Автор курса лекций: Удинцев Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры ЭЭТС УГТУ-УПИ Екатеринбург 2020
Лекция 6 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
МДП ( МОП, MOS ) полевой транзистор с изолированным затвором - полевой ( униполярный) транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. В МДП - транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между истоком и стоком появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока. Это напряжение называют пороговым ( U ЗИ.пор ). В МДП - транзисторах со встроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим путем и образуется при напряжении на затворе равном нулю. Полевой транзистор с управляющим р - n переходом - полевой ( униполярный) транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р - n переходом, смещенным в обратном направлении. 3
Начальный ток стока I С. нач - ток стока при напряжении между затвором и истоком равном нулю и напряжении на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения. Остаточный ток стока I С.ост - ток стока при напряжении между затвором и истоком большим напряжения отсечки. Ток утечки затвора I З.ут - ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор - сток I ЗСО - ток, протекающий в цепи затвор - сток при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор - исток I ЗИО - ток, протекающий в цепи затвор - исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами. 4
Напряжение отсечки U ЗИ. отс – напряжение между затвором и истоком транзистора, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Пороговое напряжение U ЗИ.пор – напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, при котором появляется ток стока заданного малого значения. Крутизна характеристик полевого транзистора S - отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Входная емкость полевого транзистора С 11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С 22и - емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. 5
Проходная емкость полевого транзистора C 12и - емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор - сток С ЗСО - емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Емкость затвор - исток С ЗИО - емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Коэффициент усиления по мощности К ур - отношение мощности на выходе полевого транзистора к мощности на входе при определенной частоте и схеме включения. Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность работы. 6
Полевые (униполярные) транзисторы - это полупроводниковые приборы, усилительные свойства которых обусловлены потоком ос-новных носителей, протекающим через тонкую область полупро-водника – проводящий канал, между его выводами: истоком и стоком, и управляемым электрическим полем металлического или поликристаллического затвора. Работа полевых транзисторов основана на эффекте поля, когда под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация основных носителей в приповерхностной области полупроводника. Полевыми они названы потому, что управляются электрическим полем, создаваемым между затвором и подложкой или истоком. В отличие от биполярных работа полевых транзисторов основана на использовании только неосновных носителей заряда в полупроводнике, поэтому они называются также униполярными. По конструктивному исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно разделить на две группы: полевые транзисторы с управляющим р - n – переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором (ПТИЗ). 7
Полевой транзистор с изолированным зат-вором – это полевой транзистор, затвор которого отделен от канала слоем диэлект-рика, на который нанесен металлический электрод – затвор. Электрическое поле между затвором и подложкой вызывает движение неосновных носителей заряда по направлению к затвору. Эти носители заряда образуют проводящий канал между истоком и стоком транзистора с инверсной проводи-мостью по отношению к подложке. 8 Индуцированный Встроенный
Подложка – это кристалл полупроводника (обычно кремния). Затвор отделяют от канала слоем диэлектрика или двуокиси кремния ( SiO 2 ). Получается структура, состоящая из м еталла, д иэлектрика и п олупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором также называют МДП – транзисторами, МОП – транзисторами (металл-окисел-полупроводник) или MOS – транзисторами (металл – окисел – кремний). Существуют две разновидности МДП-транзисторов : с индуцированным и со встроенным каналом. В МДП – транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (отрицательного при р -канале и положительного при п -канале ). Это напряжение называют пороговым ( U ЗИ.пор ). Так как появление и рост проводимости индуцированного канала связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, что канал работает в режиме обогащения. 9
10 б б а
В МДП – транзисторах со встроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим путем и образуется при напряжении на затворе равном нулю. Током стока можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором положительном напряжении затвор – исток транзистора с р – каналом или отрицательном напряжении транзистора с n – каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки ( U ЗИ.отс ). МДП - транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основными носителями заряда. Особенностью МДП - транзистора со встроенным каналом является возможность работы без постоянного напряжения смещения в активном (усилительном) режиме ( U ЗИ = 0) с обеднением и обогащением канала основными носителями заряда под действием напряжения входного сигнала. Поэтому говорят, что МДП-транзистор – это прибор, управляемый напряжением (управляемое сопротивление). 11
12 а а б
В зависимости от знака и величины приложенного напряжения ПТИЗ может иметь четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) – обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия. В активном режиме ПТИЗ могут работать только при сильной или слабой инверсии, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от квазинейтрального объема подложки обедненной областью (ОПЗ), а концентрация неосновных носителей заряда в канале выше, чем основных носителей заряда в объеме полупроводника подложки. Напряжение на затворе при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением. При его увеличении увеличивается концентрация свободных носителей в канале – канал обогащается, а при его снижении канал обедняется. 13
МДП-транзисторы возможно использовать в качестве элементов энергонезависимой памяти, если каким-то образом изменять пороговое напряжение или напряжение отсечки (см. проходную ВАХ). Наиболее распространенным способом управления величиной порогового напряжения является изменение заряда в подзатворном диэлектрике м еталл – н итрид – о кисел – п олупроводник ( МНОП ) транзисторах, создающего «встроенное» электрическое поле. В МНОП-транзисторах используется двухслойный диэлектрик: первый слой – сверхтонкая ( < 50 Å ) туннельно прозрачная двуокись кремния, второй – нитрид кремния ( > 1000 Å ). Нитрид кремния Si 3 N 4 имеет большое число дальних уровней (ловушек) в запрещенной зоне и высокую диэлектрическую проницаемость, более чем в два раза превышающую диэлектрическую проницаемость SiO 2. При подаче положительного напряжения на затвор это вызывает эффект «усиления» поля в SiO 2 из-за большого различия в диэлект-рических проницаемостях и туннельную инжекцию электронов из полупроводника через окисел в нитрид кремния. Уровни-ловушки перехватывают их, что вызывает «встроенный» в нитрид отрицательный заряд. 14
После снятия с затвора напряжения инжектированный в нитрид заряд длительное время сохраняется на ловушечных центрах, что приводит к существованию (сохранению, запо-минанию ) «встроенного» электри-ческого поля (логический «0»). При подаче на затвор отрицатель-ного напряжения электроны с уровней-ловушек туннелируют об-ратно в зону проводимости полу-проводника подложки и « встроен-ное » поле исчезает (логическая «1»). Это позволяет использовать МНОП-транзисторы в качестве бистабильных элементов энергонезависимой памяти в цифровых устройствах. 15
ЛИЗМОП –транзисторы или полевые транзисторы с плавающим затвором работают так же, как и МНОП-транзисторы, но подзатворный диэлектрик состоит из трех слоев. В качестве плавающего затвора используется легированный фосфором поликрис-таллический кремний. При подаче положительного напря-жения происходит туннельная ин-жекция электронов через первый слой диэлектрика в плавающий затвор и накопление там отрицательного заряда, который сохраняется в течении длительного времени (до 3-5 лет). При подаче отрицательного напря-жения этот заряд «стирается». 16
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала p-n переходом, смещенным в обратном направлении. Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком ; электрод, через который из канала уходят носители заряда, стоком ; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, затвором. 17
18
В зависимости от типа проводимости канала полевые транзисторы могут быть n - канальными или р -канальными. Напряжение на стоке, относительно истока, у n - канальных транзисторов положительное, а р -канальных – отрицательное. 19 Обозначения копируют внутреннюю структуру транзистора. Так, полевой транзистор с управляющим переходом показан слева, а МДП - транзистор со встроенным каналом – справа. Прерывистая линия канала обозначает индуци-рованный канал (в центре).
20
21
22
Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом на затвор; с общим стоком и входом на затвор; с общим затвором и входом на исток. Схемы включения полевого транзистора показаны на рисунке. 23 ОИ ОС ОЗ
Представив полевой транзистор в виде четырехполюсника можно записать уравнения его электрического состояния: При коротком замыкании на выходе U С = 0, можно найти два параметра: При коротком замыкании на входе U З = 0, и можно найти два других параметра: 24
Параметр есть входная проводимость (утечки затвора). Параметр есть проводимость обратной передачи. Параметр есть проводимость прямой передачи (крутизна S ). Параметр есть выходная проводимость. 25
В схеме с общим истоком входная проводимость определяется проводимостью участка затвор - исток и проводимостью прямой передачи Y 11 = Y ЗИ + Y 12 ; выходная проводимость - проводимостью участка сток - исток и проводимостью обратной передачи Y 22 = Y СИ + Y 21 ; функция передачи - крутизной вольт-амперной характеристики S = Y 21 ; функция обратной передачи - проходной проводимостью Y ЗС = Y 12. 26
Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC - цепи затвора. Поскольку входная емкость С 11и у транзисторов с управляющим р-п переходом относительно велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот не превышающих нескольких сотен мегагерц. При работе в переключающих схемах скорость переключения также полностью определяется постоянной времени RC - цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с управляющим р-п - переходом. Граничная частота приблизительно может определяется по формуле для частоты среза ФНЧ : f гр.= 159/ С 11и, где f гр – частота, МГц; С 11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи, пФ. 27
При изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевых транзисторов, в первую очередь, тока стока, крутизны, тока утечки затвора и сопротивления канала. С ростом температуры ток утечки затвора у транзисторов с р-п переходом увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы. В полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически не зависит от температуры. Зависимость крутизны характеристики от температуры у полевых транзисторов такая же как и у тока стока – они увеличиваются с ростом температуры. Внутреннее сопротивление канала также возрастает с ростом температуры. 28
29 Зависимость изменения тока стока от температуры у транзисторов с управляющим р-п переходом опре-деляется двумя факторами: кон-тактной разностью потенциалов р-п перехода и изменением подвиж-ности основных носителей заряда в канале. При повышении темпера-туры контактная разность потен-циалов уменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но повышение температуры приво-дит к уменьшению подвижности но-сителей заряда в канале и тока стока. При определенных условиях дейст-вие этих факторов взаимно компен-сируется и ток полевого транзистора перестает зависеть от температуры.
Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность его работы. К предельно допустимым параметрам относятся: Максимально допустимое напряжение затвор - исток U ЗИ макс ; Максимально допустимое напряжение затвор - сток U ЗС макс ; Максимально допустимое напряжение сток - исток U СИ макс ; Максимально допустимое напряжение сток - подложка U СП макс ; Максимально допустимое напряжение исток - подложка U ИП макс ; Максимально допустимое напряжение затвор - подложка U ЗП макс ; Максимально допустимый постоянный ток стока I С макс ; Максимально допустимый прямой ток затвора I З( пр ) макс ; Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на стоке Р С макс. 30
31 Необходимо, чтобы при работе транзистора напряжение на стоке было меньше допустимого: U С < U макс Аналогично есть ограничение по току стока: I С < I макс и по мощности рассеяния: При выполнении этих условий транзистор будет работать в области безопасной работы (ОБР)
1. На затвор полевых транзисторов не допускается подача напряжения более 10 – 20 В и работа с прямыми токами затвора. 2. Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. 3. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. 4. Необходимую пайку производить заземлив жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Подсоединять полевой транзистор к схеме нужно предварительно закоротив его выводы. 32
Для повышения мощности Р Сmax выпускаются мощные транзис-торные сборки, в которых транзисторы соединены одноименными выводами. Транзисторные сборки могут насчитывать несколько десятков мощных транзисторов и работать при токах более 1500 А. Для улучшения свойств транзисторных сборок в них часто вводят специальные схемы защиты от перегрева и перегрузки по току. В отличие от мощных сборок в маломощных транзисторных сборках транзисторы не соединены и могут использоваться независимо. Полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и широко применяются в различных схемах усилителей, генераторов, логических и импульсных устройств. Мощные полевые транзисторы имеют очень малую мощность управления, высокую скорость переключения и повышенную линейность в усилительных режимах, что привело к широкому их применению в самых различных устройствах силовой электроники: преобразователях частоты, импульсных генераторах, источниках сварочного тока и т.п. 33
Драйвер затвора с оптронной гальваноразвязкой. Схемы электронных балластов с самовозбуждением - а, или с управлением от интегральной схемы – специализированного контроллера - б. 34
Список литературы Дьяконов В.П., Максимчук А.А., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах/ Дьяконов В.П., Максимчук А.А., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. – М.: СОЛОН-Р. – 2002. 512 с., ил. ISBN 5-93455-160-4 Гуртов В.А. Твердотельная электроника: Учеб. пособие – 2-е изд., доп. - М.: Техносфера 2007. – 408 с. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: КОРОНА принт, 2006. – 400 с., ил. Новиков, Ю.Н. Электротехника и электроника. Теория цепей и сигналов, методы анализа : учебное пособие / Ю.Н. Новиков. – СПб. : Питер, 2005. – 384 с. Новгородцев, А.Б. Теоретические основы электротехники. 30 лекций по теории электрических цепей : учебное пособие / А.Б. Новгородцев. – 2-е изд. – СПб. : Питер, 2006. – 576 с. Атабеков, Г.И. Основы теории цепей : учебник для вузов / Г.И. Атабеков. – 2-е изд., испр. – СПб. : Лань, 2006. – 432 с. 35
Конец фильма Спасибо за внимание!
