Пороговое напряжение на затворе что это?

Влияние дрейфа VGS на условия применения

Основное влияние динамический дрейф порогового напряжения оказывает на сопротивление канала R_DS(on), начальное значение которого определяется в спецификации для заданного напряжения управления. Увеличение R_DS(on) приводит к росту потерь проводимости и, соответственно, температуры кристаллов T_j. Этот временной эффект следует учитывать при оценке показателей надежности.

Насколько критичным является увеличение T_j — зависит от конкретного применения и условий эксплуатации. Во многих случаях оно незначительно и не приводит к заметному перегреву кристаллов, даже к концу срока службы. Однако в некоторых приложениях рост температуры чипов может негативно влиять на важные параметры изделия, в частности стойкость к термоциклированию.

Ниже на примере полумостового каскада в DC/DC-конверторе проиллюстрировано воздействие дрейфа V_GS(th) в различных условиях (табл.). В первом случае доминируют потери проводимости (P_con), во втором — коммутационные потери (P_sw) и потери проводимости вносят одинаковый вклад в общий баланс.

Влияние изменения V_GS(th) на распределение потерь и температуру кристаллов для примеров 1 и 2 показано на рис. 4. В обоих случаях ожидаемое изменение напряжения управления одинаково к концу срока службы и составляет 1 В.

Рис. 4. Влияние дрейфа V_GS(th) в разных условиях применения

Как видно из примера 1, в котором преобладают потери проводимости, дрейф V_GS(th) приводит к заметно большему росту потерь и, следовательно, большему перегреву кристаллов. Этот факт необходимо учитывать при проектировании и соблюдать рекомендации, подробно описанные далее. Для режимов со сбалансированными потерями переключения и проводимости, вариации напряжения управления имеют гораздо меньшее влияние на общие потери и температуру чипов.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать
нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент может
быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных
транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый
транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая
схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты двух транзисторов умножаются, что
позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить
эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток
база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры
таких транзисторов приведены в таблице.

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Дрейф порогового напряжения VGS(th)

Природа широкозонных материалов и свойства интерфейсного слоя «полупроводник-диэлектрик» SiC обуславливают особенности температурных характеристик порогового напряжения (BTI — Bias Temperature Instability). Были проведены детальные исследования, направленные на изучение данных особенностей, объяснение их связи со свойствами полупроводниковых материалов и их влияния на работу в конкретных применениях. Испытания выполнялись на макете инвертора с карбидокремниевым модулем SK200MB120TSCE2 (кристаллы Infineon CoolSiC) в корпусе SEMITOP E2 (рис. 3).

Рис. 3. Тестовый инвертор с модулем SK200MB120TSCE2 и драйвером SKYPER 12, корпус SEMITOP E2.

Для изучения статических характеристик управления SiC MOSFET необходима адаптация стандартных условий, используемых при тестировании кремниевых ключей. С этой целью разработана новая процедура оценки параметров затвора, позволяющая различать динамический обратимый гистерезис порогового напряжения V_GS(th) и его медленные температурные и временные вариации .

Кроме изменений, связанных со статическими процессами, пороговое напряжение SiC MOSFET имеет дрейф, вызванный включением и выключением прибора. Этот дополнительный компонент может быть идентифицирован только в ходе долговременных импульсных тестов. Современные исследования показывают, что данный эффект связан с динамикой оксидного слоя затвора и он присущ всем существующим технологиям SiC MOSFET. С течением времени коммутация транзистора приводит к медленному увеличению V_GS(th) с течением времени. Его величина одинакова у различных приборов, находящихся в одинаковых условиях эксплуатации. Независимо от выбранных параметров, отрицательный дрейф порогового напряжения никогда не наблюдался. Изменение порогового напряжения влияет на сопротивление канала R_DS(on), таким образом в ходе эксплуатации статические потери увеличиваются.

Основные параметры, подверженные влиянию динамического дрейфа V_GS(th):

• общее количество циклов коммутации, трансформируемое в частоту переключения и суммарное время работы;
• напряжение выключения V_GS(off);
• напряжение управления на выводах «затвор-исток» чипа (может выйти за границы допустимого диапазона).

Пороговое напряжение

Пороговое напряжение V_th определяется как минимальное открывающее напряжение на затворе, инвертирующее тип проводимости и создающее канал между областями истока и стока. V_th обычно измеряется при токе стока 250 мкА. Нормальные значения порогового напряжения 2–4 В для высоковольтных устройств с толстым оксидным слоем и 1–2 В для низковольтных устройств с тонким оксидным слоем, совместимых с логическими уровнями напряжений. С увеличением применяемости MOSFET в портативной и беспроводной электронике, где основным типом питания является батарейное, желательным является снижение порогового напряжения и сопротивления открытого транзистора.

Схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

Ниже показана базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах:

Рисунок 1 – Базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

На мой взгляд, она удивительно проста – два NMOS-транзистора и один резистор. Давайте посмотрим, как она работает.

Как видите, сток Q₁ накоротко замкнут с затвором. Это означает, что V_затвор = V_сток (V_G = V_D), и, следовательно, V_{затвор-сток} = 0 В (V_GD = 0 В). Итак, Q₁ находится в области отсечки, области триода или области насыщения? Он не может быть заперт, потому что, если ток не протекает через канал, напряжение на затворе будет равно напряжению питания (V_DD), и, следовательно, V_{затвор-исток} (V_GS) будет больше, чем пороговое напряжение V_порог (можно смело предположить, что V_DD выше, чем V_порог). Это означает, что Q₁ всегда будет в режиме насыщения (также называемом «активным» режимом), потому что V_{затвор-сток} = 0 В, и одним из способов выражения условия насыщения MOSFET транзистора является то, что V_{затвор-сток} должно быть меньше, чем V_порог.

Если вспомнить, что через затвор полевого MOSFET транзистора не течет устойчивый ток, мы можем увидеть, что опорный ток I_опор будет равен току стока Q₁. Мы можем настроить значение этого опорного тока, выбрав соответствующее значение для резистора настройки R_настр. Так какое отношение всё это имеет к Q₂? Итак, на ток утечки полевого MOSFET транзистора при насыщении влияет отношение ширины канала к его длине и напряжение затвор-исток:

\

На данный момент мы игнорируем модуляцию длины канала; следовательно, как показывает формула, ток стока не зависит от напряжения сток-исток

Теперь обратите внимание, что истоки у обоих полевых транзисторов подключены к земле, и что их затворы замкнуты вместе – иными словами, оба имеют одинаковое напряжение затвор-исток. Таким образом, если предположить, что оба устройства имеют одинаковые размеры канала, их токи стока будут одинаковыми, независимо от напряжения на стоке Q2

Это напряжение обозначено как Vит, что означает напряжение на компоненте источника тока; это помогает напомнить нам, что Q2, как и любой хорошо работающий источник тока, генерирует ток смещения, который не зависит от напряжения на его клеммах. Еще один способ сказать это – Q2 имеет бесконечное выходное сопротивление:

Рисунок 2 – Q₂ имеет бесконечное выходное сопротивление

В этих условиях ток никогда не протекает через выходное сопротивление R_вых, даже если V_ит очень велико. Это означает, что ток смещения всегда в точности равен опорному току.

Распространенным названием для этой схемы является «токовое зеркало». Вы, вероятно, можете понять, почему – ток, генерируемый правым транзистором является зеркальным отражением (т.е. равным) опорному току, протекающему через левый транзистор

Это название особенно подходит, когда вы принимаете во внимание визуальную симметрию, демонстрируемую представлением типовой схемы

Кстати, для старых микросхем часто требовался внешний резистор для R_настр. Однако в настоящее время производители используют встроенные резисторы, которые обрезаются при производстве для достижения достаточной точности.

рабочая область

Исторические биполярные транзисторы, построенные примерно в 1959 году. Корпус из стекла, черное лаковое покрытие частично удалено, чтобы сделать полупроводниковый кристалл видимым.

Биполярный транзистор состоит из двух pn-переходов. При подаче соответствующего напряжения оба перехода могут быть заблокированы или переключены независимо друг от друга. Это приводит к четырем возможным рабочим областям, в которых транзистор показывает свое поведение.

Запретная зона

В полосе запрета (англ. Cut-off region ) или операции блокировки для блокировки обоих переходов, d. ЧАС. коллекторный и эмиттерный диоды. В этом рабочем состоянии транзистор теоретически не проводит ток. Таким образом, транзистор соответствует разомкнутому ключу. На практике небольшой ток также течет в режиме блокировки, поэтому транзистор в режиме блокировки является неидеальным переключателем.

Площадь армирования

Вперед-активная область происходит в так называемой нормальной работе . Эмиттерный диод работает в прямом направлении, а коллекторный диод — в обратном. В диапазоне усиления приблизительно применяется следующая формула , где β — коэффициент усиления тока. Поскольку β относительно велико, небольшие изменения тока базы приводят к большим изменениям тока коллектора . В этой области работают транзисторы для усиления сигналов. При нормальной работе транзистор обычно работает только в диапазоне, в котором усиление приблизительно линейно согласно приведенной выше формуле.
Я.С.знак равноβ⋅Я.Б.{\ Displaystyle I _ {\ rm {C}} = \ beta \ cdot I _ {\ rm {B}}}Я.Б.{\ displaystyle I _ {\ rm {B}}}Я.С.{\ displaystyle I _ {\ rm {C}}}

Быстрые цифровые схемы, такие как LVPECL , LVDS , CML, работают в режиме усиления, также известном как линейный диапазон, чтобы избежать задержек, вызванных насыщением.

Диапазон насыщенности

Диапазон насыщенности также называется режимом насыщения или насыщением . Оба pn перехода проводят, но носителей заряда в базовой зоне больше, чем требуется для тока коллектора. Ток коллектора не зависит от тока базы . Транзистор соответствует замкнутому ключу с постоянным объемным сопротивлением (левая область в поле выходной характеристики). Если рабочая точка линейного усилителя находится недостаточно далеко от диапазона насыщения или амплитуда сигнала слишком высока, возникает перемодуляция, усилитель ограничивает сигнал и возникают искажения. Блокировка секции база-коллектор откладывается, потому что все избыточные носители заряда должны сначала вытекать из базовой зоны.
Я.С.{\ displaystyle I _ {\ rm {C}}}Я.Б.{\ displaystyle I _ {\ rm {B}}}

В качестве альтернативы в коммутационных приложениях используются полевые транзисторы (например, MOSFET ).

Область квазинасыщения

Этот диапазон находится между диапазон усиления и диапазон насыщения

Транзистор не работает в режиме насыщения, в результате чего время выключения и, следовательно, потери мощности при выключении значительно сокращаются по сравнению с работой в режиме полного насыщения, что важно для коммутационных приложений. Однако это преимущество компенсируется более высокими прямыми потерями, поскольку прямое напряжение примерно на 0,4 В

Одно из приложений — это, например, Schottky TTL .

Область обратного усиления

Область обратного усиления (англ. Reverse region ) также называется обратной операцией . Переход база-коллектор работает в прямом направлении, а переход база-эмиттер — в обратном. Эта область работает аналогично области нормального усиления, но с противоположным знаком напряжений. Коэффициент усиления тока значительно меньше. Максимальное обратное напряжение диода база-эмиттер составляет всего несколько вольт.

Одним из преимуществ инверсной операции является более точное и быстрое переключение. При полном управлении прямое напряжение падает ниже 10 мВ, аналогично механическому контакту, но без скачков.

Паразитные индуктивности

Наличие распределенных индуктивностей в цепях коммутации, включающих силовые терминалы и внутренние соединения между кристаллами, является общей проблемой электронных модулей, работающих с большими скоростями изменения тока. Высокий уровень di/dt при выключении приводит к возникновению всплесков напряжения на транзисторах и диодах. Влияние паразитных индуктивностей в цепях нагрузки и управления (выход драйвера) приводит к искажению сигнала управления «затвор–эмиттер» V_GE и ложным срабатываниям транзистора.

На рис. 1 показан IGBT с антипараллельным диодом и паразитная индуктивность L_s в цепи «затвор–эмиттер». Схема является очень упрощенной, на практике распределенные элементы образуют сложную систему, созданную эффектами самоиндукции и взаимоиндукции в силовых и сигнальных цепях.

Рис. 1. Влияние паразитной индуктивности в цепи «затвор–эмиттер»

При изменении тока нагрузки в индуктивности L_s на ней образуется перепад напряжения вследствие явления самоиндукции. Значение наведенного сигнала рассчитывается с помощью Закона Фарадея:

n_Ls = L_s × di_Ls/dt.

При положительном изменении тока напряжение «затвор–эмиттер» V_GE уменьшается в соответствии с уравнением (рис. 1), при отрицательном значении di_Ls/dt значение V_GE увеличивается:

V_GE’ = V_GE – n_Ls.

Соответственно, включение и выключение IGBT или диода D вызывает изменение тока в паразитной индуктивности L_s. На рис. 2 показана блок-схема одной фазы инвертора с распределенными индуктивностями L_s1 и L_s2 в цепях «затвор–эмиттер» (слева), а также эпюры тока и напряжения на L_s2 при включении и выключении IGBT Т₂ и диода D₂.

Рис. 2. Влияние паразитных индуктивностей в цепи «затвор–эмиттер» в полумостовой схеме

Когда транзистор Т₂ открывается, он начинает проводить ток нагрузки, который до этого шел через диод D₁. До момента появления пика обратного тока (t–t₁) на паразитной индуктивности L_s2 наводится положительный сигнал, уменьшающий напряжение «затвор–эмиттер» V_GE2’. Во время спада обратного тока диода D₂ (t₁–t₃) на L_s2 индуцируется отрицательный сигнал, при этом значение V_GE2′ возрастает.

При выключении IGBT Т₂ его ток перекоммутируется в диод D₁. Напряжение, наведенное на паразитной индуктивности L_s2, увеличивает сигнал управления затвором V_GE2 на период времени t₄–t₅. В обоих случаях распределенная индуктивность формирует отрицательную обратную связь для IGBT, снижающую скорость коммутации и увеличивающую уровень динамических потерь. В этом есть и положительный побочный эффект, который состоит в улучшении управляемости при отключении тока короткого замыкания .

При запирании транзистора Т₁ диод D₂ включается и берет на себя его ток. С момента t₄ и до t₅ наведенный сигнал v_Ls2 увеличивает напряжение «затвор–эмиттер» транзистора Т₂. Однако его паразитное включение в этот период времени не создает проблем, поскольку ток проходит в другом направлении через антипараллельный диод D₂.

Критическим является момент включения IGBT Т₁, когда он принимает на себя ток диода D₂. В процессе выключения D₂ (период времени t₁–t₃) напряжение «затвор–эмиттер» IGBT Т₂ возрастает. Если оно достигнет порогового уровня V_GEth, транзистор Т₂ откроется, результатом чего будет возникновение сквозного тока в полумостовом каскаде и резкий рост потерь Т₁ и Т₂.

Основные принципы

В n-канальных устройствах с расширенным режимом внутри транзистора не существует проводящего канала, и для его создания необходимо положительное напряжение затвор-исток. Положительное напряжение привлекает свободно плавающие электроны внутри тела к затвору, образуя проводящий канал. Но сначала необходимо привлечь достаточно электронов возле затвора, чтобы противодействовать ионам легирующей примеси, добавленным в тело полевого транзистора; это формирует область без мобильных носителей, называемую областью истощения , а напряжение, при котором это происходит, является пороговым напряжением полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения затвор-исток привлечет к затвору еще больше электронов, которые могут создать токопроводящий канал от истока к стоку; этот процесс называется инверсией . Обратное верно для p-канального МОП-транзистора «улучшенного режима». Когда VGS = 0, устройство выключено и канал открыт / непроводящий. Приложение отрицательного (-ve) напряжения затвора к полевому МОП-транзистору p-типа «улучшенного режима» увеличивает проводимость каналов, включая его.

Напротив, устройства с n-канальным режимом обеднения имеют токопроводящий канал, естественно существующий внутри транзистора. Соответственно, термин пороговое напряжение не всегда применяется к включению таких устройств, но вместо этого используется для обозначения уровня напряжения, при котором канал достаточно широк, чтобы позволить электронам свободно течь. Этот порог легкости потока также применяется к устройствам с режимом истощения p-канала , в которых отрицательное напряжение от затвора к телу / источнику создает обедненный слой, отталкивая положительно заряженные дырки от границы раздела затвор-изолятор / полупроводник, оставляя обнажила свободную от носителей область неподвижных отрицательно заряженных акцепторных ионов.

Для n-канального обедненного МОП-транзистора отрицательное напряжение затвор-исток, -VGS будет истощать (отсюда и его название) проводящий канал своими свободными электронами, переключая транзистор в положение «ВЫКЛ». Точно так же для МОП-транзистора с p-каналом «обедненного режима» положительное напряжение затвор-исток, + VGS будет истощать канал своих свободных отверстий, переводя его в положение «ВЫКЛ».

В широких планарных транзисторах пороговое напряжение практически не зависит от напряжения сток-исток и, следовательно, является четко определенной характеристикой, однако в современных полевых МОП-транзисторах нанометрового размера оно менее четкое из -за снижения барьера, вызванного стоком .

Область истощения nMOSFET режима улучшения, смещенного ниже порога

Область истощения nMOSFET режима улучшения, смещенного выше порога, с сформированным каналом

На рисунках исток (левая сторона) и сток (правая сторона) помечены как n +, что указывает на сильно легированные (синие) n-области. Легирующая добавка обедненного слоя обозначена N _A — чтобы указать, что ионы в (розовом) обедненном слое отрицательно заряжены и дырок очень мало. В (красном) объеме количество дырок p = N _A, делающих объемный заряд нейтральным.

Если напряжение затвора ниже порогового напряжения (левый рисунок), транзистор «улучшенного режима» выключен, и в идеале нет тока от стока к истоку транзистора. Фактически, существует ток даже при смещении затвора ниже порогового ( допороговая утечка ) тока, хотя он невелик и экспоненциально изменяется в зависимости от смещения затвора.

Если напряжение затвора выше порогового напряжения (правый рисунок), транзистор «улучшенного режима» включается из-за наличия большого количества электронов в канале на границе оксид-кремний, создавая канал с низким сопротивлением, в котором может происходить заряд. течь от слива к истоку. Для напряжений, значительно превышающих пороговое значение, такая ситуация называется сильной инверсией. Канал сужается, когда V _D > 0, потому что падение напряжения из-за тока в резистивном канале уменьшает оксидное поле, поддерживающее канал, по мере приближения к стоку.

Схема полевого JFET-транзистора с управляющим PN-переходом

В нашем примере мы тоже будем использовать вместо “тротуара” полупроводник N-типа. То есть мы имеем какой-либо брусочек из N полупроводника. В нем преобладают электроны. Конечно, их не так много, как в проводниках, но все же их достаточно, чтобы через этот брусок  мало-мальски тёк электрический ток.

Что будет, если на него подать напряжение? Как я уже сказал, хотя в  N полупроводнике избыток электронов, но их все равно не так много, как в проводниках. Поэтому через этот кусок N полупроводника побежит электрический ток, если мы приложим к нему постоянное или переменное напряжение.

Вы ведь не забыли, что хотя электроны и бегут к плюсу, но за направление электрического тока  во всем мире принято движение от плюса к минусу источника напряжения?

А теперь давайте впаяем в этот брусок полупроводник P-типа. Получится что-то типа этого:

Можно сказать, что у нас уже получился полевой транзистор.

На границе касания теперь образовался PN-переход с небольшим запирающим слоем!

Итого, у нас получился “кирпич” с тремя выводами.

N-канальные MOSFET транзисторы двухканальные

SO-8

PQFN 2×2 мм

PQFN 3х3 мм

PQFN 5×6 мм

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не
требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель,
который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в
воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё
один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то
обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая
магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при
отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение
обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или
даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени
относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем
сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не
понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько
усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток
только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание
контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить
резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него
идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле
перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор
R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять,
например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения
реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Эффект тела [ править ]

Эффект тела — это изменение порогового напряжения на величину, примерно равную изменению напряжения источника в объеме , потому что тело влияет на пороговое напряжение (когда оно не привязано к источнику). Его можно рассматривать как вторые ворота, и иногда его называют задними воротами , и, соответственно, эффект тела иногда называют эффектом задних ворот . VSB{\ displaystyle V_ {SB}}

Для полевого МОП-транзистора nMOS в режиме улучшения влияние тела на пороговое напряжение вычисляется в соответствии с моделью Шичмана-Ходжеса которая является точной для более старых технологических узлов, [ требуется пояснение ] с использованием следующего уравнения:

VТNзнак равноVТО+γ(|VSB-2ϕF|-|2ϕF|){\ displaystyle V_ {TN} = V_ {TO} + \ gamma \ left ({\ sqrt {\ left | V_ {SB} -2 \ phi _ {F} \ right |}} — {\ sqrt {\ left | 2 \ phi _ {F} \ right |}} \ right)}

где это пороговое напряжение , когда смещение подложки присутствует, является смещением подложки источника к телу, потенциальная поверхность, и это пороговое напряжение для смещения нулевой подложки, является параметром тела эффекта, является толщина оксида, является оксид проницаемости , является диэлектрическая проницаемость кремния — концентрация легирования, — заряд элемента .
VТN{\ displaystyle V_ {TN}}VSB{\ displaystyle V_ {SB}}2ϕF{\ displaystyle 2 \ phi _ {F}}VТО{\ displaystyle V_ {TO}}γзнак равно(тоИксϵоИкс)2qϵSiNА{\ displaystyle \ gamma = \ left (t_ {ox} / \ epsilon _ {ox} \ right) {\ sqrt {2q \ epsilon _ {\ text {Si}} N_ {A}}}}тоИкс{\ displaystyle t_ {ox}}ϵоИкс{\ displaystyle \ epsilon _ {бык}}ϵSi{\ displaystyle \ epsilon _ {\ text {Si}}}NА{\ displaystyle N_ {A}}q{\ displaystyle q}

Применение запирающего слоя в JFET транзисторах

Но где же можно применить свойство “изменение толщины диэлектрика под воздействием напряженности электрического поля”? А давайте рассмотрим небольшой пример. Может быть вам потом станет ясно, где можно применить это свойство 😉

Итак, провинциальный городок X. Обычный будний день. Поток людей спешит по своим делам. Около тротуара стоит лавка с хот-догами. Пока что она еще не открылась, так как продавец сладко спит,  поэтому все проходят мимо этой лавки:

Но вот она открывается, и первые зеваки начинают “тусить” возле нее, чтобы отведать позавчерашних холодных протухших хот-догов)).

Продавец видит, что дела идут в гору и начинает еще быстрее обслуживать клиентов. То есть он вкладывает всю свою энергию, чтобы выдержать темп. Он начинает работать напряженнее. Чем напряженнее он обслуживает клиентов, тем их становиться больше. Зевакам ведь интересно, что за тусовка там намечается. А раз все покупают, то и они тоже хотят. Народу становится чуток больше.

Народ тихонько подваливает и продавец, чтобы не упустить выгоду, начинает работать изо всех сил. Наш бедный продавец работает, как белка в колесе. Тут уже не расслабишься, иначе народ уйдет к продавцу пончиков. На лбу у него выступил пот, напряжен так, что вот-вот уже лопнет от усталости! Но гляньте на тротуар… Движение ПЕРЕКРЫЛИ зеваки, которые жить не быть хотят купить эти протухшие хот-доги.

Мораль сей басни такова:

Коль хочешь жрать, готовь с утра).

Теперь давайте представим, что тротуар – это проводник. Люди – это электроны. Продавец – это какой-либо заряд, который если захочет, может работать либо напряженнее, либо вообще закрыть лавку.

Итак, что у нас тогда получается. Пока лавка закрыта, толпа зевак спокойно идет по своим делам в одном направлении. Продавца нет на месте. То есть заряд ноль. Это значит, что в данном направлении у нас спокойно течет электрический ток,  так как упорядоченное движение заряженных частиц – это и есть электрический ток

Как только продавец открыл лавку и стал работать,  некоторые зеваки стали толпиться у лавки. Но эта кучка зевак теперь мешается на тротуаре людям, которые действительно куда-то спешат по делам. То есть эта кучка зевает оказывает сопротивление потоку людей, спешащим по делам. Уже интереснее. Раз мешаются, значит меньше людей сможет пройти ниже толпы зевак за какое-то время. А что у нас значит этот параметр? Не силу тока ли случайно? Вот именно! Сила тока стала меньше!

Итак, теперь главный вопрос: от чего зависит поток людей? Да от продавца, мать его за ногу!

Как только он начинает орать: “Свежие хот-доги, бери, налетай, теще покупай!”, народу стает больше. То есть как только он начинает работать напряженнее, так и толпа зевак начинает больше заграждать тротуар. И все может закончится тем, что движение на тротуаре встанет колом. И да, кстати. Стоящая толпа зевак – это уже не электроны. Это обедненный слой, диэлектрик)

И вот ученые инженеры, которые поняли, что можно менять силу тока, управляя напряженностью электрического поля, создали радиоэлемент, который назвали в честь электрического поля, и имя его полевой транзистор.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Термин «МДП-транзистор» используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод – затвор – отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл-диэлектрик-полупроводник (М-Д-П).

Технология МДП-транзистора с встроенным затвором приведена на рисунке:

Исходный полупроводник, на котором изготовлен МДП-транзистор, называется подложкой (вывод П). Две сильнолегированные области n+ называется истоком (И) и стоком (С). Область подложки под затвором (З) называется встроенным каналом (n-канал).

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод-затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть два состояния области пространственного заряда (ОПЗ) в канале – обогащение, обеднение.

Режиму обеднения соответствует отрицательное напряжение Uзи, при котором концентрация электронов в канале уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. Режиму обогащения соответствует положительное напряжение Uзи и увеличение тока стока.

ВАХ представлена на рисунке:

Топология МДП-транзистора с индуцированным (наведенным) каналом р-типа приведена на рисунке:

При Uзи = 0 канал отсутствует и Ic = 0. Транзистор может работать только в режиме обогащения Uзи < 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое Uзи.пор, то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе Uзи в области выше порогового Uзи.пор, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи Uси вызовет ток стока Iс.

ВАХ представлена на рисунке:

В МДП-транзисторах затвор отделен от полупроводника слоем окисла SiO2. Поэтому входное сопротивление таких транзисторов порядка 1013…1015 Ом.

К основным параметрам полевых транзисторов относятся:

• Крутизна характеристики при Uсп = const, Uпи = const. Типичные значения параметра (0,1…500) мА/В;
• Крутизна характеристики по подложке при Uсп = const, Uзи = const. Типичные значения параметра (0.1…1) мА/В;
• Начальный ток стока Iс.нач. – ток стока при нулевом значении напряжения Uзи. Типичные значения параметра: (0,2…600) мА – для транзисторов с управляющим каналом p-n переходом; (0,1…100) мА – для транзисторов со встроенным каналом; (0,01…0,5) мкА – для транзисторов с индуцированным каналом;
• Напряжение отсечки Uзи.отс.. Типичные значения (0,2…10) В; пороговое напряжение Uп. Типичные значения (1…6) В;
• Сопротивление сток-исток в открытом состоянии. Типичные значения (2..300) Ом
• Дифференциальное сопротивление (внутреннее): при Uзи = const;
• Статистический коэффициент усиления: μ = S · ri

Возможно, вам также будет интересно

Управление изолированным затвором: основные положения В общем случае процесс перезаряда емкостей затвора может контролироваться сопротивлением, напряжением и током (рис. 1) . На практике чаще всего используется самый простой вариант (рис. 1а) с двумя раздельными резисторами для режимов включения и выключения, при этом одним из наиболее важных параметров является уровень «Плато Миллера», соответствующий плоской части характеристики затвора (рис. 2). Скорость и время коммутации

Введение Семейство p-канальных MOSFET-транзисторов компании IXYS обладает всеми основными преимуществами сопоставимых n-канальных MOSFET, такими как очень быстрое переключение, управление с помощью уровня напряжения затвора, простота параллельного соединения и высокая температурная стабильность. Оптимизация паразитного p-n-p-транзистора позволила получить приборы с отличной стабильностью к лавинному пробою . По сравнению с n-канальными силовыми MOSFET со схожей топологией, p-канальные транзисторы

Компания Infineon Technologies AG (г. Нойбиберг, Германия) является одним из крупнейших производителей силовых полупроводниковых приборов, модулей и блоков. Ее продукцию во многих городах России представляют крупные дистрибьюторы электронных компонентов: EBV Elektonik, RUTRONIK, Silica, «Симметрон», ЭФО, PT Electronics. Силовые приборы для промышленных приложений компании предлагает офис продаж Infineon RUS LLC в Москве.

Похожие записи:

Виды и размеры кабель канала: пластиковый короб для наружной и внутренней проводки Сколько ватт в киловатте? Что такое лазер? принцип работы и применение Проекты ардуино для начинающих Как восстановить гаджет после глубокого разряда аккумулятора Классификация электрорадиоэлементов