Как работает МОП транзистор

Содержание

В кристалле полупроводника с высоким удельным сопротивлением (подложка) созданы две сильно легированные области с противоположным типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями может составлять десятые и сотые доли микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким (порядка 0,01 мкм) слоем диэлектрика (обычно — окисел кремния SiO2, выращенный путем высокотемпературного окисления). На слой диэлектрика нанесен металлический управляющий электрод – затвор. В данной работе рассматриваются полевые транзисторы с индуцированным каналом, образующимся в режиме инверсии. Это означает, что канал проводимости между областями истока и стока в обычном состоянии (напряжение между затвором и истоком равно нулю) отсутствует (рисунок 2).

Транзисторы могут изготавливаться на кремнии как p-типа, так и на кремнии n-типа. Для структур, изготовленных на кремнии p-типа и имеющих n-канал,

для сбора носителей заряда на сток подаётся положительное напряжение относительно истока (рисунок 2,а). Если же структуры изготовлены на кремнии n-типа и имеют p-канал, на сток подаётся отрицательное напряжение относительно истока (рисунок 2,б).

Условные обозначения транзисторов с индуцированным каналом приведены на рисунке 3.

Вольт-амперные характеристики МОП-транзистора с индуцированным n-каналом представлены на рисунке 4. Здесь же показаны явления, происходящие в канале при различных напряжениях на стоке транзистора.

В рабочем режиме при протекании по каналу тока напряжение затвора напряжение на затворе для различных участков канала оказывается неодинаковым. Оно изменяется от UЗИ вблизи истока до UЗИ — UСИ вблизи стока. Следовательно, толщина канала и его удельная проводимость уменьшаются от истока к стоку. Соответственно уменьшается и общая проводимость канала.

При малых напряжениях UСИ эти изменения незначительны (рисунок 4, б-1). При напряжении сток-исток UСИ = UЗИ — UЗИ пор напряжение между затвором и участком канала, примыкающим к стоку, становится равным пороговому напряжению, и инверсная область здесь исчезает. Соответственно, инверсный канал смыкается. В точке смыкания обедненный слой р-слой касается изолирующего подзатворного слоя окисла SiO2. Это вызывает не прекращение тока, а ограничение его величины (насыщение). Объясняется это тем, что электроны канала, являясь неосновными носителями для обедненного p-слоя, свободно проходят через обратно смещенный n + p-переход сток-подложка (рисунок 4, б-2). При дальнейшем увеличении напряжения на стоке точка смыкания канала все более отодвигается от стока (рисунок 4,б-3). Ширина же обедненной области пространственного заряда вблизи стока возрастает.

Ключевой режим работы моп-транзистора

МОП MOSFET ТРАНЗИСТОР. ПРИНЦИП РАБОТЫ В АНИМАЦИИ. БЕЗ ЛИШНЕЙ ВОДЫ И ФОРМУЛ. # транзистор #mosfet

Рассмотрим работу ключа на МОП-транзисторе с n-каналом, изготовленного на кремнии р-типа. (рисунок 5,а) При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, ток стока оказывается ничтожно малым. Это означает, что транзисторный ключ закрыт, напряжение сток-исток максимально, что соответствует логической единице (рисунок 5,б, строка 1).

Подача на затвор положительного относительно истока напряжения приводит к отталкиванию основных носителей — дырок — от поверхности полупроводника и притяжению к поверхности неосновных носителей – электронов (режим обеднения). При определенном значении напряжения на затворе относительно истока (пороговое напряжение UЗИ пор) концентрация электронов у поверхности становится выше концентрации дырок, и проводимость поверхностного слоя меняется с дырочной на электронную (режим инверсии). При этом в поверхностном слое возникает проводящий n-канал и появляется заметный ток стока. Чем больше напряжение на затворе, тем больше инверсия и тем больше ток, протекающий через транзистор. При этом падает напряжение между истоком и стоком — транзисторный ключ открыт, что соответствует логическому нулю (рисунок 5,б строка 2).

Недостатком данных ключей является наличие резисторов, которые занимают в подложке значительно больше места, чем транзистор. Поэтому наиболее широко применяются интегральные микросхемы, у которых вместо резистора также применяется МОП — транзистор, но с каналом другого типа проводимости. Такие взаимодополняющие структуры получили название комплементарных МОП – пар (рисунок 6).

Если на затворы такой МОП-пары подать сигнал логического нуля, то в транзисторе VT2 (c каналом n-типа проводимости) канал будет отсутствовать, а в транзисторе VT1 с каналом p-типа канал будет индуцирован, т. к. на затворе относительно истока будет действовать отрицательное напряжение. Через этот канал выход Y соединяется с плюсом источника питания ИП, и на выходе будет высокий уровень логической единицы.

При подаче на вход логической единицы канал в транзисторе VT1 исчезает, а в VT2 канал индуцируется и через этот канал соединяется с нулевым потенциалом общего провода, следовательно, на выходе будет логический ноль.

Достоинства комплементарной МОП – пары – отсутствие резисторов, что позволяет повысить степень интеграции; очень малое потребление тока, т. к. между плюсом и минусом источника питания всегда оказывается транзистор, у которого нет канала.

Для чего нужен МОП-транзистор?

МОП смд транзисторы g1 полезны, когда необходимо контролировать потоки тока. В исходном положении между коллектором и эмиттером течет ток. Управляющий электрод контролирует процесс работы: если на него не подается напряжение, ток не может течь. Таким образом, полевой МОП-транзистор имеет как минимум три вывода:

Существуют также полевые МОП-транзисторы с дополнительным соединением: оно называется B. Этот вывод B подключается к задней части микросхемы. СМД транзистор 1am , как и другие полевые транзисторы, действует как резистор, управляемый напряжением. Он может изменить текущий поток на несколько порядков. Если напряжение между затвором и истоком изменяется, сопротивление между стоком и истоком также изменяется. Чем ниже приложенное напряжение, тем выше сопротивление и наоборот. Эта функция МОП-транзистора может заменить реле, которое было распространено в прошлом, особенно когда необходимо включать и выключать большие токи. Полевые транзисторы имеют очень низкие потери мощности по сравнению с биполярными транзисторами.

Протекает ли ток в MOSFET с отрицательным или положительным напряжением, зависит от конструкции N-канального или P-канального MOSFET. Соответствующая конструкция типа обогащения или истощения приводит к различным функциональным возможностям и множеству возможных применений. Каждый МОП-транзистор:

Представляет собой интегральную схему, установленную на печатной плате.
Коммутирует и усиливает электронные сигналы.
Управляет потоком тока, который течет от истока к клеммам стока.
Часто используется в качестве переключателя, управляемого напряжением, в таких схемах, как микропроцессоры и другие компоненты памяти.
Обычно поставляется в одном из следующих стандартных пакетов: DPAK, D2PAK, DFN, I2PAK, SOIC, SOT-223 и TO-220.

Всего существует 4 типа МОП-транзисторов с различием между n-каналом и p-каналом, а также типом расширения и типом истощения. МОП-транзистор не всегда может работать в области SOA. В этом совете по мощности мы покажем вам, как можно эффективно ограничить ток. В электронных схемах часто приходится ограничивать токи. Например, через соединение USB не должны протекать чрезмерные токи, иначе цепь будет повреждена.

Ограничение тока при по мощи транзистора

Ограничение тока важно и при разрядке аккумулятора, например в павербанке. При разрядке слишком большими токами напряжение аккумулятора может резко падать, а это значит, что подключенное устройство недостаточно заряжено. Поэтому во многих случаях необходимо ограничивать ток. Большинство преобразователей напряжения имеют предел перегрузки по току, чтобы защитить себя от повреждений, вызванных перегрузкой по току. В некоторых преобразователях постоянного тока можно даже регулировать порог. На рис. 1 показан пример такого пути питания.

Если используется повышающий DC/DC преобразователь со встроенным, возможно, даже регулируемым, ограничением тока в цепи питания, то дополнительный «ограничитель тока» не требуется. Однако во многих случаях преобразователь постоянного тока в постоянный не используется в цепи питания. Это тот случай, когда в системе имеется напряжение 24 В, необходимо ограничить протекание тока по этой линии, но нагрузка работает именно при этих 24 В. Именно здесь имеет смысл использовать ограничитель тока.

Микросхема может содержать два смд транзистор 12w , которые управляют ограничением тока от 150 мА до 1 А.

Если ток достигает этого предела, подача тока либо прерывается, либо возобновляется после определенного периода ожидания.
Во втором варианте подача тока постоянно прерывается до следующего включения устройства.
Третий способ заключается в ограничении тока за счет снижения напряжения.Внутренний МОП-транзистор работает в омическом диапазоне для всех вариантов и действует как своего рода линейный регулятор. В любом из этих регулируемых режимов ограничения внутренний полевой МОП-транзистор всегда находится в состоянии SOA и не будет поврежден. И все это без трудоемких расчетов и оценок.

Схема ограничения тока обычно поставляется с защитными устройствами, такими как контроллеры с горячей заменой, устройства защиты от перенапряжения, электронные предохранители, идеальные диоды и т. Д. В большинстве этих ИС в качестве переключателей используются внешние МОП-транзисторы ; для включения и выключения потока тока, а также для ограничения тока. Переключатель работает как линейный регулятор. Однако с такой схемой вы должны убедиться, что полевой смд транзистор 2l всегда работает в пределах своей безопасной рабочей зоны SOA, Save Operating Area.

Если это не так, полупроводник и, следовательно, схема могут быть повреждены. К сожалению, часто бывает не так просто выбрать правильный полевой МОП-транзистор и эксплуатировать его так, чтобы он никогда не покидал область SOA. На SOA влияют рабочая температура, напряжение, сила тока и, самое главное, время.

Однако в случае с небольшими полевыми МОП-транзисторами следует иметь в виду, что это довольно хрупкие устройства, которые легко повредить, поэтому с ними следует обращаться осторожно и, прежде всего, правильно их хранить. Лучше всего использовать черную токопроводящую губку. Перед их установкой обязательно заземлите и рабочую станцию, и жало паяльника, и разрядите свой корпус. Такая большая осторожность, безусловно, позволит избежать возможных повреждений. Кроме того, наиболее важным является тот факт, что MOSFET-транзисторы относятся к системам, в которых протекающий ток зависит от величины приложенного к ним напряжения, поскольку эти элементы практически не потребляют ток от источника управления.

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

Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:

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

Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
Максимальное 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 характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

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.

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.

Между затвором и истоком прикладывается плюсовое напряжение к затвору.
Между металлическим выводом затвора и подложкой появляется электрическое поле.
Электрическое поле притягивает к приповерхностному слою диэлектрика свободные электроны, ранее распределенные в кремниевой подложке.
В приповерхностном слое появляется область проводимости (канал) n-типа, состоящая из свободных электронов.
Между выводами стока и истока появляется «мост», проводящий электрический ток.
Проводимость полевого транзистора регулируется величиной внешнего управляющего напряжения. При его снятии проводящий «мостик» исчезнет и прибор закроется.

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:

возможность мгновенного переключения;
отсутствие вторичного пробоя;
хорошая эффективность работы при низких напряжениях;
стабильность при температурных колебаниях;
низкий уровень шума при работе;
большой коэффициент усиления сигнала;
экономичность в плане энергопотребления;
меньшее количество технологических операций при построении схем с использованием МОП-транзисторов по сравнению с применением биполярных приборов.

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.

MOSFET транзисторы

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n – переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).

Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел – полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO2).

Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик – полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов – IRFZ44N.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.
Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.
Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO2). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом (+) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO2). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись «Power MOSFET» или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому – напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.

Устройство и принцип действия моп-транзистора

Условные обозначения транзисторов с индуцированным каналом приведены на рисунке 3.

Ключевой режим работы моп-транзистора

Устройство и принцип работы полевого транзистора.

ПТ состоит из трёх элементов – истока, стока и затвора. Функции первых двух очевидны и состоят соответственно в генерировании и приёме носителей электрического заряда, то есть электронов или дырок. Предназначение затвора заключается в управлении током, протекающим через полевой транзистор. Таким образом, мы получаем классический триод с катодом, анодом и управляющим электродом.

В момент подачи напряжения на затвор возникает электрическое поле, изменяющее ширину p-n-переходов и влияющее на величину тока, который протекает от истока к стоку. При отсутствии управляющего напряжения ничто не препятствует потоку носителей заряда. С повышением управляющего напряжения канал, по которому движутся электроны или дырки, сужается, а при достижении некоего предельного значения закрывается вовсе, и ПТ входит в так называемый режим отсечки. Как раз это свойство полевых транзисторов и позволяет использовать их в качестве ключей.

Усилительные свойства радиокомпонента обусловлены тем, что мощный электрический ток, протекающий от истока к стоку, повторяет динамику напряжения, прикладываемого к затвору. Другими словами, с выхода усилителя снимается такой же по форме сигнал, что и на управляющем электроде, только гораздо более мощный.

Распространённые типы полевых транзисторов.

В настоящее время в радиоаппаратуре применяются ПТ двух основных типов – с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Опишем подробнее каждую модификацию.

1. Управляющий p-n-переход.

Эти полевые транзисторы представляют собой удлинённый полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими выводами играют роль стока и истока. Функцию затвора исполняет небольшая область с обратной проводимостью, внедрённая в центральную часть кристалла. Так же, как сток и исток, затвор комплектуется металлическим выводом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

2. Изолированный затвор.

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанных выше ПТ с управляющим p-n-переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на некотором удалении друг от друга внедрены две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.

Из-за того, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов – металл, диэлектрик и полупроводник, – данные радиокомпоненты часто именуют МДП-транзисторами. В элементах, которые формируются в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, в связи с чем буква «Д» в аббревиатуре заменяется на «О», и такие компоненты получают название МОП-транзисторов.

Существует два вида этих полевых транзисторов – с индуцированным и встроенным каналом. В первых физический канал отсутствует и возникает только в результате воздействия электрического поля от затвора на подложку. Во вторых канал между истоком и стоком физически внедрён в подложку, и напряжение на затворе требуется не для формирования канала, а лишь для управления его характеристиками.

Схемотехническое преимущество ПТ с изолированным затвором перед транзисторами с управляющим p-n-переходом заключается в более высоком входном сопротивлении. Это расширяет возможности применения данных элементов. К примеру, они используются в высокоточных устройствах и прочей аппаратуре, критичной к электрическим режимам.

В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодеталями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать паяльную станцию с заземлением, а, кроме того, заземляться должен и человек, выполняющий пайку. Даже маломощное статическое электричество способно повредить полевой транзистор.

Распространённые типы полевых транзисторов.

1. Управляющий p-n-переход.

2. Изолированный затвор.

Схемы включения полевых транзисторов.

В зависимости от того, каким образом ПТ включается в усилительный каскад, существует три схемы – с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Способы различаются тем, на какие электроды подаются питающие напряжения, и к каким цепям присоединяются источник сигнала и нагрузка.

Схема с общим истоком используется чаще всего, так как именно в этом случае достигается максимальное усиление входного сигнала. Способ включения ПТ с общим стоком используется, главным образом, в устройствах согласования, поскольку усиление здесь небольшое, но входной и выходной сигналы совпадают по фазе. И, наконец, схема с общим затвором находит применение, в основном, в высокочастотных усилителях. Полоса пропускания при таком включении полевого транзистора гораздо шире, чем при других схемах.