Вы находитесь здесь: Главная > Транзисторы > Полевые транзисторы for dummies хабрахабр

Полевые транзисторы for dummies хабрахабр

Полевые транзисторы for dummies хабрахабрВведение

А сейчас давайте побеседуем о полевых транзисторах. Что можно представить уже по одному их наименованию? Во-1-х, так как они транзисторы, то с помощью их можно как-то управлять выходным током. Во-2-х, у их подразумевается наличие 3-х контактов. И в-3-х, в базе их работы лежит p-n переход. Что нам на это произнесут официальные источники?

Полевые транзисторы for dummies хабрахабрПолевыми транзисторами именуют активные полупроводниковые приборы, обычно с 3-мя выводами, в каких выходным током управляют при помощи электронного поля. (electrono. ru)

Определение не только лишь подтвердило наши догадки, да и показало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит средством конфигурации приложенного электронного поля, т. е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Очередной факт о полевых транзисторах можно выяснить, обратив внимание на их другое заглавие — униполярные. Это означает, что в процессе протекания тока у их участвует только один вид носителей заряда (либо электроны, либо дырки).

Три контакта полевых транзисторов именуются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется обычный и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но воплотить ее можно как минимум 2-мя методами. Потому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообщем, мысль последних появилась еще в 20-х годах XX века, за длительное время до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили воплотить ее только в 1960 году. В 50-х же был поначалу на теоретическом уровне описан, а потом получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сего времени играют в электронике гигантскую роль.

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

Полевые транзисторы for dummies хабрахабрПолевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Полевые транзисторы for dummies хабрахабрИтак, как устроен 1-ый тип полевых транзисторов? В базе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (к примеру) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с обратным типом проводимости, к которой подключен 3-ий электрод — затвор. Естественно, что меж затвором и p-областью под ним (каналом) появляется p-n переход. А так как n-слой существенно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение оборотного смещения, то, закрываясь, он существенно прирастит сопротивление канала и уменьшит ток меж истоком и стоком. Таким макаром, происходит регулирование выходного тока транзистора при помощи напряжения (электронного поля) затвора.

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

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

Если величина оборотного напряжения станет так большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, меж затвором и стоком существует оборотное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Суть его работы при всем этом не поменяется.

Полевые транзисторы for dummies хабрахабрУсловные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка тут показывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические свойства полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Так как в рабочем режиме ток затвора обычно невелик либо вообщем равен нулю, то графики входных черт полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сходу к выходным либо стоковым. Кстати, статическими их именуют поэтому, что на затвор подается неизменное напряжение. Т. е. нет необходимости учесть частотные моменты, переходные процессы и т. п.

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

На графике можно верно выделить три зоны. 1-ая из их — зона резкого возрастания тока стока. Это так именуемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

2-ая зона — область насыщения. Она имеет практически линейный вид. Тут происходит перекрытие канала в области стока, которое возрастает при предстоящем росте напряжения исток-сток. Соответственно, вырастает и сопротивление канала, а стоковый ток изменяется очень слабо (закон Ома, но). Конкретно этот участок свойства употребляют в усилительной технике, так как тут меньшие нелинейные преломления сигналов и рациональные значения малосигнальных характеристик, существенных для усиления. К таким характеристикам относятся крутизна свойства, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

3-я зона графика — область пробоя, чье заглавие гласит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график очередной принципиальной зависимости — стоко-затворной свойства. Она указывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при неизменном напряжении меж истоком и стоком. И конкретно ее крутизна является одним из главных характеристик полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также нередко именуют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- либо МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор разделен от канала узким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект конфигурации проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электронного поля.

Полевые транзисторы for dummies хабрахабрУстройство транзисторов такового вида последующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в какой изготовлены две очень легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Меж ними пролегает узенькая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластинки имеется узкий слой диэлектрика (в большинстве случаев из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и размещен затвор — узкая железная пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и раздельно.

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

А сейчас подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электронное поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, вырастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Таковой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, именуют режимом обеднения.

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

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

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

Итак, мы подаем напряжение лишь на исток и сток. Ток меж ними течь не будет, так как один из p-n переходов меж ними и подложкой закрыт.

Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электронное поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так именуемая инверсия типа проводимости. Т. е. концентрация электронов превзойдет концентрацию дырок, и меж стоком и истоком возникнет узкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем посильнее, чем выше напряжение на затворе.

Из таковой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Потому они нередко встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором последующие:

Полевые транзисторы for dummies хабрахабрТут

а ? со интегрированным каналом n — типа-

б ? со интегрированным каналом р — типа-

в ? с выводом от подложки-

г ? с индуцированным каналом n — типа-

д ? с индуцированным каналом р — типа-

е ? с выводом от подложки.

Статические свойства МДП-транзисторов

Семейство стоковых и стоко-затворная свойства транзистора с интегрированным каналом предсталены на последующем рисунке:

Те же свойства для транзистора с идуцированным каналом:

Полевые транзисторы for dummies хабрахабрЭкзотичные МДП-структуры

Чтоб не запутывать изложение, желаю просто порекомендовать ссылки, по которым о их можно почитать. Сначала, это всеми возлюбленная википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А тут теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это любопытно!

Общие характеристики полевых транзисторов

Наибольший ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.

Наибольшее напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.

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

Крутизна стоко-затворной свойства. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.

Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением назад смещенного p-n перехода и обычно добивается единиц и 10-ов МОм (что прибыльно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А посреди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.

Коэффициент усиления — отношение конфигурации напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при неизменном токе стока.

Полевые транзисторы for dummies хабрахабрСхемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из 4 контактов совпадают. Таким макаром, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По чертам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.

В большинстве случаев применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.

Схема с общим затвором (б) усиления тока практически не дает и имеет малюсенькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.

Схему с общим стоком (в) также именуют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное не достаточно.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области внедрения

Как уже было сказано выше, 1-ое и главное отличие этих 2-ух видов транзисторов в том, что 2-ые управляются при помощи конфигурации тока, а 1-ые — напряжения. И из этого следуют остальные достоинства полевых транзисторов по сопоставлению с биполярными:

высочайшее входное сопротивление по неизменному току и на высочайшей частоте, отсюда и малые утраты на управление-

высочайшее быстродействие (благодаря отсутствию скопления и рассасывания неосновных носителей)-

так как усилительные характеристики полевых транзисторов обоснованы переносом главных носителей заряда, их верхняя граница действенного усиления выше, чем у биполярных-

высочайшая температурная стабильность-

низкий уровень шумов, потому что в полевых транзисторах не употребляется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»-

маленькое потребление мощности.

Но, привсем при всем этом у полевых транзисторов есть и недочет — они «боятся» статического напряжения, потому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой порухи.

Где используются полевые транзисторы? Да фактически всюду. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телеком работают на полевых транзисторах. Они всюду, %хабраюзер%. Но сейчас ты знаешь, как они работают!

Перечень источников:

ru. wikipedia. org

dssp. petrsu. ru

zpostbox. narod. ru

electrono. ru

radio. cybernet. name

Полезные комменты:

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

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

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

Рекомендую почитать:

Полевые транзисторы for dummies хабрахабр«Основы на пальцах», создатель DI HALT (за наводку спасибо AlexeiKozlov)

  • Digg
  • Del.icio.us
  • StumbleUpon
  • Reddit
  • Twitter
  • RSS

Оставить комментарий

Подтвердите, что Вы не бот — выберите самый большой кружок: