A térbeli (unipoláris) tranzisztor egy félvezető eszköz, amelynek működési elve egy vezető csatorna elektromos ellenállásának szabályozásán alapul , a kapura adott feszültség által létrehozott keresztirányú elektromos térrel .
Azt a területet, ahonnan a töltéshordozók elhagyják a csatornát, forrásnak , azt a területet, ahová a csatornát elhagyják, drénnek , az elektródát, amelyre a vezérlőfeszültséget kapcsolják, kapunak nevezzük .
1953-ban George Clement Daisy és Ross javasolta és megvalósította egy térhatású tranzisztor tervezését - vezérlő pn átmenettel .
Először Lilienfeld javasolta 1926-1928-ban azt az ötletet, hogy a fő hordozók áramlását elektromos térrel szabályozzák egy szigetelt kaputranzisztorban. Az ötlet gyakorlati megvalósításának nehézségei azonban csak 1960-ban tették lehetővé az első működő eszköz létrehozását. 1966-ban Carver Meadtovábbfejlesztette ezt a kialakítást azáltal , hogy egy ilyen eszköz elektródáit Schottky-diódával tolatta .
1977-ben James McCullaham, a Bell Labs munkatársa megállapította, hogy a térhatású tranzisztorok használata jelentősen növelheti a meglévő számítástechnikai rendszerek teljesítményét.
A térhatású tranzisztorokat vezérlő pn átmenettel és szigetelt kapuval rendelkező eszközökbe, az úgynevezett MOS ("fém-dielektromos-félvezető") tranzisztorokba sorolják, amelyeket MOS ("fém-oxid-félvezető") tranzisztoroknak is neveznek. , utóbbiak pedig beépített csatornás tranzisztorokra és indukált csatornás eszközökre oszlanak.
A térhatású tranzisztorok fő paraméterei a következők: bemeneti ellenállás, a tranzisztor belső ellenállása, amelyet kimenetnek is neveznek, az elvezetési karakterisztika meredeksége, a vágási feszültség és néhány más.
A vezérlő pn-átmenettel [1] (JFET) rendelkező térhatású tranzisztor egy olyan térhatású tranzisztor, amelyben egy félvezető lemez, például n-típusú (1. ábra), szemben lévő elektródákkal (forrás és lefolyó) van. végződik, amellyel bekerült a vezérelt áramkörbe. A vezérlőáramkör a harmadik elektródához (kapuhoz) csatlakozik, és egy eltérő típusú vezetőképességű terület alkotja, az ábra példájában - p-típusú.
A bemeneti áramkörben lévő állandó előfeszítő forrás fordított (blokkoló) feszültséget hoz létre egyetlen pn átmeneten. Az erősített jel forrása szintén a bemeneti áramkörben található. Amikor a bemeneti feszültség megváltozik, a pn átmeneten a fordított feszültség megváltozik, és ezért megváltozik a kimerült réteg vastagsága , vagyis a kristályban annak a régiónak a keresztmetszete, amelyen keresztül a fő töltéshordozók áramlanak. változásokat fogad el. Ezt a területet csatornának nevezik.
A térhatású tranzisztor elektródákat:
A csatorna félvezető vezetőképességének típusa lehet n- vagy p-típusú. A csatorna vezetőképességének típusa szerint megkülönböztetünk n-csatornás és p-csatornás térhatású tranzisztorokat. Az n- és p-csatornás tranzisztorok elektródáira adott előfeszítő feszültségek polaritása ellentétes.
A terepi tranzisztor csatornájával és az áramforrással sorba kapcsolt terhelés áramának és feszültségének szabályozása a bemeneti feszültség változtatásával történik , aminek következtében a pn átmeneten a fordított feszültség megváltozik. , ami a blokkoló (kimerült) réteg vastagságának megváltozásához vezet. Egy bizonyos blokkoló feszültségnél a csatorna keresztmetszete nulla lesz, és a tranzisztorcsatornán áthaladó áram nagyon kicsi lesz.
Mivel a pn átmenet fordított árama nagyon kicsi, statikus üzemmódban vagy alacsony működési frekvenciákon, a jelforrásból felvett teljesítmény elhanyagolható. Magas frekvenciákon a jelforrásból vett áram jelentős lehet, és a tranzisztor bemeneti kapacitásának újratöltésére megy.
Így a térhatású tranzisztor az áramszabályozás elvét tekintve hasonló egy elektromos vákuumlámpához - egy triódához , de a lefolyóforrás áram-feszültség jellemzőit tekintve közel áll az elektromos vákuumhoz. pentóda . Ezzel a hasonlattal a térhatású tranzisztorban a forrás hasonló a vákuumtrióda katódjához, a kapu olyan, mint egy rács, és a leeresztő olyan, mint egy anód. Vannak különbségek is, pl.
A térhatású tranzisztor egyrészt a működési elvben különbözik a bipoláris tranzisztortól: a bipoláris tranzisztorban a kimeneti jelet bemeneti áram, a térhatású tranzisztorban pedig bemeneti feszültség vagy elektromos tér vezérli. Másodszor, a térhatású tranzisztorok lényegesen nagyobb bemeneti ellenállással rendelkeznek , ami a vizsgált térhatású tranzisztorok esetében a kapu pn-átmenet fordított előfeszítésének köszönhető. Harmadszor, a térhatású tranzisztorok zajszintje alacsony (különösen alacsony frekvenciákon) a bipoláris tranzisztorokhoz képest, mivel a térhatású tranzisztorokba nincs kisebb töltéshordozó injektálása, és a térhatású tranzisztor csatorna félvezető kristály belsejében is kialakítható. . A pn átmenetben és a bipoláris tranzisztor alapjában zajló vivőrekombinációs folyamatok, valamint a félvezető kristály felületén zajló generációs-rekombinációs folyamatok alacsony frekvenciájú zajt generálnak.
Az insulated gate field effect tranzisztor (MOSFET) olyan térhatású tranzisztor, amelynek a kapuja elektromosan el van választva a csatornától egy dielektromos réteggel .
Egy viszonylag nagy ellenállású félvezető kristályban, amelyet szubsztrátumnak nevezünk, két erősen adalékolt tartomány jön létre, amelyek vezetőképessége ellentétes a hordozóéval. Ezeket a területeket fémelektródák borítják - forrás és lefolyó. A forrás és az elvezető tartomány közötti távolság egy mikronnál is kisebb lehet. A forrás és a lefolyó közötti félvezető kristály felületét vékony (0,1 µm nagyságrendű) dielektrikumréteg borítja . Mivel a térhatású tranzisztorok kezdeti félvezetője általában szilícium , ezért a szilíciumkristály felületén magas hőmérsékletű oxidációval növesztett szilícium-dioxid SiO 2 réteget használnak dielektrikumként. A dielektromos rétegre egy fémelektródát, egy kaput helyeznek fel. Kiderült, hogy egy fémből, egy dielektrikumból és egy félvezetőből álló szerkezet. Ezért a szigetelt térhatású tranzisztorokat gyakran MIS tranzisztoroknak nevezik.
Az MIS tranzisztorok bemeneti ellenállása elérheti a 10 10 ... 10 14 Ohmot (10 7 ... 10 9 vezérlő pn-átmenettel rendelkező térhatású tranzisztoroknál ), ami nagy pontosságú készülékek építésénél előnyt jelent.
Kétféle MOS tranzisztor létezik: indukált csatornás és beágyazott csatornás.
Az indukált csatornával rendelkező MIS tranzisztorokban (2. ábra, a) nincs vezető csatorna az erősen adalékolt forrás és a leeresztő tartomány között, ezért észrevehető leeresztőáram csak egy bizonyos polaritásnál és a kapu bizonyos értékénél jelenik meg. a forráshoz viszonyított feszültség, amelyet küszöbfeszültségnek ( U Zipor ) nevezünk.
A beépített csatornával rendelkező MOS tranzisztorokban (2. ábra, b) a félvezető felülete közelében a kapu alatt, a forráshoz képest nulla kapufeszültség mellett van egy inverz réteg - egy csatorna, amely összeköti a forrást a lefolyóval .
ábrán látható. A 2 db szigetelt kapu FET szerkezet n típusú vezetőképes hordozóval rendelkezik. Ezért a forrás és a lefolyó alatti erősen adalékolt régiók, valamint az indukált és beépített csatornák p-típusú elektromos vezetőképességgel rendelkeznek. Ha p-típusú elektromos vezetőképességű hordozón hasonló tranzisztorokat hozunk létre, akkor a csatornájuk n-típusú elektromos vezetőképességű lesz.
MIS tranzisztorok indukált csatornávalHa a kapu feszültsége a forráshoz viszonyítva nulla, és ha feszültséget kapcsolunk a lefolyóra, a leeresztőáram elhanyagolható. Ez a hordozó és az erősen adalékolt elvezető tartomány közötti pn átmenet fordított áramát jelenti. Negatív potenciálon a kapunál (a 2. ábrán látható szerkezetnél a), az elektromos térnek a dielektromos rétegen keresztül a félvezetőbe való behatolása következtében a kapunál alacsony feszültségek esetén (kisebb, mint U 3 és th ), megjelenik a fő hordozókban kimerült réteg a félvezető felülete közelében a kapu alatt ( térhatás ), és egy tértöltési régió, amely ionizált, kompenzálatlan szennyező atomokból áll. Az U ZIpor -nál nagyobb kapufeszültségeknél a kapu alatti félvezető felületen egy inverz réteg jelenik meg , amely a forrást a lefolyóval összekötő p-típusú csatorna. A csatorna keresztmetszete a kapufeszültség változásával változik, és ennek megfelelően változik a leeresztőáram, azaz a terhelési áramkör árama és egy viszonylag erős áramforrás.
Tekintettel arra, hogy a kaput dielektromos réteg választja el a hordozótól, a kapu áramkörben elhanyagolható az áramerősség, és kicsi a kapu áramkörben lévő jelforrásból felvett és a viszonylag nagy leeresztőáram szabályozásához szükséges teljesítmény is. . Így egy indukált csatornával rendelkező MIS tranzisztor felerősítheti az elektromágneses oszcillációkat a feszültségben és a teljesítményben.
Az MIS tranzisztorok teljesítményerősítésének elvét abból a szempontból tekinthetjük, hogy az állandó elektromos tér energiáját (az áramforrás energiáját a kimeneti áramkörben) töltéshordozókkal egy váltakozó elektromos térbe továbbítják. Az MIS tranzisztorban a csatorna megjelenése előtt a leeresztő áramkörben a tápegység szinte teljes feszültsége a forrás és a lefolyó közötti félvezetőre esett, így az elektromos térerősség viszonylag nagy állandó komponense jött létre. A kapun lévő feszültség hatására a kapu alatti félvezetőben egy csatorna jelenik meg, amely mentén a töltéshordozók - lyukak - a forrásból a lefolyóba mozognak . Az elektromos tér állandó komponense irányába mozgó lyukakat ez a mező felgyorsítja, és energiájuk megnő a leeresztő áramkörben lévő áramforrás energiája miatt. A csatorna megjelenésével és a benne mozgó töltéshordozók megjelenésével egyidejűleg csökken a leeresztő feszültség, vagyis a csatornában lévő elektromos tér változó komponensének pillanatnyi értéke az állandó komponenssel ellentétes irányban irányul. Ezért a lyukakat váltakozó elektromos tér lassítja, így energiájuk egy részét ez adja.
MIS tranzisztorok beépített csatornávalAz ilyen MIS tranzisztorban beépített csatorna jelenléte miatt (2. ábra, b), amikor feszültséget kapcsolunk a lefolyóra, a leeresztőáram még nulla kapufeszültség mellett is jelentősnek bizonyul (3. ábra, b). ). A csatorna keresztmetszete és vezetőképessége megváltozik, ha a kapufeszültség változik, mind a negatív, mind a pozitív polaritás. Így egy beépített csatornával rendelkező MOS tranzisztor két üzemmódban működhet: dúsítási módban és a csatorna töltéshordozók általi kimerítésében. A beépített csatornával rendelkező MOS tranzisztorok e tulajdonsága a kimeneti statikus karakterisztikák eltolódásában is megmutatkozik, amikor a kapufeszültség és annak polaritása megváltozik (3. ábra).
A statikus átviteli karakterisztika (3. ábra, b) az abszcisszán az U ZIots levágási feszültségnek megfelelő pontból jön ki , vagyis a kimerülésben működő integrált csatornával rendelkező MIS tranzisztor kapuja és forrása közötti feszültségből. üzemmódban, amelynél a leeresztő áram elér egy előre meghatározott alacsony értéket.
Számítási képletek az U zi feszültségtől függően
1. Tranzisztor zárva
Az MIS tranzisztor feszültségének küszöbértéke2. Parabola szakasz.
- a tranzisztor átviteli jellemzőjének fajlagos meredeksége.3. A további emelés egy sík szintre való átmenethez vezet:
a Hovstein- egyenlet MIS struktúrák speciális célokraA fém-nitrid-oxid-félvezető (MNOS) típusú szerkezetekben a kapu alatti dielektrikum két rétegből áll: egy SiO 2 oxidrétegből és egy vastag Si 3 N 4 nitridrétegből . A rétegek között elektroncsapdák képződnek, amelyek pozitív feszültség (28-30 V) hatására az MNOS szerkezet kapujára felfogják a vékony SiO2 rétegen áthaladó elektronokat . A keletkező negatív töltésű ionok növelik a küszöbfeszültséget, töltésük áram hiányában akár több évig is tárolható, mivel a SiO 2 réteg megakadályozza a töltésszivárgást. Ha nagy negatív feszültséget (28…30 V) kapcsolunk a kapura, a felhalmozott töltés elnyelődik, ami jelentősen csökkenti a küszöbfeszültséget.
A lavina befecskendezéssel ( LISMOS ) működő úszókapu fém-oxid-félvezető (MOS) szerkezetek polikristályos szilíciumból készült kapuval rendelkeznek, amelyet a szerkezet más részeitől izolálnak. A szubsztrát és a nagyfeszültségű lefolyó vagy forrás pn csomópontjának lavinatörése lehetővé teszi az elektronok behatolását az oxidrétegen keresztül a kapuig, aminek következtében negatív töltés jelenik meg rajta. A dielektrikum szigetelő tulajdonságai lehetővé teszik ennek a töltésnek a megtartását évtizedeken át. Az elektromos töltés eltávolítása a kapuból ionizáló ultraibolya besugárzással történik kvarclámpákkal, míg a fotoáram lehetővé teszi az elektronok lyukakkal való rekombinációját.
Ezt követően a kettős kapus tároló térhatású tranzisztorok szerkezetét fejlesztették ki. A dielektrikumba épített kapu a készülék állapotát meghatározó töltés tárolására szolgál, a bipoláris impulzusokkal vezérelt külső (közönséges) kapu pedig a beépített (belső) kapun a töltés hozzáadására vagy eltávolítására szolgál. Így jelentek meg a cellák, majd a flash memória chipek, amelyek napjainkban nagy népszerűségre tettek szert, és a számítógépek merevlemezeinek jelentős versenytársává váltak.
A nagyon nagy integrált áramkörök (VLSI) megvalósításához ultraminiatűr térhatású mikrotranzisztorokat hoztak létre. Nanotechnológiával készülnek, 100 nm-nél kisebb geometriai felbontással. Az ilyen eszközökben a kapudielektrikum vastagsága több atomi réteget is elér. Különféle, köztük háromkapus szerkezeteket használnak. A készülékek mikrotáp üzemmódban működnek. A modern Intel mikroprocesszorokban az eszközök száma tízmilliótól 2 milliárdig terjed. A legújabb térhatású mikrotranzisztorok feszített szilíciumból készülnek, fém tolózárasak és új, szabadalmaztatott anyagot használnak a hafniumvegyületeken alapuló kapudielektrikumhoz [2] .
Az elmúlt negyedszázadban rohamosan fejlődtek az erős, főként MOS típusú térhatású tranzisztorok. Sok kis teljesítményű vagy elágazó kapu konfigurációjú szerkezetből állnak. Az ilyen nagyfrekvenciás és mikrohullámú készülékeket a Szovjetunióban először V. V. Bachurin (szilícium-eszközök) és V. Ya. Vaksemburg (gallium-arzenid-eszközök) hozta létre a Pulsar Research Institute -tól. Impulzustulajdonságaik vizsgálatát prof. tudományos iskola végezte. Dyakonova V. P. (az MPEI szmolenszki fiókja). Ez megnyitotta a speciális szerkezetű, nagy teljesítményű kulcsos (impulzusos) térhatású tranzisztorok fejlesztési területét, amelyek nagy üzemi feszültséggel és áramerősséggel rendelkeznek (külön 500-1000 V és 50-100 A). Az ilyen eszközöket gyakran alacsony (legfeljebb 5 V-os) feszültség vezérli, alacsony bekapcsolási ellenállásuk (akár 0,01 Ω-ig) nagyáramú készülékeknél, nagy meredekségük és rövid (néhány-tíz ns-os) kapcsolási idő. Hiányzik belőlük a hordozó felhalmozódás jelensége a szerkezetben és a bipoláris tranzisztorokban rejlő telítési jelenség. Ennek köszönhetően a nagy teljesítményű térhatású tranzisztorok sikeresen helyettesítik a nagy teljesítményű bipoláris tranzisztorokat a kis és közepes teljesítményű teljesítményelektronika területén [3] [4] .
Az elmúlt évtizedekben a nagy mobilitású elektrontranzisztorok (HEM) technológiája gyorsan fejlődött külföldön , amelyeket széles körben alkalmaznak a mikrohullámú kommunikációs és rádiós megfigyelő eszközökben. HDPE alapú hibrid és monolit mikrohullámú integrált áramkörök is készülnek . A TVET működése egy kétdimenziós elektrongáz segítségével történő csatornavezérlésen alapul , amelynek tartománya a kapuérintkező alatt jön létre egy heterojunkció és egy nagyon vékony dielektromos réteg - távtartó - alkalmazása miatt [5] .
A térhatású tranzisztor a jelerősítő fokozatban három fő séma egyike szerint kapcsolható be: közös forrással (OI), közös lefolyóval (OS) és közös kapuval (OZ).
A gyakorlatban az erősítő kaszkádoknál leggyakrabban RI áramkört használnak, hasonlóan a közös emitterrel (CE) rendelkező bipoláris tranzisztoron lévő áramkörhöz. A közös forrású kaszkád nagy teljesítménynövelést biztosít. Másrészt viszont ez a kaszkád a legalacsonyabb frekvenciájú a Miller-effektus káros hatása és a jelentős kapuforrás bemeneti kapacitás ( C zi ) miatt.
Az OZ-val ellátott séma hasonló a közös alap (OB) sémához. Ebben az áramkörben a leeresztőáram egyenlő a forrásárammal, tehát nem ad áramerősítést, és a teljesítményerősítés benne sokszorosan kisebb, mint az OI áramkörben. Az OZ kaszkád alacsony bemeneti impedanciával rendelkezik, ezért konkrét gyakorlati alkalmazása van az erősítő technológiában. Ennek a beépítésnek az előnye a Miller-effektus szinte teljes elnyomása, amely lehetővé teszi a maximális erősítési frekvencia növelését, és az ilyen kaszkádokat gyakran használják a mikrohullámú erősítéshez .
Az operációs rendszerrel ellátott kaszkád hasonló a bipoláris tranzisztorok közös kollektorával (OK) rendelkező kaszkádhoz - egy emitter követő . Az ilyen szakaszt gyakran forráskövetőnek nevezik . A feszültségerősítés ebben az áramkörben mindig valamivel kisebb, mint 1, és a teljesítményerősítés egy köztes értéket vesz fel az OI és az OI között. Ennek a fokozatnak az az előnye, hogy nagyon alacsony bemeneti parazita kapacitás, és gyakran használják pufferleválasztó fokozatként egy nagy impedanciájú jelforrás, például piezoérzékelő és az azt követő erősítési fokozatok között. A szélessávú tulajdonságokat tekintve ez a kaszkád egy köztes helyet foglal el az OI és az OI között.
A különböző (p- és n-) típusú csatornákkal rendelkező, egymást kiegészítő térhatású tranzisztorpárból felépített CMOS-struktúrákat széles körben használják digitális és analóg integrált áramkörökben .
Mivel a térhatású tranzisztorokat a mező vezérli (a kapura adott feszültség), és nem a bázison átfolyó áram (mint a bipoláris tranzisztoroknál), a térhatású tranzisztorok sokkal kevesebb energiát fogyasztanak, ami különösen fontos a várakozó és nyomkövető eszközök áramköreiben, valamint az alacsony fogyasztású és energiatakarékos rendszerekben (alvó üzemmódok megvalósítása).
A térhatású tranzisztoros eszközök kiemelkedő példái a karórák és a TV - távirányítók . A CMOS struktúrák használatának köszönhetően ezek az eszközök akár több évig is működhetnek egyetlen miniatűr áramforrásról - elemekről vagy akkumulátorokról , mivel gyakorlatilag nem fogyasztanak energiát.
Jelenleg a térhatású tranzisztorokat egyre gyakrabban használják különféle rádiókészülékekben, ahol sikeresen helyettesítik a bipolárisakat. Használatuk rádióadó eszközökben lehetővé teszi a vivőjel frekvenciájának növelését, és ezeknek az eszközöknek nagy zajvédelmet biztosítanak. Nyitott állapotban alacsony ellenállásuk miatt a nagy teljesítményű audiofrekvenciás teljesítményerősítők ( Hi-Fi ) végső szakaszában használatosak , ahol sikeresen helyettesítik a bipoláris tranzisztorokat és a vákuumcsöveket. Az insulated gate bipoláris tranzisztorokat ( IGBT ) – olyan eszközöket, amelyek bipoláris és térhatású tranzisztorokat kombinálnak – nagy teljesítményű alkalmazásokban használják, például lágyindítókban , ahol sikeresen cserélik ki a tirisztorokat .
A térhatású tranzisztorok típusai és grafikus szimbólumaik
Tranzisztoros erősítők | ||
---|---|---|
Bipoláris tranzisztorok | ||
FET-ek |
| |
Tranzisztor fokozatok |