Принцип работы полевого МОП-транзистора
Содержание статьи
Устройство и основные характеристики МОП-транзисторов
МОП-транзистор (MOSFET, «металл-оксид-полупроводник») – полевой транзистор с изолированным затвором (канал разделен с затвором тонким диэлектрическим слоем). Другое название МОП-транзистора – униполярный. Основные области применения таких приборов – выполнение функций электронного переключателя и усилителя электронных сигналов в старой и современной системотехнике.
Практически все типы MOSFET имеют три вывода:
Исток – источник носителей зарядов. Является аналогом эмиттера в биполярном приборе.
Сток. Служит для приема носителей заряда от истока. Аналог коллектора биполярного транзистора.
Затвор. Выполняет функции управляющего электрода. Аналог в биполярном устройстве – база.
Особая категория – транзисторы с несколькими затворами. Они применяются в цифровой технике для организации логических элементов или в качестве ячеек памяти EEPROM.
Основные характеристики униполярных транзисторов, учитываемые при выборе нужного прибора:
в открытом состоянии – внутреннее сопротивление и наибольшее значение допустимого постоянного тока;
в закрытом состоянии – максимально допустимое напряжение прямого типа.
Отличие униполярных транзисторов от биполярных
МОП-транзистор управляется электрополем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность прилагаемого напряжения определяется видом канала транзистора (p или n). В отличие униполярных биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников формируется двумя типами зарядов – электронами и дырками.
Полевые (униполярные) транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в звукоусилительных устройствах. MOSFET применяют в микросхемах низкочастотных усилителей в автомобильных проигрывателях.
Типы МОП-транзисторов
Униполярные транзисторы делятся на p-канальные или n-канальные. Они могут иметь:
Собственный (встроенный) канал. Без напряжения канал открыт. Для закрытия канала необходимо подать ток определенной полярности.
Индуцированный (инверсный) канал. При отсутствии приложенного электротока он закрыт. Для его открытия прикладывают напряжение нужной полярности. Для n-канальных транзисторов отпирающим является напряжение, положительное относительно истока. Его величина должна быть больше порогового значения, установленного для данного транзистора. Для p-канальных моделей отпирающим будет отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору.
Принцип работы МОП-транзисторов на примере прибора с n-проводимостью
В схему униполярного транзистора с изолированным затвором и n-проводимостью входят:
Кремниевая подложка. В подложке n-типа в узлах кристаллической решетки кремния присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны, что достигается введением специальных примесей.
Диэлектрик. Служит для изоляции кремниевой подложки от электрода затвора. В качестве диэлектрика используется оксид кремния.
В большинстве MOSFET исток транзистора подключается к полупроводниковой подложке. Между стоком и истоком формируется «паразитный» диод. Ликвидировать отрицательные последствия появления такого диода и даже использовать в положительных целях позволяет его подключение анодом к истоку в n-канальных полевых транзисторах, анодом к стоку – в p-канальных приборах.
Аналогично работает МОП-транзистор p-типа. Показанный выше принцип работы является упрощенным. Приборы, используемые на практике в схемотехнике, имеют более сложное устройство и, следовательно, более сложный принцип работы.
Преимущества и недостатки МОП-транзисторов
Униполярные транзисторы имеют довольно широкое распространение в современной системотехнике благодаря ряду преимуществ, среди которых:
Применение этих приборов ограничивают следующие недостатки:
Важнейший минус – повышенная чувствительность к статическому электричеству. Тонкий слой оксида кремния легко повреждается электростатическими зарядами, поэтому МОП-приборы могут выйти из строя даже при прикосновении к прибору наэлектризованными руками. Современные устройства практически лишены этого недостатка благодаря корпусам, способным минимизировать воздействие статики. Также в них могут интегрироваться защитные устройства по типу стабилитронов.
Появление нестабильности работы при напряжении перегрузки.
Разрушение структуры, начиная от температуры +150 °C. У биполярных приборов критической является температура +200 °C.
Постоянный поиск по получению хороших эксплуатационных свойств высокомощных униполярных транзисторов привел к изобретению гибридного IGBT-транзистора. Эти устройства объединили лучшие качества биполярного и полевых транзисторов.
Принцип работы полевого транзистора для чайников: для чего он нужен и как работает
Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.
Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.
Что представляет собой полевой транзистор
Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя третьего контакта. на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.
Название расположенных на устройстве контактов и их функции:
Полевые транзисторы с n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.
Видео «Подробно о полевых транзисторах»
Виды полевых транзисторов
Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:
В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:
Принцип работы полевого транзистора
Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.
Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.
Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.
Для чего нужен полевой транзистор
При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:
В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке. Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.
Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.
Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.
Как применять полевой транзистор для чайников
Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.
В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.
На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.
Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.
Достоинства и недостатки полевых транзисторов
Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.
Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.
Видео «Устройство и принцип работы полевого транзистора»
Полевые транзисторы. For dummies
Введение
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)
Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.
Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).
Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.
Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.
Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) 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 противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.
Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное 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 либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.
Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.
Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.
Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.
На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.
Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.
Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.
С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.
Полевой транзистор с изолированным затвором
Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.
Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.
А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При 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 между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.
Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.
Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:
Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным 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 характеристики МДП-транзисторов
Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:
Экзотические МДП-структуры
Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!
Общие параметры полевых транзисторов
Схемы включения
Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.
Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения
Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!
