Реферат: МОП-транзисторы
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ1.<span Times New Roman"">
Устройство полевого транзистора.2.<span Times New Roman"">
Схемы включения полевого транзистора.3.<span Times New Roman"">
Эквивалентная схема полевого транзистора.4. Параметры полевого транзистора.
4.1. Частотные свойства.
4.2. Шумовые свойства.
4.3. Тепловые параметры.
4.4. Максимально допустимые параметры.
4.5. Вольт — амперные характеристики полевых транзисторов.
5.Рекомендации по применению полевых транзисторов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕДействие транзистора можно сравнить сдействием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотинысоздан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальноеперемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е.управлять энергией мощного постоянного источника
Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много разбольше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкоеприменение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и,конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многихэлектрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.
Преимуществатранзисторов по сравнению с электронными лампами — те же, как и уполупроводниковых диодов — отсутствие накалённого катода, потребляющегозначительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме тоготранзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрическиелампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и болеевысоких частотах.
Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки.Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышениютемпературы, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобысделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные корпуса ).
Основныематериалы из которых изготовляют транзисторы — кремний и германий,перспективные – арсенид галлия, сульфид цинка и широко зонные проводники .
Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.
Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора МОП-структуры (Металл- Окисел- Полупроводник), который нашел широкое применение вкачестве основного элемента всех современных интегральных микросхем КМОПструктуры.
МОП– ТРАНЗИСТОРЫ
1. Устройство полевого транзистора.
<img src="/cache/referats/1306/image002.jpg" v:shapes="_x0000_s1026">
Полевой транзистор — это полупроводниковыйприбор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей,протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем. В отличиеот биполярных работа полевых транзисторов основана на использовании основных носителей зарядав полупроводнике. По конструктивному исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно разделить на двегруппы: полевые транзисторы суправляющим р- п — переходом и полевыетранзисторы с изолированным затвором.
Рис.1. Структура полевого транзистора
Полевой транзистор с управляющим р-п-переходом — это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическомотношении от канала
р-п — 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.При подключении к истоку отрицательного (для п-канала), а к стокуположительного напряжения (рис. 1 ) в канале возникает электрический ток,создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителямизаряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора отбиполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (ане через переходы, как в биполярном транзисторе) является второйхарактерной особенностью полевоготранзистора.
Электрическое поле, создаваемое между затвором и каналом, изменяетплотность носителей заряда в канале, т.е. величину протекающего тока. Так какуправление происходит через обратно смещенный р-п-переход,сопротивление между управляющим электродом и каналом велико, а потребляемаямощность от источника сигнала в цепи затвора ничтожно мала. Поэтому полевойтранзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как помощности, так и по току и напряжению.
<img src="/cache/referats/1306/image005.jpg" v:shapes="_x0000_s1027"> <img src="/cache/referats/1306/image006.jpg" v:shapes="_x0000_s1028">
Рис. 2. Структура полевоготранзистора с изолированным затвором: а — с индуцированным каналом; б — совстроенным каналом.
Полевой транзистор с изолированнымзатвором — это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическомотношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированнымзатвором состоит из пластиныполупроводника (подложки) с относительно высоким удельным сопротивлением, вкоторой созданы две области с противоположным типом электропроводности (рис. 2). На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Поверхностьполупроводника между истоком и стокомпокрыта тонким слоем диэлектрика (обычнослоем оксида кремния). На слой диэлектрика нанесен металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика иполупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП- транзисторамиили МОП- транзисторами (металл — оксид-полупроводник).
Существуют две разновидностиМДП-транзисторов с индуцированным и совстроенным каналами.
В МДП-транзисторах с индуцированным каналомпроводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и,следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном значении напряжения назатворе относительно истока (отрицательного при р-канале и положительного при п-канале). Это напряжениеназывают пороговым (UЗИ.пор). Так как появление и рост проводимости индуцированногоканала связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, чтоканал работает в режиме обогащения.
В МДП — транзисторах совстроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим путем,образуется при напряжении на затворе равном нулю. Током стока можно управлять,изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. Принекотором 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 каналомможет работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основныминосителями заряда.
2. Схемы включения полевого транзистора.
<img src="/cache/referats/1306/image008.jpg" v:shapes="_x0000_s1029">
Рис. 3. Схемывключения полевого транзистора.
Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активныйнесимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим дляцепей входа и выхода. В зависимости оттого, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу,различают схемы: с общим истоком и входом затвор; с общим стоком и входом назатвор; с общим затвором и входом на исток. Схемы включения полевоготранзистора показаны на рис. 3.
По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема собщим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком.
<img src="/cache/referats/1306/image010.jpg" v:shapes="_x0000_s1035">
3. Эквивалентная схема полевоготранзистора.
Рис. 4. Эквивалентнаясхема полевого транзистора.
Эквивалентная схема полевого транзистора, элементы которой выраженычерез у-параметры, приведен на рис.4. При таком подключении каждая из проводимостиимеет физический смысл.
4. Параметры полевого транзистора.
Входнаяпроводимость определяется проводимостью участка затвор — исток уЗИ. = у11 + у12 ; выходнаяпроводимость — проводимость участка сток — исток уСИ = у22 + у21; функции передачи — крутизной вольт-амперной характеристики S = у21 — у12; функция обратнойпередачи — проходной проводимостью уЗС = у12. Этипараметры применяются за первичные параметры полевого транзистора,используемого в качестве четырехполюсника. Если первичные параметрычетырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитатьпараметры для любой другой схемы включения полевого транзистора.
Начальный ток стока IС.нач — ток стока при напряжении между затвором и истоком, равномнулю и напряжении на стоке, равном илипревышающим напряжение насыщения. Остаточныйток стока IС.ост — ток стока при напряжении между затвором и истоком,превышающем напряжение отсечки. Токутечки затвора IЗ.ут — ток затвора при заданномнапряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор — сток IЗСО — ток,протекающий в цепи затвор — сток при заданном обратном напряжении междузатвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор — исток IЗИО — ток, протекающий в цепи затвор — исток при заданномобратном напряжении между затвором иистоком и разомкнутыми остальными выводами.
Напряжение отсечки полевого транзистораUЗИ.отс — напряжение между затвором и истоком транзистора ср-п переходом или изолированным затвором, работающего в режимеобеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Пороговое напряжение полевоготранзистора UЗИ.пор — напряжение между затвором и истокомтранзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, прикотором ток стока достигает заданного низкого значения.
Крутизна характеристик полевоготранзистора S-отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе прикоротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком.
Входная емкость полевоготранзистора С11и — емкость между затвором и истоком при коротком замыкании попеременному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С22и — емкость между стоком и истоком прикоротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость полевого транзистора C12и — емкость между затвором и стоком при коротком замыкании попеременному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток СЗСО - емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному токуостальных выводах. Емкость затвор — истокСЗИО емкость между затвором и истоком при разомкнутых попеременному току остальных выводах.
Коэффициентусиления по мощности Кур — отношениемощности на выходе полевого транзистора к мощности на входе при определеннойчастоте и схеме включения.
4.1. Частотные свойства.
Частотные свойства полевыхтранзисторов определяются постоянной времени RC- цепи затвора. Поскольку входнаяемкость С11иу транзисторов с р-п переходом велика (десятки пикофарад), ихприменение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно вдиапазоне частот, ре превышающих сотен килогерц — единиц мегагерц.
При работе в переключающих схемах скоростьпереключения полностью определяется постоянной времениRC — цепи затвора. Уполевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительноменьше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторовс р-п- переходом.
Граничная частота определяется по формулеfгр.=159/С11и, гдеfгр= частота, МГц; S — крутизнахарактеристики транзистора, мА/В; С11и — емкость между затвором иистоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи, пФ.
4.2. Шумовые свойства.
Шумовые свойства полевых транзисторовоцениваются коэффициентом шума КШ, который мало зависит отнапряжения сток — исток, тока стока и окружающей температуры (ниже 50 0С) и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивленияисточника сигнала. Коэффициент шума измеряют в заданном режиме по постоянномутоку UСИ, ICна определенной частоте.
Вместо коэффициента шума иногдауказывают шумовое напряжение полевого транзистора Uш — эквивалентноешумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенномполном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком; шумовой ток Iш — эквивалентныйшумовой ток, приведенный ко входу, при разомкнутом входе в полосе частот всхеме с общим истоком.
4.3. Тепловые параметры.
Тепловые параметры полевого транзистора характеризуют его устойчивость при работе в диапазонетемператур. При изменении температуры свойства полупроводниковыхматериалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевоготранзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора.
Зависимость изменения токастока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностьюпотенциалов р-п перехода и изменением подвижности основных носителей зарядав канале. При повышении температуры контактная разность потенциаловуменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но повышениетемпературы приводит к уменьшениюподвижности носителей заряда в канале и тока стока. При определенных условияхдействие этих факторов взаимнокомпенсируется и ток полевого транзистораперестает зависеть от температуры. На рис. 5. приведены стокозатворныехарактеристики при различных температурах окружающей
<img src="/cache/referats/1306/image012.jpg" v:shapes="_x0000_s1032">
Рис. 5. Сток — затворные характеристики полевого транзистора при разных температурах.
среды и указано положение термостабильной точки. Зависимость крутизныхарактеристики от температуры у полевыхтранзисторов такая же как и у тока стока. С ростом температуры ток утечкизатвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надоучитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменениетока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затвореполевого транзистора и режима его работы. Температурная зависимость тока утечкизатвора полевого транзистора с р-ппереходом приведена на рис. 6. В
<img src="/cache/referats/1306/image014.jpg" v:shapes="_x0000_s1033">
рис. 6. Зависимость тока утечки затвора полевого транзистора
от температуры.
полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически независит от температуры.
4.4. Максимально допустимые параметры.
М а к с и м а л ь н о д о п у с т и м ы е п а р а м е т р ы определяют значения конкретныхрежимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условияхэксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К максимальнодопустимым параметрам относятся:максимально допустимое напряжение затвор — исток UЗИmax , затвор — сток UЗСmax , сток — исток UСИmax , максимально допустимое напряжение сток — подложка UСПmax , исток — подложка UИПmax , затвор — подложка UЗПmax. Максимально допустимый постоянный ток стока IСmax максимально допустимый прямой ток затвора IЗ(пр)max , максимально допустимая постояннаярассеиваемая мощность Рmax.
<img src="/cache/referats/1306/image016.jpg" v:shapes="_x0000_s1036">
4.5. Вольт – амперныехарактеристики полевых транзисторов.
а б
Рис. 7. Вольт – амперные характеристики полевого транзистора совстроеным
каналом n-типа: а – стоковые; б – стоко –затворные.
Вольт — амперные характеристики полевыхтранзисторов устанавливают зависимость тока стока IC от одного изнапряжений UСИили UЗИпри фиксированной величиневторого.
В МДП — транзисторе с индуцированным каналом с подложкой р-типа при UЗИ= 0 канал п-типа может находиться впроводящем состоянии. При некотором пороговом напряжении UЗИ.ПОР< 0 за счетобеднения канала основными носителями проводимость его значительно уменьшается.Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид,изображенный на рис. 7, а стоко — затворная характеристика пересекает ось ординат в точке со значением тока IC.НАЧ.
Особенностью МДП — транзистора с индуцированным каналом п- типа является возможность работы без постоянного напряжения смещения ( UЗИ= 0) в режимекак обеднения, так и обогащенияканала основными носителями заряда. МДП- транзистор с встроенным каналом имеетвольт-амперные характеристики, аналогичные изображенным на рис. 7.
У МДП — транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметноевлияние на вольт -амперные характеристики и соответственно параметры транзистора. Благодаря воздействию напроводимость канала подложка может выполнять функцию затвора. Напряжение на подложке относительно истокадолжно иметь такую полярность, чтобы р-п переход исток — подложка включался в обратном направлении. При этом р-ппереход канал — подложка действует как затвор полевого транзистора суправляющим р-п переходом.
5.Рекомендации по применению полевых транзисторов.
Рекомендации по применениюполевых транзисторов. Полевые транзисторы имеют вольт-амперные характеристики, подобныеламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов. Это позволяет применять ихв схемах, в большинстве случаевиспользовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока свысокоомным входом, в истоковыхповторителях с особо высокоомным входом , в электрометрических усилителях, различных реле времени, RS — генераторахсинусоидальных колебаний низких иинфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, усилителях низкойчастоты, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, вактивных RC — фильтрах низких частот. Полевыетранзисторы с изолированнымзатвором используют в высокочастотныхусилителях, смесителях, ключевых устройствах.
В рекомендации по использованию транзисторов для случая полевых транзисторовследует внести дополнения:
1. На затвор полевых транзисторов с р-п ( отрицательное для транзисторов с р — каналом и положительным для транзистора с п- каналом).
2. Полевые транзисторы сизолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включениитранзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядовстатического электричества. Необходимую пайку производить на заземленномметаллическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощиспециального металлического браслета. Не следует применять одежду изсинтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме,предварительно закоротив его выводы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ :
1.Терещук Р.М. Полупроводниковыеприемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / 4-е издание, стер.- Киев: Наук. Думка 1989. — 800с.
2. Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. — М.: Радио и связь, 1984, — 80 с.
3. Полупроводниковые приборы:транзисторы: Справочник / Н.Н.Горюнова.
М.; Энергоатомиздат, 1985. 904с.