Полевые транзисторы с изолированным затвором

 

Если в полевых транзисторах с управляющим p-n -переходом затвор имеет электрический контакт с каналом, то в полевых транзисторах с изолированным затвором такой контакт отсутствует. В этих транзисторах (рис. 1.16, а) затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированного от полупроводника. В зависимости от вида изоляции различают МДП и МОП-транзисторы. Аббревиатура «МДП» расшифровывается как «металл — диэлектрик — полупроводник», а «МОП» — как «металл — оксид — полупроводник». В последнем случае под оксидом понимается оксид кремния, который является высококачественным диэлектриком.

 

 

Рис. 1.16. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом (а); его условное обозначение (б); передаточная (в) и выходные (г) характеристики

 

Исток и сток формируют в виде сильно легированных областей полупроводника. За счет этого области истока и стока имеют высокую концентрацию носителей, что отмечено на рисунке знаком «+». Как МДП-, так и МОП-транзисторы могут быть выполнены с каналом p- и n- типов. Канал в этой группе транзисторов может быть встроенным (т. е. созданным при изготовлении) и индуцированным (т. е. наводящимся под влиянием напряжения, приложенного к затвору).

Полевой транзистор с встроенным каналом. На рис. 1.16, а изображен МДП-транзистор с встроенным каналом n -типа (тонким слоем полупроводника n -типа), соединяющим исток и сток (n ⁺-области). Эти области образованы в подложке — полупроводнике р -типа. Строго говоря, в МДП- и МОП-транзисторах не три, а четыре электрода, включая подложку. Однако часто подложку электрически соединяют с истоком (или стоком), образуя три вывода.

В зависимости от полярности напряжения U _ЗИ, приложенного к затвору относительно истока, в канале может изменяться концентрация основных носителей (в рассматриваемом случае — электронов). При отрицательном напряжении на затворе U _ЗИ электроны выталкиваются из области канала в области n ⁺, канал обедняется носителями и ток I _С снижается. Положительное напряжение на затворе втягивает электроны из областей n ⁺ в канал и ток I _С через канал возрастает. Таким образом, в отличие от полевого транзистора с p-n -переходом в этом полевом транзисторе управляющее напряжение может быть как отрицательным, так и положительным, что отражено на его передаточной (рис. 1.16, в) и выходных (рис. 1.16, г) характеристиках.

Полевой транзистор с индуцированным каналом. Этот вид транзистора отличается от предыдущего тем, что при отсутствии напряжения на затворе канал отсутствует (рис. 1.17, а), так как n- области истока и стока образуют с p -подложкой два p-n -перехода, включенные навстречу друг другу, и, значит, при любой полярности напряжения U _СИ один из переходов заперт.

Если же на затвор подать напряжение больше порогового U _ЗИ > U _{ЗИ пор}, то созданное им электрическое поле вытягивает электроны из n ⁺-областей (и в какой-то мере из подложки), образуя тонкий слой n -типа в приповерхностной области p -подложки (рис.1.17, б). Этот слой соединяет исток и сток, являясь каналом n -типа. От подложки канал изолирован возникшим обедненным слоем.

Таким образом, полевые транзисторы с индуцированным n -каналом (n -МОП-транзисторы), в отличие от рассмотренных ранее полевых транзисторов, управляются только положительным сигналом U _ЗИ (рис. 1.17, г). Значение порогового напряжения у них 0,2…0,1 В.

 

 

Рис. 1.17. Полевой транзистор с индуцированным каналом в исходном состоянии (а) и при приложенном напряжении на затворе (б); его условное обозначение (в); передаточная (г) и выходные (д) характеристики

 

Значительно больше пороговое напряжение у р -МОП-транзистора, принцип работы которого аналогичен n -МОП-транзистору. Но в связи с тем, что носителями в нем служат дырки, а не электроны, полярность всех напряжений у этого транзистора противоположна n -МОП-транзистору. Значение порогового напряжения этого типа транзисторов составляет 2…4 В.

Как и биполярные, полевые транзисторы можно включать по схеме с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Как правило, используют схему c ОИ, так как она, подобно схеме c ОЭ биполярных транзисторов, позволяет получить значительные коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности одновременно.

Преимущества полевых транзисторов:

1) высокое входное сопротивление в схеме c ОИ;

2) малый уровень собственных шумов, так как перенос тока осуществляют только основные для канала носители и, следовательно, нет рекомбинационного шума;

3) высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий;

4) высокая плотность расположения элементов при изготовлении интегральных схем.

Отметим также интересную особенность полевых транзисторов: в принципе исток и сток в транзисторах равноправны, т. е. в зависимости от приложенной полярности напряжения исток и сток могут меняться местами. На этом свойстве основано использование полевых транзисторов в качестве электронных ключей вместо обычных контактных переключателей.

Полевые транзисторы широко используются в усилителях, генераторах и другой радиоэлектронной аппаратуре, а МОП-транзисторы являются основой для разработки всех современных средств вычислительной техники, включая микропроцессоры, микроконтроллеры, полупроводниковую память.

Сравнивая условные обозначения транзисторов (см. рис. 1.8, б; 1.9, б; 1.15, б, в; 1.16, б; 1.17, в) подчеркнем, что стрелка в них всегда направлена от p-области к n-области, что позволяет легко установить, например, тип канала полевого транзистора.

 

ТИРИСТОРЫ

 

Тиристоры — это полупроводниковые приборы с тремя или более p-n-переходами, которые имеют два устойчивых состояния и применяются как мощные электронные ключи.

Диодные тиристоры (динисторы) имеют два вывода от крайних чередующихся p - и n -областей (рис. 1.18, а).

Вывод, соединенный с крайней p- областью, называется анодом, а с крайней n-областью — катодом. Внешнее напряжение U является прямым по отношению к переходам П ₁ и П ₃ и обратным для перехода П ₂, поэтому переходы П ₁ и П ₃ открыты (подобно открытым диодам), а переход П ₂ заперт. В результате напряжение U почти целиком приложено к П ₂ и через тиристор протекает небольшой ток, являющийся обратным током I ₀ p-n -перехода.

 

 

Рис. 1.18. Тиристор диодный и его условное обозначение (а), эквивалентная схема (б) и вольт-амперная характеристика (в)

 

С увеличением напряжения ток через тиристор несколько возрастает (участок 0 В характеристики на рис. 1.18, в), а при достижении напряжением, приложенным между анодом и катодом, значения U _вкл, лавинообразно увеличивается, ограничиваясь только сопротивлением нагрузки. Поясним этот процесс.

Тиристор можно представить как два биполярных транзистора VТ 1и VТ 2 (рис. 1.18, б). Небольшое приращение тока Δ I _Э1 = Δ I вызывает (как в обычном транзисторе) приращение тока коллектора Δ I _К1, который, поступая в базу транзистора VТ 2, вызывает приращение его коллекторного тока:

Δ I _К2 = Δ I _Б2 β ₂ = Δ I _К1 β ₂,

где β ₂ — коэффициент передачи тока VТ 2. Но ток коллектора второго транзистора, как показано по схеме, является базовым для первого транзистора (Δ I _K2 = Δ I _Б1), поэтому ток I _K1, в свою очередь, увеличивается:

Δ I _К1= Δ I _Б1 β ₁= Δ I _К2 β ₁= Δ I _К1 β ₂ β ₁ и т.д.

Этот процесс соответствует участку BC вольт-амперной характеристики с отрицательным сопротивлением и переводит тиристор в открытое состояние, когда он ведет себя как диод в прямом направлении.

Чтобы запереть (погасить) тиристор, необходимо каким-либо образом уменьшить ток I, протекающий через него, до значения, меньшего удерживающего I _уд. Если напряжение U, питающее схему, переменное, то тиристор запирается в отрицательный полупериод, когда ток I достигает нуля, если же оно постоянное, то для запирания тиристора применяют так называемые схемы гашения.

Перевод тиристора из запертого состояния в открытое можно вызвать не только повышением анодного напряжения, но и кратковременным увеличением тока базы в одном из транзисторов его эквивалентной схемы. Для этого от одной из баз делают вывод управляющий электрод (УЭ) (рис. 1.19, а). Подавая импульс тока управления I _у, можно вызвать лавинообразное увеличение тока при U < U _вкл (рис. 1.19, в). Такие тиристоры называют триодными (управляемыми) тиристорами.

Основные параметры тиристоров:

• наибольший прямой ток — до 2000 А;
• допустимое обратное напряжение — от 100 до 2400 В;
• допустимая частота переключений — до 2000 Гц.

 

 

Рис. 1.19. Триодный (управляемый) тиристор:

а — структура, б — условное обозначение, в — вольт-амперные характеристики

 

Тиристоры нашли свое применение в силовой электронике и электротехнике — там, где требуется формирование мощных питающих напряжений постоянного или переменного тока, питающих напряжений с регулируемой частотой, специальной формы. В частности, на основе тиристоров разрабатываются устройства регулирования частотой вращения электродвигателей, в том числе в приводах станков.

 

ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

 

Микроэлектроника — это направление электроники, позволяющее с помощью комплекса технологических, конструктивных и схемотехнических средств создавать малогабаритные, высоконадежные и экономичные электронные устройства.

Микроэлектроника основана на применении интегральных микросхем (ИМС), в которых элементы нераздельно связаны между собой и представляют единое целое. ИМС изготавливают на основе кристалла полупроводника, в качестве которого чаще всего используют кремний. В кристалле кремния создаются p-n -переходы, образующие как активные, так и пассивные элементы электрической схемы. Элементы микросхемы связываются между собой электрически с помощью тонких металлических перемычек. Такой кристалл называют чип (от англ. chip — кристалл). Характеристикой сложности ИМС является уровень интеграции, оцениваемый числом транзисторов, которые могут быть реализованы на кристалле.

В зависимости от уровня интеграции ИМС делят на несколько категорий:

• малые ИМС — до 10 элементов (МИС);
• средние ИМС — от 10 до 100 элементов (СИС);
• большие ИМС — от 100 до 10⁵ элементов (БИС);
• сверхбольшие ИМС — 10⁵ и более элементов (СБИС).

В качестве элементов в микросхемах чаще всего выступают транзисторы, что в особенности касается цифровых микросхем. Современные СБИС содержат несколько сотен миллионов транзисторов, причем степень интеграции постоянно повышается. Необходимо отметить, что четкой границы между БИС и СБИС не существует, и часто их объединяют в один класс БИС/СБИС. На сегодняшний день практическое использование находят все категории ИМС.

Кроме степени интеграции ИМС могут классифицироваться в зависимости от их функционального назначения на два больших класса: цифровые и аналоговые. Цифровые ИМС оперируют с входными напряжениями, дискретно меняющими свое значение, которое соответствует либо «1», либо «0». Аналоговые ИМС используются для преобразования непрерывно изменяющихся во времени сигналов.

Цифровые ИМС в зависимости от степени интеграции могут выполнять простейшие логические преобразования (МИС), образовывать целые узлы цифровых устройств, таких как малоразрядные регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры и т.п. (СИС). Цифровые БИС/СБИС способны выполнять функции уже не отдельного узла, а целой системы. К ним относятся все микропроцессорные ИМС, микросхемы памяти, ИМС программируемой логики, ИМС, реализующие стратегию «Система в кристалле».

Аналоговые ИМС выполняют разнообразные функции: усиление сигналов переменного и постоянного токов, генерирование колебаний различной формы, обеспечение других ИМС стабилизированным напряжением питания, цифроаналоговое и аналого-цифровое преобразования сигналов, фильтрацию сигналов, их модуляцию и демодуляцию и т.п.

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: