Tranzistor s efektem pole

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 3. ledna 2022; ověření vyžaduje 21 úprav .

Polní (unipolární) tranzistor  je polovodičové zařízení, jehož princip činnosti je založen na řízení elektrického odporu vodivého kanálu příčným elektrickým polem vytvořeným napětím přivedeným na hradlo .

Oblast, ze které nosiče náboje opouštějí kanál, se nazývá zdroj , oblast, do které kanál opouštějí, se nazývá drain , elektroda, na kterou je přiloženo řídicí napětí, se nazývá hradlo .

Historie tranzistorů s efektem pole

V roce 1953 George Clement Daisy a Ross navrhli a realizovali návrh tranzistoru s efektem pole - s řídicím pn přechodem .

Poprvé byla myšlenka regulace toku hlavních nosičů elektrickým polem v izolovaném hradlovém tranzistoru navržena Lilienfeldem v letech 1926-1928. Potíže s realizací této myšlenky v praxi však umožnily vytvořit první pracovní zařízení až v roce 1960. V roce 1966 Carver Meadzlepšil tento design posunutím elektrod takového zařízení pomocí Schottkyho diody .

V roce 1977 James McCullaham z Bell Labs zjistil, že použití tranzistorů s efektem pole by mohlo výrazně zvýšit výkon stávajících výpočetních systémů.

Klasifikace tranzistorů s efektem pole

Tranzistory s efektem pole se dělí na zařízení s řídícím pn přechodem a s izolovaným hradlem, tzv. MOS ("metal-dielectric-semiconductor") tranzistory, které se také nazývají MOS ("metal-oxide-semiconductor") tranzistory . a ty jsou rozděleny na tranzistory s vestavěným kanálem a zařízení s indukovaným kanálem.

Mezi hlavní parametry tranzistorů s efektem pole patří: vstupní odpor, vnitřní odpor tranzistoru, nazývaný také výstupní, strmost kolektorové charakteristiky, mezní napětí a některé další.

Tranzistory s řídicím pn-přechodem

Tranzistor s řízeným polem s řídícím pn přechodem [1]  (JFET) je tranzistor řízený polem, ve kterém polovodičová deska, např. typu n (obr. 1), má elektrody (zdroj a kolektor) na opačné straně. konce, se kterými se zařadil do řízeného obvodu. Řídicí obvod je napojen na třetí elektrodu (hradlo) a je tvořen oblastí s jiným typem vodivosti, v příkladu na obrázku - typ p.

Zdroj konstantního předpětí zahrnutý ve vstupním obvodu vytváří zpětné (blokovací) napětí na jediném pn přechodu. Součástí vstupního obvodu je i zdroj zesíleného signálu. Když se změní vstupní napětí, změní se zpětné napětí na přechodu pn, a proto se změní tloušťka vyčerpané vrstvy , to znamená plocha průřezu oblasti v krystalu, kterou proudí hlavní nosiče náboje. prochází změnami. Tato oblast se nazývá kanál.

Tranzistorové elektrody s efektem pole se nazývají:

Typ polovodičové vodivosti kanálu může být buď n- nebo p-typu. Podle typu vodivosti kanálu se rozlišují tranzistory s efektem pole s n-kanálem a p-kanálem. Polarity předpětí aplikovaných na elektrody tranzistorů s n- a p-kanály jsou opačné.

Řízení proudu a napětí na zátěži, zapojené do série s kanálem tranzistoru s efektem pole a zdrojem energie, se provádí změnou vstupního napětí , v důsledku čehož se změní zpětné napětí na přechodu pn. , což vede ke změně tloušťky blokující (ochuzené) vrstvy. Při určitém blokovacím napětí se plocha průřezu kanálu rovná nule a proud tranzistorovým kanálem bude velmi malý.

Protože zpětný proud pn přechodu je velmi malý, ve statickém režimu nebo při nízkých pracovních frekvencích je výkon odebraný ze zdroje signálu zanedbatelný. Při vysokých frekvencích může být proud odebraný ze zdroje signálu významný a jde k dobití vstupní kapacity tranzistoru.

Tranzistor s efektem pole je tedy z hlediska principu řízení proudu podobný elektrické vakuové lampě - triodě , ale z hlediska typu charakteristiky proud-napětí zdroje-odběr se blíží elektrickému vakuu. pentoda . S touto analogií je zdroj v tranzistoru s efektem pole podobný katodě vakuové triody, hradlo je jako mřížka a kolektor je jako anoda. Existují také rozdíly, např.

Tranzistor s efektem pole se od bipolárního tranzistoru liší za prvé principem činnosti: u bipolárního tranzistoru je výstupní signál řízen vstupním proudem au tranzistoru s efektem pole vstupním napětím nebo elektrickým polem. Za druhé, tranzistory s efektem pole mají výrazně vyšší vstupní odpory , což je způsobeno obráceným předpětím hradlového pn-přechodu u uvažovaného typu tranzistorů s efektem pole. Zatřetí, tranzistory s efektem pole mají ve srovnání s bipolárními tranzistory nízkou hladinu šumu (zejména při nízkých frekvencích), protože do tranzistorů s efektem pole není vstřikován žádný vedlejší nosič náboje a kanál tranzistoru s efektem pole lze vytvořit uvnitř polovodičového krystalu. . Procesy rekombinace nosičů v pn přechodu a v bázi bipolárního tranzistoru , stejně jako procesy generační rekombinace na povrchu polovodičového krystalu, generují nízkofrekvenční šum.

Izolované hradlové tranzistory (MIS tranzistory)

Tranzistor s izolovaným hradlovým polem (MOSFET) je tranzistor s efektem pole, jehož hradlo je elektricky izolováno od kanálu dielektrickou vrstvou .

V polovodičovém krystalu s relativně vysokým měrným odporem, který se nazývá substrát, se vytvoří dvě silně dotované oblasti s typem vodivosti, který je opačný než u substrátu. Tyto oblasti jsou pokryty kovovými elektrodami – zdrojem a odtokem. Vzdálenost mezi oblastí zdroje a odvodu může být menší než mikron. Povrch polovodičového krystalu mezi zdrojem a vývodem je pokryt tenkou vrstvou (řádově 0,1 µm) dielektrika . Protože výchozím polovodičem pro tranzistory s efektem pole je obvykle křemík , pak se jako dielektrikum používá vrstva oxidu křemičitého SiO 2 , narostlá na povrchu krystalu křemíku vysokoteplotní oxidací. Na dielektrickou vrstvu je nanesena kovová elektroda, brána. Ukazuje se, že struktura se skládá z kovu, dielektrika a polovodiče. Proto se tranzistory s izolovaným hradlovým polem často nazývají tranzistory MIS.

Vstupní odpor tranzistorů MIS může dosáhnout 10 10 ... 10 14 Ohm (u tranzistorů s efektem pole s řídicím pn přechodem 10 7 ... 10 9 ), což je výhoda při stavbě vysoce přesných zařízení.

Existují dva typy tranzistorů MOS: s indukovaným kanálem a s vloženým kanálem.

U tranzistorů MIS s indukovaným kanálem (obr. 2, a) není mezi silně dotovanými oblastmi zdroje a kolektoru žádný vodivý kanál, a proto se znatelný odvodňovací proud objevuje pouze při určité polaritě a při určité hodnotě hradla. napětí vzhledem ke zdroji, které se nazývá prahové napětí ( U Zipor ).

U tranzistorů MOS s vestavěným kanálem (obr. 2, b) je blízko povrchu polovodiče pod hradlem při nulovém napětí hradla vzhledem ke zdroji inverzní vrstva - kanál, který spojuje zdroj s kolektorem .

Znázorněno na Obr. Struktury FET se 2 izolovanými hradly mají vodivý substrát typu n. Proto silně dotované oblasti pod zdrojem a odtokem, stejně jako indukované a vestavěné kanály, mají elektrickou vodivost typu p. Pokud jsou podobné tranzistory vytvořeny na substrátu s elektrickou vodivostí typu p, pak jejich kanál bude mít elektrickou vodivost typu n.

MIS tranzistory s indukovaným kanálem

Když je hradlové napětí vzhledem ke zdroji nulové a když je napětí přivedeno na kolektor, je proud kolektoru zanedbatelný. Představuje zpětný proud pn přechodu mezi substrátem a silně dotovanou drenážní oblastí. Při záporném potenciálu na bráně (pro strukturu znázorněnou na obr. 2, a), v důsledku pronikání elektrického pole přes dielektrickou vrstvu do polovodiče při nízkých napětích na bráně (méně než U 3 a th ), vrstva ochuzená o hlavní nosiče se objevuje poblíž povrchu polovodiče pod hradlem ( efekt pole ) a oblast prostorového náboje sestávající z ionizovaných nekompenzovaných atomů nečistot. Při napětí hradla větším než U Zipor se na povrchu polovodiče pod hradlem objeví inverzní vrstva , což je kanál typu p spojující zdroj s kolektorem. Průřez kanálu se změní se změnou napětí hradla a odpovídajícím způsobem se změní i odtokový proud, to znamená proud v zatěžovacím obvodu a relativně výkonný zdroj energie.

Vzhledem k tomu, že hradlo je odděleno od substrátu dielektrickou vrstvou, proud v obvodu hradla je zanedbatelný a výkon spotřebovaný ze zdroje signálu v obvodu hradla a nutný k řízení relativně velkého svodového proudu je také malý. . MIS tranzistor s indukovaným kanálem tedy může zesilovat elektromagnetické oscilace napětí a výkonu.

Princip zesílení výkonu u tranzistorů MIS lze uvažovat z hlediska přenosu energie konstantního elektrického pole (energie zdroje energie ve výstupním obvodu) na střídavé elektrické pole nosiči náboje. V tranzistoru MIS, než se kanál objevil, téměř veškeré napětí napájecího zdroje v obvodu kolektoru dopadlo na polovodič mezi zdrojem a kolektorem, čímž vznikla relativně velká konstantní složka intenzity elektrického pole. Působením napětí na hradlo se v polovodiči pod hradlem objeví kanál, po kterém se nosiče náboje - díry - pohybují od zdroje k odtoku . Otvory, pohybující se ve směru konstantní složky elektrického pole, jsou tímto polem urychlovány a jejich energie se zvyšuje vlivem energie zdroje energie v drenážním okruhu. Současně s výskytem kanálu a výskytem mobilních nosičů náboje v něm klesá odtokové napětí, to znamená, že okamžitá hodnota proměnné složky elektrického pole v kanálu směřuje opačně ke konstantní složce. Proto jsou díry zpomalovány střídavým elektrickým polem, které jim dává část jejich energie.

MIS tranzistory s vestavěným kanálem

Vzhledem k přítomnosti vestavěného kanálu v takovém MIS tranzistoru (obr. 2, b), když je napětí přivedeno na kolektor, se kolektorový proud ukazuje jako významný i při nulovém hradlovém napětí (obr. 3, b ). Průřez a vodivost kanálu se změní, když se změní napětí hradla, a to jak záporné, tak kladné polarity. MOS tranzistor s vestavěným kanálem tedy může pracovat ve dvou režimech: v režimu obohacování a v režimu ochuzování kanálu o nosiče náboje. Tato vlastnost MOS tranzistorů s vestavěným kanálem se projevuje i posunem výstupní statické charakteristiky při změně napětí hradla a jeho polarity (obr. 3).

Statické přenosové charakteristiky (obr. 3, b) vycházejí z bodu na úsečce odpovídajícího meznímu napětí U ZIots , tedy napětí mezi hradlem a zdrojem tranzistoru MIS s integrovaným kanálem pracujícím v úbytku. režim, při kterém odtokový proud dosáhne předem stanovené nízké hodnoty.

Výpočtové vzorce v závislosti na napětí U zi

1. Tranzistor uzavřen

Prahová hodnota napětí tranzistoru MIS

2. Parabolická sekce.

- specifická strmost přenosové charakteristiky tranzistoru.

3. Další zvýšení vede k přechodu na rovnou úroveň:

 je Hovsteinova rovnice MIS struktury pro speciální účely

Ve strukturách typu kov-nitrid-oxid-semivodič (MNOS) je dielektrikum pod hradlem tvořeno dvěma vrstvami: oxidovou vrstvou SiO 2 a silnou vrstvou nitridu Si 3 N 4 . Mezi vrstvami se tvoří elektronové pasti, které při přivedení kladného napětí (28–30 V) na hradlo struktury MNOS zachycují elektrony procházející tenkou vrstvou SiO2 . Záporně nabité ionty, které se tvoří, zvyšují prahové napětí a jejich náboj může být skladován až několik let bez napájení, protože vrstva Si02 zabraňuje úniku náboje. Když je na bránu přivedeno velké záporné napětí (28…30 V), nahromaděný náboj je absorbován, což výrazně snižuje prahové napětí.

Metal-oxid-semiconductor (MOS) struktury s plovoucím hradlem s lavinovým vstřikováním ( LISMOS ) mají hradlo z polykrystalického křemíku izolovaného od ostatních částí konstrukce. Lavinový průraz pn-přechodu substrátu a svodu nebo zdroje, na který je přivedeno vysoké napětí, umožňuje elektronům proniknout přes vrstvu oxidu k bráně, v důsledku čehož se na ní objeví negativní náboj. Izolační vlastnosti dielektrika umožňují udržet tento náboj po desetiletí. Odstranění elektrického náboje z brány se provádí pomocí ionizujícího ultrafialového záření s křemennými lampami, přičemž fotoproud umožňuje rekombinaci elektronů s otvory.

Následně byly vyvinuty struktury akumulačních tranzistorů s efektem pole s dvojitým hradlem. Hradlo zabudované v dielektriku slouží k uložení náboje, který určuje stav zařízení, a vnější (obyčejné) hradlo, řízené bipolárními impulsy, slouží k přidávání nebo ubírání náboje na zabudovaném (vnitřním) hradlu. Tak se objevily buňky a následně flash paměťové čipy, které si v dnešní době získaly velkou oblibu a staly se významnou konkurencí pevných disků v počítačích.

Pro implementaci velmi velkých integrovaných obvodů (VLSI) byly vytvořeny ultraminiaturní mikrotranzistory s efektem pole. Jsou vyrobeny pomocí nanotechnologie s geometrickým rozlišením menším než 100 nm. V takových zařízeních dosahuje tloušťka dielektrika hradla několika atomárních vrstev. Používají se různé, včetně tříbranových konstrukcí. Zařízení pracují v režimu mikrovýkonu. V moderních mikroprocesorech Intel se počet zařízení pohybuje od desítek milionů do 2 miliard. Nejnovější mikrotranzistory s efektem pole jsou vyrobeny na napjatém křemíku, mají kovové hradlo a používají nový patentovaný materiál pro hradlové dielektrikum na bázi sloučenin hafnia [2] .

V posledním čtvrtstoletí byly rychle vyvinuty výkonné tranzistory s efektem pole, především typu MOS. Skládají se z mnoha nízkoenergetických struktur nebo struktur s rozvětvenou konfigurací brány. Taková vysokofrekvenční a mikrovlnná zařízení byla poprvé vytvořena v SSSR V. V. Bachurinem (křemíkové zařízení) a V. Ya. Vaksemburgem (zařízení s arsenidem galia) z Pulsar Research Institute . Studiem jejich impulsních vlastností se zabývala vědecká škola prof. Dyakonova V. P. (smolenská pobočka MPEI). Tím se otevřela oblast vývoje výkonných klíčových (pulsních) tranzistorů s efektem pole se speciální konstrukcí, s vysokými provozními napětími a proudy (samostatně až 500-1000 V a 50-100 A). Taková zařízení jsou často řízena nízkým (až 5 V) napětím, mají nízký odpor v zapnutém stavu (do 0,01 Ω) u silnoproudých zařízení, vysokou strmost a krátké (několik až desítky ns) spínací časy. Postrádají fenomén akumulace nosiče ve struktuře a fenomén saturace vlastní bipolárním tranzistorům. Díky tomu vysoce výkonné tranzistory s efektem pole úspěšně nahrazují vysoce výkonné bipolární tranzistory v oblasti výkonové elektroniky s nízkým a středním výkonem [3] [4] .

V posledních desetiletích se v zahraničí rychle rozvíjí technologie vysoce pohyblivých elektronových tranzistorů (HEM) , které jsou široce používány v mikrovlnných komunikačních a rádiových sledovacích zařízeních. Na bázi HDPE vznikají hybridní i monolitické mikrovlnné integrované obvody . Provoz TVET je založen na kanálovém řízení pomocí dvourozměrného elektronového plynu , jehož oblast je vytvořena pod hradlovým kontaktem díky použití heteropřechodu a velmi tenké dielektrické vrstvy - spaceru [5] .

Schémata zapínání tranzistorů s efektem pole

Tranzistor s efektem pole ve stupni zesílení signálu lze zapnout podle jednoho ze tří hlavních schémat: se společným zdrojem (OI), společným kolektorem (OS) a společným hradlem (OZ).

V praxi se v zesilovacích kaskádách nejčastěji používá obvod RI, podobný obvodu na bipolárním tranzistoru se společným emitorem (CE). Kaskáda společného zdroje poskytuje velký výkon. Ale na druhou stranu je tato kaskáda nejvíce nízkofrekvenční kvůli škodlivému vlivu Millerova jevu a významné vstupní kapacitě hradla-zdroje ( Czi ) .

Schéma s OZ je podobné schématu se společnou základnou (OB). V tomto obvodu je odtokový proud roven proudu zdroje, takže neposkytuje proudový zisk a výkonový zisk v něm je mnohonásobně menší než v obvodu OI. Kaskáda OZ má nízkou vstupní impedanci, a proto má specifické praktické uplatnění v zesilovací technice. Výhodou tohoto zařazení je téměř úplné potlačení Millerova jevu, což umožňuje zvýšit maximální frekvenci zesílení a takovéto kaskády se často používají při mikrovlnném zesílení .

Kaskáda s OS je podobná kaskádě se společným kolektorem (OK) pro bipolární tranzistor - emitorový sledovač . Takový stupeň je často označován jako zdrojový následovník . Napěťové zesílení v tomto obvodu je vždy o něco menší než 1 a výkonové zesílení má střední hodnotu mezi OI a OI. Tento stupeň má výhodu velmi nízké vstupní parazitní kapacity a často se používá jako oddělovací stupeň mezi zdrojem signálu s vysokou impedancí, jako je piezosnímač, a následujícími zesilovacími stupni. Z hlediska širokopásmových vlastností zaujímá tato kaskáda také mezipolohu mezi OI a OI.

Aplikace FET

Struktury CMOS , sestavené z komplementární dvojice tranzistorů s efektem pole s kanály různých (p- a n-) typů, jsou široce používány v digitálních a analogových integrovaných obvodech .

Vzhledem k tomu, že tranzistory s efektem pole jsou řízeny polem (napětí aplikované na hradlo), a nikoli proudem protékajícím bází (jako u bipolárních tranzistorů), spotřebovávají tranzistory s efektem pole mnohem méně energie, což je zvláště důležité v okruzích čekacích a sledovacích zařízení, stejně jako ve schématech s nízkou spotřebou a úsporou energie (zavádění režimů spánku).

Nápadnými příklady tranzistorových zařízení s efektem pole jsou náramkové hodinky a dálkové ovladače televizorů . Díky použití struktur CMOS mohou tato zařízení fungovat až několik let z jednoho miniaturního zdroje energie - baterií nebo akumulátorů , protože prakticky nespotřebovávají energii.

V současné době se tranzistory s efektem pole stále více používají v různých rádiových zařízeních, kde úspěšně nahrazují bipolární. Jejich použití v rádiových vysílacích zařízeních umožňuje zvýšit frekvenci nosného signálu a poskytuje těmto zařízením vysokou odolnost proti šumu. Díky nízkému odporu v otevřeném stavu se používají v koncových fázích vysokovýkonových audiofrekvenčních výkonových zesilovačů ( Hi-Fi ), kde úspěšně nahrazují bipolární tranzistory a elektronky. Bipolární tranzistory s izolovaným hradlem ( IGBT ), zařízení, která kombinují bipolární tranzistory a tranzistory s efektem pole, se používají ve vysoce výkonných aplikacích, jako jsou softstartéry , kde se úspěšně nahrazují tyristory .

Schémata

Viz také

Poznámky

  1. I. P. Žerebcov . Základy elektroniky. Ed. 5. - L., 1989. - S. 114.
  2. Dyakonov, 2004 .
  3. Bacurin, Waxembourg, Dyakonov et al., 1994 .
  4. Dyakonov, Maksimchuk, Remnev, Smerdov, 2002 .
  5. Li, 2006 .

Literatura

  • Dyakonov V.P. Intel. Nejnovější informační technologie. Úspěchy a lidé. - M. : SOLON-Press, 2004. - 416 s. — ISBN 5980031499 .
  • Bacurin V. V., Vaksemburg V. Ya., Dyakonov V. P. et al. Obvody zařízení na výkonných tranzistorech s efektem pole: A Handbook / Dyakonov V. P.. - M . : Radio and communication, 1994. - 280 s.
  • Dyakonov V. P., Maksimchuk A. A., Remnev A. M., Smerdov V. Yu. Encyklopedie zařízení na tranzistorech s efektem pole / Dyakonov V. P. - M. : SOLON-R, 2002. - 512 s.
  • Li, Sheng S. Polovodičová fyzikální elektronika. - Druhé vydání. - Springer, 2006. - 708 s. - ISBN 978-0-387-28893-2 .
  • Nemchinov V. M., Nikitaev V. G., Ozhogin M. A. et al. Zesilovače s tranzistory s efektem pole / Stepanenko I. P. - M. : Sovětské rádio, 1980. - 192 s.