МОП-транзистор с встроенным каналом: принцип работы и где используется полевой Мосфет

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

В транзисторах этого типа затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, которым в кремниевых устройствах обычно является диоксид кремния. Эти транзисторы сокращенно обозначаются как MOS (металл-оксид-полупроводник) и MOS (металл-диэлектрик-полупроводник). В англоязычной литературе они обычно обозначаются аббревиатурой MOSFET или MISFET (металл-оксид (изолятор) — полупроводниковый полевой транзистор).

В свою очередь, МДП-транзисторы делятся на два типа.

В так называемых транзисторах со встроенным (собственным) каналом (транзистор исчерпывающего типа) и до подачи напряжения на затвор существует канал, соединяющий исток и сток.

В так называемых транзисторах с индуцированным каналом (транзисторы обогащенного типа) указанный канал отсутствует.

МОП-транзисторы характеризуются очень высоким входным сопротивлением. При работе с такими транзисторами нужно соблюдать особые меры предосторожности, чтобы обезопасить себя от статического электричества. Например, при пайке все кабели необходимо закоротить.

Полевой транзистор с изолированным затвором

IGBT FET могут называться MOSFET (металлооксидный полупроводник) или MOSFET (металлический диэлектрический полупроводник). Оксид кремния SiO2 обычно используется в качестве диэлектрика.
Они делятся на МОП-транзисторы со встроенными и индуцированными каналами.
МДП-транзисторы отличаются от полевых транзисторов с p-n переходом тем, что затвор изолирован от полупроводника диэлектриком. Из-за диэлектрика затвор электрически не связан с полупроводником, что позволило увеличить входное сопротивление полевого транзистора до 1017 Ом.

МДП-транзистор с встроенным каналом

Такой полевой транзистор представляет собой полупроводниковый кристалл pon-типа, называемый подложкой.
На кристалле, например типа p, создаются две сильно легированные (обогащенные) области противоположного типа по отношению к подложке (в нашем случае типа n). Это будет исток и сток транзистора, на который нанесен диэлектрический слой.

Между ними построен тонкий канал, состоящий из слаболегированного (обедненного) полупроводникового слоя с типом проводимости как у истока, так и у стока .
Над диэлектриком нанесен металлический электрод — затвор. Получается «бутерброд»: металл — диэлектрик — полупроводник. Металлические провода, соединяющие области n-типа, выведены через диэлектрик. Также есть выход от подложки, которая обычно подключается к источнику, и его потенциал считается нулевым.

При приложении напряжения между истоком и стоком при нулевом напряжении затвора (Uzi = 0) начальный ток стока Ist.init будет течь через интегрированный канал (на рисунке пределы толщины канала: сплошная линия 1,0 — диэлектрик) электроны в канале.

Подавая на затвор положительное напряжение, мы создаем электрическое поле, которое будет втягивать электроны из подложки в канал и выталкивать из него дырки. Канал, принимающий далее основные носители заряда, расширяется (пунктирная линия 3 (+) — диэлектрик); его проводимость увеличивается, Icad увеличивается, и транзистор работает в режиме насыщения.

При отрицательном напряжении затвора электроны выталкиваются в подложку, а отверстия в подложке втягиваются в канал и, истощая электроны, он сжимается (линия 2 (-) — диэлектрик). Это приводит к уменьшению текущего ID по сравнению с Ist. Полевой транзистор переходит в режим истощения.

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом

В полевых транзисторах с управляющим pn переходом управление током транзистора достигается изменением поперечного сечения канала путем изменения площади, занимаемой этим переходом. Управляющий pn-переход образован между каналом и затвором, который состоит из полупроводников с противоположными типами проводимости. Следовательно, если канал образован полупроводником типа p, то затвор образован полупроводником p-типа. Напряжение между затвором и истоком всегда инвертировано, например, pn-транзитный блок.

Напомним, что при приложении напряжения обратной полярности площадь, занимаемая pn переходом, увеличивается. В этом случае область, лишенная носителей заряда, также расширяется, а это означает, что область канала, через которую может протекать ток, сужается. Кроме того, чем больше значение напряжения блокировки, тем больше площадь, занимаемая pn переходом, и тем меньше сечение и проводимость канала.

Как и в случае с биполярными транзисторами, выходные характеристики используются для описания работы полевых транзисторов. Выходная характеристика транзистора с нулевым эффектом — это зависимость тока стока Ic от напряжения между стоком и истоком при фиксированном напряжении между затвором и истоком. В отличие от биполярного транзистора, работу транзистора с нулевым эффектом также можно описать прямой зависимостью выходного параметра — тока стока на входе — управляющего напряжения между затвором и истоком.

В зависимости от температуры эти характеристики меняются незначительно. Напряжение UZI, при котором канал полностью закрыт (IC = 0), называется напряжением отсечки Uotc. Управляющее воздействие заслонки характеризуется крутизной, которую можно определить по выходным характеристикам (см. Рис. 1.15, г):

S = ΔIс / ΔUZI, при USI = const.

Поскольку управляющий pn-переход всегда заблокирован, полевые транзисторы практически не имеют входного тока. Благодаря этому они имеют очень высокое входное сопротивление и практически не потребляют мощность от источника управляющего сигнала. Это свойство распространяется не только на транзисторы с управляющим pn переходом, но и на все полевые транзисторы, что выгодно отличает их от биполярных.

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим pn переходом в схеме общего истока показано на рис. 26.4. Они аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти характеристики показывают зависимость выходного тока ID от выходного напряжения VDS (напряжение между стоком и истоком) для заданных значений напряжения затвора VGS (напряжение между затвором и истоком).

Диапазон изменения напряжения смещения затвор-исток довольно велик (несколько вольт), в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно. Видно, что с увеличением (по абсолютной величине) напряжения затвора ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся истощающий слой соединения затвор-канал не закроет весь канал, прерывая ток. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в отключенном состоянии.

Схема на полевом транзисторе.

Читайте также: Амплитуда выходного напряжения: формула для среднего и мгновенного значения за период

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику при VGS = 0. По мере увеличения напряжения VDS (от нуля) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигнет точки P, после чего значение тока практически не меняется. Напряжение в точке P называется напряжением отключения. При этом напряжении обедненный слой, связанный с соединением затвор-канал с обратным смещением, почти полностью перекрывает канал. Однако поток текущего идентификатора в этой точке не прекращается, поскольку именно благодаря этому току создается слой истощения. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои собственные точки отсечения: P1, P2 и т.д. Если соединить эти точки вместе линией, справа от нее будет область среза, которая является областью работы полевого транзистора.

Полевой транзистор.

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного AF-усилителя на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме очень небольшой ток утечки затвора отводится к шасси через резистор утечки R1. Резистор R3 обеспечивает необходимое обратное смещение, повышая потенциал истока выше потенциала затвора. Кроме того, этот резистор также обеспечивает стабильность постоянного тока для усилителя. R2 — нагрузочный резистор, который может иметь очень высокое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязочный конденсатор C2 в цепи истока удаляет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R3. Следует отметить, что блокирующий конденсатор С1 может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) из-за высокого входного сопротивления полевого транзистора.

Когда сигнал подается на вход усилителя, ток стока изменяется, что, в свою очередь, вызывает изменение выходного напряжения на стоке транзистора. Во время положительного полупериода входного сигнала напряжение затвора увеличивается в положительном направлении, напряжение обратного смещения перехода затвор-исток уменьшается, и, таким образом, увеличивается ID тока полевого транзистора. Увеличение ID приводит к уменьшению выходного напряжения (стока), и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И наоборот, отрицательный полупериод входного сигнала соответствует положительному полупериоду выходного сигнала. Следовательно, входные и выходные сигналы усилителя с общим источником являются противофазными.

Расчет статического режима

Одним из преимуществ полевого транзистора является очень низкий ток утечки затвора, величина которого не превышает нескольких пикоампер (10-12 А). Следовательно, в схеме усилителя на рис. 26.5 затвор практически находится под нулевым потенциалом. Ток полевого транзистора течет от стока к истоку и обычно идентифицируется с идентификатором тока стока (который, очевидно, равен току истока IS).

Рассмотрим схему рис. 26.5. Полагая ID = 0,2 мА, рассчитываем потенциал источника:

VS = 0,2 мА 5 кОм = 1 В. Это напряжение обратного смещения управляющего pn перехода.

Падение напряжения на резисторе R2 = 0,2 мА 30 кОм = 6 В.

Потенциал разряда VD = 15-6 = 9 В.

Линия нагрузки

Линию нагрузки можно нарисовать так же, как биполярный транзистор. Если ID = 0, то VDS = VDD = 15 В. Это точка X на линии нагрузки. Если VDS = 0, то почти все напряжение VDD блока питания падает до R2. Следовательно, ID = VDD / R2 = 15 В / 30 кОм = 0,5 мА. Это точка Y на линии нагрузки. Рабочая точка Q выбрана такой, чтобы транзистор работал в области отсечки. Выбранная рабочая точка Q определяется значениями: ID = 0,2 мА, VGS = — 1 В, VDS = 9 В.

Полевой транзистор.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическая структура МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа индуцированного канала наличием токопроводящего канала между стоком и истоком.

МДП-транзистор со встроенным каналом.

Канал может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для наглядности обратимся к транзистору с каналом p-типа. Приведем схематическое изображение структуры транзистора (рис. 1.97), условное графическое обозначение транзистора с каналом p-типа (рис. 1.98, а) и с каналом n-типа (рис. 1.98, б). Стрелка, как обычно, указывает направление с уровня p на уровень n.

Рассматриваемый транзистор (см. Рис. 1.97) может работать в двух режимах: истощения и обогащения.

Режим истощения соответствует положительному напряжению uzi. С увеличением этого напряжения концентрация дырок в канале уменьшается (поскольку потенциал затвора больше потенциала истока), что приводит к уменьшению тока стока.

Если напряжение uzi больше, чем напряжение отсечки, то есть, если uzi> uziotc, то канал не существует и ток между истоком и стоком равен нулю.

Режим обогащения соответствует отрицательному напряжению uzi. В этом случае, чем выше модуль указанного напряжения, тем выше проводимость канала и выше ток стока.

Вот схема подключения транзистора (рис. 1.99).

На ток стока влияет не только напряжение uli, но и напряжение между подложкой и истоком upi. Однако управление затвором всегда предпочтительнее, потому что входные токи намного ниже. Кроме того, наличие натяжения на основании снижает уклон.

Подложка образует pn переход с истоком, стоком и каналом. При использовании транзистора необходимо следить за тем, чтобы напряжение на этом переходе не смещало его вперед. На практике подложка подключается к истоку (как показано на схеме) или к точке в цепи, потенциал которой больше, чем потенциал истока (потенциал стока в приведенной выше схеме меньше, чем потенциал истока).

Опишем выходные характеристики МОП-транзистора (интегрированный p-канал) типа КП201Л (рис. 1.100) и его затворную характеристику (рис. 1.101).

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные транзисторы во многих приложениях. Они наиболее широко используются в интегральных схемах, таких как ключи (электронные переключатели)

Главные преимущества полевых транзисторов

• Из-за высокого входного импеданса схема полевого транзистора потребляет очень мало энергии, так как она практически не потребляет входной ток.
• Текущий коэффициент усиления полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно более высокая помехозащищенность и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора схема управления со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• В полевых транзисторах скорость перехода между проводящим и непроводящим состояниями тока на порядок выше. Следовательно, они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

• Полевые транзисторы имеют большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда устройство находится в открытом состоянии.
• Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при более низкой температуре (150 ° C), чем структура биполярных транзисторов (200 ° C).
• Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют гораздо меньше энергии, чем биполярные транзисторы, ситуация кардинально меняется при работе на высоких частотах. На частотах выше примерно 1,5 ГГц энергопотребление полевых МОП-транзисторов начинает экспоненциально расти. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на «многоядерность».
• При производстве мощных МОП-транзисторов в их структуре появляется «паразитный» биполярный транзистор. Чтобы нейтрализовать его влияние, подложку замыкают накоротко с источником. Это эквивалентно замыканию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда не достигнет напряжения, необходимого для открытия (для того, чтобы PN-переход внутри устройства начал проводить ток, требуется примерно 0,6 В).Однако при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора паразитный транзистор может случайно открыться, что приведет к отказу всей схемы.
• Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку диэлектрический изолирующий слой на затворе очень тонкий, иногда даже относительно низкого напряжения достаточно, чтобы его разрушить. А разряды статического электричества, которые встречаются практически в любой среде, могут достигать нескольких тысяч вольт.
• Поэтому они пытаются создать внешние корпуса полевых транзисторов таким образом, чтобы минимизировать возможность возникновения нежелательных напряжений между электродами устройства. Один из таких методов — замкнуть источник на подложку и заземлить их. Кроме того, в некоторых моделях используется специально интегрированный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (микросхемами), состоящими в основном из полевых транзисторов, рекомендуется использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используется антистатическая вакуумная упаковка

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключите напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не будет протекать, так как между зонами N + есть P-область, которая не позволяет проходить электронам. Кроме того, если к затвору приложить положительное напряжение относительно источника Узи, возникнет электрическое поле. Он будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате концентрация дырок под затвором начнет уменьшаться, и их место займут электроны, привлеченные положительным напряжением на затворе.

Когда Uzi достигает своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком образуется тонкий канал с проводимостью N-типа, по которому будет течь ток Ici. Чем выше напряжение на затворе транзистора Узи, тем шире канал и, следовательно, больше ток. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МОП-транзистора с каналом P-типа такой же, только отрицательное напряжение должно быть приложено к затвору по отношению к истоку.

Преимущества и недостатки МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы довольно популярны в современной системотехнике благодаря ряду преимуществ, среди которых:

• возможность мгновенного изменения;
• отсутствие вторичных неисправностей;
• хорошие низковольтные характеристики;
• устойчивость при температурных колебаниях;
• низкий уровень шума при работе;
• высокий коэффициент усиления сигнала;
• эффективность с точки зрения энергопотребления;
• меньшее количество технологических операций при создании схем на МОП-транзисторах, чем при использовании биполярных устройств.

Использование этих устройств ограничено следующими недостатками:

Самый главный недостаток — повышенная чувствительность к статическому электричеству. Тонкий слой оксида кремния легко повреждается электростатическими зарядами, поэтому МОП-устройства могут выйти из строя даже при прикосновении к ним электрически заряженными руками. Современные устройства практически лишены этого недостатка за счет корпусов, позволяющих минимизировать влияние статического электричества. Они также могут интегрировать устройства защиты типа Зенера.

Возникновение нестабильности работы при перегрузке по напряжению.

Разрушение конструкции, начиная с температуры +150 ° C. Для биполярных устройств критическая температура + 200 ° C.

Постоянный поиск хороших характеристик мощных однополюсных транзисторов привел к изобретению гибрида IGBT. Эти устройства сочетают в себе лучшие качества биполярных и полевых транзисторов.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ IGBT аналогичны ВАХ полевого транзистора с управляющим PN переходом. Как видно на графике а), сначала ток Iсi растет прямо пропорционально росту напряжения Uсi. Этот участок называется омической областью (применяется закон Ома) или областью насыщения (канал транзистора насыщен носителями заряда). Затем, когда канал расширяется почти до максимума, ток Ici практически не увеличивается. Этот сайт называется активной зоной.

Когда Uci превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN перехода), структура полупроводника разрушается и транзистор превращается в нормальный проводник. Этот процесс невозможно восстановить, и устройство становится непригодным для использования.

Принцип работы МОП-транзисторов на примере прибора с n-проводимостью

Схема униполярного транзистора с изолированным затвором n проводимостью включает:

Кремниевая подложка. В подложке n-типа в узлах кристаллической решетки кремния находятся отрицательно заряженные атомы и свободные электроны, что получается за счет введения специальных примесей.

Диэлектрик. Он служит для изоляции кремниевой подложки от электрода затвора. Оксид кремния используется в качестве диэлектрика.

В большинстве полевых МОП-транзисторов источник транзистора подключен к полупроводниковой подложке. Между стоком и истоком образуется «паразитный» диод. Устранение негативных последствий появления такого диода и даже использование его в положительных целях позволяет подключать его от анода к истоку в n-канальных полевых транзисторах, от анода к стоку — в канальных устройствах p.

Принцип действия:

1. На затвор между затвором и истоком подается положительное напряжение.
2. Между металлической проволокой затвора и подложкой возникает электрическое поле.
3. Электрическое поле притягивает свободные электроны, ранее распределенные в кремниевой подложке, к слою у поверхности диэлектрика.
4. В приповерхностном слое появляется область (канал) проводимости n-типа, состоящая из свободных электронов.
5. Между выводами стока и истока появляется «мостик», по которому проходит электрический ток.
6. Проводимость полевого транзистора регулируется величиной внешнего управляющего напряжения. При снятии токопроводящий «мостик» исчезает и устройство закрывается.

MOSFET p-типа работает аналогичным образом. Показанный выше принцип работы упрощен. Используемые на практике в схемах устройства имеют более сложную конструкцию и, следовательно, более сложный принцип действия.

Распространённые типы полевых транзисторов

В настоящее время в радиооборудовании выделяют два основных типа ТП: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Опишем каждое изменение более подробно.

Управляющий p-n-переход

Эти полевые транзисторы представляют собой удлиненный полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими проводниками служат стоком и истоком. Функцию затвора выполняет небольшая область обратной проводимости, встроенная в центральную часть кристалла. Как и сток и исток, затвор снабжен металлическим тросиком.

Электронно-дырочный pn переход в таких полевых транзисторах называется управляющим, так как он напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

Интересный материал для познания — что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Изолированный затвор

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанного выше полевого транзистора с управляющим pn переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на определенном расстоянии друг от друга заделаны две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора выполняет металлический вывод, который отделен от кристалла диэлектрическим слоем и, следовательно, не вступает с ним в электрический контакт.

В связи с тем, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов: металл, диэлектрик и полупроводник, эти радиокомпоненты часто называют МДП-транзисторами. В элементах, сформированных в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, после чего буква «D» в аббревиатуре заменяется на «O» и такие компоненты называются МОП-транзисторами.

Полевой транзистор на схеме.

Эти полевые транзисторы бывают двух типов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. В первом нет физического канала и он возникает только в результате действия электрического поля, исходящего от затвора, на подложку. Во-вторых, канал между истоком и стоком физически встроен в подложку, и напряжение затвора требуется не для формирования канала, а только для управления его характеристиками. Преимущество схемы IGBT FET перед транзисторами с pn переходом заключается в его более высоком входном импедансе.

Это расширяет возможности использования этих элементов. Например, они используются в высокоточных устройствах и другом оборудовании, ответственном за электрические режимы. Благодаря своим конструктивным особенностям полевые МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает вас соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодетелями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать заземленную паяльную станцию, а кроме того, лицо, выполняющее пайку, также должно быть заземлено. Даже статическое электричество малой мощности может повредить полевой транзистор.

Классификация транзисторов.

Отличие униполярных транзисторов от биполярных

МОП-транзистор приводится в действие электрическим полем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно источника. Полярность приложенного напряжения определяется типом канала транзистора (pon). В отличие от униполярных транзисторов, биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников состоит из двух типов зарядов: электронов и дырок.

Полевые транзисторы (униполярные), в отличие от биполярных, имеют меньше собственных шумов в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в устройствах звукоусилителя. МОП-транзисторы используются в микросхемах усилителей низкой частоты в проигрывателях виниловых дисков.