Править]Области применения полевых транзисторов

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, обладающие малыми нелинейными и динамическими искажениями.

37) МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

38)Очень часто полевые транзисторы, главным образом МДП-транзисторы,

применяются в качестве аналоговых ключей. В силу своих свойств, таких, как

малое сопротивление в проводящем состоянии, крайне высокое сопротивление

в состоянии отсечки, малые токи утечки и малая емкость, они являются идеаль-

ными ключами, управляемыми напряжением, для аналоговых сигналов. Иде-

альный аналоговый ключ ведет себя как механический выключатель: пропуска-

ет сигнал к нагрузке без ослаблений или нелинейных искажений

VT1 — это n-канальный МДП транзистор

с индуцированным каналом, не проводя-

щий ток при заземленном затворе или

при отрицательном напряжении затвора.

В этом состоянии сопротивление сток —

исток, как правило, больше 10000 МОм,

и сигнал не проходит через ключ. Подача

на затвор положительного управляющего

напряжения (больше UПОР) приводит ка-

нал сток — исток в проводящее состоя-

ние с типичным сопротивлением от 25 до

100 0м (Rвкл) для транзисторов, предна-

значенных для использования в качестве

аналоговых ключей. Схема не критична к

значению уровня сигнала на затворе, поскольку он существенно более положи-

телен, чем это необходимо для поддержания малого Rвкл, а потому его можно

задавать от логических схем; можно использовать выход ТТЛ для получения

уровней, соответствующих полному диапазону питания, с помощью внешнего

транзистора, или даже операционного усилителя (ОУ). Обратное смещение за-

твора при отрицательных значениях выхода ОУ будет давать дополнительное

преимущество — возможность переключать сигналы любой полярности. Заме-

тим, что аналоговый ключ такого типа — двунаправленное устройство, т. е. он

может пропускать сигнал в обе стороны.

Приведенная схема будет работать при положительных сигналах, не превы-

шающих (UУПР - UПОР); при более высоком уровне сигнала напряжение на за-

творе будет недостаточным, чтобы удержать транзистор в состоянии проводи-

мости (Rвкл начинает расти); отрицательные сигналы вызовут включение при

заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода канал —

подложка). Если нужно переключать сигналы обеих полярностей, то можно

применить такую же схему, но с затвором, управляемым двуполярным напря-

жением, при этом подложка должна быть подсоединена к отрицательному на-

пряжению.

Для любого ключа на полевом транзисторе важно обеспечить сопротивление

нагрузки в диапазоне от 10 до 100 кОм, чтобы предотвратить емкостное прохо-

ждение входного сигнала в состоянии «ВЫКЛ», которое имело бы место при

большем сопротивлении. Значение сопротивления нагрузки выбирается ком-

промиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет

ослабление выходного сигнала из-за делителя напряжения, образованного со-

противлением проводящего транзистора Rвкл и сопротивлением нагрузки. А

так как Rвкл меняется с изменением входного сигнала, то это ослабление при-

ведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивле-

ние нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая входной сигнал.

Привлекательной альтернативой является также применение еще одного ключа,

закорачивающего выход на землю, если транзистор, включающий сигнал, на-

ходится в состоянии «ВЫКЛ»: таким образом, формируется однополюсный

ключ на два направления.

Часто необходимо пере-

ключать сигналы, сравнимые

по величине с напряжением

питания. В этом случае опи-

санная выше простая схема ра-

ботать не будет, поскольку при

пиковом значении сигнала за-

твор не будет иметь достаточ-

ного смещения. Задача пере-

ключения таких сигналов ре-

шается применением переклю-

чателей на комплементарных

МДП-транзисторах (КМДП)

(рис. 12). При высоком уровне

управляющего сигнала VТ1

пропускает сигналы с уровня-

ми от земли до E П без нескольких вольт. VТ2 пропускает сигнал с уровнями от

E П до значения на несколько вольт выше уровня земли. Таким образом, все

сигналы в диапазоне от земли до E П проходят через схему, имеющую малое

сопротивление. Переключение управляющего сигнала на уровень земли запи-

рает оба транзистора, размыкая, таким образом, цепь. В результате получается

аналоговый переключатель для сигналов в диа-

пазоне от земли до E П . Это основа схемы КМДП

«передающего вентиля» 4066 (К561КТ3). Как и

описанные ранее ключи, эта схема работает в

двух направлениях — любой ее терминал может

служить входным.

Полевые транзисторы с управляющим p-n

переходом (рис. 13) можно использовать и как

аналоговые ключи, но нужна осторожность в от-

переходом Напряжение затвора должно быть сущест-

венно ниже потенциала земли для удержания ПТ

в состоянии отсечки. Это значит, что если напряжение сигнала становится от-

рицательным, то напряжение затвора должно удерживаться.

39) Принцип действия тиристора

Тиристор имеет два силовых контакта, пропускающих рабочий ток (катод и анод) и могут иметь управляющий электрод. Тиристор может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Эти состояния обладают существенно различным сопротивлением между силовыми электродами. В закрытом состоянии сопротивление велико и ток через тиристор не идёт. Открывается тиристор при достижении между силовыми электодами напряжения открывания или током на управляющем электроде. В открытом состоянии сопротивление тиристора резко падает и он проводит ток. Закрытие тиристора происходит при отключении тока или смене его знака.

Разновидности тиристоров

Функционально тиристоры различаются на обладающие односторонней и двусторонней проводимостью, и также имеющие управляющий электрод и не имеющие его.

динистор (диодный тиристор, диод Шокли) — тиристор с односторонней проводимостью без управляющего электрода;

тринистор (триодный тиристор или просто тиристор) — то же с управляющим электродом.

симистор — двунаправленный тиристор.

Тиристоры с односторонней проводимостью в обратном направлении всегда закрыты. В соответствии с направлением, к котором тиристор может пропускать ток, силовые электроды именуются катодом и анодом (отрицательный и положительный электроды соответственно). Тиристоры с двусторонней проводимостью (симисторы) могут пропускать ток в обоих направлениях, таким образом их возможно применять для управления переменным током.

Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) – симистор

Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

40) Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению V G , подаваемому на первый p 1 -эмиттер тиристора.Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения V G падает на коллекторном переходе П 2 , который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П 1 и П 2 включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода.При достижении напряжения V G , называемого напряжением включения U вкл , или тока J, называемого током включения J вкл , ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

41) Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рисунке 7.4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению VG, подаваемому на первый p1-эмиттер тиристора.Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения VG падает на коллекторном переходе П2, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П1 и П2 включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода.При достижении напряжения VG, называемого напряжением включения Uвкл, или тока J, называемого током включения Jвкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Рис. 7.4. ВАХ тиристора:

VG - напряжение между анодом и катодом; Iу, Vу - минимальный удерживающий ток и напряжение; Iв, Vв - ток и напряжение включения

43)

44)

45) Конструкция МЭТ, широко используемых в цифровых ИМС транзисторно-транзисторной логики, приведена на рис. 2. Число эмиттеров может быть равным 5 - 8. МЭТ можно рассматривать как совокупность транзисторов с общими базами и коллекторами. При их конструировании необходимо учитывать следующие обстоятельства.

Рис. 2. Конструкция многоэмиттерного транзистора.

Для подавления действия паразитных горизонтальных n+-p-n+- транзисторов расcтояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей заряда в базовом слое. Если структура легирована золотом, то диффузионная длина не превышает 2 - 3 мкм и указанное расстояние достаточно сделать равным 10 - 15 мкм.

46)

47) Резисторы полупроводниковых интегральных микросхем представляют собой участки легированного полупроводника с двумя выводами. Сопротивление такого резистора зависит от удельного сопротивления полупроводника и геометрических размеров резисторов. Сопротивления резисторов обычно не превышают нескольких килоом. В качестве более высокоомных резисторов иногда используют входные сопротивления эмиттерных повторителей, которые могут достигать десятков и даже сотен килоом. Температурная стабильность таких резисторов удовлетворительна во всем рабочем диапазоне. Отклонение сопротивления резистора от номинального составляет ±20% и более.

53,54) При попадании электронного луча на точку p на люминофорном экране ЭЛТ, происходит вторичная эмиссия и участок люминофора в точке p обретает положительный заряд. Если луч отключается сразу, то благодаря электрическому сопротивлению люминофорного слоя, точка положительного заряда некоторое время (долю секунды) держится на экране. Однако если луч не отключается, а отклоняется в сторону от p, рисуя «тире» на экране трубки, то электроны, испущенные в процессе вторичной эмиссии под лучом, поглощаются люминофором в точке p, и точка p обретает нейтральный заряд. Таким образом, выделив на экране некое количество точек p1…pN, можно записать N битов информации (точка без заряда означает 1, точка с положительным зарядом — 0).

Для считывания информации, к внешней стороне экрана прикрепляется пластина с электродами. На точку p снова направляется электронный луч. Происходит вторичная эмиссия электронов и точка обретает положительный заряд независимо от того, какой заряд она имела до этого. Электрод на внешней стороне экрана позволяет измерить величину изменения заряда точки, то есть определить её изначальный заряд, и следовательно, значение данного бита. Процесс считывания уничтожает информацию, которая хранится в точке, следовательно после считывания каждого бита необходимо повторно записать значение бита на люминофор.

Люминофор быстро теряет заряд, поэтому необходимо регулярно считывать и перезаписывать записанную информацию (аналогично процессу регенерации в современной памяти DRAM).