Désignation du transistor à effet de champ. Transistors à effet de champ : principe de fonctionnement, circuits, modes de fonctionnement et simulation

SUJET 5. TRANSISTORS DE TERRAIN

Un transistor à effet de champ est un dispositif de conversion électrique dans lequel le courant circulant dans un canal est contrôlé par un champ électrique qui se produit lorsqu'une tension est appliquée entre la grille et la source, et qui est conçu pour amplifier la puissance des oscillations électromagnétiques.

La classe à effet de champ comprend les transistors dont le principe de fonctionnement repose sur l'utilisation de porteurs de charge d'un seul signe (électrons ou trous). Le courant dans les transistors à effet de champ est contrôlé en modifiant la conductivité du canal à travers lequel le courant du transistor circule sous l'influence d'un champ électrique. En conséquence, les transistors sont appelés à effet de champ.

Selon le mode de création du canal, on distingue les transistors à effet de champ à grille en forme de jonction pn de commande et à grille isolée (transistors MOS ou MOS) : un canal noyé et un canal induit.

Selon la conductivité du canal, les transistors à effet de champ sont divisés en : transistors à effet de champ à canal de type p et de type n. Le canal de type p a une conductivité de trou et le canal de type n a une conductivité électronique.

5.1 Transistors à effet de champ avec contrôle p- n-transition

5.1.1 Conception et principe de fonctionnement

Transistor à effet de champ avec contrôle p-n-transition Est un transistor à effet de champ dont la grille est séparée électriquement du canal par une jonction pn polarisée dans le sens opposé.

Figure 5.1 - Dispositif d'un transistor à effet de champ avec une jonction pn de commande (canal de type n)

Figure 5.2 - Désignation conventionnelle d'un transistor à effet de champ avec une jonction pn et un canal de type n (a), un canal de type p (b)

Le canal d'un transistor à effet de champ est une région d'un semi-conducteur dans laquelle le courant des principaux porteurs de charge est régulé en modifiant sa section transversale.

L'électrode (plomb) à travers laquelle les principaux porteurs de charge pénètrent dans le canal est appelée la source. L'électrode par laquelle les principaux porteurs de charge quittent le canal est appelée drain. L'électrode utilisée pour réguler la section transversale du canal au moyen d'une tension de commande s'appelle une grille.

Typiquement, des transistors à effet de champ au silicium sont disponibles. Le silicium est utilisé car le courant de grille, c'est-à-dire le courant inverse de la jonction pn est plusieurs fois inférieur à celui du germanium.

Symboles transistors à effet de champ avec un canal de types n et p sont illustrés à la Fig. 5.2.

Polarité contraintes externes fourni au transistor est illustré à la Fig. 5.1. Une tension de commande (d'entrée) est appliquée entre la grille et la source. La tension Uzi est l'inverse pour les deux jonctions pn. La largeur des jonctions pn et, par conséquent, la section efficace du canal, sa résistance et le courant dans le canal dépendent de cette tension. Avec sa croissance, les jonctions pn se développent, la section transversale du canal conducteur de courant diminue, sa résistance augmente et, par conséquent, le courant dans le canal diminue. Par conséquent, si une source de tension Uсi est connectée entre la source et le drain, l'intensité du courant du drain Iс circulant dans le canal peut être contrôlée en modifiant la résistance (section) du canal à l'aide de la tension appliquée à la grille. Le fonctionnement d'un transistor à effet de champ avec une jonction pn de commande est basé sur ce principe.

A une tension Uzi = 0, la section transversale du canal est la plus grande, sa résistance est la plus petite et le courant Ic est le plus grand.

Le courant de drain Iс commençant à Uzi = 0 est appelé courant de drain initial.

La tension Uzi, à laquelle le canal est complètement fermé, et le courant de drain Ic devient très faible (dixièmes de microampère), est appelée tension de coupure Uziotc.

5.1.2 Caractéristiques statiques d'un transistor à effet de champ avec une commande p- n-transition

Considérez les caractéristiques volt-ampère des transistors à effet de champ avec une jonction pn. Pour ces transistors, deux types de volts sont intéressants - caractéristiques en ampères: stock et vidange - boulon.

Les caractéristiques de stock (sortie) d'un transistor à effet de champ avec une jonction pn et un canal de type n sont illustrées à la Fig. 5.3, une. Ils traduisent la dépendance du courant de drain à la tension Usi à tension fixe Uzi : Ic = f (Usi) à Uzi = const.

un B)

Figure 5.3 - Caractéristiques courant-tension d'un transistor à effet de champ avec p-n-transition et canal de type n : a - stock (week-end) ; b - crosse - boulon

Une caractéristique du transistor à effet de champ est qu'à la fois la tension de commande Uzi et la tension Usi affectent la conductivité du canal. Lorsque Ussi = 0, le courant de sortie Ic = 0. Lorsque Uci > 0 (Uzi = 0), un courant Ic circule dans le canal, ce qui crée une chute de tension, augmentant dans le sens du drain. La chute de tension totale de la section source-drain est égale à Usi. Une augmentation de la tension Usi provoque une augmentation de la chute de tension dans le canal et une diminution de sa section transversale, et, par conséquent, une diminution de la conductivité du canal. À une certaine tension Usi, le canal se rétrécit, auquel les limites des deux jonctions pn se ferment et la résistance du canal devient élevée. Une telle tension Usi est appelée tension de chevauchement ou tension de saturation Usinas. Lorsque la tension inverse Uzi est appliquée à la grille, un rétrécissement supplémentaire du canal se produit et son chevauchement se produit lorsque plus petite valeur tension Usynas. En mode de fonctionnement, des sections plates (linéaires) des caractéristiques de sortie sont utilisées.

La caractéristique drain - grille du transistor à effet de champ montre la dépendance du courant Ic à la tension Uzi à une tension fixe Usi : Ic = f (Usi) avec Usi = const (Fig.5.3, b).

5.1.3 Paramètres de base

· Courant de drain maximal Iсmax (à Uzi = 0);

· Tension drain-source maximale Usymax;

· Tension de coupure Uziots;

Résistance interne (de sortie) ri - est la résistance du transistor entre le drain et la source (résistance de canal) pour courant alternatif:

à Uzi = const;

La pente des caractéristiques drain-gate :

à Usi = const,

affiche l'effet de la tension de grille sur le courant de sortie du transistor ;

Impédance d'entrée

à Usi = const du transistor est déterminé par la résistance des jonctions pn polarisées dans le sens opposé. La résistance d'entrée des transistors à effet de champ avec une jonction pn est assez élevée (atteint des unités et des dizaines de mégohms), ce qui les distingue avantageusement des transistors bipolaires.

5.2 Transistors à effet de champ à grille isolée

5.2.1 Conception et principe de fonctionnement

Un transistor à effet de champ à grille isolée (MIS - transistor) est un transistor à effet de champ dont la grille est séparée électriquement du canal par une couche diélectrique.

MIS - les transistors (structure : métal-diélectrique-semi-conducteur) sont en silicium. L'oxyde de silicium SiO2 est utilisé comme diélectrique. d'où l'autre nom de ces transistors - MOS - transistors (structure : métal-oxyde-semiconducteur). La présence d'un diélectrique fournit une résistance d'entrée élevée des transistors considérés (1012 ... 1014 Ohm).

Le principe de fonctionnement des transistors MIS est basé sur l'effet de modification de la conductivité de la couche proche de la surface d'un semi-conducteur à l'interface avec un diélectrique sous l'influence d'un champ électrique transversal. La couche superficielle du semi-conducteur est le canal conducteur de ces transistors. МДП - les transistors sont de deux types - à canal intégré et à canal induit.

Considérons les caractéristiques de MIS - des transistors avec un canal intégré. La conception d'un tel transistor à canal n est illustrée à la Fig. 5.4, un. Dans la plaque de silicium de type p d'origine avec une résistivité relativement élevée, appelée substrat, utilisant la technologie de diffusion, deux régions fortement dopées avec le type opposé de conductivité électrique, n, sont créées. Ces zones sont recouvertes d'électrodes métalliques - source et drain. Il existe un mince canal proche de la surface de type n entre la source et le drain. La surface du cristal semi-conducteur entre la source et le drain est recouverte d'une fine couche (environ 0,1 µm) de diélectrique. Une électrode métallique - une grille - est appliquée sur la couche diélectrique. La présence d'une couche diélectrique permet à un tel transistor à effet de champ de fournir à la grille une tension de commande des deux polarités.

Figure 5.4 - Conception du MDP - transistor avec canal de type n intégré (a); famille de ses caractéristiques de ruissellement (b); caractéristique drain-gate (v)

Lorsqu'une tension positive est appliquée à la grille, par le champ électrique qui est créé, les trous du canal seront poussés dans le substrat et des électrons seront tirés du substrat dans le canal. Le canal est enrichi par les principaux porteurs de charge - les électrons, sa conductivité augmente et le courant de drain augmente. Ce mode est appelé mode d'enrichissement.

Lorsqu'une tension négative par rapport à la source est appliquée à la grille, un champ électrique est créé dans le canal, sous l'influence duquel des électrons sont poussés hors du canal dans le substrat, et des trous sont tirés du substrat dans le canal . Le canal est appauvri dans la majorité des porteurs de charge, sa conductivité diminue et le courant de drain diminue. Ce mode du transistor est appelé mode d'appauvrissement.

Dans de tels transistors à Uzi = 0, si une tension est appliquée entre le drain et la source (Usi > 0), le courant de drain Istart circule, appelé et initial, qui est le flux d'électrons.

La conception d'un transistor MOS avec un canal induit de type n est illustrée à la Fig. 5.5, un

Sur les diagrammes schématiques, vous pouvez trouver la désignation d'un transistor à effet de champ d'un type ou d'un autre.

Afin de ne pas se tromper et d'avoir une idée plus complète du type de transistor utilisé dans le circuit, comparons la désignation graphique conventionnelle d'un transistor unipolaire et ses propriétés et caractéristiques distinctives.

Quel que soit le type de transistor à effet de champ, il possède trois bornes. L'un d'eux s'appelle Porte(H). La grille est une électrode de commande, une tension de commande lui est appliquée. La sortie suivante est appelée La source(ET). La source est similaire à l'émetteur des transistors bipolaires. La troisième broche s'appelle Alimenter(AVEC). Le drain est la sortie à partir de laquelle le courant de sortie est prélevé.

Sur les circuits électroniques étrangers, vous pouvez voir la désignation suivante des bornes des transistors unipolaires :

g- obturateur (de l'anglais - g mangé "volet", "portail");

S- source (de l'anglais - S ource "source", "début");

ré- stock (de l'anglais - ré pluie "sortie", "fuite").

Connaissant les désignations étrangères des bornes du transistor à effet de champ, il sera facile de comprendre les circuits de l'électronique importée.

Désignation d'un transistor à effet de champ avec une commande p-n - jonction (J-FET).

Alors. Transistor avec gestion p-n- la transition est indiquée sur les schémas comme suit :

J-FET à canal n

J-FET à canal p

Selon le type de porteurs qui sont utilisés pour former le canal conducteur (la zone à travers laquelle le courant régulé circule), ces transistors peuvent être à canal n et à canal p. La désignation graphique montre que les canaux n sont représentés par une flèche dirigée vers l'intérieur et les canaux p - vers l'extérieur.

Désignation du transistor MOS.

Les transistors MOS unipolaires (MOSFET) ont une désignation graphique conventionnelle légèrement différente de celle des J-FET avec une jonction pn de contrôle.Les MOSFET peuvent également être à canal n ou à canal p.

Les MOSFET sont de deux types : canal intégré et canal induit.

Quelle est la différence?

La différence est que le transistor à canal induit ne s'ouvre que lorsqu'une tension de seuil positive ou uniquement négative est appliquée à la grille. Tension de seuil ( U alors ) Est la tension entre la sortie de la grille et la source, à laquelle le transistor à effet de champ s'ouvre et un courant de drain commence à le traverser ( je c ).

La polarité de la tension de seuil dépend du type de canal. Pour les mosfets avec un canal p, une tension négative "-" doit être appliquée à la grille, et pour ceux avec un canal n, une tension positive "+". Les mosfets à canal induit sont également appelés transistors. type enrichi... Par conséquent, si vous entendez ce qui est dit sur le mosfet de type enrichi, sachez qu'il s'agit d'un transistor à canal induit. Le symbole est illustré ci-dessous.

MOSFET à canal n

MOSFET canal p

La principale différence entre un transistor MOS à canal induit et un transistor à effet de champ à canal intégré est qu'il ne s'ouvre qu'à une certaine valeur (seuil U) d'une tension positive ou négative (selon le type de canal - n ou p).

Un transistor avec un canal intégré s'ouvre déjà à "0", et avec une tension négative à la grille, il fonctionne en mode maigre(aussi ouvert, mais passe moins de courant). Si une tension positive "+" est appliquée à la porte, elle continuera à s'ouvrir et à entrer dans ce qu'on appelle régime d'enrichissement- le courant de drain va augmenter. Cet exemple décrit le fonctionnement d'un mosfet à canal n "et avec un canal intégré. Ils sont également appelés transistors type épuisé... Ci-dessous est montré leur image conventionnelle dans les diagrammes.

Sur la désignation graphique conventionnelle, un transistor à canal induit peut être distingué d'un transistor à canal intégré en cassant la ligne verticale.

Parfois, dans la littérature technique, vous pouvez voir une image d'un MOSFET avec une quatrième broche, qui est la continuation de la ligne de flèche indiquant le type de canal. Ainsi, la quatrième sortie est la sortie du substrat. Une telle image d'un mosfet est utilisée, en règle générale, pour décrire un transistor discret (c'est-à-dire séparé) et n'est utilisée que comme modèle illustratif. Lors du processus de fabrication, le substrat est généralement connecté à la borne source.

MOSFET avec sortie substrat

Désignation MOSFET de puissance

En raison de la connexion de la source et du substrat dans la structure mosfet de champ, un diode intégrée... Cette diode n'affecte pas le fonctionnement de l'appareil, car elle est incluse dans le circuit dans le sens inverse. Dans certains cas, la diode intégrée, qui est formée en raison des caractéristiques technologiques de la fabrication d'un MOSFET haute puissance, peut être utilisée dans la pratique. dernières générations La diode intégrée des MOSFET haute puissance est utilisée pour protéger l'élément lui-même.

La diode intégrée sur le symbole d'un puissant transistor MOS peut ne pas être indiquée, bien qu'en réalité une telle diode soit présente dans tout dispositif de terrain puissant.

Parlons maintenant des transistors à effet de champ. Que peut-on supposer de leur seul nom? Premièrement, comme ce sont des transistors, ils peuvent en quelque sorte contrôler le courant de sortie. Deuxièmement, ils sont censés avoir trois contacts. Et troisièmement, leur travail est basé sur la jonction p-n. Que nous diront les sources officielles à ce sujet ?

Transistors à effet de champ sont appelés dispositifs semi-conducteurs actifs, généralement à trois bornes, dans lesquels le courant de sortie est contrôlé par un champ électrique. (electrono.ru)

La définition a non seulement confirmé nos hypothèses, mais a également démontré la caractéristique des transistors à effet de champ - le courant de sortie est contrôlé en modifiant le champ électrique appliqué, c'est-à-dire Tension. Mais dans les transistors bipolaires, on s'en souvient, le courant d'entrée de la base contrôle le courant de sortie.

Un autre fait sur les transistors à effet de champ peut être découvert en faisant attention à leur autre nom - unipolaire... Cela signifie qu'un seul type de porteurs de charge (ou électrons, ou trous) est impliqué dans le processus de circulation du courant.

Les trois contacts des transistors à effet de champ sont appelés la source(source des transporteurs actuels), portail(électrode de contrôle) et ruissellement(l'électrode où les porteurs s'écoulent). La structure semble simple et très similaire à celle d'un transistor bipolaire. Mais il peut être mis en œuvre d'au moins deux manières. Par conséquent, les transistors à effet de champ se distinguent avec jonction p-n de commande et avec portail isolé.

En général, l'idée de ce dernier est apparue dans les années 1920, bien avant l'invention des transistors bipolaires. Mais le niveau de la technologie n'a permis de le mettre en œuvre qu'en 1960. Dans les années 50, un transistor à effet de champ avec une jonction p-n de commande a d'abord été décrit théoriquement, puis réalisé. Et, comme leurs "frères" bipolaires, les transistors à effet de champ jouent toujours un rôle énorme dans l'électronique.

Avant de passer à l'histoire de la physique du fonctionnement des transistors unipolaires, je souhaite vous rappeler les liens par lesquels vous pouvez rafraîchir vos connaissances sur la jonction p-n : un et deux.

Transistor à effet de champ avec une jonction p-n de contrôle

Alors, comment fonctionne le premier type de transistors à effet de champ ? Le dispositif est basé sur une plaque semi-conductrice avec (par exemple) une conductivité de type p. Aux extrémités opposées, il comporte des électrodes, en appliquant une tension à laquelle on va recevoir un courant de la source au drain. Au-dessus de cette plaque, il y a une région avec le type de conductivité opposé, à laquelle la troisième électrode, la grille, est connectée. Naturellement, entre la porte et la région p en dessous ( canaliser) il y a une jonction p-n. Et puisque la couche n est significativement à canal, alors la majeure partie de la région de transition appauvrie en porteurs de charge mobiles tombera sur la couche p. En conséquence, si nous appliquons une tension de polarisation inverse à la jonction, alors, en fermant, cela augmentera considérablement la résistance du canal et réduira le courant entre la source et le drain. Ainsi, le courant de sortie du transistor est régulé par la tension (champ électrique) de la grille.

L'analogie suivante peut être établie : une jonction p-n est un barrage qui bloque le flux de porteurs de charge de la source au drain. En augmentant ou en diminuant la tension inverse sur celui-ci, nous ouvrons / fermons les écluses sur celui-ci, régulant "l'alimentation en eau" (courant de sortie).

Donc dans mode de fonctionnement un transistor à effet de champ avec une jonction p-n de commande, la tension de grille doit être soit nulle (le canal est complètement ouvert) soit inverse.
Si l'amplitude de la tension inverse devient si grande que la couche de blocage ferme le canal, le transistor entrera en mode de coupure.

Même à une tension de grille nulle, il existe une tension inverse entre la grille et le drain égale à la tension source-drain. C'est pourquoi la jonction pn a une forme si irrégulière, s'étendant vers la zone de drainage.

Il va sans dire que vous pouvez fabriquer un transistor à canal n avec une grille de type p. L'essence de son travail ne changera pas.

Des images graphiques conditionnelles de transistors à effet de champ sont montrées dans la figure ( une- avec un canal de type p, b- avec canal de type n). La flèche indique ici la direction de la couche p à la couche n.

Caractéristiques statiques d'un transistor à effet de champ avec une commande p-n-jonction

Étant donné que dans le mode de fonctionnement, le courant de grille est généralement faible, voire nul, nous ne considérerons pas les graphiques des caractéristiques d'entrée des transistors à effet de champ. Passons directement au week-end ou au stock. Soit dit en passant, ils sont appelés statiques car une tension constante est appliquée à la grille. Celles. il n'est pas nécessaire de prendre en compte les moments fréquentiels, les transitoires, etc.

Jour de congé (Stock) est appelée la dépendance du courant de drain à la tension source-drain à une tension grille-source constante. La figure montre le graphique de gauche.

Trois zones peuvent être clairement distinguées sur le graphique. Le premier d'entre eux est la zone de forte augmentation du courant de drain. C'est ce qu'on appelle région ohmique... Le canal source-drain se comporte comme une résistance dont la résistance est contrôlée par la tension aux bornes de la grille du transistor.

Deuxième zone - région de saturation... Il a un aspect presque linéaire. Ici, le canal se chevauche dans la zone de drain, qui augmente avec une nouvelle augmentation de la tension source-drain. En conséquence, la résistance du canal augmente également et le courant de drain change très peu (loi d'Ohm, cependant). C'est cette section de la caractéristique qui est utilisée dans la technologie d'amplification, car il existe les plus petites distorsions de signal non linéaires et les valeurs optimales des paramètres de petit signal qui sont essentielles pour l'amplification. Ces paramètres incluent la pente, la résistance interne et le gain. Les significations de toutes ces phrases incompréhensibles seront divulguées ci-dessous.

La troisième zone du graphique est zone de panne, dont le nom parle de lui-même.

Sur le côté droit de la figure, il y a un graphique d'une autre relation importante - caractéristiques de drainage... Il montre comment le courant de drain dépend de la tension grille-source à une tension constante entre la source et le drain. Et c'est précisément sa pente qui est l'un des principaux paramètres d'un transistor à effet de champ.

Transistor à effet de champ à grille isolée

De tels transistors sont aussi souvent appelés transistors MOS (métal-isolant-semiconducteur) - ou MOS (métal-oxyde-semiconducteur) - (eng. Metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). Dans de tels dispositifs, la grille est séparée du canal par une fine couche diélectrique. Base physique leur travail est l'effet de changer la conductivité de la couche proche de la surface d'un semi-conducteur à l'interface avec un diélectrique sous l'influence d'un champ électrique transversal.

Le dispositif de ce type de transistors est le suivant. Il existe un substrat semi-conducteur p dans lequel deux régions de conduction n fortement dopées (source et drain) sont réalisées. Entre eux se trouve un pont étroit proche de la surface, dont la conductivité est également de type n. Au-dessus, à la surface de la plaque, se trouve une fine couche de diélectrique (le plus souvent en dioxyde de silicium - d'où, d'ailleurs, l'abréviation MOS). Et déjà sur cette couche se trouve l'obturateur - un mince film métallique. Le cristal lui-même est généralement connecté à la source, bien qu'il arrive qu'il soit également connecté séparément.

Si une tension source-drain est appliquée à une tension de grille nulle, un courant traversera le canal entre eux. Pourquoi pas à travers un cristal ? Parce que l'une des jonctions pn sera fermée.

Appliquons maintenant une tension négative à la grille par rapport à la source. Le champ électrique transversal résultant va "pousser" les électrons hors du canal dans le substrat. En conséquence, la résistance du canal augmentera et le courant qui le traverse diminuera. Un tel mode dans lequel le courant de sortie chute avec l'augmentation de la tension de grille est appelé régime d'épuisement.
Si nous appliquons une tension à la grille, ce qui contribuera à l'émergence d'un champ « aidant » les électrons à « venir » dans le canal depuis le substrat, alors le transistor fonctionnera en régime d'enrichissement... Dans ce cas, la résistance du canal chutera et le courant qui le traverse augmentera.

La conception du transistor à grille isolée considérée ci-dessus est similaire à la conception avec une jonction p-n de commande en ce que même à un courant de grille nul à une tension source-drain non nulle, il existe un soi-disant courant de drain initial... Dans les deux cas, cela est dû au fait que le canal de ce courant intégré dans la conception du transistor. C'est-à-dire, à proprement parler, que nous venons de considérer un tel sous-type de transistors MOS comme transistors à canal.

Cependant, il existe un autre type de transistors à effet de champ IGBT - transistor à canal (inverse) induit... D'après son nom, sa différence avec le précédent est déjà claire - il n'a un canal entre les zones fortement dopées du drain et la source que lorsqu'une tension d'une certaine polarité est appliquée à la grille.

Ainsi, nous appliquons une tension uniquement à la source et au drain. Le courant ne circulera pas entre eux, car l'une des jonctions pn entre eux et le substrat est fermée.
Appliquons une tension à la grille (directe par rapport à la source). Le champ électrique résultant « attirera » les électrons des régions fortement dopées dans le substrat en direction de la grille. Et lorsque la tension de grille atteint une certaine valeur dans la zone proche de la surface, la soi-disant renversement type de conductivité. Celles. la concentration d'électrons dépassera la concentration de trous et un mince canal de type n apparaîtra entre le drain et la source. Le transistor commencera à conduire le courant, plus la tension de grille est élevée.
D'après une telle conception, il est clair que le transistor à canal induit ne peut fonctionner que lorsqu'il est en mode d'enrichissement. Par conséquent, ils se trouvent souvent dans les appareils de commutation.

Les symboles IGBT sont les suivants :

Ici
une- avec canal de type n intégré ;
b- avec canal de type p intégré ;
v- avec sortie du substrat ;
g- avec un canal de type n induit ;
ré- avec un canal de type p induit ;
e- avec sortie du substrat.

Caractéristiques statiques des transistors MIS

La famille des caractéristiques de drain et de drain-grille d'un transistor à canal intégré est illustrée dans la figure suivante :

Mêmes caractéristiques pour un transistor à canal induit :

Structures TIR exotiques

Afin de ne pas confondre la présentation, je veux juste conseiller les liens où vous pouvez lire à leur sujet. Tout d'abord, c'est le Wikipédia préféré de tous, la section "TIR-structures but spécial". Et voici la théorie et les formules : un tutoriel sur l'électronique à l'état solide, chapitre 6, sous-chapitres 6.12-6.15. Lisez-le, c'est intéressant!

Paramètres généraux des transistors à effet de champ

Courant de drain maximalà une tension grille-source fixe.
Tension drain-source maximale, après quoi une panne se produit.
Résistance interne (sortie)... C'est la résistance de canal pour le courant alternatif (la tension grille-source est une constante).
La raideur des caractéristiques drain-gate... Plus il est grand, plus la réponse du transistor à un changement de tension de grille est nette.
Impédance d'entrée... Il est déterminé par la résistance de la polarisation inverse jonction pn et atteint généralement des unités et des dizaines de mégohms (ce qui distingue favorablement les transistors à effet de champ des "parents" bipolaires). Et parmi les transistors à effet de champ eux-mêmes, la paume appartient aux appareils à grille isolée.
Gagner- le rapport de la variation de la tension source-drain sur la variation de la tension grille-source à courant de drain constant.

Schémas de connexion

Comme un transistor bipolaire, un transistor à effet de champ peut être considéré comme un dispositif à quatre pôles, dans lequel deux des quatre contacts coïncident. Ainsi, on distingue trois types de circuits de commutation : à source commune, à grille commune et à drain commun. Ils ont des caractéristiques très similaires aux circuits d'émetteurs communs, socle commun et un collecteur commun pour les transistors bipolaires.
Le plus souvent utilisé circuit source commun (une), comme donnant un plus grand gain de courant et de puissance.
Circuit de porte commun (b) il n'y a presque pas d'amplification de courant et a une faible résistance d'entrée. De ce fait, un tel schéma de commutation a une application pratique limitée.
Schéma avec drain commun (v) sont aussi appelés suiveur de la source... Son gain en tension est proche de l'unité, l'impédance d'entrée est élevée et l'impédance de sortie est faible.

Différences entre les transistors à effet de champ et les transistors bipolaires. Domaines d'utilisation

Comme mentionné ci-dessus, la première et principale différence entre ces deux types de transistors est que ces derniers sont commandés en changeant le courant, et les premiers en tension. Et de là découlent d'autres avantages des transistors à effet de champ par rapport aux transistors bipolaires :

impédance d'entrée élevée courant continu et sur haute fréquence, d'où les faibles pertes de contrôle ;
haute performance (en raison de l'absence d'accumulation et de résorption de porteurs mineurs);
les propriétés amplificatrices des transistors à effet de champ étant dues au transfert des porteurs de charge principaux, leur limite supérieure d'amplification effective est supérieure à celle des transistors bipolaires ;
stabilité à haute température;
faible niveau de bruit, puisque le phénomène d'injection de porteurs de charges minoritaires n'est pas utilisé dans les transistors à effet de champ, ce qui rend les transistors bipolaires « bruyants » ;
faible consommation d'énergie.

Cependant, dans tout cela, les transistors à effet de champ ont un inconvénient - ils ont "peur" de l'électricité statique, par conséquent, lorsqu'ils travaillent avec eux, ils imposent des exigences particulièrement strictes pour se protéger de ce fléau.

Où sont utilisés les transistors à effet de champ ? Presque partout. Circuits intégrés numériques et analogiques, dispositifs de poursuite et logiques, circuits à économie d'énergie, mémoire flash... Qu'y a-t-il, même montre à quartz et la télécommande du téléviseur fonctionnent sur des transistors à effet de champ. Ils sont partout,% habrauser%. Mais maintenant vous savez comment ils fonctionnent !

Les éléments semi-conducteurs ne cessent de croître. Chaque nouvelle invention dans ce domaine, en fait, change toute l'idée de systèmes électroniques... Les capacités de conception de circuits changent, de nouveaux appareils apparaissent sur leur base. Beaucoup de temps s'est écoulé depuis l'invention (1948). Les structures "p-n-p" et "n-p-n" ont été inventées. Au fil du temps, un transistor MIS est apparu, fonctionnant sur le principe de changer la conductivité électrique d'une couche semi-conductrice proche de la surface sous l'action d'un champ électrique. D'où un autre nom pour cet élément - champ.

L'abréviation même MIS (métal-diélectrique-semiconducteur) caractérise la structure interne de cet appareil. En effet, sa grille est isolée du drain et de la source par une fine couche non conductrice. Un transistor MOS moderne a une longueur de grille de 0,6 µm. Seul un champ électromagnétique peut le traverser - il affecte donc l'état électrique du semi-conducteur.

Regardons comment cela fonctionne et découvrons quelle est sa principale différence avec le "frère" bipolaire. Lorsque le potentiel requis apparaît, un champ électromagnétique apparaît sur sa grille. Il affecte la résistance de la jonction drain-source. Voici quelques-uns des avantages de l'utilisation de cet appareil.

Lors de la conception et de l'utilisation de ces éléments, il faut garder à l'esprit que les transistors MIS sont très sensibles aux surtensions dans le circuit et c'est-à-dire que l'appareil peut tomber en panne lorsqu'il touche les sorties de commande. Utilisez une mise à la terre spéciale pour le montage ou le démontage.

Les perspectives d'utilisation de cet appareil sont très bonnes. En raison de ses propriétés uniques, il a trouvé large application dans divers équipements électroniques. Une direction innovante dans l'électronique moderne est l'utilisation de modules de puissance IGBT pour fonctionner dans divers circuits, y compris l'induction.

Leur technologie de production est constamment améliorée. Le développement est en cours pour mettre à l'échelle (réduire) la longueur de l'obturateur. Cela améliorera les paramètres de fonctionnement déjà bons de l'appareil.

Transistor à effet de champ

Transistor à effet de champ (Anglais... transistor à effet de champ, FET) - un dispositif semi-conducteur dans lequel le courant change en raison de l'action perpendiculaire le courant de champ électrique généré par le signal d'entrée.

Le flux de courant de fonctionnement dans un transistor à effet de champ est dû à des porteurs de charge d'un seul signe (électrons ou trous). Par conséquent, ces dispositifs sont souvent inclus dans une classe plus large de dispositifs électroniques unipolaires (par opposition aux bipolaires).

Dans un cristal semi-conducteur à résistivité relativement élevée, appelé substrat, deux régions fortement dopées sont créées avec un type de conductivité opposé au substrat. Ces zones sont recouvertes d'électrodes métalliques - source et drain. La distance entre les régions de source et de drain fortement dopées peut être inférieure à un micron. La surface du cristal semi-conducteur entre la source et le drain est recouverte d'une fine couche (environ 0,1 µm) de diélectrique. Étant donné que le semi-conducteur initial pour les transistors à effet de champ est généralement du silicium, une couche de dioxyde de silicium SiO 2, développée à la surface d'un cristal de silicium par oxydation à haute température, est utilisée comme diélectrique. Une électrode métallique - une grille - est appliquée sur la couche diélectrique. Le résultat est une structure composée d'un métal, d'un diélectrique et d'un semi-conducteur. Par conséquent, les FET IGBT sont souvent appelés MOSFET.

La résistance d'entrée des transistors MOS peut atteindre 10 10 ... 10 14 Ohm (pour les transistors à effet de champ avec une jonction p-n de commande 10 7 ... 10 9), ce qui est un avantage dans la construction de dispositifs de haute précision.

Il existe deux types de transistors MOS : à canal induit et à canal intégré.

Dans les transistors MOS à canal induit (Fig. 2, a), il n'y a pas de canal conducteur entre les régions de source et de drain fortement dopées et, par conséquent, un courant de drain notable n'apparaît qu'à une certaine polarité et à une certaine valeur de la grille tension par rapport à la source, que l'on appelle la tension de seuil ( U Zipor).

Dans les transistors MOS à canal intégré (Fig. 2, b), à la surface du semi-conducteur sous la grille à une tension de grille nulle par rapport à la source, il y a une couche inverse - un canal qui relie la source au drain.

Montré dans la fig. 2, les structures IGBT ont un substrat de conductivité de type n. Par conséquent, les régions fortement dopées sous la source et le drain, ainsi que le canal induit et intégré, ont une conductivité de type p. Si des transistors similaires sont créés sur un substrat avec une conductivité de type p, alors leur canal aura une conductivité de type n.

Transistors MOS à canal induit

Lorsque la tension à la grille par rapport à la source est égale à zéro, et en présence d'une tension au drain, le courant de drain s'avère négligeable. Il représente le courant inverse de la jonction pn entre le substrat et la région de drain fortement dopée. À un potentiel négatif à la grille (pour la structure illustrée à la Fig. 2, a) à la suite de la pénétration d'un champ électrique à travers la couche diélectrique dans le semi-conducteur à de faibles tensions de grille (inférieures U Zipor) près de la surface du semi-conducteur sous la grille, une couche appauvrie en porteurs majoritaires apparaît, l'effet de champ et une région de charge d'espace constituée d'atomes d'impuretés ionisés non compensés. À des tensions de grille élevées U Zipor, à la surface du semi-conducteur sous la grille apparaît une couche inverse, qui est le canal reliant la source au drain. Épaisseur et la Coupe transversale le canal changera avec un changement de la tension de grille, respectivement, le courant de drain changera également, c'est-à-dire le courant dans le circuit de charge et une source d'alimentation relativement puissante. C'est ainsi que le courant de drain est contrôlé dans un IGBT et un canal induit.

En raison du fait que la grille est séparée du substrat par une couche diélectrique, le courant dans le circuit de grille est négligeable et la puissance consommée par la source de signal dans le circuit de grille est également faible et est nécessaire pour contrôler un drain relativement grand. courant. Ainsi, un transistor MOS à canal induit peut amplifier les oscillations électromagnétiques en tension et en puissance.

Le principe d'amplification de puissance dans les transistors MIS peut être envisagé du point de vue du transfert par des porteurs de charge de l'énergie d'un champ électrique constant (l'énergie d'une source d'alimentation dans le circuit de sortie) vers un champ électrique alternatif. Dans un transistor MOS, avant l'apparition du canal, presque toute la tension de la source d'alimentation dans le circuit de drain a chuté à travers le semi-conducteur entre la source et le drain, créant une composante constante relativement importante de l'intensité du champ électrique. Sous l'action de la tension de grille dans le semi-conducteur, un canal apparaît sous la grille à travers lequel des porteurs de charge - des trous - se déplacent de la source au drain. Les trous, se déplaçant dans la direction de la composante constante du champ électrique, sont accélérés par ce champ et leur énergie augmente en raison de l'énergie de la source d'alimentation dans le circuit de drain. Simultanément à l'émergence du canal et à l'apparition de porteurs de charges mobiles dans celui-ci, la tension au drain diminue, c'est-à-dire que la valeur instantanée de la composante variable du champ électrique dans le canal est dirigée à l'opposé de la composante constante. Par conséquent, les trous sont ralentis par un champ électrique alternatif, ce qui lui donne une partie de leur énergie.

Transistors MIS avec canal intégré

Riz. 3. Caractéristiques statiques de sortie (a) et caractéristiques de transmission statique (b) du transistor MOS à canal intégré.

En raison de la présence d'un canal intégré dans un tel transistor MOS à une tension de grille nulle (voir Fig. 2, b), la section transversale et la conductivité du canal changeront avec un changement de la tension de grille, à la fois négative et positive. . Ainsi, un transistor MIS à canal intégré peut fonctionner selon deux modes : en mode d'enrichissement et en mode d'appauvrissement de canal avec porteurs de charge. Cette caractéristique des transistors MOS à canal intégré se reflète également dans le déplacement des caractéristiques statiques de sortie lorsque la tension à la grille et sa polarité changent (Fig. 3).

Les caractéristiques statiques de la transmission (Fig. 3, b) partent du point de l'axe des abscisses correspondant à la tension de coupure U zyots c'est-à-dire la tension entre la grille et la source du MOSFET à déplétion dans laquelle le courant de drain atteint une valeur basse prédéterminée.

Formules de calcul en fonction de la tension U ZI

1. Le transistor est fermé

Valeur de tension de seuil du transistor MIS

2. Section parabolique.

Pente spécifique de la caractéristique de transfert du transistor.

3. Une augmentation supplémentaire conduit à une transition vers un niveau doux.

- L'équation de Hovstein.

Structures TIR à des fins spéciales

Dans les structures de type métal-nitrure-oxyde-semiconducteur (MNOS), le diélectrique sous la grille est réalisé en deux couches : une couche d'oxyde SiO 2 et une couche épaisse de nitrure Si 3 N 4 . Entre les couches, des pièges à électrons sont formés qui, lorsqu'une tension positive (28..30 V) est appliquée à la grille de la structure MNOS, capturent les électrons en tunnel à travers une fine couche de SiO 2. Les ions chargés négativement qui en résultent augmentent la tension de seuil et leur charge peut être stockée jusqu'à plusieurs années en l'absence d'alimentation, car la couche de SiO 2 empêche les fuites de charge. Lorsqu'une grande tension négative (28 ... 30 V) est appliquée à la grille, la charge accumulée est absorbée, ce qui réduit considérablement la tension de seuil.

Les structures à injection d'avalanche à grille flottante (LISMOS) sont dotées d'une grille en polysilicium isolée des autres parties de la structure. Un claquage par avalanche de la jonction p-n du substrat et du drain ou de la source, à laquelle une haute tension est appliquée, permet aux électrons de pénétrer à travers la couche d'oxyde jusqu'à la grille, ce qui entraîne une charge négative sur celle-ci. Les propriétés isolantes du diélectrique permettent de conserver cette charge pendant des décennies. Suppression charge électrique de l'obturateur est réalisée à l'aide d'un rayonnement ultraviolet ionisant lampes à quartz, tandis que le photocourant permet aux électrons de se recombiner avec des trous.

Plus tard, des structures de transistors à effet de champ de stockage avec une double grille ont été développées. Un obturateur intégré au diélectrique est utilisé pour stocker une charge qui détermine l'état de l'appareil, et un obturateur externe (conventionnel), contrôlé par des impulsions multipolaires pour introduire ou supprimer une charge sur l'obturateur intégré (interne). C'est ainsi qu'apparaissent les cellules, puis les microcircuits à mémoire flash, qui ont gagné en popularité ces jours-ci et ont fait une concurrence importante. disques durs dans les ordinateurs.

Pour la mise en oeuvre de très grands circuits intégrés (VLSI), des microtransistors à champ subminiature ont été créés. Ils sont fabriqués grâce à la nanotechnologie avec une résolution géométrique inférieure à 100 nm. Dans de tels dispositifs, l'épaisseur du diélectrique de grille atteint plusieurs couches atomiques. Diverses, y compris des structures à trois portes sont utilisées. Les appareils fonctionnent en mode micropuissance. Dans les microprocesseurs modernes de la société Intel, le nombre d'appareils varie de dizaines de millions à 2 milliards. Les plus récents microtransistors à effet de champ sont fabriqués à partir de silicium contraint, ont une grille métallique et utilisent un nouveau matériau breveté pour le diélectrique de grille à base de composés d'hafnium.

Au cours du dernier quart de siècle, de puissants transistors à effet de champ, principalement de type MIS, se sont développés rapidement. Ils se composent de nombreuses structures de faible puissance ou de structures avec une configuration de grille ramifiée. De tels dispositifs à haute fréquence et à micro-ondes ont d'abord été créés en URSS par les spécialistes du Pulsar Research Institute VV Bachurin (dispositifs au silicium) et V. Ya. Vaksemburg (dispositifs à l'arséniure de gallium).L'étude de leurs propriétés impulsionnelles a été réalisée par le école scientifique du prof. Dyakonova V.P. (branche de Smolensk de MPEI). Cela a ouvert le champ du développement de puissants transistors à effet de champ à clé (impulsions) avec des structures spéciales, ayant des tensions et des courants de fonctionnement élevés (séparément jusqu'à 500-1000 V et 50-100 A). De tels dispositifs sont souvent contrôlés par de faibles tensions (jusqu'à 5 V), ont une faible résistance à l'état ouvert (jusqu'à 0,01 Ohm) dans des dispositifs à courant élevé, une pente élevée et des temps de commutation courts (en unités jusqu'à des dizaines de ns). Ils ne présentent pas le phénomène d'accumulation de porteurs dans la structure et le phénomène de saturation inhérent aux transistors bipolaires. En conséquence, les transistors à effet de champ de haute puissance remplacent avec succès les transistors bipolaires de haute puissance dans le domaine de l'électronique de puissance basse et moyenne puissance.

À l'étranger, au cours des dernières décennies, la technologie des transistors à électrons hautement mobiles (HME) s'est rapidement développée, largement utilisée dans les dispositifs de communication par micro-ondes et de radiosurveillance. Sur la base du TVPE, des circuits intégrés hyperfréquences hybrides et monolithiques sont créés ( Anglais)). Le fonctionnement de l'EFTP est basé sur le contrôle des canaux à l'aide d'un gaz d'électrons bidimensionnel, dont la région est créée sous le contact de grille grâce à l'utilisation d'une hétérojonction et d'une couche diélectrique très fine - un espaceur.

Domaines d'application des transistors à effet de champ

Une partie importante de la actuellement Les transistors à effet de champ font partie des structures CMOS, qui sont construites à partir de transistors à effet de champ avec des canaux de différents types de conductivité (p et n) et sont largement utilisés dans les circuits intégrés numériques et analogiques.

Du fait que les transistors à effet de champ sont contrôlés par le champ (l'amplitude de la tension appliquée à la grille) et non par le courant traversant la base (comme dans les transistors bipolaires), les transistors à effet de champ consomment beaucoup moins d'énergie , ce qui est particulièrement important dans les circuits des dispositifs d'attente et de suivi, ainsi que dans les schémas de faible consommation et d'économie d'énergie (mise en œuvre de modes veille).

Des exemples remarquables de dispositifs basés sur des transistors à effet de champ sont une montre-bracelet à quartz et une télécommande. télécommande pour la télé. Du fait de l'utilisation de structures CMOS, ces dispositifs peuvent fonctionner jusqu'à plusieurs années, car ils ne consomment pratiquement pas d'énergie.

Les domaines d'application des puissants transistors à effet de champ se développent à un rythme effréné. Leur utilisation dans des dispositifs d'émission radio permet d'obtenir une pureté accrue du spectre des signaux radio rayonnés, de réduire le niveau d'interférence et d'augmenter la fiabilité des émetteurs radio. V électronique de puissance les principaux transistors à effet de champ haute puissance remplacent et remplacent avec succès les transistors bipolaires haute puissance. Dans les convertisseurs de puissance, ils permettent d'augmenter la fréquence de conversion de 1 à 2 ordres de grandeur et de réduire considérablement la taille et le poids des convertisseurs de puissance. Les dispositifs haute puissance utilisent des transistors bipolaires contrôlés par champ (IGBT) pour déplacer avec succès les thyristors. Dans les amplificateurs de puissance fréquences audio les transistors à effet de champ haute puissance HiFi et HiEnd haut de gamme remplacent avec succès les hautes puissances tubes électroniques, car ils ont de faibles distorsions non linéaires et dynamiques.

voir également

Liens

Remarques (modifier)

État solide passif	Résistance Résistance variable Résistance trimmer Varistance Condensateur Condensateur variable Condensateur trimmer Inductance Résonateur à quartz Fusible Fusible auto-cicatrisant Transformateur
État solide actif	Diode LED photodiode Laser à semi-conducteur · Diode Schottky Stabilisateur à diode Zener Varicap Varicond Pont de diodes · Diode d'avalanche · Diode tunnel · Diode Gunn Transistor · Transistor bipolaire · Transistor à effet de champ · transistor CMOS · Transistor unijonction Phototransistor Transistor composite Transistor balistique Circuit intégré · Circuit intégré numérique · Circuit intégré analogique Thyristor Triac Dinistor Memristor
Vide passif	Barrette
Vide actif et décharge de gaz