Nyní se pojďme dozvědět, co jsou tranzistory s efektem pole. Tranzistory s efektem pole jsou velmi běžné ve starých i moderních obvodech. Nyní se ve větší míře používají zařízení s izolovaným uzávěrem, o typech tranzistory s efektem pole a jejich vlastnosti si dnes povíme. V článku provedu srovnání s bipolárními tranzistory na samostatných místech.

Definice

Tranzistor s efektem pole je polovodičový plně ovladatelný spínač ovládaný elektrickým polem. To je hlavní rozdíl z hlediska praxe od bipolárních tranzistorů, které jsou řízeny proudem. Elektrické pole je vytvořeno napětím aplikovaným na bránu vzhledem ke zdroji. Polarita řídicího napětí závisí na typu tranzistorového kanálu. Je zde dobrá analogie s elektronkami.

Jiný název pro tranzistory s efektem pole je unipolární. "UNO" znamená jeden. U tranzistorů s efektem pole je proud veden v závislosti na typu kanálu pouze jedním typem nosičů, děr nebo elektronů. U bipolárních tranzistorů se proud tvořil ze dvou typů nosičů náboje – elektronů a děr, bez ohledu na typ zařízení. Tranzistory s efektem pole lze obecně rozdělit na:

tranzistory s řídicím p-n-přechodem;

izolované hradlové tranzistory.

Oba mohou být n-kanál a p-kanál, kladné řídicí napětí musí být přivedeno na bránu prvního, aby se otevřel klíč, a pro druhé - záporné vzhledem ke zdroji.

Všechny typy tranzistorů s efektem pole mají tři výstupy (někdy 4, ale málokdy jsem se setkal jen na sovětských a bylo to připojeno ke skříni).

1. Zdroj (zdroj nosičů náboje, analog emitoru na bipolární).

2. Drain (přijímač nosičů náboje ze zdroje, analog kolektoru bipolárního tranzistoru).

3. Hradlo (řídicí elektroda, analog mřížky na lampách a báze na bipolárních tranzistorech).

Tranzistor s ovládacím pn přechodem

Tranzistor se skládá z následujících oblastí:

4. Závěrka.

Na obrázku vidíte schematickou strukturu takového tranzistoru, vývody jsou připojeny k pokoveným sekcím hradla, zdroje a vývodu. Ve specifickém obvodu (toto je zařízení s p-kanálem) je hradlo n-vrstva, má menší odpor než oblast kanálu (p-vrstva) a oblast p-n přechodu je umístěna více v oblasti p. důvod.

a - tranzistor s řízeným polem typu n, b - tranzistor s řízeným polem typu p

Pro snadnější zapamatování si zapamatujte označení diody, kde šipka ukazuje z p-oblasti do n-oblasti. Zde také.

Prvním stavem je použití externího napětí.

Pokud je na takový tranzistor přivedeno napětí plus na kolektor a mínus na zdroj, poteče jím velký proud, bude omezen pouze odporem kanálu, vnějšími odpory a vnitřním odporem zdroje. Analogii lze nakreslit s normálně uzavřeným klíčem. Tento proud se nazývá Isnach nebo počáteční odvodňovací proud při Uzi=0.

Tranzistor s efektem pole s řídicím p-n přechodem, bez řídicího napětí přivedeného na hradlo, je co nejvíce otevřený.

Napětí do svodu a zdroje je aplikováno tímto způsobem:

Hlavní nosiče náboje jsou zaváděny přes zdroj!

To znamená, že pokud je tranzistor p-kanál, pak je kladná svorka napájecího zdroje připojena ke zdroji, protože. hlavními nosiči jsou otvory (pozitivní nosiče náboje) - jedná se o tzv. otvorovou vodivost. Pokud je n-kanálový tranzistor připojen ke zdroji, záporná svorka napájecího zdroje, protože v něm jsou hlavními nosiči náboje elektrony (negativní nosiče náboje).

Zdroj je zdrojem hlavních nosičů náboje.

Zde jsou výsledky simulace takové situace. Vlevo je p-kanál a vpravo n-kanálový tranzistor.

Druhý stav - přiveďte napětí na bránu

Když je na bránu přivedeno kladné napětí vzhledem ke zdroji (Uzi) pro p-kanál a záporné pro n-kanál, posune se v opačném směru, oblast p-n-přechodu se rozšiřuje směrem ke kanálu . V důsledku toho se šířka kanálu zmenšuje, proud klesá. Napětí hradla, při kterém spínačem neprotéká žádný proud, se nazývá mezní napětí.

Bylo dosaženo vypínacího napětí a klíč je zcela uzavřen. Obrázek s výsledky simulace ukazuje takový stav pro p-kanál (vlevo) a n-kanál (vpravo) dongle. Mimochodem anglický jazyk takový tranzistor se nazývá JFET.

Provozní režim tranzistoru, když je napětí Uzi nulové nebo reverzní. Díky zpětnému napětí můžete „zakrýt tranzistor“, používá se v zesilovačích třídy A a dalších obvodech, kde je potřeba plynulá regulace.

Režim cutoff nastává, když Uzi = Ucutoff pro každý tranzistor je jiný, ale v každém případě je aplikován v opačném směru.

Charakteristika, VAC

Výstupní charakteristika je graf, který ukazuje závislost svodového proudu na Us (aplikováno na svorky drain a source), při různých napětích hradla.

Dá se rozdělit do tří oblastí. Nejprve (na levé straně grafu) vidíme ohmickou oblast - v této mezeře se tranzistor chová jako rezistor, proud se zvyšuje téměř lineárně, dosáhne určité úrovně, přechází do oblasti nasycení (ve středu grafu).

Na pravé straně grafu vidíme, že proud začíná opět růst, to je oblast průrazu, tranzistor by zde neměl být. Nejvyšší větev zobrazená na obrázku je proud při nule Uzi, vidíme, že proud je zde největší.

Čím vyšší je napětí Uzi, tím nižší je odvodňovací proud. Každá z větví se u brány liší o 0,5 voltu. Co máme potvrzeno simulací.

Zde je znázorněna charakteristika odtokové brány, tzn. závislost vypouštěcího proudu na napětí hradla při stejném napětí kolektor-zdroj (in tento příklad 10V), zde je rozteč mřížky také 0,5V, opět vidíme, že čím blíže je napětí Uzi 0, tím větší je odvodňovací proud.

U bipolárních tranzistorů byl takový parametr jako koeficient přenosu proudu nebo zisk, byl označen jako B nebo H21e nebo Hfe. V terénu se pro zobrazení schopnosti zesílit napětí používá strmost označovaná písmenem S

To znamená, že sklon ukazuje, o kolik miliampérů (nebo ampérů) roste odtokový proud se zvýšením napětí hradla-zdroj o počet voltů s konstantním napětím odtoku-zdroj. Lze jej vypočítat z charakteristiky drain-gate, ve výše uvedeném příkladu je sklon asi 8 mA/V.

Spínací schémata

Stejně jako bipolární tranzistory existují tři typické spínací obvody:

1. Se společným zdrojem (a). Používá se nejčastěji, zvyšuje proud a výkon.

2. Se společným uzávěrem (b). Málo používaný, nízká vstupní impedance, žádný zisk.

3. Se společným odtokem (c). Napěťové zesílení se blíží 1, vstupní impedance je vysoká a výstup je nízký. Jiné jméno je následovník zdroje.

Vlastnosti, výhody, nevýhody

Hlavní výhoda tranzistoru s efektem pole vysoká vstupní impedance. Vstupní odpor je poměr proudu k napětí hradla. Princip činnosti spočívá v ovládání pomocí elektrického pole a vzniká při přivedení napětí. To znamená FETy jsou řízeny napětím.

• prakticky nespotřebovává řídicí proud, tohle je snižuje ztrátu kontroly, zkreslení signálu, proudové přetížení zdroje signálu...

Průměrná frekvence Výkon FET je lepší než bipolární, je to způsobeno tím, že na "resorpci" nosičů náboje v oblastech bipolárního tranzistoru je potřeba méně času. Některé moderní bipolární tranzistory mohou být lepší než tranzistory s efektem pole, je to způsobeno použitím pokročilejších technologií, zmenšením šířky základny a dalšími věcmi.

Nízká hladina šumu tranzistorů s efektem pole je způsobena absencí procesu vstřikování náboje, jako u bipolárních.

Stabilita při změně teploty.

Nízká spotřeba energie ve vodivém stavu - větší účinnost vašich zařízení.

Nejjednodušším příkladem použití vysoké vstupní impedance je přizpůsobení zařízení pro připojení akustických akustických kytar s piezo snímači a elektrických kytar s elektromagnetickými snímači k linkovým vstupům s nízkou vstupní impedancí.

Nízká vstupní impedance může způsobit pokles vstupního signálu a zkreslení jeho tvaru v různé míře v závislosti na frekvenci signálu. To znamená, že se tomu musíte vyhnout zavedením kaskády s vysokou vstupní impedancí. Tady nejjednodušší obvod takové zařízení. Vhodné pro připojení elektrických kytar linkový vstup počítačová zvuková karta. Díky tomu bude zvuk jasnější a zabarvení bohatší.

Hlavní nevýhodou je, že takové tranzistory se bojí statické elektřiny. Můžete vzít prvek elektrizovaným rukama a okamžitě selže, to je důsledek ovládání klíče pomocí pole. Doporučuje se s nimi pracovat v dielektrických rukavicích spojených přes speciální náramek se zemí, s nízkonapěťovou páječkou s izolovaným hrotem a vývody tranzistorů lze svázat drátem, aby se při instalaci zkratovaly.

Moderní zařízení se toho prakticky nebojí, protože do nich mohou být na vstupu zabudována ochranná zařízení, jako jsou zenerovy diody, které fungují při překročení napětí.

Někdy u začínajících radioamatérů dosáhnou obavy až absurdity, jako je nasazování fóliových čepic na hlavu. Vše popsané výše je sice povinné, ale nedodržení žádných podmínek nezaručuje poruchu zařízení.

Izolované hradlové tranzistory s efektem pole

Tento typ tranzistorů se aktivně používá jako polovodičově řízené spínače. Navíc nejčastěji pracují v režimu klíče (dvě polohy „zapnuto“ a „vypnuto“). Mají několik jmen:

1. MIS tranzistor (kov-dielektrikum-polovodič).

2. MOSFET (metal-oxide-semiconductor).

3. MOSFET tranzistor (kov-oxid-polovodič).

Pamatujte - jedná se pouze o variace stejného jména. Dielektrikum nebo oxid, jak se také nazývá, hraje roli izolátoru pro bránu. Na níže uvedeném diagramu je izolátor znázorněn mezi n-oblastí poblíž brány a bránou jako bílá zóna s tečkami. Vyrábí se z oxidu křemičitého.

Dielektrikum vylučuje elektrický kontakt mezi hradlovou elektrodou a substrátem. Na rozdíl od řídícího p-n přechodu nepracuje na principu expanze přechodu a překrývání kanálů, ale na principu změny koncentrace nosičů náboje v polovodiči působením vnějšího elektrického pole. MOSFETy se dodávají ve dvou typech:

1. S vestavěným kanálem.

2. S indukovaným kanálem

Na obrázku vidíte tranzistor s vestavěným kanálem. Už z ní tušíte, že principem jeho činnosti připomíná tranzistor s efektem pole s řídicím p-n přechodem, tzn. když je napětí hradla nulové, proud protéká spínačem.

V blízkosti zdroje a odpadu jsou vytvořeny dvě oblasti s vysokým obsahem příměsových nosičů náboje (n+) se zvýšenou vodivostí. Substrát je báze typu P (v tomto případě).

Vezměte prosím na vědomí, že krystal (substrát) je připojen ke zdroji, na mnoha konvenčních grafických symbolech je nakreslen tímto způsobem. Když se napětí hradla zvýší, objeví se v kanálu příčné elektrické pole, které odpuzuje nosiče náboje (elektrony) a kanál se uzavře, když je dosaženo prahu Uz.

Když je aplikováno záporné napětí hradla-zdroje, odběrový proud klesne, tranzistor se začne zavírat - to se nazývá režim vyčerpání.

Když je na hradlo-zdroj přivedeno kladné napětí, dochází k opačnému procesu - elektrony jsou přitahovány, proud se zvyšuje. Toto je režim obohacení.

Vše výše uvedené platí pro MOSFETy s vestavěným kanálem typu N. Pokud kanál typu p změní všechna slova "elektrony" na "díry", polarity napětí jsou obráceny.

Podle datasheetu pro tento tranzistor je prahové napětí hradla v oblasti jednoho voltu a jeho typická hodnota je 1,2 V, pojďme si to ověřit.

Proud je v mikroampérech. Pokud napětí ještě trochu zvýšíte, úplně zmizí.

Tranzistor jsem vybral náhodně a narazil jsem na poměrně citlivé zařízení. Pokusím se změnit polaritu napětí, aby brána měla kladný potenciál, zkontrolujte režim obohacení.

Při napětí hradla 1V se proud zvýšil čtyřikrát ve srovnání s tím, co byl při 0V (první obrázek v této sekci). Z toho vyplývá, že na rozdíl od předchozího typu tranzistorů a bipolárních tranzistorů může bez dodatečného páskování fungovat jak na zvýšení proudu, tak na jeho snížení. Toto tvrzení je velmi hrubé, ale v prvním přiblížení má právo na existenci.

Zde je vše téměř stejné jako u tranzistoru s řídicím přechodem, s výjimkou přítomnosti režimu obohacení ve výstupní charakteristice.

Na charakteristice drain-gate je jasně vidět, že záporné napětí způsobuje režim vyčerpání a zavření klíče a kladné napětí na bráně - obohacení a větší otevření klíče.

MOSFETy s indukovaným kanálem nevedou proud při nepřítomnosti napětí na bráně, nebo spíše proud existuje, ale je extrémně malý, protože. toto je zpětný proud mezi substrátem a silně dotovanými oblastmi odtoku a zdroje.

Tranzistor s efektem pole s izolovaným hradlem a indukovaným kanálem je analogem normálně otevřeného klíče, neteče žádný proud.

V přítomnosti hradlového zdroje napětí, protože uvažujeme indukovaný kanál typu n, pak je napětí kladné, při působení pole jsou záporné nosiče náboje přitahovány k oblasti hradla.

Takto se pro elektrony objeví „koridor“ od zdroje k kolektoru, objeví se kanál, tranzistor se otevře a začne jím protékat proud. Máme substrát typu p, hlavní v něm jsou kladné nosiče náboje (díry), záporných nosičů je velmi málo, ale působením pole se odtrhávají od svých atomů a začíná jejich pohyb. Proto nedostatek vedení při absenci napětí.

Výstupní charakteristika se přesně opakuje pro předchozí, rozdíl je pouze v tom, že napětí Uzi se stanou kladnými.

Charakteristika drain-gate ukazuje totéž, rozdíly jsou opět v napětích hradla.

Při zvažování charakteristik proudového napětí je nesmírně důležité pečlivě se podívat na hodnoty předepsané podél os.

Na klíč bylo přivedeno napětí 12 V a na hradle máme 0. Tranzistorem neteče proud.

To znamená, že tranzistor je zcela otevřený, pokud by tam nebyl, proud v tomto obvodu by byl 12/10 = 1,2 A. Později jsem studoval, jak tento tranzistor funguje, a zjistil jsem, že při 4 voltech se začíná otevírat.

Přidáním 0,1V každého jsem si všiml, že s každou desetinou voltu roste proud víc a víc a o 4,6V je tranzistor téměř úplně otevřený, rozdíl s hradlovým napětím 20V ve svodovém proudu je pouze 41 mA , při 1,1 A je to nesmysl.

Tento experiment odráží skutečnost, že indukovaný kanálový tranzistor se zapne pouze při dosažení prahového napětí, což mu umožňuje perfektně fungovat jako spínač ve spínacích obvodech. Ve skutečnosti je IRF740 jedním z nejběžnějších.

Výsledky měření hradlového proudu ukázaly, že tranzistory s efektem pole ve skutečnosti nespotřebovávají téměř žádný řídicí proud. Při napětí 4,6 voltu byl proud pouze 888 nA (nano!!!).

Při napětí 20V to bylo 3,55 μA (mikro). U bipolárního tranzistoru by to bylo řádově 10 mA v závislosti na zesílení, které je desetitisíckrát větší než u tranzistoru pole.

Ne všechny klíče se otevírají s takovým napětím, je to způsobeno konstrukcí a vlastnostmi obvodů zařízení, kde se používají.

Vybitá kapacita v prvním okamžiku vyžaduje velký nabíjecí proud a vzácná řídicí zařízení (pwm regulátory a mikrokontroléry) mají silné výstupy, takže používají budiče pro polní brány, a to jak v tranzistorech s efektem pole, tak v (bipolární s izolovaným brána). Jedná se o zesilovač, který převádí vstupní signál na výstup takové velikosti a intenzity proudu, která je dostatečná k zapnutí a vypnutí tranzistoru. Nabíjecí proud je také omezen rezistorem v sérii s hradlem.

Současně lze některá hradla ovládat také z portu mikrokontroléru přes rezistor (stejný IRF740). Dotkli jsme se tohoto tématu.

Připomínají tranzistory s efektem pole s řídicí bránou, ale liší se tím, že na UGO, stejně jako v samotném tranzistoru, je brána oddělena od substrátu a šipka ve středu označuje typ kanálu, ale směřuje od substrátu ke kanálu, pokud se jedná o n-kanálový mosfet - směrem k závěrce a naopak.

Pro klávesy s indukovaným kanálem:

Může to vypadat takto:

Věnujte pozornost anglickým názvům pinů, často jsou uvedeny v technických listech a schématech.

Pro klíče s vestavěným kanálem:

Polovodičová zařízení, jejichž činnost je založena na modulaci odporu polovodičového materiálu příčným elektrickým polem, se nazývají tranzistory s efektem pole. Mají ve výrobě elektrický proud je zapojen pouze jeden typ nosičů náboje (elektrony nebo díry).

Tranzistory s efektem pole jsou dvojího typu: s řídicím p-n přechodem a se strukturou kov-dielektrikum-polovodič (MIS tranzistory).

Rýže. 2.37. Zjednodušená struktura tranzistoru s řízeným polem s řízením (a); symboly tranzistoru majícího kanál typu n (b) a kanál typu p (c); typické struktury (d, e): tranzistorová struktura se zvýšenou rychlostí (e)

Tranzistor s řídícím p-n přechodem (obr. 2.37) je deska (řez) z polovodičového materiálu majícího určitý typ elektrické vodivosti, z jejíchž konců jsou vyrobeny dva závěry - svodová a zdrojová elektroda. Podél desky je vytvořen elektrický spoj (p-n přechod nebo Schottkyho bariéra), ze kterého je vyvozen třetí závěr - závěrka.

Externí napětí je aplikováno tak, že elektrický proud protéká mezi kolektorovou a zdrojovou elektrodou a napětí aplikované na hradlo předpíná elektrický spoj v opačném směru. Odpor oblasti umístěné pod elektrickým přechodem, který se nazývá kanál, závisí na napětí brány. To je způsobeno skutečností, že rozměry přechodu se zvětšují se zvýšením zpětného napětí, které je na něj aplikováno, a zvýšení oblasti ochuzené o nosiče náboje vede ke zvýšení elektrického odporu kanálu.

Provoz tranzistoru s efektem pole s řídicím p-n přechodem je tedy založen na změně odporu kanálu v důsledku změny velikosti oblasti ochuzené o hlavní nosiče náboje, ke které dochází působením zpětného napětí aplikován na bránu.

Elektroda, od které se v kanále začnou pohybovat hlavní nosiče náboje, se nazývá zdroj a elektroda, ke které se pohybují hlavní nosiče náboje, se nazývá odtok. Zjednodušená struktura polem řízeného tranzistoru s řídicím p-n přechodem je na obr. 2,37 hod. Konvence jsou uvedeny na Obr. 2.37, b, c a struktury komerčně vyráběných tranzistorů s efektem pole jsou znázorněny na Obr. 2,37, pan e.

Pokud jsou v polovodičové desce vytvořeny zóny s elektrickou vodivostí typu p, například typu n, pak když je na přechod p-n přivedeno napětí, které jej předpíná v opačném směru, vytvářejí se oblasti, které jsou vyčerpány hlavním nábojem. nosiče (obr. 2.37, a). Odpor polovodiče mezi zdrojovou a kolektorovou elektrodou se zvyšuje, protože proud protéká pouze úzkým kanálem mezi přechody. Změna napětí hradlového zdroje vede ke změně velikosti zóny objemového náboje (rozměrů), tj. ke změně odporu kanálu. Kanál může být téměř úplně ucpaný a pak bude odpor mezi zdrojem a odtokem velmi vysoký (několik - desítek).

Napětí mezi hradlem a zdrojem, při kterém odtokový proud dosáhne specifikované hodnoty nízká hodnota, se nazývá mezní napětí tranzistoru s efektem pole. Přísně vzato, při hraničním napětí by se měl tranzistor úplně uzavřít, ale přítomnost netěsností a obtížnost měření zvláště malých proudů nás nutí považovat mezní napětí za napětí, při kterém proud dosáhne určité malé hodnoty. Proto je v technických specifikacích tranzistor uveden při jakém odběrovém proudu bylo měření provedeno.

Šířka pn přechodu také závisí na proudu protékajícím kanálem. Pokud například (obr. 2.37, a), pak proud procházející tranzistorem vytvoří úbytek napětí po délce tranzistoru, což blokuje přechod mezi hradlem a kanálem.

Rýže. 2.38. Výstupní charakteristiky tranzistoru s efektem pole s jeho řídící vstupní charakteristikou (6) a přenosovou charakteristikou (stoke gate) (c): I - strmá oblast; II - plochá plocha nebo plocha nasycení; III - oblast poruchy

To vede ke zvětšení šířky a v důsledku toho ke snížení průřezu a vodivosti kanálu a šířka p-n přechodu se zvětšuje, když se blíží k oblasti odtoku, kde dojde k největšímu poklesu napětí způsobenému proud na odporu kanálu. Pokud tedy předpokládáme, že odpor tranzistoru je určen pouze odporem kanálu, pak na okraji p-n přechodu směrem ke zdroji bude působit napětí a na okraji obráceném k kolektoru bude působit napětí . Při nízkých hodnotách napětí a malých hodnotách se tranzistor chová jako lineární odpor. Zvýšení vede k téměř lineárnímu nárůstu, zatímco snížení vede k odpovídajícímu poklesu. S rostoucí charakteristikou se stále více odchyluje od lineární, což je spojeno se zúžením kanálu na konci odtoku. Při určité hodnotě proudu nastává tzv. režim saturace (sekce II na obr. 2.38, a), který se vyznačuje tím. že jak se proud zvyšuje, proud se mírně mění. Je to proto, že při vysokém napětí se kanál na odtoku stahuje do úzkého hrdla. Nastává jakási dynamická rovnováha, ve které zvýšení a zvýšení proudu způsobí další zúžení kanálu a tím i pokles proudu. V důsledku toho zůstává tato hodnota téměř konstantní. Napětí, při kterém dochází k saturaci, se nazývá saturační napětí. Je, jak je patrné z obr. , se mění se změnou napětí. Protože vliv na šířku kanálu na výstupu odtoku je téměř stejný

Mezní napětí, určené při nízkém napětí, se tedy numericky rovná saturačnímu napětí při , a saturační napětí při určitém hradlovém napětí se rovná rozdílu mezi mezním napětím a napětím hradlového zdroje.

Při výrazném zvýšení napětí na konci odtoku je pozorován rozpad p-n přechodu.

Ve výstupních charakteristikách tranzistoru s efektem pole lze rozlišit dvě pracovní oblasti, OA a OB. Oblast OA se nazývá strmá charakteristická oblast, oblast AB se nazývá plochá nebo saturační oblast. Ve strmé oblasti lze tranzistor použít jako ohmicky řízený odpor. V zesilovacích stupních pracuje tranzistor na ploché části charakteristiky. Za bodem B dochází k rozpadu elektrického přechodu.

Vstupní charakteristikou polem řízeného tranzistoru s řídicím přechodem (obr. 2.38, b) je zpětná větev proudově-napěťové charakteristiky přechodu. I když se hradlový proud poněkud mění s napětím a své nejvyšší hodnoty dosahuje za podmínky zkratu svorek zdroje a odvodu (svodový proud hradlem) - ve většině případů jej lze zanedbat. Změna napětí nezpůsobuje výrazné změny v hradlovém proudu, což je typické pro reverzní proudový přechod.

Při provozu v ploché oblasti charakteristiky proud-napětí je odvodňovací proud při daném napětí 11sh určen z výrazu

kde je počáteční odvodňovací proud, pod nímž proud při a napětí kolektoru přesahující saturační napětí: .

Protože tranzistor s efektem pole je řízen napětím hradla, strmost charakteristiky se používá ke kvantifikaci řídicího účinku hradla.

Strmost charakteristiky dosahuje maximální hodnoty při . Abychom určili hodnotu S při libovolném napětí, rozlišíme výraz

Pro výraz (2.73) má tvar

Dosazením (1,74) do výrazu (1,73) získáme .

Strmost charakteristiky tranzistoru s efektem pole tedy klesá s rostoucím napětím přiváděným na jeho hradlo.

Počáteční hodnotu strmosti charakteristiky lze určit grafově analytickou metodou. K tomu nakreslíme tečnu z bodu k charakteristice odtokové brány (obr. 2.38. c). Odřízne segment na ose napětí a jeho sklon určí hodnotu .

Zesilovací vlastnosti tranzistorů s efektem pole jsou charakterizovány zesílením

který souvisí se strmostí charakteristiky a vnitřním odporem rovnicí , kde je diferenciální vnitřní odpor tranzistoru.

Opravdu, obecně.

Pokud se současnou změnou v a , tak odkud

Stejně jako u bipolárních tranzistorů rozlišují tranzistory s efektem pole mezi velkým a malým signálovým režimem. Režim velkého signálu se nejčastěji vypočítává pomocí vstupní a výstupní charakteristiky tranzistoru a ekvivalentního obvodu z Obr. 2,39, a. Pro analýzu režimu malého signálu jsou široce používány ekvivalentní obvody s malým signálem na Obr. 2,39, b-g (tranzistor s kanálem typu p). Protože odpory uzavřených přechodů v křemíkových tranzistorech s efektem pole jsou velké (desítky až stovky MΩ), lze je ve většině případů ignorovat. Pro praktické výpočty je nejvhodnější náhradní zapojení na obr. 1. Obr. 2.39, d, i když mnohem hůře odráží skutečné fyzikální procesy probíhající v uvažovaných tranzistorech. Všechny kapacity hradla v obvodu jsou nahrazeny jednou ekvivalentní kapacitou C", která se nabíjí přes průměrný ekvivalentní odpor.

Rýže. 2.39. Zjednodušený FET ekvivalentní obvod s řídicím p-n přechodem pro stejnosměrný proud(A); ekvivalentní obvody s malým signálem: úplné (b), zjednodušené (c), upravené (d).

Můžeme předpokládat, že se rovná statickému odporu ve strmé oblasti charakteristiky - odporu mezi kolektorem a zdrojem v otevřeném stavu tranzistoru při daném napětí kolektor-zdroj, menším než je saturační napětí. Odražený odpor brány (ohmický). ekvivalentní odpor, který vzhledem k jeho velký význam(desítky-stovky) lze ignorovat.

Typické hodnoty parametrů křemíkových tranzistorů zahrnutých v ekvivalentním obvodu: .

Kapacity tranzistoru s efektem pole a také konečná rychlost nosičů náboje v kanálu určují jeho inerciální vlastnosti. Setrvačnost tranzistoru v první aproximaci je zohledněna zavedením operátorové strmosti charakteristiky

kde je mezní frekvence, stanovená na úrovni 0,7 statické hodnoty strmosti charakteristiky.

Při změně teploty se mění parametry a charakteristiky tranzistorů s regulací polem vlivem následujících faktorů: změny zpětného proudu uzavřeného p-n-přechodu; změny v rozdílu kontaktních potenciálů změny v měrném odporu kanálu.

Zpětný proud na zavřeném roste exponenciálně s rostoucí teplotou. Předběžně lze uvažovat, že se zdvojnásobí se zvýšením teploty o 6-8 C. Pokud je v obvodu hradla tranzistoru velký vnější odpor, pak úbytek napětí na něm, způsobený změněným proudem, může výrazně změnit hradlové napětí.

Rozdíl kontaktních potenciálů klesá s nárůstem teploty přibližně o . Při konstantním napětí hradla to vede ke zvýšení odtokového proudu. U tranzistorů s nízkým vypínacím napětím je tento efekt dominantní a změny v kolektorovém proudu budou pozitivní.

Protože teplotní koeficient charakterizující změnu měrného odporu kanálu je kladný, klesá spouštěcí proud s rostoucí teplotou. Tím se otevírá možnost správné volby polohy pracovního bodu tranzistoru pro vzájemné kompenzování změn proudu způsobených změnami rozdílu kontaktních potenciálů a odporu kanálu. V důsledku toho bude odtokový proud téměř konstantní v širokém rozsahu teplot.

Pracovní bod, ve kterém má změna průtoku se změnou teploty minimální hodnota, se nazývá termostabilní bod. Jeho přibližnou polohu lze zjistit z rovnice

Z (2.78) je vidět, že při výrazné strmosti charakteristiky v tepelně stabilním bodě je malá a z tranzistoru lze získat mnohem nižší zesílení než při práci s nízkým napětím.

Rýže. 2,40. Zařazení tranzistoru s efektem pole v obvodech: a - se společným zdrojem; b - se společným odtokem

Moderní tranzistory s řízeným polem vyrobené na bázi křemíku jsou provozuschopné do teploty 120-150 C. Jejich zařazení do obvodů zesilovacích stupňů se společným zdrojem a společným vývodem je znázorněno na Obr. 2,40, a, b. Konstantní napětí poskytuje určitou hodnotu odporu kanálu a určitý odběrový proud. Když je přivedeno vstupní zesílené napětí, změní se potenciál hradla a podle toho se změní i odběrové a zdrojové proudy, stejně jako pokles napětí na rezistoru R.

Přírůstek úbytku napětí na rezistoru R při velké hodnotě je mnohem větší než přírůstky vstupního napětí. Tím se signál zesílí. Vzhledem k nízkému rozšíření není znázorněno zapnutí běžnou závěrkou. Když změníte typ elektrické vodivosti kanálu, změní se pouze polarita použitých napětí a směr proudů, a to i v ekvivalentních obvodech.

Hlavní výhody tranzistorů s efektem pole s řídicím p-n přechodem oproti bipolárním jsou vysoký vstupní odpor, nízký šum, snadná výroba a absence zbytkového napětí v otevřeném stavu mezi zdrojem a kolektorem otevřeného tranzistoru.

Tranzistory MIS mohou být dvou typů: tranzistory s vestavěnými kanály (kanál je vytvořen při výrobě) a tranzistory s indukovanými kanály (kanál se objevuje působením napětí přivedeného na řídicí elektrody).

Tranzistory prvního typu mohou pracovat jak v režimu vyčerpání kanálu s nosiči náboje, tak v režimu obohacení. Tranzistory druhého typu lze použít pouze v režimu obohacení. U tranzistorů MIS je na rozdíl od tranzistorů s řídícím p-n přechodem kovové hradlo od polovodiče izolováno dielektrickou vrstvou a je zde přídavný výstup z krystalu, na kterém je zařízení vyrobeno (obr. 2.41), zvaný substrát.

Rýže. 2.41. Struktury tranzistoru MIS: a - planární tranzistor s indukovaným kanálem. b - planární tranzistor s vestavěným kanálem; , tranzistor - a .

Rýže. 2.42. Rozložení nosičů náboje v povrchové vrstvě

Řídicí napětí může být aplikováno jak mezi hradlem a podložkou, tak nezávisle na podložce a hradlem. Vlivem výsledného elektrického pole se v tranzistoru s indukovaným kanálem objeví v blízkosti povrchu polovodiče kanál typu - v důsledku odpuzování elektronů z povrchu do hloubky polovodiče. U tranzistoru s vestavěným kanálem je stávající kanál rozšířen nebo zúžen. Změnou řídicího napětí se změní šířka kanálu a tím i odpor a proud tranzistoru.

Významnou výhodou tranzistorů MIS je jejich vysoký vstupní odpor dosahující hodnot Ohm (u tranzistorů s řídicím přechodem Ohm).

Podívejme se podrobněji na činnost tranzistoru MIS s indukovaným kanálem. Nechte jako zdrojový materiál Tranzistor používá křemík s elektrickou vodivostí typu. Roli dielektrického filmu plní oxid křemičitý. Při absenci předpětí je povrchová vrstva polovodiče obvykle obohacena elektrony (obr. 2.42, a). To se vysvětluje přítomností kladně nabitých iontů v dielektrickém filmu, což je důsledek předchozí oxidace křemíku a jeho fotolitografického zpracování, a také přítomnost pastí na rozhraní. Připomeňme, že pasti jsou množinou energetických úrovní umístěných hluboko v zakázaném pásmu, blízko jeho středu.

Když je na bránu aplikováno záporné napětí, elektrony blízké povrchové vrstvy jsou odpuzovány do hloubky polovodiče a otvory se pohybují směrem k povrchu. Povrchová vrstva získává dírovou elektrickou vodivost (obr. 2.42, b). V něm se objeví tenká inverzní vrstva, která spojuje odtok se zdrojem. Tato vrstva hraje roli kanálu. Pokud je mezi zdrojem a odtokem napětí, pak otvory, pohybující se podél kanálu, vytvářejí odtokový proud. Změnou napětí hradla je možné rozšířit nebo zúžit kanál a tím zvýšit nebo snížit odvod proudu.

Napětí hradla, při kterém je kanál indukován, se nazývá prahové napětí. Protože se kanál objevuje postupně, jak se napětí hradla zvyšuje, aby se odstranila nejednoznačnost v jeho definici, je obvykle nastavena určitá hodnota odtokového proudu, nad kterou se má za to, že potenciál hradla dosáhl prahového napětí .

S rostoucí vzdáleností od povrchu polovodiče se snižuje koncentrace indukovaných děr. Ve vzdálenosti přibližně rovné tloušťce kanálu se elektrická vodivost stává vlastní. Poté přichází úsek ochuzený o hlavní nosiče náboje (-přechod). Díky němu jsou odtok, zdroj a kanál izolovány od substrátu; - přechod je předpětí přiváděným napětím v opačném směru. Je zřejmé, že jeho šířka a šířka kanálu mohou být změněny aplikací dodatečného napětí na substrát vzhledem k kolektorové a zdrojové elektrodě tranzistoru. Proto lze odvodňovací proud řídit nejen změnou napětí hradla, ale také změnou napětí substrátu. Řízení tranzistoru MOS je v tomto případě obdobné jako řízení polem řízeného tranzistoru s řídicím přechodem. Chcete-li vytvořit kanál, napětí větší než .

Tloušťka inverzní vrstvy je mnohem menší než tloušťka ochuzené vrstvy. Pokud je to stovky - tisíce nm, pak je tloušťka indukovaného kanálu pouze 1-5 nm. Jinými slovy, otvory indukovaného kanálu jsou "přitlačeny" k povrchu polovodiče, proto struktura a vlastnosti rozhraní polovodič-izolátor hrají u MIS tranzistorů velmi důležitou roli.

Otvory tvořící kanál do něj vstupují nejen z -typového substrátu, kde je jich málo a vznikají poměrně pomalu, ale také z -typových vrstev zdroje a drénu, kde je jejich koncentrace prakticky neomezená a intenzita pole v blízkosti těchto elektrod je poměrně vysoká.

U tranzistorů s vestavěným kanálem poteče proud v obvodu kolektoru také při nulovém hradlovém napětí. K jeho zastavení je nutné přivést na hradlo kladné napětí (s kanálovou strukturou typu), rovné nebo větší než mezní napětí. V tomto případě budou otvory z inverzní vrstvy téměř úplně vytlačeny do hloubky polovodiče a kanál zmizí. Když je aplikováno záporné napětí, kanál se rozšiřuje a proud se zvyšuje. Takto. MOS tranzistory s vestavěnými kanály pracují v režimu vyčerpání i obohacení.

Rýže. 2.43. Struktura tranzistoru MIS se změněnou šířkou kanálu během toku proudu (a); jeho výstupní charakteristiky s indukovanými (b) a vestavěnými (c) kanály: I strmá oblast; II - plochá plocha nebo plocha nasycení; III - oblast poruchy; 1 - obědová vrstva

Podobně jako polem řízené tranzistory s řídicím přechodem se tranzistory MIS při nízkých napětích (v oblasti obr. 2.43, b, c) chovají jako linearizovaný řízený odpor. Jak se napětí zvyšuje, šířka kanálu se zmenšuje v důsledku poklesu napětí na něm a změny výsledného elektrického pole. To je zvláště výrazné v té části kanálu, která se nachází v blízkosti odtoku (obr. 2.43, a). Poklesy napětí vytvořené proudem vedou k nerovnoměrnému rozložení intenzity elektrického pole podél kanálu a zvyšuje se, když se blíží ke svodu. Pod napětím se kanál v blízkosti kolektoru tak zúží, že nastane dynamická rovnováha, kdy zvýšení napětí způsobí zmenšení šířky kanálu a zvýšení jeho odporu. V důsledku toho se proud s dalším nárůstem napětí mění jen málo. Tyto procesy změny šířky kanálu v závislosti na napětí jsou stejné jako u tranzistorů s efektem pole s řídicím p-n přechodem.

Výstupní charakteristiky tranzistorů MIS jsou podobné jako u tranzistorů s efektem pole s řízením (obr. 2.43, b, c). Lze je rozdělit na strmé a ploché oblasti a také na oblast průrazu. Ve strmé oblasti může MIS tranzistor fungovat jako elektricky řízený odpor. Plochá oblast II se obvykle používá při konstrukci zesilovacích kaskád. Analytické aproximace proudově-napěťových charakteristik tranzistorů MIS nejsou příliš vhodné a v inženýrské praxi se používají jen zřídka. Pro přibližné odhady odtokového proudu v oblasti nasycení můžete použít rovnici

Pro tranzistory s vestavěným kanálem lze použít rovnice (2.79), pokud nahradíme a vezmeme v úvahu znaménka napětí a .. Charakterizují parametry tranzistoru s efektem pole, který je pro daný režim měření reprezentovaný ekvivalentním obvodem na obr. 2.44, d. Hůře odráží charakteristiky tranzistoru, ale jeho parametry jsou známé nebo se dají snadno změřit (vstupní kapacita, průchozí kapacita, výstupní kapacita).

Operátorová rovnice pro strmost charakteristik tranzistorů MOS má stejný tvar jako pro tranzistory s řízeným polem s řídicím signálem, v tomto případě je časová konstanta . V typickém případě s délkou kanálu 5 μm leží mezní frekvence, při které klesá strmost charakteristiky faktorem 0,7, v rozmezí několika stovek megahertzů.

Teplotní závislost prahového napětí a vypínacího napětí je způsobena změnou polohy Fermiho hladiny, změnou prostorového náboje v oblasti vyčerpání a vlivem teploty na hodnotu náboje v dielektriku. MOS tranzistory mají také tepelně stabilní pracovní bod, kde je odběrový proud málo ovlivněn teplotou. V různé tranzistory hodnota odtokového proudu v termostabilním bodě je v rozmezí . Důležitou výhodou MIS tranzistorů oproti bipolárním je nízký úbytek napětí na nich při spínání malých signálů. Pokud je tedy v bipolárních tranzistorech v saturačním režimu napětí

Při snižování může být snížena na hodnotu směřující k nule. Protože MIS tranzistory s dielektrikem oxidu křemičitého jsou široce používány, budeme je dále nazývat MOS tranzistory.

V současné době průmysl vyrábí například MOSFETy se dvěma izolovanými hradly (tetroda). Přítomnost druhé brány umožňuje současně ovládat proud tranzistoru pomocí dvou řídicích napětí, což usnadňuje konstrukci různých zesilovacích a násobicích zařízení. Jejich vlastnosti jsou podobné charakteristikám jednobranových tranzistorů s efektem pole, pouze jejich počet je větší, protože jsou stavěny pro napětí každého hradla s konstantním napětím na druhém hradle. Podle toho se rozlišuje strmost charakteristiky pro první a druhé hradlo, vypínací napětí prvního a druhého hradla atd. Přivedení napětí na hradla se neliší od přivedení napětí na hradlo jednobranového MOSFETu.

Musí překročit práh. Jinak se kanál neobjeví a tranzistor se zablokuje.

Tranzistory s efektem pole jsou polovodičová zařízení. Jejich vlastností je, že výstupní proud je řízen elektrickým polem a napětím jedné polarity. Řídicí signál je přiveden na hradlo a reguluje vodivost tranzistorového přechodu. V tom se liší od bipolárních tranzistorů, ve kterých je možný signál s různou polaritou. Další charakteristickou vlastností tranzistoru s efektem pole je tvorba elektrického proudu hlavními nosiči stejné polarity.

Odrůdy

Existuje mnoho různých typů tranzistorů s efektem pole, které pracují se svými vlastními charakteristikami.

• typ vedení. Na tom závisí polarita řídicího napětí.
• Struktura: difúzní, slitina, MIS, Schottkyho bariéra.
• Počet elektrod: existují tranzistory se 3 nebo 4 elektrodami. Ve verzi se 4 elektrodami je substrát samostatnou částí, která umožňuje řídit průchod proudu přechodem.
• Výrobní materiál: zařízení na bázi germania, křemíku se staly nejoblíbenějšími. V označení tranzistoru písmeno znamená materiál polovodiče. U tranzistorů vyráběných pro vojenskou techniku ​​je materiál označen čísly.
• Typ aplikace: uveden v referenčních knihách, neuveden na štítku. V praxi je známo pět skupin terénních pracovníků: v nízkofrekvenčních a vysokofrekvenčních zesilovačích, as elektronické klíče, modulátory, DC zesilovače.
• Rozsah provozních parametrů: Sada dat, v rámci kterých mohou pracovat pracovníci v terénu.
• Vlastnosti zařízení: unitrony, gridistory, alkatrony. Všechna zařízení mají svá vlastní charakteristická data.
• Počet konstrukčních prvků: komplementární, dvojče atd.

Kromě hlavní klasifikace „terénních pracovníků“ existuje speciální klasifikace, která má princip fungování:

• FET s p-n přechod která zvládá.
• Tranzistory s efektem pole se Schottkyho bariérou.
• "Terénní pracovníci" s izolovaným uzávěrem, kteří se dělí:
  - s indukčním přechodem;
  - s vestavěným přechodem.

V odborné literatuře byla navržena pomocná klasifikace. Říká, že polovodič založený na Schottkyho bariéře musí být přiřazen do samostatné třídy, protože se jedná o samostatnou strukturu. Stejný tranzistor může obsahovat oxid a dielektrikum najednou, jako u tranzistoru KP 305. Takové metody se používají k vytvoření nových vlastností polovodiče nebo ke snížení jejich ceny.

Ve schématech mají terénní pracovníci označení svorek: G - brána, D - odtok, S - zdroj. Substrát tranzistoru se nazývá "substrát".

Designové vlastnosti

Řídicí elektroda tranzistoru s efektem pole v elektronice se nazývá hradlo. Jeho přechod se provádí z polovodiče s jakýmkoli typem vodivosti. Polarita ovládacího napětí může být s libovolným znaménkem. Elektrické pole určité polarity uvolňuje volné elektrony, dokud na přechodu nedojdou volné elektrony. Toho je dosaženo aplikací elektrického pole na polovodič, po kterém se hodnota proudu blíží nule. Toto je akce tranzistoru s efektem pole.

Elektrický proud teče ze zdroje do odpadu. Pojďme analyzovat rozdíly mezi těmito dvěma vývody tranzistoru. Na směru elektronů nezáleží. Tranzistory s efektem pole mají vlastnost reverzibility. V radiotechnice našly svou popularitu tranzistory s efektem pole, protože nevytvářejí šum kvůli unipolaritě nosičů náboje.

Hlavním rysem tranzistorů s efektem pole je značný vstupní odpor. To je patrné zejména v střídavý proud. Tato situace je získána řízením reverzním Schottkyho přechodem s určitým předpětím nebo kapacitou kondenzátoru v blízkosti brány.

Materiál substrátu je nedopovaný polovodič. Pro „terénní pracovníky“ se Schottkyho přechodem je místo substrátu položen arsenid galia, který je ve své čisté formě dobrým izolantem.

V praxi je obtížné vytvořit strukturní vrstvu se složitým složením, která splňuje potřebné podmínky. Proto je dalším požadavkem schopnost pomalu budovat substrát na požadovanou velikost.

Tranzistory s efektem pole s p-npřechod

V takovém provedení se typ vedení hradla liší od typu křižovatky. V praxi se uplatňují různá vylepšení. Roleta může být vyrobena z několika oblastí. Výsledkem je, že nejmenší napětí může řídit průchod proudu, což zvyšuje zisk.

Používá se v různých schématech zpětný pohled offsetový přechod. Čím větší je posun, tím menší je šířka přechodu pro průchod proudu. Při určité hodnotě napětí se tranzistor sepne. Použití dopředného předpětí se nedoporučuje, protože obvod pohonu s vysokým výkonem může ovlivnit bránu. Při otevřeném přechodu prochází významný proud nebo zvýšené napětí. Normální režim práce je vytvořen správná volba pólů a dalších vlastností napájecího zdroje, jakož i výběr místa činnosti tranzistoru.

V mnoha případech se specificky používají přímé hradlové proudy. Tento režim mohou také využít tranzistory, ve kterých substrát tvoří přechod typ p-n. Náboj ze zdroje je rozdělen na odtok a bránu. Existuje oblast s velkým proudovým zesilovacím faktorem. Tento režim je ovládán závěrkou. S rostoucím proudem však tyto parametry prudce klesají.

Podobné zapojení je použito v obvodu detektoru frekvenční brány. Aplikuje vlastnosti usměrnění přechodu kanálu a brány. V tomto případě je dopředné zkreslení nulové. Tranzistor je také buzen hradlovým proudem. V drenážním okruhu je generováno velké zesílení signálu. Napětí pro bránu se mění podle zákona vstupu a je pro bránu blokující.

Napětí v odtokovém okruhu má následující prvky:

• Konstantní. Nelze použít.
• Nosný signál. Vypouštění na zem pomocí filtrů.
• Modulační frekvenční signál. Zpracovává se za účelem získání informací z něj .

Jako nevýhodu clonového detektoru je vhodné vyzdvihnout významný faktor zkreslení. Výsledky pro něj jsou negativní pro silné a slabé signály. O něco lepší výsledek ukazuje fázový detektor vyrobený na tranzistoru se dvěma hradly. Referenční signál je přiveden na jednu z řídicích elektrod a informační signál, zesílený pracovníkem v terénu, se objeví na drénu.

I přes značné zkreslení má tento efekt svůj účel. V selektivních zesilovačích, které projdou určitou dávkou určitého frekvenčního spektra. Harmonické vibrace jsou filtrovány a neovlivňují kvalitu schématu.

Tranzistory MeP, což znamená kov-polovodičové, se Schottkyho přechodem se prakticky neliší od tranzistorů s p-n přechodem. Protože přechod MeN má speciální vlastnosti, mohou tyto tranzistory pracovat se zvýšenou frekvencí. Konstrukce MeP se také snadno vyrábí. Frekvenční charakteristiky závisí na době nabíjení hradlového prvku.

MIS tranzistory

Základ polovodičových prvků se neustále rozšiřuje. Každý nový vývoj se mění elektronické systémy. Na jejich základě se objevují nové nástroje a zařízení. MOS tranzistor pracuje tak, že mění vodivost polovodičové vrstvy pomocí elektrického pole. Z toho vznikl název – pole.

Označení MIS znamená kov-izolátor-polovodič. To poskytuje popis složení zařízení. Brána je izolována od zdroje a odvodu tenkým dielektrikem. MIS tranzistor moderního typu má velikost hradla 0,6 mikronu, kterým může proudit pouze elektromagnetické pole. Ovlivňuje stav polovodiče.

Když se na bráně objeví požadovaný potenciál, vzniká elektromagnetické pole, které ovlivňuje odpor sekce odtok-zdroj.

Výhody tohoto použití zařízení jsou:

• Zvýšený vstupní odpor zařízení. Tato vlastnost je relevantní pro použití v obvodech s nízkým proudem.
• Malá kapacita sekce drain-source umožňuje použití tranzistoru MIS ve vysokofrekvenčních zařízeních. Během přenosu signálu není pozorováno žádné zkreslení.
• Pokrok v nových technologiích výroby polovodičů vedl k vývoji IGBT tranzistorů, mezi které patří kladné body bipolární a polní zařízení. Výkonové moduly založené na nich jsou široce používány v softstartérech a frekvenčních měničích.

Při vývoji takových prvků je třeba vzít v úvahu, že tranzistory MIS jsou citlivější na zvýšené napětí a statickou elektřinu. Tranzistor se může spálit, pokud se dotknete jeho ovládacích kolíků. Proto je při jejich instalaci nutné použít speciální uzemnění.

Tyto tranzistory s efektem pole mají mnoho jedinečných vlastností (například ovládání elektrického pole), takže jsou oblíbené v elektronických zařízeních. Je třeba také poznamenat, že technologie výroby tranzistorů se neustále aktualizuje.

Tranzistor s efektem pole je elektrické polovodičové zařízení, jehož výstupní proud je řízen polem, potažmo napětím, stejného znaménka. Tvarovací signál je přiváděn do brány, reguluje vodivost kanálu typu n nebo p. Na rozdíl od bipolárních tranzistorů, kde má signál proměnnou polaritu. Druhým znakem je vznik proudu výhradně hlavními nosiči (stejného znaku).

Klasifikace tranzistorů s efektem pole

Začněme klasifikací. Existuje mnoho typů tranzistorů s efektem pole, každý pracuje podle algoritmu:

Kromě obecné klasifikace byla vynalezena specializovaná, která definuje principy práce. Rozlišovat:

1. Tranzistory s efektem pole s řídicím p-n-přechodem.
2. Tranzistory s efektem pole se Schottkyho bariérou.
3. Izolované hradlové tranzistory s efektem pole:

• S vestavěným kanálem.
• S indukovaným kanálem.

V literatuře jsou struktury navíc řazeny takto: nevhodné je používat označení MOS, struktury na bázi oxidů jsou považovány za speciální případ MIS (kov, izolant, polovodič). Schottkyho bariéra (MeB) by měla být oddělena, protože se jedná o jinou strukturu. Připomíná vlastnosti p-n-junction. Dodáváme, že strukturálně může do složení tranzistoru současně vstupovat dielektrikum (nitrid křemíku), oxid (kvadrivalentní křemík), jako se to stalo u KP305. Takový technická řešení používané lidmi hledání metod získání jedinečných vlastností produktu, snížení nákladů.

Mezi zahraničními zkratkami pro tranzistory s efektem pole je vyhrazena kombinace FET, někdy označuje typ řízení - s p-n přechodem. V druhém případě se spolu s tímto setkáme s JFET. Slova-synonyma. V zahraničí je zvykem oddělovat oxidové (MOSFET, MOS, MOST - synonyma), nitridové (MNS, MNSFET) tranzistory s efektem pole. Přítomnost Schottkyho bariéry je označena SBGT. Věcný význam, domácí literatura, význam skutečnosti je zřejmě zamlčen.

Elektrody tranzistorů s efektem pole ve schématech jsou označeny: D (drain) - drain, S (source) - source, G (gate) - gate. Substrát se nazývá substrát.

FET zařízení

Řídicí elektroda tranzistoru s efektem pole se nazývá hradlo. Kanál je tvořen polovodičem libovolného typu vodivosti. V souladu s tím je polarita řídicího napětí kladná nebo záporná. Pole odpovídajícího znaku posouvá volné nosiče, dokud není úžina pod hradlovou elektrodou zcela prázdná. Toho je dosaženo vystavením pole buď p-n přechodu nebo homogennímu polovodiči. Proud se stane nulovým. Takto funguje tranzistor s efektem pole.

Proud teče ze zdroje do odpadu, začátečníky tradičně trápí otázka rozlišení dvou naznačených elektrod. Není rozdíl, kterým směrem se náboje pohybují. Tranzistor s efektem pole je reverzibilní. Unipolarita nosičů náboje vysvětluje nízkou hladinu hluku. Proto tranzistory s efektem pole zaujímají v technologii dominantní postavení.

Klíčovou vlastností přístrojů je velký vstupní odpor, zejména vůči střídavému proudu. Zřejmý fakt vyplývající z řízení reverzně vychýleného p-n přechodu (Schottkyho přechod), respektive kapacity technologického kondenzátoru v oblasti izolovaného hradla.

Substrát je často upřednostňován nedopovaným polovodičem. Pro tranzistory s efektem pole se Schottkyho hradlem - arsenid galia. Ve své čisté formě dobrý izolant, na který jsou jako součást produktu kladeny následující požadavky:

Je obtížné vytvořit výraznou tloušťku vrstvy, která splňuje seznam podmínek. Proto se přidává pátý požadavek, který spočívá v možnosti postupného zabudování podkladu na požadované rozměry.

Tranzistory s efektem pole s řídicím p-n-přechodem a MeP

V tomto případě se typ vodivosti materiálu hradla liší od toho, který používá kanál. V praxi najdete různá vylepšení. Clona se skládá z pěti oblastí zapuštěných do kanálu. Nižší napětí může řídit tok proudu. Význam zvýšení zisku.

bipolární tranzistor

Obvody využívají zpětné předpětí p-n přechodu, čím silnější, tím užší je kanál pro tok proudu. Při určité hodnotě napětí se tranzistor zablokuje. Použití dopředného zkreslení je nebezpečné, protože výkonný řízený obvod může ovlivnit obvod hradla. Pokud je spoj otevřený, poteče velký proud nebo a vysokého napětí. K dispozici je normální režim správná volba polarita a další charakteristiky zdroje, volba pracovního bodu tranzistoru.

V některých případech se však záměrně používají přímé hradlové proudy. Je pozoruhodné, že tento režim mohou používat ty MIS tranzistory, kde substrát tvoří p-n přechod s kanálem. Pohyblivý náboj zdroje je sdílen mezi bránou a odtokem. Můžete najít oblast, kde se získá významný proudový zisk. Režim závěrky je ovládán. S nárůstem proudu iz (až 100 μA) se parametry obvodu prudce zhoršují.

Podobné zařazení využívá obvod tzv. hradlového frekvenčního detektoru. Návrh využívá vlastnosti usměrňovače p-n přechodu mezi hradlem a kanálem. Dopředné zkreslení je malé nebo zcela nulové. Zařízení je stále řízeno hradlovým proudem. V odtokovém okruhu je dosaženo výrazného zesílení signálu. Usměrněné napětí pro bránu je blokující, mění se podle vstupního zákona. Zesílení signálu je dosaženo současně s detekcí. Napětí odtokového okruhu obsahuje následující součásti:

• konstantní složka. Vůbec nepoužitý.
• Signál nosné frekvence. K zemi se přivádí pomocí filtračních nádrží.
• Signál s frekvencí modulačního signálu. Zpracováno pro extrakci vložených informací.

Za nevýhodu hradlového frekvenčního detektoru je považován velký koeficient nelineárního zkreslení. Navíc jsou výsledky stejně špatné pro slabé (kvadratická závislost provozní charakteristiky) i silné (přechod do režimu cutoff) signály. O něco lépe demonstruje fázový detektor na dvoubranovém tranzistoru. Referenční signál je přiveden na jednu řídící elektrodu a na kolektoru je vytvořena informační složka zesílená tranzistorem s efektem pole.

I přes velké lineární zkreslení najde efekt uplatnění. Například u selektivních výkonových zesilovačů, dávkovaných procházejících úzkým frekvenčním spektrem. Harmonické jsou odfiltrovány a nemají velký vliv na celkový výkon obvodu.

Metal-semiconductor (MeS) tranzistory se Schottkyho bariérou se téměř neliší od těch s p-n přechodem. Alespoň pokud jde o princip fungování. Ale díky speciálním vlastnostem přechodu kov-polovodič jsou produkty schopny pracovat na zvýšené frekvenci (desítky GHz, mezní frekvence v oblasti 100 GHz). Struktura MeP je zároveň snáze implementovatelná, pokud jde o výrobní a technologické procesy. Kmitočtové charakteristiky jsou určeny dobou nabíjení hradla a pohyblivostí nosiče (pro GaA nad 10 000 cm2/V s).

MIS tranzistory

Ve strukturách MIS je brána spolehlivě izolována od kanálu a řízení probíhá výhradně v důsledku působení pole. Izolace se provádí oxidem křemíku nebo nitridem. Právě tyto povlaky se snáze nanášejí na povrch krystalu. Je pozoruhodné, že v tomto případě existují také přechody kov-polovodič v oblasti zdroje a kolektoru, jako v každém polárním tranzistoru. Mnoho autorů na tento fakt zapomíná, nebo se o něm mimochodem zmiňuje pomocí tajemného sousloví ohmické kontakty.

V tématu o Schottkyho diodě byla tato otázka vznesena. Ne vždy se na spoji kovu a polovodiče objeví bariéra. V některých případech je kontakt ohmický. Z velké části závisí na vlastnostech technologického zpracování a geometrických rozměrech. Specifikace skutečná zařízení silně závisí na různých defektech oxidové (nitridové) vrstvy. Tady nějaké jsou:

1. Nedokonalost krystalové mřížky v povrchové oblasti je způsobena přerušenými vazbami na hranici změny materiálů. Vliv mají jak volné atomy polovodiče, tak i nečistoty jako kyslík, který je v každém případě přítomen. Například při použití metod epitaxe. V důsledku toho se objevují energetické hladiny, které leží hluboko v bandgap.
2. Na rozhraní mezi oxidem a polovodičem (tloušťka 3 nm) vzniká přebytečný náboj, jehož podstata nebyla dosud vysvětlena. Pravděpodobně pozitivní volná místa(díry) vadných atomů samotného polovodiče a kyslíku.
3. K driftu ionizovaných atomů sodíku, draslíku a dalších alkalických kovů dochází při nízkém napětí na elektrodě. To zvyšuje náboj akumulovaný na hranici vrstvy. K blokování tohoto efektu u oxidu křemičitého se používá oxid fosforečný (anhydrid).

FET Nazývá se polovodičové zesilovací zařízení, jehož odpor se může měnit vlivem elektrického pole. Změny odporu se dosáhne změnou elektrického odporu polovodičové vrstvy nebo změnou objemu polovodiče, kterým prochází elektrický proud.

Tranzistory s efektem pole využívají různé efekty, jako je změna hlasitosti R-P- přechod při změně blokovacího napětí na něj působícího; účinky vyčerpání, obohacení o nosiče náboje nebo inverze typu vedení v blízké povrchové vrstvě polovodiče. FET jsou někdy označovány jako jednopolární, protože proud, který jimi protéká, je způsoben nositeli pouze jednoho znamení. Tranzistory s efektem pole se také nazývají kanál tranzistorů, jelikož elektrické pole, které řídí činnost tranzistoru, proniká do polovodiče poměrně mělce a všechny procesy probíhají v tenké vrstvě tzv. kanál.

Řídicí obvod tranzistoru s efektem pole prakticky nespotřebovává proud a energii. To umožňuje zesilovat signály ze zdrojů s velmi vysokým vnitřním odporem a nízkým výkonem. Navíc to umožňuje umístit stovky tisíc tranzistorů na jeden mikroobvodový čip.

Tranzistory s efektem pole s řídicím pn přechodem

Tranzistor s efektem pole může být vyroben ve formě polovodičové desky (s P- nebo R-vodivost), v jejímž jednom z povrchů je natavena vrstva kovu, tzv závěrka, tvořící byt r-p-přechod (obr. 5.1). Vývody jsou připevněny ke spodnímu a hornímu konci desky, resp zdroj a vypustit. Pokud je na bránu přivedeno blokovací napětí (kladné vůči P-závěrka a zápor na R-závěrka), pak v závislosti na její hodnotě v kanálu ( r-p-přechod), objeví se vrstva ochuzená o nosiče náboje, která je prakticky izolantem.

Změnou napětí hradla z nuly na nějaké dostatečně velké napětí, tzv vypínací napětí (vypínací napětí nebo hraniční napětí, viz obr. 5.6), je možné zvětšit objem obsazeného polovodiče o r-p-přechod, že zabere celý kanál a pohyb nosičů náboje mezi zdrojem a odtokem se stane nemožným. Tranzistor se zcela uzavře (obr. 5.2).

Na rozdíl od bipolárních tranzistorů řízených proudem jsou FETy řízeny napětím, a protože toto napětí je přivedeno na řízení r-p- přechod v obrácené (blokovací) polaritě, pak proud v řídicím obvodu prakticky neteče (při napětí 5 V nepřesahuje řídicí proud 10 -10 A).

Izolované hradlové tranzistory s efektem pole

tranzistory s efektem pole s indukovaným kanálem

Na Obr. 5.3 ukazuje izolovaný hradlový tranzistor s efektem pole tzv MIS tranzistor. Tento název je způsoben konstrukcí: hradlo je vyrobeno z kovu (M) a je odděleno tenkou vrstvou dielektrika (D) od polovodiče (P), ze kterého je vyroben tranzistor. Pokud je tranzistor vyroben z křemíku, pak se jako dielektrikum používá tenký film oxidu křemíku. V tomto případě se název změní na MOSFET(kov-oxid-polovodič).

Znázorněno na Obr. 5.3 vlevo, tranzistor je vyroben na bázi desky ( substráty nebo důvody) z křemíku s R-vodivost. Na povrchu desky jsou dvě oblasti s P-vodivost (zdroj a odtok), oddělené plochou P- kanál s převládajícím R-vodivost. Výsledkem je, že když je na tranzistor přivedeno napětí, proud mezi zdrojem a kolektorem neprotéká, protože přechody kolektor-báze a zdroj-báze tvoří dva zády k sobě. r-p- přechod, z nichž jeden bude uzavřen při jakékoli polaritě přiváděného napětí.

Pokud však povrchová vrstva R-polovodič působit dostatečně silným elektrickým polem přivedením napětí kladné polarity mezi hradlo a základnu, pak začne proudit mezi zdrojem a kolektorem. To je vysvětleno skutečností, že z povrchové vrstvy polovodiče umístěné pod bránou budou otvory elektrickým polem vytlačeny stranou a elektrony budou shromažďovány, čímž se vytvoří kanál (s P-vodivost znázorněná na Obr. 5.3 tečkovanou čarou), v důsledku čehož r-p- spojení zdroj-kanál a kanál-zdroj přestanou existovat. Vodivost P- Kanál bude tím větší, čím větší bude napětí mezi bránou a základnou.

Tranzistor uvažovaného provedení je tzv MIS tranzistor s indukovaným kanálem.

Základna je obvykle připojena ke zdroji, ale někdy je na ni napětí přivedeno samostatně a základna pak funguje jako doplňkové hradlo.

Pokud je základna vyrobena z P-křemík, zdroj a odtok jsou tvořeny silně dotovanými oblastmi s R- vodivosti a oxid křemičitý se používá jako izolant, ukazuje se Indukovaný p-kanálový MOSFET(s vodivostí R) (obr. 5.3 vpravo).

tranzistory s efektem pole s vestavěným kanálem

MOSFETy mohou být vyrobeny s vloženým kanálem. Například na Obr. 5.4 vlevo je schéma zařízení takového tranzistoru s P-kanál. Základna je vyrobena z R-křemík a zdroj a odtok mají P-vodivost a získané difúzní metodou. Zdroj a odtok jsou spojeny relativně tenkým kanálem s málo R- vodivost.

Pokud je základna vyrobena z P-křemík, a zdroj a odvod - z R-křemík, pak má tranzistor vestavěný p-kanál (obr. 5.4 vpravo) .

práce P-kanálový MOSFET lze vysvětlit následovně. Pokud je na bránu aplikováno záporné (vzhledem k bázi) napětí, pak jsou vodivostní elektrony vytěsněny P-kanál k základně a vodivost kanálu klesá, až do úplného vyčerpání a zablokování kanálu .

Když je na bránu přivedeno kladné napětí P-kanál je obohacen o elektrony a jeho vodivost se zvyšuje (obr.5.6).

Klasifikace a charakteristiky tranzistorů s efektem pole

Tranzistory s efektem pole jsou ochuzeného a obohaceného typu. První zahrnují všechny tranzistory s r-p-přechod a P-channel MOSFETs vyčerpaný typ. Obohacené MOSFETy jsou k dispozici jako P- kanál a R-kanál (obr. 5.5).

Tranzistory obohaceného a ochuzeného typu se liší pouze hodnotou tkzv hraniční napětí, získaný extrapolací přímočarého řezu charakteristiky (obr. 5.6.).

výstupní charakteristiky tranzistory s efektem pole se nazývají závislosti sběrného proudu na napětí kolektor-zdroj pro různá napětí hradla-zdroj.

FET je velmi dobré zařízení, pokud jde o výstupní vodivost - při konstantním napětí gate-source je odběrový proud téměř nezávislý na napětí (s výjimkou oblasti nízkých napětí kolektor-zdroj). Na Obr. 5.7 ukazuje typické závislosti i od u si pro rozsah hodnot u zi.