Полевой транзистор

Подобно биполярным транзисторам полевой транзистор можно включить по одной из трех основных схем. На этой схеме показана наиболее часто применяемая схема включения с общим истоком. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности и переворачивает фазу напряжения при усилении.

На этой схеме представлена эквивалентная схема - (схема замещения) полевого транзистора для включения его с общим истоком.

Поскольку R вх очень велико, то его можно не учитывать. Для низких частот во многих случаях можно исключить из схемы емкости. Генератор тока (SU) отражает усиление, даваемое транзистором, а сопротивление Ri представляет собой сопротивление канала переменному току, т. е. выходное сопротивление. К входным зажимам подключается источник колебаний, а к выходным - нагрузка. В практических усилительных каскадах обычно используется питание от одного источника E2, как это показано на этом рисунке, для транзистора с n-каналом. Для получения постоянного обратного напряжения на управляющем n - р-переходе в провод истока включается резистор зашунтированный конденсатором С_и. Постоянный ток стока создает на резисторе напряжение, которое через источник колебаний ИК подается на n-р-переход. Через конденсатор С_и проходит переменная составляющая тока стока. Емкость С_и должна быть такой, чтобы емкостное сопротивление для низшей частоты было во много раз меньше R_н,. Тогда на емкости С_и будет небольшое переменное напряжение. Если конденсатора Си нет или его емкость недостаточна, то на R_и получается значительное переменное напряжение. Оно будет подаваться на вход транзистора в противофазе с входным напряжением - (отрицательная обратная связь). Результирующее переменное напряжение на входе транзистора станет меньше, и коэффициент усиления снизится.

На этом рисунке показано включение полевого транзистора с каналом n-типа по схеме с общим затвором (верхняя) и с общим стоком (нижняя). Схема с общим затвором аналогична схеме с общей базой. Она не дает усиления тока, и, поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Входное сопротивление данной схемы мало, так как входным током является ток стока. Фаза напряжения при усилении не переворачивается. Каскад по схеме ОС подобен эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем. Коэффициент усиления каскада по напряжению близок к единице. Выходное напряжение по значению и фазе повторяет входное. Для такого каскада характерно сравнительно небольшое выходное сопротивление и повышенное входное. Кроме того, значительно уменьшается входная емкость, что способствует увеличению входного сопротивления на высоких частотах.

На схеме с общим истоком и питанием от одного источника на затвор подается постоянное отрицательное напряжение с резистора нагрузки. Если это напряжение слишком большое, то его уменьшают, подавая дополнительно на затвор некоторое положительное напряжение, например, с делителя напряжения. Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными. Так как в полевом транзисторе ток стока вызван перемещением основных носителей, концентрация которых определяется преимущественно количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры, то полевые транзисторы более температуростабильны, т. е. меньше изменяют свои характеристики и параметры при изменении температуры. Они могут хорошо работать в более широком интервале температур. При повышении температуры наблюдается только значительное увеличение тока затвора (тока неосновных носителей), но все же он остается достаточно малым, и, поэтому входное сопротивление сохраняет высокие значения. Полевой транзистор создает меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. По радиационной стойкости эти транзисторы приближаются к электронным лампам. Недостаток многих полевых транзисторов - сравнительно невысокая крутизна. Подобно биполярным транзисторам полевой транзистор можно включить по одной из трех основных схем. На этой схеме показана наиболее часто применяемая схема включения с общим истоком. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности и переворачивает фазу напряжения при усилении.

На этой схеме представлена эквивалентная схема - (схема замещения) полевого транзистора для включения его с общим истоком.

Максимальное по модулю усиление напряжения имеем при Zн = ¥, когда |KU max max| = S/Gi = SRi = m, где Ri = 1/Gi — внутреннее сопротивление транзистора; m — безразмерный коэффициент усиления.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы)

Но если речь идёт о дискретных транзисторах, то здесь доминируют биполярные транзисторы. Количество МОП-транзисторов в цифровых ИС может достигать нескольких сотен миллионов. Размер МОП-транзистора на настоящий момент составляет менее одного микрометра, и по мере развития технологии его размеры становятся всё меньше. Многие более крупные МОП-транзисторы способны переключать токи до 100 ампер при низком напряжении; при низких токах некоторые МОП-транзисторы способны выдерживать напряжение до 1000 В. Размер подобных МОП-транзисторов может достигать до 1 см2. МОП-транзисторы применяются гораздо чаще полевых транзисторов с управляющим pn-переходом. Однако в настоящее время, когда речь идёт о мощных транзисторах, то чаще применяются биполярные транзисторы.

Также как и у полевых транзисторов, у МОП-транзисторов имеется три электрода: исток, сток и затвор. Однако в отличие от полевого транзистора вывод затвора МОП-транзистора не связан напрямую с кремнием. Затвор МОП-транзистора – металлический или поликремниевый электрод, который нанесён поверх слоя диэлектрика (обычно из двуокиси кремния). Затвор похож на конденсатор со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП), показанный на рисунке ниже. В заряженном состоянии обкладки конденсатора принимают полярность заряда соответствующего вывода аккумулятора. Нижняя обкладка конденсатора - кремний p-типа, электроны с которого выталкиваются отрицательным (-) выводом аккумулятора в сторону оксида, и притягиваются к верхней положительной (+) обкладке. Избыток электронов вблизи оксида создаёт инверсионный канал под слоем оксида. Здесь также создаётся обеднённая область подложки монолитного кремния.

N-канальный МОП-конденсатор: (а) незаряженный, (b) заряженный.

На рисунке ниже (a) МОП-конденсатор помещён между парой областей с диффузией n-типа на подложке p-типа. При отсутствии заряда и смещения на затворе, участки диффузии N-типа, истоковая и стоковая области остаются электрически развязанными.

N-канальный МОП-транзистор (работающий в режиме обогащения): (a) напряжение смещения на затворе 0 В, (b) положительное напряжение смещения на затворе.

Положительное напряжение смещения, приложенное к затвору, заряжает конденсатор (затвор). Затвор поверх слоя оксида принимает положительный заряд. Подложка P-типа под затвором принимает отрицательный заряд. Под слоем оксида формируется инверсная область с избытком электронов. Теперь эта область соединяет области истока и стока N-типа, формируя постоянную область электронной проводимости от истока к стоку. Таким образом, МОП-транзистор, как и полевые транзисторы представляет собой униполярный прибор. Проводимость обеспечивается носителями заряда лишь одного типа. Таково устройство N-канального МОП-транзистора. В подобном варианте при приложении напряжения между истоковой и стоковой областями могут протекать достаточно большие токи.

Описанный выше МОП-транзистор работает в режиме обогащения. Непроводящий, отключённый канал включается посредством обогащения канала под затвором с помощью напряжения смещения. Такой вариант МОП-транзистора является наиболее распространённым.

МОП-транзисторы, как и полевые транзисторы являются устройствами, управляемыми напряжением. Напряжение, подаваемое на затвор, управляет током от истока к стоку. Через затвор не проходит постоянный ток. Хотя для заряда ёмкости управляющего электрода затвору требуется начальный толчок тока.

Поперечное сечение N-канального МОП-транзистора показано на рисунке (а) ниже: Дискретные МОП-транзисторы обычно оптимизированы под управление большими токами. Символ N+ указывает на то, что стоковая и истоковая области сильно легированы. Таким образом сокращаются потери на сопротивление при протекании сильного тока от истока к стоку. Символ N- обозначает слабое легирование. Область дырочной проводимости под затвором, между истоком и стоком может быть инвертирована посредством положительного напряжения смещения. Профиль распределения легирующей смеси может представлять собой змеевидный контур на кремниевом кристалле. Таким образом увеличивается область легирования, а соответственно, и номинальный ток.

N-канальный МОП-транзистор (работающий в режиме обогащения): Поперечное сечение, (b) условное обозначение.

На рисунке выше (b) показано условное обозначение МОП-транзистора с «плавающим» затвором, что указывает на отсутствие непосредственной связи с кремниевой подложкой. Прерывистая линия от истока к стоку указывает на то, что транзистор в отключённом не проводящем состоянии, с нулевым напряжением смещения на затворе. МОП-транзистор является прибором, работающим в режиме обогащения. Обогащение канала происходит при подаче на затвор напряжения смещения. Стрелка соответствует материалу с электропроводностью р-типа, и направлена к каналу n-типа. Это символ N-канального МОП-транзистора. В P-канальных МОП-транзисторах стрелка направлена в противоположную сторону (не показано). У МОП-транзисторов имеется четыре вывода: исток, затвор, сток и подложка. У дискретных МОП-транзисторов исток соединён с подложкой, то есть на его корпусе имеется три вывода. В случае МОП-транзисторов, являющихся частью ИС, подложка является общей для всех транзисторов, за исключением редких случаев намеренной изоляции. При соединении с общей подложкой на кристалле могут быть сделаны дополнительные контактные площадки для соединения с землёй или с цепью подачи напряжения смещения.

N-канальный МОП-транзистор с V-образной канавкой: Поперечное сечение, (b) условное обозначение.

МОП-прибор с V-образной канавкой (англ. VMOS, на рисунке выше) является улучшенной мощной версией МОП-транзистора с профилем распределения легирующей смеси, способствующим созданию более низкого сопротивления при проходе тока от истока к стоку. Своим названием этот прибор обязан V-образной канавке, благодаря которой увеличивается сечение области между истоком и стоком. Это сводит к минимуму потери и позволяет управлять большими токами. Разновидностью такого прибора является МОП-транзистор с U-образной канавкой (англ. UMOS), промышленное производство которого представляет меньшую сложность.

РЕЗЮМЕ:

МОП-транзисторы – униполярные приборы, т.е. протекание рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (также как и у полевых транзисторов).

МОП-транзисторы, как и полевые транзисторы являются устройствами, управляемыми напряжением. Напряжение на затворе управляет током от истока к стоку.

За исключением тока утечки, в МОП-транзисторах отсутствует постоянный ток. Однако для зарядки ёмкости управляющего электрода требуется значительный начальный толчок тока.

30 апреля 2009

Цифровые логические микросхемы, выполненные на комплементарных МОП транзисторах (КМОП)

Дата добавления: 2015-07-08