОП-транзистора будет небольшое количество зарядов на конденсаторе перехода G-S, и будет установлено напряжение UGS. Затем, если вы продолжите тест, измерительный провод может не двигаться, и короткое замыкание цепи между полюсом G-S решит проблему.

В частности, полевой МОП-транзистор лучше хранить в металлическом корпусе , а не в пластиковом. Также следует отметить влагостойкость транзистора.

4. Чтобы предотвратить пробой индукции затвора полевого транзистора, все испытательные приборы, рабочие столы, электрические утюги и сама цепь должны быть хорошо заземлены, что означает:

(1) При пайке булавки, сначала припаяйте электрод истока.

(2) Перед подключением к цепи все выводы транзистора должны быть закорочены друг с другом, а закорачивающий материал удаляется после сварки.

(3) Когда вы извлекаете транзистор из стойки для компонентов, человеческое тело должно быть правильно заземлено, , как с помощью заземляющего кольца.

(4) Если вы используете современный газонагревательный электрический паяльник, сваривать полевой транзистор удобнее, но вы должны обеспечить безопасность.

Рисунок 8. Газонагревательная пайка

(5) категорически запрещается вставлять или втягивать транзистор в схему без отключения питания.

5. При установке полевого транзистора положение установки должно сохраняться на расстоянии от , насколько это возможно, от нагревательного элемента . А чтобы не допустить вибрации транзистора, необходимо закрепить корпус транзистора. Также, когда мы сгибаем штифт, он должен быть на 5 мм выше основания, чтобы не повредить штифт и не вызвать утечку воздуха.

6. При использовании транзистора VMOS необходимо добавить соответствующий радиатор. Взяв VNF306 в качестве примера, максимальная мощность может достигать 30 Вт только после того, как транзистор оснащен 140-кратным радиатором диаметром 140 и 4 мм.

7. После параллельного соединения нескольких транзисторов высокочастотные характеристики усилителя ухудшаются из-за увеличения межэлектродной емкости и распределенной емкости , и легко вызвать высокочастотные паразитные колебания. через обратную связь. По этой причине обычно используется не более четырех параллельных составных транзисторов, и сопротивление антипаразитных колебаний должно быть подключено последовательно на базе или затворе каждого транзистора.

8. Напряжение затвор-исток переходного полевого транзистора не может быть изменено на противоположное и может сохраняться в открытом состоянии. Когда полевой МОП-транзистор не используется из-за очень высокого входного сопротивления, каждый электрод должен быть закорочен, чтобы предотвратить повреждение транзистора внешним электрическим полем.

9. Во время сварки внешняя оболочка электрического паяльника должна быть снабжена внешним заземляющим проводом , чтобы предотвратить повреждение транзистора из-за заряженного электрического утюга.Для небольшого количества пайки вы также можете отключить паяльник после его нагрева или отключить питание и припаять его. Особенно при сварке полевых МОП-транзисторов, исток-сток-затвор следует сваривать по порядку, а цепь должна быть отключена.

10. При сварке электрическим паяльником мощностью 25 Вт работа должна быть быстрой. Если вы используете электрический паяльник мощностью от 45 до 75 Вт, воспользуйтесь пинцетом, чтобы зажать основание штифта, чтобы улучшить отвод тепла. Используйте мультиметр, чтобы проверить качество полевого транзистора перехода (например, сопротивление между прямым и обратным сопротивлением каждого PN перехода и сток-исток).Однако полевой МОП-транзистор нельзя проверить мультиметром, вместо этого необходимо использовать тестер. А линию короткого замыкания каждого электрода можно удалить только после подключения тестера. При снятии мы должны сначала устранить короткое замыкание, а затем удалить его, чтобы избежать плавающего затвора.

Рис. 9. Тестер MOSFET

При высоком входном импедансе необходимо принять меры по защите от влаги, чтобы предотвратить снижение входного сопротивления полевого транзистора из-за температуры.Если используется четырехпроводной полевой транзистор, провод подложки следует заземлить. Транзистор с керамическим корпусом стоит, поэтому его следует защищать от света.

Для силовых полевых транзисторов должны быть хорошие условия отвода тепла . Поскольку силовой полевой транзистор используется в условиях высокой нагрузки, необходимо разработать достаточно радиаторов, чтобы температура корпуса не превышала номинальное значение, чтобы устройство могло стабильно работать в течение длительного времени.

Вкратце, чтобы гарантировать безопасное использование полевого транзистора, следует отметить ряд моментов, а также различные меры безопасности. Огромному количеству профессионального и технического персонала, особенно энтузиастам электроники, следует принять практические меры для безопасного и эффективного использования полевых транзисторов в соответствии с их реальной ситуацией.

1. Исток S, затвор G и сток D полевого транзистора соответствуют эмиттеру E, базе B и коллектору C транзистора соответственно, и их функции аналогичны.

2. Полевой транзистор — это устройство , управляемое напряжением, токовое устройство для управления идентификатором посредством VGS, и его коэффициент усиления gm, как правило, невелик, поэтому способность полевого транзистора к усилению невысока. Транзистор представляет собой устройство , управляемое током, , для управления IC посредством iB (или iE).

3. Затвор полевого транзистора почти не поглощает ток, в то время как база транзистора поглощает определенный ток во время работы. Следовательно, входное сопротивление полевого транзистора выше, чем у транзистора.

4. Полевой транзистор является проводящим с большинством несущих . Транзистор может проводить электричество как с большинством, так и с неосновными носителями. Поскольку на концентрацию неосновных носителей сильно влияют температура, излучение и другие факторы, полевой транзистор имеет лучшую температурную стабильность и радиационную стойкость, чем транзистор.

Рис. 10. Мажоритарный и второстепенный поток несущей PNP-транзистора

Полевой транзистор следует использовать в условиях окружающей среды (температура и т. Д.).) сильно различаются.

5. Когда металл истока соединен с подложкой, электрод истока и электрод стока могут использоваться взаимозаменяемо, , и их характеристики не сильно меняются. Однако, если коллектор и эмиттер транзистора используются взаимозаменяемо, его характеристики будут сильно отличаться, и значение β сильно уменьшится.

6. Коэффициент шума полевого транзистора очень мал, поэтому полевой транзистор следует выбирать в схеме малошумящего усилителя, где входной каскад требует высокого отношения сигнал / шум (SNR).

7. Полевые транзисторы и транзисторы могут образовывать различные и переключающие схемы, но полевой транзистор более широко используется в крупномасштабных и сверхбольших интегральных схемах из-за его простого производственного процесса, низкого энергопотребления, хорошей термостойкости. , широкий диапазон рабочего напряжения питания и другие преимущества.

8. Сопротивление в открытом состоянии транзистора велико, а у полевого транзистора мало, всего несколько сотен миллиом. В современных электрических устройствах полевые транзисторы обычно используются в качестве переключателей из-за их высокого КПД.

Рекомендуется Артикул:

Введение в TFT-дисплеи

Обзор биполярных транзисторов

Каковы методы тестирования и типы транзисторов?

FET: определение, символ, работа, характеристики, типы и применение

были созданы, чтобы скрыть недостаток ранее известных транзисторов, которые занимали большое пространство и производили много шума. Другой серьезной проблемой была низкая надежность предыдущих версий. Итак, давайте начнем с полевых транзисторов.

Определение полевого транзистора

Давайте сначала определим полевой транзистор,

• «Полевой транзистор — это униполярный транзистор, сделанный из полупроводникового материала, который использует электрическое поле для управления током.”

История полевых транзисторов

• Чтобы узнать, как полевые транзисторы развивались на протяжении веков, позвольте нам совершить небольшое путешествие в историю, в те дни, когда у нас не было большого количества ресурсов для материализации наших концепций.
• Первая попытка создать полевой транзистор была предпринята Юлиусом Эдгаром в 1925 году, и, к сожалению, он потерпел неудачу, но ему посчастливилось запатентовать эту концепцию.
• В 1934 году Оскар Хайль попытал счастья, но безуспешно.
• В 1945 году полевой транзистор Junction был первым полевым транзистором, созданным Генрихом Велкером.
• В последующие годы было предпринято несколько попыток, и были представлены различные типы материалов для изготовления полевых транзисторов и родственных им типов. Все эти успешные и неудачные попытки привели к созданию современного полевого транзистора.

Униполярность полевого транзистора

Униполярность полевого транзистора означает, что транзистор использует для работы отверстия или электроны, в зависимости от типа материала, который предполагается для изготовления, в отличие от транзисторов с биполярным переходом, в которых используются как электроны, так и электроны. отверстия для их функционирования.

Символ полевого транзистора_ FET

• На следующем рисунке показан символ полевого транзистора.
• На рисунке можно увидеть три клеммы, а именно затвор, исток и сток, обозначенные буквами D, G и S.

• Направление стрелки отражает направление электрического поля.
• Символ немного отличается для двух разных типов полевых транзисторов полевых транзисторов, они могут быть полевыми транзисторами с N-каналом или полевыми транзисторами с каналом P, вы узнаете символы различных полевых транзисторов в соответствующих разделах этой статьи.

Почему полевые транзисторы названы так, или что означает полевой транзистор?

Теперь вы, должно быть, думаете о том, как полевой транзистор получил свое название? Что это значит под полевым транзистором? За этим стоит несколько предположений, одно, которое я счел подходящим, — это то, что слабый электрический сигнал, проходящий через электрод, генерирует большее электрическое поле и через другие части транзистора, поэтому они называются полевым эффектом. транзисторы. Если вам известна какая-либо другая причина, по которой мы называем их полевыми транзисторами, кроме этой, вы можете сообщить мне об этом в разделе комментариев ниже, я с нетерпением жду вашего ответа!

BJT vs FET

Часто полевой транзистор сравнивают с BJT, давайте кратко рассмотрим их особенности в этом разделе.Это некоторые из существенных различий между ними;

• BJT немного шумнее, чем FET.
• BJT имеет более высокое выходное сопротивление, чем полевой транзистор.
• BJT управляется током, а полевой транзистор — устройством, управляемым напряжением.
• BJT имеет меньшее входное сопротивление, чем полевой транзистор.

Работа полевого транзистора на полевом транзисторе

В отличие от других типов транзисторов, полевые транзисторы не состоят из типичного коллектора, эмиттера и базы, хотя количество компонентов одинаковы, но названия и функции каждого компонента совершенно разные.Чтобы понять принцип работы полевого транзистора, давайте сначала обсудим его основные компоненты один за другим.

Источник

• Источник обозначен символом S. Он действует как электрод полевого транзистора, через который носители заряда входят в канал при приложении напряжения.
• Как следует из названия, источник полевого транзистора работает как источник носителей заряда.

Gate

• Он представлен буквой G, где бы вы ни увидели G, сразу предполагайте, что это полевой транзистор, в случае транзисторов.История полевого транзистора начинается с подачи напряжения на затвор, которое передается другим компонентам.

Сток

• Сток обозначен символом D. Сток — это электрод полевого транзистора, который обеспечивает канал для носителей заряда, помогая им покинуть цепь.

• Поскольку у вас есть краткое представление об основных компонентах полевого транзистора и их функциях, мы собираемся обсудить работу полевого транзистора.
• Ток всегда течет от источника S в сторону стока D.
• Напряжение подается на клеммы затвора и истока, что создает токопроводящий канал между источником S и затвором G.
• Электроны или дырки текут из источника S в сток D в форме потока через канал.
• Есть несколько других вещей, связанных с работой и функционированием полевых транзисторов в зависимости от их типов, которые мы собираемся обсудить в соответствующих разделах.Итак, следите за обновлениями!
• Здесь возникает простой вопрос, который часто остается без ответа, почему полевые транзисторы FET называются устройствами, управляемыми напряжением?
• Полевые транзисторы называются устройствами, управляемыми напряжением, потому что ток в стоке, представленный как ID, зависит от напряжения на затворе G, в отличие от биполярного переходного транзистора, который является устройством с регулируемым током.
• Напряжение затвора очень важно для прохождения тока по направлению к стоку.
• Есть два явления, которые влияют на это: одно — это истощение канала, а другое — улучшенное состояние канала. Давайте обсудим их по порядку.
• Истощение канала: рассмотрим полевой транзистор с N-каналом, в нем большая часть электронов является носителями заряда. Сделав затвор более отрицательным, мы оттолкнем электроны от затвора, и эти электроны будут насыщать канал, увеличивая его сопротивление. Это делает область затвора тоньше из-за минимального движения электронов, но канал проводимости считается истощенным из-за повышенного сопротивления.

• Снова рассмотрите n канальный полевой транзистор, теперь подумайте сами, что произойдет, если вы сделаете затвор G полевого транзистора более положительным? Электроны устремились бы к воротам! Это сделало бы область затвора толще из-за большего трафика, но на параллельных линиях канал проводимости был бы улучшен из-за меньшего сопротивления.

Типы полевых транзисторов

Мы можем разделить полевые транзисторы на следующие типы в зависимости от их структуры;

• Переход Полевой транзистор JFET
• Металлооксидный полевой транзистор MOSFET

Junction Полевой транзистор JFET

• Junction field effect — один из простейших типов полевых транзисторов.
• Они униполярны по функции и работают либо с электронами, либо с дырками, то же самое, что характерно для простых полевых транзисторов.
• Соединительный полевой транзистор имеет очень высокий уровень входного сопротивления.
• В отличие от полевого транзистора с биполярным переходом, он по сравнению с ним производит небольшой шум или работает как-то тихо.
• Структура полевого транзистора Junction зависит от его типа, как правило, JFET состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа и одного полупроводникового материала p-типа и наоборот.
• Обозначение переходного полевого транзистора следующее;

Есть еще два типа полевых транзисторов с переходом

• N-канальные полевые транзисторы
• Полевые транзисторы с каналом P

Теперь мы подробно обсудим эти два типа переходных полевых транзисторов — JFET.

Полевые транзисторы с N каналом

Конструкция полевого транзистора с N каналом

Давайте сначала обсудим конструкцию полевого транзистора с N каналом.

• В качестве подложки используется полоса полупроводникового материала n-типа, в основном силикон .
• Затем стержень рассеивается двумя силиконовыми стержнями p-типа, которые меньше по размеру, чем силиконовый стержень n-типа, на двух крайних концах стержня подложки. Только представьте, что вы кладете и приклеиваете два маленьких блока на крайних правых и крайних левых сторонах большего блока, сделанного из дерева или любого материала, который вы можете склеить!
• Теперь мы закончили диффузию материалов p-типа в нашу подложку n-типа, оставшаяся область проводит ток и обозначена как Channel.Эти каналы отвечают за проводящее действие полевых транзисторов при приложении напряжения.
• После того, как мы закончили формирование канала, мы теперь увидим, как основные части, такие как Gate, Source и Drain, формируются из этих рассеянных полупроводниковых блоков.
• Две диффузные кремниевые планки p-типа, которые теперь сформировали PN-переход с материалом n-типа, теперь соединены вместе, чтобы сформировать затвор.
• Два конца канала, который был сформирован ранее после процесса диффузии, металлизируются для преобразования в исток и сток.
• Полевые транзисторы с N каналом подразумевают, что в качестве основных носителей заряда электроны. Они более эффективны, чем полевые транзисторы с p-переходом, поскольку электроны движутся быстрее дырок.

Полевые транзисторы с P-переходом

Конструкция полевого транзистора с P-каналом

• Тот же процесс повторяется для создания полевого транзистора с p-переходом.
• Подложка из материала p-типа берется в виде большой пластины или стержня и затем рассеивается двумя меньшими стержнями n-типа.
• Канал, образованный после диффузии, затем металлизируется с обоих концов, образуя исток и сток.
• PN-переход, образованный двумя полупроводниковыми материалами n-типа, затем соединяется, образуя затвор.
• Так устроены полевые транзисторы с p-переходом.
• Полевые транзисторы с p-переходом подразумевают дырки в качестве основных носителей заряда, поскольку они униполярны.

Работа переходного полевого транзистора

• Переходный полевой транзистор всегда работает в режиме обратного смещения, поэтому они имеют очень высокий входной импеданс.
• В случае переходного полевого транзистора ток затвора равен нулю, что обозначается как; IG = 0
• Входное напряжение, представленное VGS, является регулирующим фактором для выходного тока, представленного идентификатором.

• Вы, должно быть, думаете, как мы контролируем ширину канала, по которому проходит ток? Ответ прост: мы изменяем ширину PN перехода с обеих сторон канала, что увеличивает сопротивление протеканию тока.

Поскольку мы уже знаем, что переходный полевой транзистор работает только в условиях обратного смещения, давайте теперь обсудим несколько сценариев, чтобы узнать, как генерируется выходной сигнал при различных обстоятельствах.

• Когда на затвор не подается внешнее напряжение VGS, результирующее напряжение на стоке будет равно нулю, что можно записать как VGS = VDS = 0
• Истощенные области будут иметь ту же толщину, что и раньше, потому что напряжение еще не приложено.
• В этом состоянии смещения нуля возникает ток стока, позвольте мне рассказать вам, как это сделать! Носители заряда в отсутствие разности потенциалов начинают перемещаться от истока к стоку, создавая ток стока, противоположный обычному протеканию тока.
• Итак, в состоянии смещения нуля в соединительном полевом транзисторе существует только ток стока.

Сценарий приложения малого обратного напряжения

• При наличии потенциала или небольшого напряжения напряжение затвор-исток VGS, от которого зависит идентификатор тока стока, зависит от При применении малого обратного потенциала ширина обедненной области увеличивается.
• Из-за увеличения ширины обедненных областей с обеих сторон канал испытывает трудности с прохождением тока.
• Эта трудность канала для проведения тока приводит к падению напряжения.
• Ширина области истощения увеличивается больше к выводу стока, это можно рассматривать как случайность, но в науке ничего не существует в рамках рассуждений и логики, область истощения увеличивается больше в направлении стока, потому что падение напряжения выше на стороне стока .
• Имеется меньшее значение ID тока стока из-за сжатия проводящего канала.

Сценарий приложения большого обратного напряжения

• В этом случае мы применяем более высокое отрицательное напряжение, которое является нашим напряжением от затвора к источнику, представленное VGS
• Ширина истощенных областей обоих соответствующих PN-переходов продолжает увеличиваться.
• В конце концов, обе области истощения встречаются или, можно сказать, касаются друг друга.
• Вот вам вопрос, что произойдет, если обе области истощения встретятся или растворились бы друг в друге? В конечном итоге они заблокируют прохождение тока!
• Точка, в которой конкретное напряжение полностью блокирует канал проводимости, называется напряжением отсечки или иногда отсечкой

MOSFET_ металлооксидные полевые транзисторы.

Второй тип полевых транзисторов — это полевые металлооксидные полевые транзисторы MOSFET.

Металлооксидные полевые транзисторы — один из наиболее распространенных типов транзисторов, широко используемых.

• МОП-транзистор потребляет меньше энергии, чем другие транзисторы.
• Они исключительно масштабируемы и, если вспомнить закон Мура, являются лучшим его практическим проявлением.
МОП-транзисторы
• имеют высокую скорость переключения, поэтому они используются для генерации последовательностей импульсов. Вы знаете, что такое последовательность импульсов? Последовательность импульсов представляет собой прямоугольную форму асимметричных волн, которые являются периодическими, но несинусоидальными по своей природе.
Полевые транзисторы из оксида металла
• считаются идеальными для цифровых, аналоговых и линейных схем.
• Иногда металлооксидные полевые транзисторы — МОП-транзисторы также называют IGFET, полевые транзисторы с изолированным затвором.

• Давайте теперь обсудим базовую структуру полевого полевого транзистора на основе оксида металла.
• Металлооксидный полевой транзистор MOSFET состоит из четырех компонентов, в отличие от JFET.
• Компоненты полевого МОП-транзистора включают исток S, сток D, корпус B и затвор G.
• Затвор разделен корпусом транзистора через изоляционный материал
• MOSFET очень похож на JFET, но основное отличие заключается в изоляции затворного электрода от канала проводимости, будь то P-канал или N-канал, с помощью тонкого слоя в основном SiO2 или стекла.
• Изоляция вывода затвора слоем оксида металла помогает увеличить входное сопротивление.Изоляция может увеличить значение входного сопротивления до мегаомов.
• Для получения подробного обзора MOSFET, его конструкции, работы и приложений вы можете обратиться к подробной статье, представленной на нашем веб-сайте.

• Следующий символ используется для обозначения MOSFET.

• Стрелка указывает направление тока, и я уже знаю, что вы это знаете!
• Теперь вы, должно быть, думаете, почему символическое представление показывает только три терминала, пожалуйста, не ищите четвертый! Потому что источник всегда прикреплен к терминалу тела и представлен как один терминал.
• Таким образом, вы можете увидеть только три терминала с именами Gate G, Drain D и Source S.

Типы полевых МОП-транзисторов

Ниже приведены четыре широко известных типа полевых МОП-транзисторов;

• MOSFET в режиме расширения с N-каналом
• МОП-транзистор в режиме расширения P-канала
• МОП-транзистор с N-канальным режимом истощения
• P-Channel Depletion mode MOSFET

Подробный обзор всех этих типов MOSFET можно найти в нашей статье о MOSFET.

Характеристики полевого транзистора

• Напряжение тока, ВАХ полевого транзистора нанесены на график между приложенным напряжением VDS и ID тока стока.
• График для изучения характеристической кривой полевого транзистора_ FET построен между изменяющимися значениями тока утечки, представленными ID по оси y, с изменяющимися значениями VDS по оси x.

На графике показаны следующие регионы;

• Омическая область
• Область отсечения
• Насыщенность или активная область
• Область разрушения

Для лучшего понимания обратитесь к графику.

Теперь мы подробно остановимся на каждом из регионов.

Омическая область

• Это крайняя левая часть графика, которая представляет значение ID тока стока, когда приложенное напряжение транзистора между истоком и затвором равно нулю, то есть VGS = 0
• Проводящий канал небольшой, но в данном случае не узкий.
• Области истощения на соответствующих сторонах равны по размеру и еще не начали расширяться.
• Наш полевой транзистор действует как резистор с регулируемым напряжением на данном этапе ВАХ.

Область отсечения

• Это вторая область нашего графика, представленная фиолетовыми линиями.
• Эта область отсечки также называется областью отсечки, потому что напряжение VGS, которое управляет током транзистора, ужасно велико, чтобы заставить схему работать как разомкнутый переключатель.
• В области отсечки токопроводящий канал почти закрыт из-за увеличенной толщины областей истощения с обеих сторон.

Область насыщенности

• Область насыщенности также называется активной областью графика.
• В этой области полевой транзистор играет роль хорошего проводника.
• Величина приложенного напряжения VGS, напряжение между затвором и истоком управляет транзистором.
• VDS Напряжение истока-истока оказывает минимальное влияние на текущий ID транзистора в этот самый момент.

Область пробоя

• Это последняя и конечная область характеристической кривой полевого транзистора, вы можете наблюдать эту область в крайнем правом углу.
• Напряжение между истоком и стоком, представленное VDS, в этот момент очень велико.
• Напряжение достаточно высокое, чтобы токопроводящий канал был разорван, и максимальный ток прошел через канал в сток.

Применение полевых транзисторов

• Полевые транзисторы произвели революцию в электронном мире, существует бесконечный список применений полевых транзисторов, мы собираемся обсудить несколько важных из них в этом разделе.
• Полевые транзисторы Полевые транзисторы часто используются в интегральных схемах из-за их меньшего размера и компактности.
Полевые транзисторы
• используются в операционных усилителях в качестве резисторов с переменным напряжением (VR).
• Они также используются в регуляторах тембра для работы микшера на ТВ и FM.
Полевые транзисторы
• также используются в логических вентилях.
Полевые транзисторы
• также широко используются в производстве цифровых переключателей.

Теперь мы обсудим некоторые из наиболее продвинутых приложений полевых транзисторов,

FET как буферный усилитель

• Перво-наперво, давайте сначала обсудим, что делает буфер? Буфер гарантирует, что цифровой или аналоговый сигнал успешно передан предыдущей волне.
• Буфер напряжения помогает усилить ток без нарушения фактического уровня напряжения.
• Итак, поскольку вы хорошо знаете функцию буфера, мы обсудим, как полевой транзистор действует на буферный усилитель.
• Буферный усилитель отделяет предыдущий каскад сигнала от следующего следующего каскада, для этой цели работает сток полевого транзистора.
• Наконец, вы должны подумать, какое характерное свойство помогает полевому транзистору в достижении этого, у меня есть ответ на этот ваш вопрос! Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс делают полевой транзистор отличным буферным усилителем.

FET как аналоговый переключатель

• В последнее время мы обсуждали использование полевых транзисторов в аналоговых и цифровых переключателях, а сейчас мы обсудим их использование в аналоговых переключателях.
• Мы уже обсуждали это ранее в нашей характеристической кривой и сценариях работы полевого транзистора, когда выходное напряжение равно входному напряжению, заставляя полевой транзистор работать как переключатель.

• Когда VGS, который представляет собой напряжение затвора истока, как вы уже знаете, отсутствует, полевой транзистор работает как небольшое сопротивление, хотя присутствует небольшой ток стока, но его значение почти незначительно.
• Математическое выражение можно записать как

VOUT = {RDS / (RD + RDS (ON)} * Vin

• Если вы помните, область отсечки кривой ВАХ нашего полевого транзистора, когда к области истока затвора прикладывается максимальное отрицательное напряжение, и в конечном итоге полевой транзистор_ FET начинает действовать как очень высокое сопротивление.
• Это сопротивление находится в диапазоне мегаомов.
• В этом случае выходное напряжение Vout почти равно входному напряжению, которое было VGS.

FET как генератор фазового сдвига

• Полевые транзисторы идеально подходят для использования в качестве генераторов фазового сдвига.
• Генераторы фазового сдвига используются для генерации сигналов с широким диапазоном частот.
Полевые транзисторы
• могут использоваться как для усиления, так и для работы в цепи обратной связи, поэтому они отлично подходят для работы в качестве генераторов с фазовым сдвигом.
Полевой транзистор
• — полевые транзисторы имеют высокий входной импеданс, поэтому при использовании в качестве генераторов фазового сдвига эффект нагрузки значительно меньше.
• В большинстве случаев для этой цели используются N-канальные полевые транзисторы.

• Полевые транзисторы можно наблюдать как генераторы сдвига фазы в устройствах GPS, музыкальных инструментах и ​​многих других местах, где модулируются звуковые сигналы, например, синтез голоса.

Полевой транзистор как каскодный усилитель

• Код регистра слов был получен из фразы «Каскад на катод».
• Каскодные схемы состоят из двух компонентов: первый — это усилитель крутизны, а второй — буферный усилитель.
Каскодные усилители
• обычно изготавливаются с использованием полевых транзисторов из-за их высокого входного сопротивления.
• Мы используем каскодные усилители из-за того, что они обладают низкой входной емкостью, в противном случае обычно используемые обычные усилители имеют более высокое значение входной емкости, чем каскодные усилители.
• Хотя коэффициент усиления по напряжению одинаков для обоих усилителей, что снова является беспроигрышной ситуацией для
• Каскодные усилители на полевых транзисторах.

Полевой транзистор в мультиплексоре

• Давайте сначала обсудим функцию мультиплексора, мультиплексор собирает разные сигналы из разных источников для представления в виде единого выходного сигнала. Представьте себе целый год упорной работы, а конечный результат после экзамена будет отображен в единой карточке!
Полевые транзисторы
• Junction используются для построения схемы мультиплексора.
• Каждый полевой транзистор действует как SPST.
• Если вы не знаете о SPST, позвольте мне сказать вам, что это однополюсный однопозиционный переключатель, который генерирует один выход из одного входа.
• SPST используется как двухпозиционный переключатель в цепях.

Рассмотрим принципиальную схему, приведенную ниже;

• Все входные сигналы блокируются, когда управляющие сигналы становятся более отрицательными, чем напряжение источника затвора VGS.
• Это условие блокирует все входные сигналы.
• Обнуляя любое из управляющих напряжений V1, V2 или V3, мы можем получить единственную желаемую выходную волну.
• Считайте, что если вы установите V2 в ноль, мы получим треугольный сигнал.
• Если мы повернем V3 к нулю, вы сами сможете определить из принципиальной схемы волновой сигнал, который вы получите, Go! Прокрутите вверх!
• Так вот как полевые транзисторы используются в мультиплексорах.

FET как малошумящий входной усилитель

• Как вы определяете шум? Звук, неприятный для ушей, или при разговоре о помехах, которые вызывают ненужную турбулентность на желаемом выходе, делая его скудным или слабым.
• Шум возникает во многих механических и электрических приборах, но иногда для некоторых вещей это терпимо, а иногда нет!
• Только представьте себе мешающий шум, когда вы транслируете видео или аудио, громкий сигнал, который размывает музыку во время солнечного пляжного дня на вашем радио, никому это не нужно! Поэтому для малошумящего усиления используются полевые транзисторы.
• Шум не имеет ничего общего с мощностью сигнала, поэтому он всегда присутствует, даже когда вы закончили прямую трансляцию!
• Шумоподавление является недостатком многих электронных устройств, но яркая сторона заключается в том, что наши полевые транзисторы создают немного меньше шума, особенно если они используются во входной части приемника сигнала.
Полевые транзисторы
• тоже немного шумят, но у меня есть решение для этого, MOSFET используются там, где недопустим даже небольшой шум, не волнуйтесь, мы поговорим о MOSFET в нашей следующей статье!
• Итак, наконец, мы можем сказать, что если мы используем полевой транзистор_ полевой транзистор на входе, будет меньшее усиление нежелательного сигнала в нашем сгенерированном выходе.

FET как ограничитель тока

• Junction Field Effect Transistors можно использовать для создания цепи ограничения тока.
• По этой характеристике и расположению изготавливаются диоды постоянного тока и регуляторы тока, давайте обсудим процесс, но сначала обратимся к принципиальной схеме для лучшего понимания.
• Когда происходит превышение напряжения питания из-за каких-либо отклонений в системе, транзистор с эффектом поля перехода немедленно начинает работать в своей активной или насыщенной области, я надеюсь, что к настоящему времени вы хорошо осведомлены об активной области эффекта поля перехода. транзистор, если нет, обратитесь к разделу графика ВАХ и его объяснению!
• В этом случае транзистор Junction Field Effect сам действует как источник тока и предотвращает дальнейший ток нагрузки.

Итак, друзья, этот последний сегмент завершает наше обсуждение полевых транзисторов (FET). Надеюсь, вы узнали что-то новое из этого обсуждения. Для любых предложений, конструктивной критики или небольшой признательности вы можете использовать раздел комментариев ниже. До скорой встречи со следующей темой, удачного дня впереди!

Полевой транзистор

Функция полевых транзисторов аналогична биполярным транзисторам (особенно того типа, который мы обсудим здесь), но есть несколько отличий.У них есть 3 клеммы, как показано ниже. Два основных типа полевых транзисторов — это полевые МОП-транзисторы с каналом «N» и «P». Здесь мы будем обсуждать только канал N. Фактически, в этом разделе мы будем обсуждать только наиболее часто используемый N-канальный MOSFET в режиме улучшения (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником). Его схематический символ находится ниже. Стрелки показывают, как НОЖКИ реального транзистора соответствуют условному обозначению.

Current Control:
Терминал управления называется воротами.Помните, что через базовый вывод биполярного транзистора проходит небольшой ток. Затвор на полевом транзисторе практически не пропускает ток при управлении постоянным током.При управлении затвором с помощью высокочастотных импульсных сигналов постоянного или переменного тока может протекать небольшой ток. Напряжение «включения» транзистора (также известное как пороговое) варьируется от одного полевого транзистора к другому, но составляет примерно 3,3 вольта по отношению к источнику.

Когда полевые транзисторы используются в секции аудиовыхода усилителя, Vgs (напряжение от затвора до источника) редко превышает 3.5 вольт. Когда полевые транзисторы используются в импульсных источниках питания, Vgs обычно намного выше (от 10 до 15 вольт). Когда напряжение затвора превышает примерно 5 вольт, он становится более эффективным (что означает меньшее падение напряжения на полевом транзисторе и, следовательно, меньшее рассеивание мощности).

Обычно используются полевые МОП-транзисторы, потому что их легче использовать в сильноточных устройствах (например, в импульсных источниках питания в автомобильных аудиоусилителях). Если используется биполярный транзистор, часть тока коллектор / эмиттер должна проходить через базовый переход.В ситуациях с большим током, когда имеется значительный ток коллектора / эмиттера, ток базы может быть значительным. Полевые транзисторы могут работать при очень небольшом токе (по сравнению с биполярными транзисторами). Единственный ток, который течет из схемы возбуждения, — это ток, протекающий из-за емкости. Как вы уже знаете, когда на конденсатор подается постоянный ток, возникает первоначальный скачок, после чего ток прекращается. Когда затвор полевого транзистора приводится в действие высокочастотным сигналом, схема управления по существу видит только конденсатор небольшой емкости.Для низких и промежуточных частот схема возбуждения должна обеспечивать небольшой ток. На очень высоких частотах или когда задействовано много полевых транзисторов, схема возбуждения должна обеспечивать больший ток.

Примечание:
Затвор полевого МОП-транзистора имеет некоторую емкость, что означает, что он будет удерживать заряд (сохранять напряжение). Если напряжение затвора не разряжено, полевой транзистор будет продолжать проводить ток. Это не означает, что вы можете заряжать его и ожидать, что полевой транзистор будет продолжать проводить бесконечно долго, но он будет продолжать проводить до тех пор, пока напряжение на затворе не станет ниже порогового напряжения.Вы можете убедиться, что он отключился, если вы подключите понижающий резистор между затвором и истоком.

Сильноточные клеммы:
«Управляемые» клеммы называются истоком и стоком. Это клеммы, отвечающие за пропускание тока через транзистор.

Пакеты транзисторов:
В полевых МОП-транзисторах используются те же «корпуса», что и в биполярных транзисторах. Наиболее распространенным в автомобильном стереоусилителе в настоящее время является корпус TO-220 (показан выше).

Транзистор в цепи:
На этой диаграмме показаны напряжения на резисторе и полевом транзисторе с 3 различными напряжениями затвора.Вы должны увидеть, что на резисторе нет напряжения, когда напряжение затвора составляет около 2,5 вольт. Это означает, что ток не течет, потому что транзистор не открыт. Когда транзистор частично включен, на обоих компонентах возникает падение напряжения (напряжения). Когда транзистор полностью открыт (напряжение затвора около 4,5 В), полное напряжение питания подается на резистор, и на транзисторе практически отсутствует падение напряжения. Это означает, что оба вывода (исток и сток) транзистора имеют по существу одинаковое напряжение.Когда транзистор полностью включен, нижний вывод резистора эффективно заземлен.

В следующей демонстрации вы можете увидеть, что к лампе подключен полевой транзистор.Когда напряжение ниже примерно 3 вольт, лампа полностью выключена. Нет тока, протекающего через лампу или полевой транзистор. Когда вы нажимаете кнопку, вы можете видеть, что конденсатор начинает заряжаться (на это указывает восходящая желтая линия и точка пересечения кривой зарядки конденсатора с белой линией, идущей слева направо. Когда полевой транзистор начинает включаться, напряжение на стоке начинает падать (обозначено падающей зеленой линией и точкой, где зеленая кривая пересекается с белой линией).Когда напряжение затвора приближается к пороговому напряжению (~ 3,5 В), напряжение на лампе начинает расти. Чем больше он увеличивается, тем ярче становится лампа. После того, как напряжение на затворе достигнет примерно 4 вольт, вы увидите, что лампочка полностью горит (на ее выводах есть полные 12 вольт). Напряжение на полевом транзисторе практически отсутствует. Вы должны заметить, что полевой транзистор полностью выключен при падении напряжения ниже 3 вольт и полностью включен после четырех вольт. Любое напряжение затвора ниже 3 вольт практически не влияет на полевой транзистор.Выше 4 вольт мало влияет.

Напряжение затвора:
Как вы уже знаете, полевой транзистор управляется напряжением затвора. Для этого типа полевого МОП-транзистора максимальное безопасное напряжение затвора составляет ± 20 вольт. Если на затвор (относительно источника) будет подано более 20 вольт, это приведет к разрушению транзистора. Транзистор будет поврежден, потому что напряжение будет проходить через изолятор, который отделяет затвор от части стока / истока полевого транзистора.

Сила тока:
Как и биполярные транзисторы, каждый полевой транзистор предназначен для безопасной передачи определенного количества тока.Если температура полевого транзистора выше 25 ° C (примерно 77 градусов по Фаренгейту), «безопасные» токонесущие способности транзистора будут уменьшены. Безопасная рабочая зона (S.O.A) продолжает уменьшаться при повышении температуры. Когда температура приближается к максимальной безопасной рабочей температуре, номинальный ток транзистора приближается к нулю.