ЭЛЕКТРОНИКА краткий курс лекций

канд. техн. наук, доцент кафедры ЭЭТС УГТУ-УПИ



Екатеринбург 2020

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 (UЗИ.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.

между затвором и истоком равном нулю и напряжении на стоке,

равном или превышающим напряжение насыщения.
Остаточный ток стока IС.ост - ток стока при напряжении между затвором и истоком большим напряжения отсечки.
Ток утечки затвора IЗ.ут - ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.
Обратный ток перехода затвор - сток IЗСО - 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.

истоком транзистора, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Пороговое напряжение UЗИ.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 С11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком.
Выходная емкость полевого транзистора С22и - емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком.

и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе

в схеме с общим истоком.
Емкость затвор - сток СЗСО - емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
Емкость затвор - исток СЗИО - емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
Коэффициент усиления по мощности Кур - 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.

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).

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.

Индуцированный
Встроенный

кремния). Затвор отделяют от канала слоем диэлектрика или двуокиси кремния

(SiO2). Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. 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 (UЗИ.пор). Так как появление и рост проводимости индуцированного канала связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, что канал работает в режиме обогащения.

а - стоковые, б - стоко - затворные
б
б
а

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 (UЗИ.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 (UЗИ = 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).

а - стоковые, б - стоко - затворные
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.

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 металл – нитрид – окисел – полупроводник (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 Si3N4 имеет большое число дальних уровней (ловушек) в запрещенной зоне и высокую диэлектрическую проницаемость, более чем в два раза превышающую диэлектрическую проницаемость SiO2. При подаче положительного напряжения на затвор это вызывает эффект «усиления» поля в SiO2 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.

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.

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».

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.

транзисторы могут быть n-канальными или р-канальными. Напряжение на стоке, относительно

истока, у n-канальных транзисторов положительное, а р-канальных – отрицательное.

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).

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.

ОИ

ОС

ОЗ

записать уравнения его электрического состояния:




При коротком замыкании на выходе UС

= 0, можно найти два параметра:



При коротком замыкании на входе UЗ = 0, и можно найти два других параметра:

есть входная проводимость (утечки затвора).



Параметр

есть проводимость обратной передачи.



Параметр есть проводимость прямой передачи (крутизна S).



Параметр есть выходная проводимость.

проводимость определяется проводимостью участка затвор - исток и проводимостью прямой

передачи Y11 = YЗИ + Y12 ; выходная проводимость - проводимостью участка сток - исток и проводимостью обратной передачи Y22 = YСИ + Y21 ; функция передачи - крутизной вольт-амперной характеристики S = Y21; функция обратной передачи - проходной проводимостью YЗС = Y12 .

- цепи затвора. Поскольку входная емкость С11и 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 : fгр.=159/С11и , где fгр – частота, МГц; С11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи, пФ.

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.

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.

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 UЗИ макс ;
Максимально допустимое напряжение затвор - сток UЗС макс ;
Максимально допустимое напряжение сток - исток UСИ макс ;
Максимально допустимое напряжение сток - подложка UСП макс ;
Максимально допустимое напряжение исток - подложка UИП макс ;
Максимально допустимое напряжение затвор - подложка UЗП макс ;
Максимально допустимый постоянный ток стока IС макс ;
Максимально допустимый прямой ток затвора IЗ(пр) макс ;
Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на стоке РС макс .

транзистора напряжение на стоке было меньше допустимого:

UС

Uмакс

Аналогично есть ограничение по току стока:
IС < Iмакс
и по мощности рассеяния:


При выполнении этих условий транзистор будет работать в области безопасной работы (ОБР)

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.

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.

самовозбуждением - а, или с управлением от интегральной схемы –

специализированного контроллера - б.

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.