Tranzistor cu efect de câmp

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Tranzistor de putere cu efect de câmp N-canal

În electronică , tranzistorul cu efect de câmp , prescurtat FET , din engleză f ield- e ffect t ransistor , este un tip de tranzistor utilizat pe scară largă în domeniul electronicii digitale și răspândit, într-o măsură mai mică , în electronica analogică .

Este un substrat din material semiconductor dopat , de obicei din siliciu , pe care se aplică patru terminale: poarta , sursa , drenul și vracul ; acesta din urmă, dacă este prezent, este în general conectat la sursă și dacă nu este prezent este conectat la terminalul extern al porții. Principiul de funcționare al tranzistorului cu efect de câmp se bazează pe posibilitatea de a controla conductivitatea electrică a dispozitivului și, prin urmare, curentul electric care trece prin el, prin formarea unui câmp electric în interiorul acestuia. Procesul de conducere implică doar purtătorii de sarcină majoritari, de aceea acest tip de tranzistor este numit unipolar .

Diversificarea metodelor și materialelor utilizate în realizarea dispozitivului a condus la distincția a trei familii principale de FET-uri: JFET , MESFET și MOSFET . JFET, prescurtare pentru Junction FET , este echipat cu o joncțiune pn ca electrod de rectificare; MESFET, prescurtare pentru Metal Semiconductor FET , o joncțiune Schottky rectificând metal-semiconductor și MOSFET, prescurtare pentru Metal Oxide Semiconductor FET , generează câmpul electric datorită unei structuri metalice externe, separată de joncțiune printr-un strat dielectric.

Tranzistorul cu efect de câmp a fost inventat de Julius Edgar Lilienfeld în 1925, dar primele dispozitive construite, JFET-urile , datează din 1952, când a fost posibil din punct de vedere tehnologic să le realizăm. Cel mai popular Fet este MOSFET , realizat de Dawon Kahng și Martin Atalla în 1959 la Laboratoarele Bell . [1] Împreună cu tranzistorul de joncțiune bipolar , FET este cel mai comun tranzistor din electronică: spre deosebire de BJT are avantajul de a avea izolat terminalul porții de control, în care nu trece curent.

Structura

Secțiunea unui canal JFET n
Secțiunea unui MOSFET cu canal p

Tranzistorul cu efect de câmp este realizat prin flancarea terminalului porții de două regiuni de siliciu dopate opuse volumului , care constituie terminalele de scurgere și sursă . Aceste difuzii constituie o joncțiune pn , un contact între blocurile de tip P și de tip N și este lipsită de purtători liberi. De ambele părți ale joncțiunii există o diferență de potențial constantă, numită tensiune încorporată , care trebuie să mențină polarizarea inversă pentru ca dispozitivul să funcționeze.

Regiunea substratului dintre cele două terminale de evacuare și sursă se numește regiunea canalului și este caracterizată printr-o lungime a canalului L și o lățime a canalului W , respectiv măsurată de-a lungul direcției paralele și perpendiculare pe direcția curentului care curge prin canal. Această regiune oferă o cale conductivă între cele două terminale și este separată de poartă de un strat subțire compus de obicei din dioxid de siliciu.

Distribuția sarcinilor în interiorul semiconductorului

În funcție de tensiunea aplicată pe FET, apar trei configurații diferite de încărcare în dispozitiv, prezentate mai jos în cazul unui substrat dopat p :

Regiunea de acumulare

Regiunea de acumulare apare atunci când se impune o tensiune negativă asupra electrodului porții în raport cu volumul, în general împământat. În această configurație, golurile din substrat se acumulează într-un strat mic lângă terminalul porții : aceasta este condiția de acumulare.

Regiunea epuizării

Regiunea de epuizare apare atunci când se impune o tensiune pozitivă pe electrodul porții în raport cu volumul . În această configurație, golurile din substrat se îndepărtează de poartă , lăsând o regiune de golire în apropierea acesteia.

Regiunea de inversare

Regiunea de inversare apare atunci când o electrodă de poartă este impusă o tensiune pozitivă mai mare decât o anumită tensiune, numită tensiune de prag . În această configurație, electronii prezenți în substrat sunt atrași de poartă și, dacă tensiunea depășește tensiunea de prag, concentrația electronilor în apropierea terminalului porții este mai mare decât cea a găurilor: astfel se formează un strat de inversare în care siliciu a devenit un drogat de tip n .

Stratul de inversiune este foarte subțire și concentrația mare de electroni este explicată prin procesul de generare a găurilor de electroni din regiunea de epuizare.

Tendința curentului puțului în funcție de tensiunea dintre puț și sursă pentru diferite valori ale într-un MOSFET. Linia de contur dintre regiunile liniare și de saturație este reprezentată de ramura parabolei.

Operațiune

Într-un tranzistor FET efectul tranzistorului este obținut prin câmpul electric indus de tensiunea aplicată între terminalul porții și capătul opus al semiconductorului, numit vrac , care este în general plasat la potențialul sursei . Această diferență de potențial creează un canal de conducție în siliciu prin care purtătorii de sarcină se deplasează de la sursă la drenaj în cazul unui FET cu canal N, de la drenaj la sursă în cazul unui FET cu canal P. O tensiune la poartă, prin urmare permite controlul trecerii sarcinilor între sursă și canal și, prin urmare, curentul electric care curge prin dispozitiv.

Pentru un tranzistor FET cu canal n , regiunea substratului care conectează drenul și sursa , regiunea canalului, poate fi fie plină de găuri, fie goală, fie bogată în electroni, în funcție de acumulare, epuizare sau inversiune. Când se aplică o tensiune mai mare decât tensiunea de prag între terminalele de poartă și sursă , obținând regiunea de inversare, există o trecere a sarcinilor prin canalul controlat de tensiune la terminalul de poartă . Dacă tensiunea este mai mică decât tensiunea de prag, există trecerea unui curent mic, numit sub-prag de curent .

Pentru un tranzistor FET cu canal p, distribuțiile de încărcare sunt opuse, astfel încât substratul are dopaj de tip n și terminalele de poartă și sursă de tip p .

În funcție de tensiunea aplicată între poartă și vrac , sunt identificate trei regiuni de lucru ale dispozitivului:

Caracteristici de transfer pentru un JFET n- canal.
Caracterizarea regiunii canalului în funcție de regiunea de operare. Când dispozitivul funcționează în regiunea de saturație, canalul este restricționat în apropierea puțului , iar curentul depinde doar de tensiunea dintre poartă și sursă .

Regiunea de interdicție

Regiunea de tăiere , cunoscută și sub numele de tăiere , apare atunci când , unde este este tensiunea dintre poartă și sursă , având în vedere că terminalul sursei este scurtcircuitat cu electrodul în vrac . În acest caz, formarea canalului nu are loc: tranzistorul este oprit și nu există un pasaj de încărcare între poartă și sursă .

Regiunea liniară

Regiunea liniară, numită și regiunea ohmică [2] [3] sau triodică , apare atunci când Și .

În acest caz, tranzistorul este pornit și a fost creat canalul care permite curentului să treacă între terminalele de scurgere și sursă controlate de tensiunea V GS . Având o componentă rezistivă în canal, MOSFET funcționează ca un rezistor

Regiunea de saturație

Regiunea de saturație, numită și regiunea activă, [4] [5] apare atunci când Și . Pe măsură ce tensiunea crește între scurgere și sursă , diferența de potențial între poartă și regiunea canalului din apropierea canalului de scurgere, acesta scade, iar canalul este limitat în mod progresiv în apropierea acestuia. Acest fenomen se numește pinch-off , iar constricția are loc în punctul de abscisă , egală cu lungimea canalului, în care potențialul este egal cu . [6] Prin urmare, sarcina de inversiune scade pe măsură ce se apropie de terminalul de scurgere , iar acest lucru implică faptul că, odată ce se ajunge la limitarea completă, valoarea curentului care trece prin canal nu depinde de variația lui , deoarece tensiunea pe canalul ohmic rămâne constantă. Acuzațiile traversează apoi regiunea golită susținut de câmpul electric, astfel încât curentul să depindă doar de tensiune , iar tranzistorul funcționează ca un amplificator . [6] Când tranzistorul funcționează în regiunea de saturație, curentul depinde cvadrat de tensiunea dintre poartă și sursă : [7]

Simbolul circuitului

Simbolurile circuitului FET-urilor sunt multe, toate caracterizate prin faptul că au cele trei terminale, poartă , sursă și drenaj cu un posibil corp suplimentar pentru a indica substratul disponibil ca știft în tranzistoarele MOSFET rare din anii 1960 [ fără sursă ] , identificate printr-o linie: cea a porții este perpendiculară pe celelalte două. Conexiunea în bloc este arătată printr-o săgeată îndreptată de la P la N, adică în cazul unui FET al canalului p , acesta indică de la vrac la canal. Reversul este adevărat pentru canalul FET n . Dacă terminalul în bloc nu este afișat, simbolul inversor (un punct lângă poartă ) este utilizat pentru MOSFET pentru a identifica pMOS; alternativ, o săgeată de pe sursă indică ieșirea pentru nMOS sau intrarea pentru pMOS.

Mai jos este comparația dintre diferitele simboluri ale MOSFET și JFET :

JFET P-Channel Labeled.svg IGFET P-Ch Enh Labeled.svg IGFET P-Ch Enh Labeled simplified.svg Mosfet P-Ch Sedra.svg IGFET P-Ch Dep Labeled.svg Canalul P
JFET N-Channel Labeled.svg IGFET N-Ch Enh Labeled.svg IGFET N-Ch Enh Labeled simplified.svg Mosfet N-Ch Sedra.svg IGFET N-Ch Dep Labeled.svg Canal nr.
JFET MOSFET enh MOSFET enh (fără bloc ) MOSFET dep

Pentru simbolurile în care este afișat terminalul în bloc , acesta apare conectat la sursă : aceasta este o configurație tipică, dar nu este singura posibilă. În general, MOSFET este un dispozitiv cu patru terminale.

Tipuri

Reprezentarea tipurilor de JFET , MOSFET din polisilicon , DGMOSFET , MOSFET cu poartă metalică, MESFET : în partea de sus este sursa , în partea de jos a canalului de scurgere , în partea stângă a porții , în partea dreaptă a volumului . Regiunea fără purtători de încărcare este afișată în gri, regiunea bogată în găuri în roșu, regiunea bogată în electroni în albastru, izolatorul în alb și metalul în negru.

Tranzistoarele cu efect de câmp se pot distinge în diferite tipuri în funcție de structura și compoziția diferită: pentru fiecare tip există diferite modele, diferențiate de modul în care terminalul porții este izolat de canal. Principalele tipuri sunt enumerate mai jos:

  • DEPFET , FET compus din substrat complet golit, este folosit ca senzor, amplificator și nod de memorie.
  • DGMOSFET , mosfet cu două terminale de poartă .
  • DNAFET , un anumit tip de FET bazat pe structura ADN , utilizat ca biosenzor .
  • FREDFET , care înseamnă Fast Reverse sau Fast Recovery Epodexial Diode FET.
  • HEMT , acronim pentru tranzistor cu mobilitate înaltă a electronilor , numit și HFET ( heterostructure FET).
  • IGBT , acronim pentru tranzistor bipolar cu poartă izolată , dispozitiv pentru controlul puterii semnalului.
  • ISFET , utilizat pentru măsurarea concentrației ionilor într-o soluție .
  • JFET , acronim pentru tranzistorul cu efect de câmp de joncțiune , caracterizat prin faptul că are trei straturi de semiconductor cu dopaj alternativ.
  • MESFET , acronim pentru Metal - Semiconductor Field-Effect Transistor , un dispozitiv care înlocuiește joncțiunea pn cu bariera Schottky.
  • MODFET , care înseamnă tranzistorul cu efect de câmp dopat prin modulare , folosește o structură de godeuri potențiale .
  • MOSFET , care înseamnă Metal - Oxid - Semiconductor Field-Effect Transistor , folosește un izolator între poartă și substrat .
  • NOMFET , acronim pentru Nanoparticle Organic Memory FET .
  • OFET , care înseamnă FET organic , folosește un semiconductor organic.

Notă

  1. ^ Computer History - 1960 - Transistor tranzistor semiconductor (MOS) demonstrat , la computerhistory.org . Adus la 4 decembrie 2010 .
  2. ^ C Galup-Montoro & Schneider MC, MOSFET modeling for circuit analysis and design , London / Singapore, World Scientific, 2007, p. 83, ISBN 981-256-810-7 .
  3. ^ Norbert R Malik, Circuite electronice: analiză, simulare și proiectare , Englewood Cliffs, NJ, Prentice Hall, 1995, pp. 315-316 , ISBN 0-02-374910-5 .
  4. ^ PR Grey, PJ Hurst, SH Lewis și RG Meyer, §1.5.2 p. 45 , ISBN 0-471-32168-0 .
  5. ^ AS Sedra și KC Smith, circuite microelectronice , ediția a cincea, New York, Oxford, 2004, p. 552, ISBN 0-19-514251-9 .
  6. ^ a b Spirit , Pagina 61 .
  7. ^ Spirit , pagina 62 .

Bibliografie

  • Paolo Spirito, Electronică digitală , Milano, McGraw-Hill Libri Italia sr., 2006, ISBN 978-88-386-6323-9 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85048099 · GND (DE) 4131472-4 · NDL (EN, JA) 01.150.221