Документ Microsoft Office Word. рістік транзисторлар

• Название: рістік транзисторлар
• Дата: 13.10.2021
• Размер: 77.8 Kb.
• Имя файла: Документ Microsoft Office Word.docx
• Тип: Документы; #247059

1. Өрістік транзисторлар

Өрістік транзистор, күшейту қасиеті өткізуші арна арқылы өтетін негізгі тасымалдағыштар ағымымен және басқарушы электрлік өріспен анықталынатын, жартылай өткізгішті аспап. Өрістік транзисторды униполярлы транзистор деп атайды, өйткені оның жұмысы тек негізгі зарядты тасымалдағыштарды (электрондарды немесе кемтіктерді) қолдануға ғана негізделген. Сондықтан өрістік транзистордың арнасында, биполярлық транзисторлардағы сияқты, негізгі емес көлемдік зарядтардың жиналып қалуы және оларды сору сияқты үрдістер болмайды. Құрастыру және технологиялық дайындау әдістері бойынша өрістік транзисторларды екі топқа бөлуге болады: басқарушы р-n ауысуы бар өрістік транзисторлар және оқшауланған затворы бар транзисторлар деп. Басқарушы p-n ауысуы бар өрістік транзисторлар сызықтық сұлбалар, сызықтық күшейткіштер, аналогты кілттер және т.б. құрылғыларда қолданылады. Бекітпесі оқшауланған өрістік транзисторларды МДЖ (металл-диэлектрик-жартылай өткізгіштік) немесе МОЖ (металл- кремний оксидті-жартылай өткізгіштік) - транзисторлар деп атайды. МОЖ- транзисторлар екі топқа бөлінеді: арнасы орнатылған (көлемдік заряды азайтылған – кедейленген) және арнасы индуцирленген (байытылған). Бірінші топтағы МОЖ-транзисторлар сигналдардың сызықты күшейткіштерінде және әр түрлі аналогтық электрондық құрылғылар сұлбаларында, ал екінші топтағы МОЖ-транзисторлар цифрлық интегралдық сұлбаларда кеңінен қолданылады.

МОЖ-транзистордың биполярлы транзистордан артықшылығы: статикалық режимде қорек көзінен тұтынатын қуаты аз, кіріс кедергісінің мәні өте жоғары: R_кі = 10¹² - 10¹⁴ Ом, сол себепті кіріс сигналы көзінен пайдаланатын қуаты аз. Кіріс кедергісінің жоғарғы мәні, бекітпе мен бастау арасындағы басқарушы кернеудің шамасына және оң немесе теріс мәніне байланыссыз, сақталынады. Кіріс және шығыс кернеулер деңгейлері шамамен алғанда бір-біріне тең. Бекітпенің ағу тоғы өте аз және жоғары температурада логикалық схемалар каскадтарының арасында тікелей байланысты пайдалануға мүмкіндік береді. Интегралдық сұлбаларда қолданылады, бағасы арзан. МОЖ транзисторлардың кіріс R_кір кедергісі басқарушы U_бб (U_{бекітпе бастау}) кернеуінің шамасына тәуелсіз.

Төмендегі 1.2 суретте nМОЖ транзисторлардың шартты графикалық белгіленулері көрсетілген.



а) ә) б)

1. 
   сурет – а)Орнатылған арнасы бар МДП-транзистор, ә) Индуцирленген арнасы бар, б) Басқарушы p-n ауысуы және n- арнасы бар өрістік
   

транзистор

Басқарушы р-n ауысуы бар өрістік транзистор – бекітпесі электрлік тұрғыда р-n-ауысуы мен арнадан жекеленген, кері бағытта ауытқыған өрістік транзистор.

Арнаға заряд тасымалдағыштарын енгізетін электрод – бастау (исток) деп, ал арнадан заряд тасымалдауыштарын қабылдап шығыс тізбекке беретін электрод құйма (сток) деп аталады; арнаның көлденең қимасын немесе кедергісін реттеуге арналған электрод – бекітпе (затвор) деп аталынады. Өрісті транзистордың жұмыс тоғы пайда болатын өткізуші қабат арна деп аталады. Өрісті транзистор токпен емес, кернеумен U (электрлік өріспен – осыдан транзистордың өрісті деп аталуы шығады) басқарылады. Өрісті транзистордың үш қосылу сұлбасы бар: ортақ бастау (ОБа), ортақ құйма (ОҚ) және ортақ бекітпе (ОБе). Практикада көбіне МОЖ- транзистордың ОБа схемасы пайдаланады, ол биполярлы транзистордың ОЭ қосылу схемасына сәйкес. МОЖ-транзистордың ОҚ схемасы ток пен қуатты басқа схемаларға қарағанда көп күшейтеді. ОБе схема биполярлы транзистордың ОБ қосылу схемасына сәйкес. Бұл схемада ток күшейтілмейді, сол себепті, ОБа схемасымен салыстырғанда, қуатты күшейту бұл схемада бірнеше рет аз. ОБе схемасының кіріс кедергісі өте аз, сол себепті бұл схема күшейту техникасында өте аз қолданылады.

Өрісті транзисторлар үшін кіріс сипатамасы (құймамен бастау арасындағы кернеу U_қб тұрақты кезінде бекітпе I_б тоғының бекітпе мен бастау арасындағы U_бб кернеуге байланысы) практикада пайдаланбайды және схемаларды анализдеген және есептеген кезде тек берілу және шығыс вольт- амперлік сипаттамалар (ВАС) қолданылады. 4.1-суретте ортақ бастаулы сұлба бойынша қосылған басқарылатын p-n-ауысуы бар өрісті транзистордың берілу (құймалы-бекітпелік) және шығыс (құймалық) сипаттамалары көрсетілген. Бұл сипаттамалар сызықты емес болып келеді.

Бекітпе мен бастау арасындағы U_бб кернеу азайған сайын волть- амперлік сипаттаманың жырасы (крутизнасы) төмендейді, сол себепті транзистордың шығыс кедергісі r_вых артады. Құймамен бастау арасындағы шығыс U_қб кернеу өзгерген кезде шығыс I_қ тоғы өзгереді. Токтың өзгеруі шығыс кернеудің анықталынған келесі мәніне дейін: U_{қб қан} = U_бб – U_{бб кесу} болады, мұнда U_{бб кесу} – құйма тоғы I_қ тоғы нөлге тең (қиылу-кесу режимі) кездегі басқарушы кернеу; U_бб – транзистордың вольт-амперлік сипаттамасына сәйкес басқарушы кернеу. Құйма тоғы I_қ, шығыс кернеуі U_қб ары қарай өскен кезде тұрақты болып қалады. Шығыс кернеудің мәні

U_{қб тесу} тесу кернеуге тең болғанда ток өте тез үлкееді.

Енді арнасы қондырылған және индуцирленген бекітпесі оқшауланған МДЖ-транзисторларды қарастырайық.

Оқшауланған бекітпесі бар өткізгіштігі n-типті өрістік транзистор – бекітпесі электрлік тұрғыда арнадан диэлектрик қабаты арқылы бөлінген. Оқшауланған бекітпесі бар өрістік транзисторлар айтарлықтай жоғары меншікті кедергісі бар жартылай өткізгіштігі p-типті пластинадан тұрады,

мұнда электрлік өткізгіштігі қарама-қарсы бағытта, яғни n-типті екі аймақ қалыптастырлады. Бұл аймақтардың шығыс бүйірлеріне металлдық электродтар жапсырылған, олар бастау және құйма деп аталады. Бастау мен құйма арасындағы жартылай өткізгіштің үсті жұқа қабатты диэлектрикпен (әдетте, оксид кремний қабатымен) жабылған. Диэлектрик қабатының үстіне металлдық электрод жапсырылған, оны басқарушы электрод немесе бекітпе деп атайды. Нәтижесінде металдан, диэлектриктен және жартылай өткізгіштен тұратын құрылым пайда болады. Сондықтан оқшауланған бекітпесі бар бұл құрылымды МДЖ- трпнзистор немесе МОЖ транзистор (металл-оксид- жартылай өткізгіш) деп атайды. Индуцирленген арнасы бар МДЖ транзистрлардың қатты легирленген бастау мен құйма арасындағы өткізгіш арна, яғни ондағы ток бекітпедегі кернеудің нақты бір мәнінде және оның оң немесе теріс (p-типті арнада бекітпеге берілетін кернеу теріс, ал n-типті арнада оң кернеу болған) кезінде пайда болады. Бұл кернеу (U_{бекітпе бастау шек}) шектік (пороговое) кернеу деп аталады. Индуцирленген арнадағы өткізгіш қабілетінің пайда болуы және өсуі негізгі заряд тасымалдағыштарының көбеюіне байланысты.

Орнатылған арнасы бар МДЖ транзистордағы өткізгіш арна бекітпедегі кернеу 0-ге тең кезінде технологиялық жолмен қалыптасады. Құймадағы тоқты бекітпедегі кернеу мәнін және бекітпе мен бастау кернеулерінің өрісін өзгерте отырып басқаруға болады. Егер p арналы транзистордың бекітпесіне, бастауға қатысты, біршама оң кернеу берілсе, ал n арналы транзистордың бекітпесіне, бастауға қарағанда, теріс кернеу берілсе, онда құйма тізбегінде ток болмайды. Бұл кернеуді қиылу(жабу) кернеуі деп атайды. Орнатылған арнасы бар МДЖ транзисторлары байытылған режимінде де, кедейленген режимде де жұмыс істей алады.

Енді орнатылған (қондырылған) және индуцирленген арнасы бар МДЖ- транзисторды қарастырайық. Егер бекітпемен бастау арасындағы кернеу нөльге тең болса; онда арнасы орнатылған, бекітпесі оқшауланған МДЖ- транзистордың бастапқы өткізгіштігі болады, ал арнасы индуцирленген МДЖ- транзистордың бастапқы өткізгіштігі болмайды, арна, яғни транзистор токты өткізбейді.

Арнасының өткізгіштігі n-типті МДЖ-құрылымының (1.4 сурет) негізін Si кремнийден жасалынған жоғары омды және өткізгіштігі р – типті меншікті кедергісі (1 – 10) ом см³ тең төсеніш құрайды.

1. 
   сурет – Арнасының өткізгіштігі n-типті МДЖ-құрылымы
   

Бұл төсеніште донорлық (немесе акцепторлық) қоспалар диффузиясы арқылы кұшті легирленген, төменгі Омды екі n⁺ -типті аймақтар қалыптастырылады. Олардың донорлық (Р⁺ акцеиторлық) қоспаларының үстінгі беттік N концентрациясы N = 10¹⁸ – 10²⁰ атом/см³. Бұл аймақтардың біреуі бастау, ал екіншісі құйма деп аталады. Бастаумен құйма арасындағы қашықтық, яғни транзистор арнасының ұзындығы жобамен 1-2 мкм (ал ағымдағы транзистор арналарының ұзындығы мкм-ң оннан бір және оданда аз бөліктерін құрайды), ал пассивті режимде жұмыс жасайтын, яғни кедергі қызметін атқаратын транзисторларда шамамен 15-50 мкм құрайды.

Кремнийден жасалынған төсеніштің жоғарғы бетіне диэлектриктің (Si- кремнийдің екілік қышқылының) жұқа изоляциялайтын қабатын жапсырады. Диэлектриктің үстіне бастаумен құйма аралығында металл қабаты жапсырылады. Ол басқарушы электрод немесе бекітпе деп аталады. Диэлектрик қабатында тесілінген саңлаулар арқылы екі n+ аймақтарға металдық ұштастырулар(контактылар) жапсырылады, олардың біреуін бастау, ал екіншісін құйма деп атайды.

nМДЖ – транзистордың жұмысын қарастырайық.

Бастау Ба, құйма Қ және төсеніш Төс жерге қосылынған делік. Егер бекітпеге теріс мәнді кернеуді U_бб берсек, онда p-типті төсеніштің, бекітпенің металдық пластинасына жақын, үстінгі қабаты кемтіктермен толтырылады (байытылады), сондықтан құйма I_қ токтың мәні өзгермейді. Бекітпеге оң кернеуді U_бб берсек және оның мәнін үлкейтсек, бекітпеге берген оң мәнді кернеу тудыратын электрлік өрістің әсерінен кемтіктер төсеніштің жоғарғы қабатынан оның төменгі жағына ығыстырылады, ал электрондар төсеніштің төменгі жағынан бекітпеге жақын аймақтарға жылжиды. Төсеніштің, бастау және құйма аймақтары аралығындағы, үстінгі бөлігін арна деп атайды. Мұндай арнаны индуцирленген, яғни бекітпе өрісімен жасалынған деп айтады. Арна аймағында электрондар саны жеткілікті дәрежеде жинақталған кезде төсеніштің үстінгі аймағының, яғни арнаның өткізгіштігі кемтіктіктен электрондыққа өзгереді, басқаша айтқанда арнаның өткізгіштік типі терістеледі. Егер енді бастауға қатысты құймаға оң мәнді кернеуді берсек,

онда арна (инверсті қабат) арқылы бастаудан құймаға қарай ток I_қ ағады. Бұл токтың мәнін бекітпедегі U_бб кернеу арқылы басқаруға болады.

Жоғарыда айтылғандар рМДЖ-транзистор үшінде орынды, бірақ бекітпеге теріс мәнді кернеуді беру керек, бұл транзистор арнасының өткізгіштігі р-типті болады.

МДЖ транзисторлар негізіндегі интегралды сұлбалардың құрылымы біркелкі болып келеді, яғни оларда тек транзисторлар ғана пайдалынады. Сондықтан МДЖ транзисторлар негізіндегі интегралды сұлбалардың технологиялық жасалу әдістері жеңіл және олардың бағасы төмен.

1. 
   Өрісті транзисторлардың вольт-амперлік сипаттамалары.
   

Өрісті транзисторлардың берілу вольт-амперлік сипаттамасы құйма I_қ тоғының U_бб кернеуге байланысын, ал шығыс сипаттамалары құйма I_қ тоғының U_қб кернеуге, U_бб кернеуінің мәні тұрақты кезіндегі, байланысын бейнелейді. Орнатылған арнасының өткізгіштігі n-типті өрісті транзисторлардың берілу және шығыс вольтамперлік сипаттамалары 1.5 суретте көрсетілген.




а) б)

2. 
   сурет – Орнатылған арнасының өткізгіштігі n-типті өрісті транзисторлардың берілу (а) және шығыс (б) вольт-амперлік сипаттамалары
   

Индуцирленген арнасының өткізгіштігі n-типті МДЖ транзистордың статикалық құйма сипаттамалары 1.5, б суретте көрсетілген сипаттамаларға ұқсас. Бірақ арнасы индуцирленген өткізгіштігі n-типті МДЖ транзистордың ерекшелігі, ол бекітпедегі кернеу (U_бб = 0) нөльге тең кезде жабық, одан ток ақпайды және ол транзистор ашылады тек бекітпеге берілетін оң кернеудің мәні U_{бб пор} табалдырықтық кернеуге тең және одан үлкен болған кезде ғана.

2. 
   Өрістік транзисторлардың жалпылама сипаттамалары.
   

а) бекітпе-бастауға тіркелген (фиксированном) кернеудегі максималды құйма тоғы;

ә) максималды құйма-бастау кернеуі, содан кейінгі тесілудің (пробой) дереу пайда болуы;

б) ішкі (шығыс) кедергі. Ол кедергі арнасының айнымалы тоғын (бекітпе-бастау кернеуі – тұрақты) көрсетеді;

в) жыраның (крутизна) құйма-бекітпелі сипаттамасы. Ол үлкендеу болған сайын, бекітпедегі кернеудің өзгерісіне қарай транзистордың реакциясы анығырақ болады;

г) кіріс кедергі. Ол қайта араласқан p-n өткелінің кедергісімен анықталады және бірге, ондаған МОм-ға дейін жетеді ( осылайша өрістік транзисторды биполяр транзистордан оңай ажыратады). Ал, өрістік транзисторлар арасында біріншілік оқшауланған бекітпе құрылғысына тиесілі;

ғ) күшейту коэффициенті – тұрақты құйма ток кезіндегі бастау-құйма кернеуінің өзгерісінің бекітпе-бастау кернеу өзгерісінің қатынасына тең.

3. 
   Өрістік МOSFET транзисторы.
   

Қазіргі барлық цифрлы электроника өрістік МОЖ (металл – оксид – жартылай өткізгіш) транзисторлардан жасалған, ол биполярлы транзисторға қарағанда үнемді болып келеді. Кей кезде МОЖ транзисторларды МДЖ (металл – диэлектрик – жартылай өткізгіш) деп атайды. Бұл транзистордың халықаралық атауы – MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Шартты белгісі 1.6 суретте көрсетілген.

а) б)

3. 
   сурет – МДЖ өрістік MOSFET транзисторының шартты белгіленуі (а), n – арналы IRF510 өрістік MOSFET транзисторы (б)
   

Бұл 1.6 суреттегі МДЖ транзисторының диэлектрлігінде электрод (бекітпе) орналасқан. Белгілі біп токтың ( өріс) әсерінен жартылай өткізгіш электр өрісін (бастаудан құймаға берілген күшейтілген сигнал) өткізе бастайды. Күшейтілген сигналдың тегіс реттелуіне әр түрлі ток беріледі де, бұл процессті жүзеге асыратын және реттейтін транзистордың бекітпесі. Белгілі бір ток бастауға келеді, ал бекітпе сол токтың азғантай мөлшерін құймаға жіберілуін қамтамасыз етеді. MOSFET транзисторы негізінде сигнал күшейткіші ретінде немесе кернеуді қажетті мәнге төмендету үшін түзеткіш ретінде қолданылады. Ол сигнал көзін электромагниттік тербеліс ретінде қабылдап және түсініп, оған берілген қуат әсерінен (қорек көзінен бастауға) сигналды кернеу және қуат бойынша күшейтеді. Бекітпеге жіберілетін аз қуатты сигнал, бұл жағдайда бекітпе дирижері ретінде қызмет атқарады.

MOSFET транзисторының биполярлы транзистордан ерекшеліктері мынада:

а) MOSFET токпен емес, кернеумен басқарылады; ә) температуралық өзгеріске аз әсер береді.

4. 
   Өрістік транзистордың биполярлы транзистордан айырмашылығы.
   

Біріншіден, әрекет ету принципі бойынша: биполярлы транзисторда кіріс сигналын кіріс тогы, ал өрістік транзисторда кіріс кернеуі немесе электр өрісі басқарады. Екініден, өрістік транзиторлар үлкен кіріс кедергілерге ие, ол қарастырып отырған өрістік транзистордың бекітпесіндегі p-n өткелін кері жылжытумен байланысты. Үшіншіден, өрістік транзисторлар шуылдыі төмен деңгейіне ие. Биполяр транзистордың базасында және p-n өткелінде тасымалдаушылардың кері комбинациялау процессіғ және жартылай өткізгіштің кристалының бетіндегі генерациялы –рекомбинациялы процессі төмен жиілікті шуылдарға ие болады.

Жоғарыда айтылып өткендей, бұл екі транзистордың бірінші және негізгі айырмашылығы, екіншісі ток өзгерісімен, ал біріншісі – кернеу өзгерісімен басқарылады. Осыдан өрістік транзистордың биполярлық транзистормен салыстырғандағы артықшылықтары:

а) тұрақты ток бойынша және жоғары жиілікте жоғары кіріс кедергісі, бұдан басқаруға азғантай жоғалтулар;

ә) жоғарғы жылдам қозғалғыштық (негізгі емес тасымалдаушылардан жиналып қалу және жұтылудың болмауынан);

б) өрістік транзисторлардың күшейткіштік қасиеттері негізгі заряд тасымалдаушылардың алмасуына негізделген, олардың тиімділік күшейткішінің жоғарғы шекаралығы биполярлы транзисторларға қарағанда жоғары;

в) жоғары температуралық тұрақтылық;

г) өрістік транзисторларда негізгі емес заряд тасымалдаушылардың инжекциясының пайда болуы қолданылмайтындықтан, шудың деңгейі аз, ал бұлар биполярлық транзисторларды шулы қылады;

ғ) қуаттың аз мөлшерінің қолданылуы.

Алайда, осы артықшылықтарға қарамастан, өрістік транзисторлардың кемшілігі – статикалық электрліктен , сондықтан да осы жағдайлардан қорғау шараларына аса жоғары талаптар қойылады.