Как звонить полевой транзистор: Как проверить полевой МОП (Mosfet) — транзистор цифровым мультиметром — Интернет-журнал «Электрон» Выпуск №5

Содержание

Как проверить полевой МОП (Mosfet) — транзистор цифровым мультиметром — Интернет-журнал «Электрон» Выпуск №5

В этой статье я расскажу вам, как проверить полевой транзистор с изолированным затвором, то есть МОП-транзистор. Это вторая часть статьи по проверки полевых транзисторов. В первой части я рассказывал, как проверить транзистор с управляющим p-n переходом.

Да, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом уходят в прошлое, а сейчас в современных схемах применяются более совершенные полевые транзисторы с изолированным затвором. Тогда предлагаю научиться их проверять.

Но для того, что бы понять, как проверить полевой транзистор, давайте я вам в двух словах расскажу, как он устроен.

Полевой транзистор с изолированным затвором мы знаем под более привычным названием МОП -транзистор (метал -окисел-полупроводник), МДП -транзистор(метал -диэлектрик-полупроводник), либо в английском варианте MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)

Эти аббревиатуры вытекают из структуры построения транзистора.

А именно.

Структура полевого MOSFET транзистора.

Для создания МОП-транзистора берется подложка, выполненная из p-полупроводника, где основными носителями заряда являются положительные заряды, так называемые дырки. На рисунке вы видите, что вокруг ядра атома кремния вращаются электроны, обозначенные белыми шариками.

Когда электрон покидает атом, в этом месте образуется «дырка» и атом приобретает положительный заряд, то есть становиться положительным ионом. Дырки на модели обозначены, как зеленые шарики.

На p-подложке создаются две высоколегированные n-области, то есть области с большим количеством свободных электронов. На рисунке эти свободные электроны обозначены красными шариками.

Свободные электроны свободно перемещаются по n-области. Именно они впоследствии и будут участвовать в создании тока через МДП-тназистор.

Пространство между двумя n-областями, называемое каналом покрывается диэлектриком, обычно это диоксид кремния.

Над диэлектрическим слоем располагают металлический слой. N-области и металлический слой соединяют с выводами будущего транзистора.

Выводы транзистора называются исток, затвор и сток.

Ток в МОП-транзисторе течет от истока через канал к стоку. Для управления этим током служит изолированный затвор.

Однако если подключить напряжение между истоком и стоком, при отсутствии напряжения на затворе ток через транзистор не потечет, потому что на его пути будет барьер из p-полупроводника.

Если подать на затвор положительное напряжение, относительно истока, то возникающее электрическое поле будет к области под затвором притягивать электроны и выталкивать дырки.

По достижению определенной концентрации электронов под затвором, между истоком и стоком создается тонкий n-канал, по которому потечет ток от истока к стоку.

Следует сказать, что ток через транзистор можно увеличить, если подать больший потенциал напряжения на затвор. При этом канал становиться шире, что приводит к увеличению тока между истоком и стоком.

МДП-транзистор с каналом p-типа имеет аналогичную структуру, однако подложка в таком транзисторе выполнена из полупроводника n-типа, а области истока и стока из высоколегированного полупроводника p-типа.

В таком полевом транзисторе основными носителями заряда являются положительные ионы (дырки). Для того, что бы открыть канал в полевом транзисторе с каналом p-типа необходимо на затвор подать отрицательный потенциал.

 

Проверка полевого MOSFET транзистора цифровым мультиметром

Для примера возьмем полевой МОП-транзистор с каналом n-типа IRF 640. Условно-графическое обозначение такого транзистора и его цоколевку вы видите на следующем рисунке.

Перед началом проверки транзистора замкните все его выводы между собой, что бы снять возможный заряд с транзистора.

Проверка встроенного диода

Для начал следует подготовить мультимер и перевести его в режим проверки диодов. Для этого переключатель режимов/пределов установите в положение с изображением диода.

В этом режиме мультиметр при подключении диода в прямом направлении (плюс прибора на анод, минус прибора на катод) показывает падение напряжения на p-n переходе диода. При включении диода в обратном направлении мультиметр показывает «1».

Итак, подключаем щупы мультиметра, как было сказано выше, в прямом включении диода. Таким образом, красный шум (+) подключаем на исток, а черный (-) на сток.

Мультиметр должен показать падение напряжение на переходе порядка 0,5-0,7.

Меняем полярность подключения встроенного диода, при этом мультиметр, при исправности диода покажет «1».

Проверка работы полевого МОП транзистора

Проверяемый нами МОП-транзистор имеет канал n-типа, поэтому, что бы канал стал электропроводен необходимо на затвор транзистора относительно истока либо стока подать положительный потенциал. При этом электроны из подложки переместятся в канал, а дырки будут вытолкнуты из канала. В результате канал между истоком и стоком станет электропроводен и через транзистор потечет ток.

Для открытия транзистора будет достаточно напряжения на щупах мультиметра в режиме прозвонки диодов.

Поэтому черный (отрицательный) щуп мультиметра подключаем на исток (или сток), а красным касаемся затвора.

Если транзистор исправен, то канал исток-сток станет электропроводным, то есть транзистор откроется.

Теперь если прозвонить канал исток-сток, то мультиметр покажет какое-то значение падение напряжения на канале, в виду того, что через транзистор потечет ток.

Таким образом черный щуп транзистора ставим на исток, а красный на сток и мультиметр покажет падение напряжение на канале.

 

Если поменять полярность щупов, то показания мультиметра будут примерно одинаковыми.

Что бы закрыть транзистор достаточно относительно истока на затвор подать отрицательный потенциал.

Следовательно, подключаем положительный (красный) щуп мультиметра на исток, а черным касаемся затвор.

При этом исправный транзистор закроется. И если после этого прозвонить канал исток-сток, то мультиметр покажет лишь падение напряжения на встроенном диоде.

Если транзистор управляется напряжением с мультиметра (то есть открывается и закрывается), значит можно сделать вывод, что транзистор исправен.

Проверка полевого МОП – транзистора с каналом p-типа осуществляется подобным образом. За тем исключением, что во всех пунктах проверки полярность подключения щупов меняется на противоположную.

Более подробно и просто всю методику проверки полевого транзистора я изложил в следующем видеоуроке:

Как проверить полевой транзистор мультиметром. Часть 1. Транзистор с управляющим p-n переходом. — Интернет-журнал «Электрон» Выпуск №4

Продолжаем рубрику проверки электрорадиоэлементов, и сегодня я представляю первую статью по проверке полевых транзисторов тестером или как сейчас принято говорить — мультиметром.

Перед началом проверки полевых транзисторов рассмотрим, какие бывают виды полевых транзисторов.

На рисунке 1 вы видите классификацию полевых транзисторов.

Из этого рисунку видно, что полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с управляющим p-n переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

В зарубежной литературе полевой транзистор с управляющим p-n переходом обозначается как JFET(junction gate field-effect transistor), а транзистор с изолированным затвором —

MOSFET (Metall-Oxid-Semiconductor FET).

Сегодня я вам расскажу, как проверить полевой транзистор с управляющим p-n переходом, а в следующем выпуске журнал перейдем к проверке MOSFET транзистора, так что не забываем подписываться на журнал. Форма подписки после статьи.

Для начала кратко рассмотрим структуру транзистора и принцип его работы.

Полевые транзисторы бывают n-канальные и p-канальные. В виду того, что широкое распространение получили n-канальные полевые транзисторы, на их примере и рассмотрим принцип работы полевого транзисторы с управляющим p-n переходом.

Итак, транзистор состоит из n-полупроводника с внедренными в него высоколегированными n-областями с большой концентрацией носителей заряда – электронов. Сам полупроводник находится на подложке p-типа, которая соединена с еще одной p-областью. Вместе эти области называются затвором (gate). Таким образом, каждая высоколегированная n-область создает с p-подложкой свой p-n переход.

Та часть n-полупроводника, которая находится между p-областями (затворами) называется каналом (в частности каналом n-типа).

Если к высоколегированным n-областям подключить источник напряжение, то в канале создастся электрическое поле, под воздействием этого поля электроны из n-области, к которой подключен «минус» источника будут перемещаться в n-область, к которой подключен «плюс» источника напряжения. Таким образом, через канал потечет электрический ток. Величина этого тока будет напрямую зависеть от электропроводности канала, которая в свою очередь зависит от площади поперечного сечения канала.

Нетрудно догадаться, что площадь поперечного сечения канала зависит от ширины p-n переходов.

Та область, от которой движутся носители заряда, а в случае n-канала это электроны, называется истоком (source), а к которой движутся – стоком (drain).

Если на затвор относительно истока подать отрицательное напряжение, то p-n переход, образованный между затвором и истоком будет смещаться в обратном направлении, при этом ширина запирающего слоя будет увеличиваться, тем самым сужая размеры канала и уменьшая электропроводность.

Таким образом, изменяя напряжение между затвором и истоком, мы можем управлять током через канал полевого транзистора.

На этом об устройстве полевого транзистора все, далее в подробности углубляться я не буду, так как этого будет достаточно, что бы понять, как проверить полевой транзистор с управляющим p-n переходом.

Исходя из вышеизложенного можно составить эквивалентную схему полевого транзистора с управляющим p-n переходом, как мы делали при проверке биполярного транзистора.

При составлении схемы будем руководствоваться следующими принципами:

1. В транзисторе имеются два p-n перехода, первый между затвором и истоком, второй между затвором и стоком.

2. Канал между истоком и стоком при отсутствии отрицательного запирающего напряжения на затворе не закрыт и электропроводен, то есть имеет определенное значение сопротивления.

3. Теперь p-n переходы обозначим диодами, а электропроводность канала резистором.

Составляем эквивалентную схему полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

 

Теперь зная эквивалентную схему полевого транзистора с управляющим p-n переходом можно построить алгоритм или схему проверки полевого транзистора.

Проверка полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа.

1. Проверка сопротивления канала (на рис. R)

Для проверки сопротивления канала с помощью мультиметра необходимо на приборе установить режим измерения сопротивления, предел измерения 2000 Ом.

Измерить сопротивление между истоком и стоком транзистора при разной полярности подключения щупов мультиметра.

Значения сопротивления канала при разной полярности подключения щупов должны быть примерно одинаковыми.

2. Проверка p-n перехода исток-затвор (на рис. VD1).

Включаем мультиметр в режим проверки диодов. Красный (плюсовой ) щуп мультиметра подключаем на затвор (имеет p-проводимость), а черный на исток. Мультиметр должен показать падение напряжения на открытом p-n переходе, которое должно быть в пределах 600-700 мВ.

Меняем полярность подключения щупов (красный на исток, черный на затвор), мультиметр, в случае исправности транзистора показывает бесконечность (на дисплее «1»), то есть переход включен в обратном направлении и закрыт.

3. Проверка p-n перехода сток-затвор (на рис. VD2).

Так же проверяем исправность p-n перехода сток-затвор. То есть включаем мультиметр в режим проверки диодов. Красный (плюсовой ) щуп мультиметра подключаем на затвор (имеет p-проводимость), а черный на сток. Мультиметр должен показать падение напряжения на открытом p-n переходе затвор-сток, которое должно быть в пределах 600-700 мВ.

Меняем полярность подключения щупов (красный на сток, черный на затвор), мультиметр, в случае исправности транзистора показывает бесконечность (на дисплее «1»), то есть переход включен в обратном направлении и закрыт.

Если все три условия выполнились, то считается, что полевой транзистор исправен.

Проверка полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом p-типа.

Проверка полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом p-типа осуществляется по вышеизложенному алгоритму, за исключением того, что при проверке p-n переходов полярность подключения щупов мультиметра меняется на противоположную.

Для наглядности и простоты понимания процесса я записал для вас видео как проверить полевой транзистор с управляющим p-n переходом, где я проверяю транзистор с каналом p-типа.

Ну и напоследок надо сказать, что транзисторы бывают малой, средней мощности и мощные. Так вот, у транзисторов средней мощности и мощных, вывод коллектора напрямую связан с корпусом и находится в середине между базой и эмиттером. Такие транзисторы устанавливаются на специальные радиаторы, предназначенные для отвода тепла от корпуса транзистора.

Зная расположение коллектора, базу и эмиттер определить будет легко.
Удачи!

4. Полевые транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

4.1. Полевой транзистор с p-n переходом

4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор)

4.1. Полевой транзистор с p-n переходом

В полевых транзисторах, управление потоком основных носителей заряда осуществляется в области полупроводника, называемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помощью электрического поля. Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, через который в n канал втекают основные носители; сток, через который они вытекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования поперечного сечения канала. В настоящее время существует множество типов полевых транзисторов, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные. Преимуществом полевых транзисторов является также и то, что ассортимент полупроводниковых материалов для их изготовления значительно шире (так как они работают только с основными носителями заряда), благодаря чему возможно создание, например, температуроустойких приборов. Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов.

Рисунок 4.1

На рисунке 4.1 приведена схема включения полевого транзистора. Во входную цепь включен источник обратного смещения UЗИ на p-n переходе между затвором и каналом. Выходная цепь состоит из источника постоянного напряжения UСИ плюсом соединенного к стоку. Исток является общей точкой схемы. Контакты истока и стока невыпрямляющие. Канал может иметь электропроводимость как p-типа, так и n-типа; поскольку m n>m p выгоднее применять n-канал. Затвор выполняют в виде полупроводниковой области p+-типа.

Полевой транзистор работает следующим образом. При отсутствии напряжения на входе основные носители заряда — электроны под действием ускоряющего электрического ноля в канале (E = 10104 В/см) дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток IС, создаваемый этими электронами, определяется как напряжением стока UСИ, так и сопротивлением канала. Последнее зависит от поперечного сечения канала, которое ограничивается p-n переходом (заштрихованная область). Поскольку потенциал электрического поля линейно возрастает от истока к стоку вдоль канала, толщина p-n перехода минимальна вблизи истока и максимальна вблизи стока, и канал сужается вдоль p-n перехода от стока к истоку. Таким образом, наибольшим сопротивлением канал обладает в наиболее узкой своей части.

а)

б)

Рисунок 4.2

Если в результате подачи к затвору переменного напряжения сигнала результирующее обратное напряжение на затворе UЗИ повысятся, то толщина p-n перехода по всей его длине увеличится, а площадь сечения канала и, следовательно, ток в цепи стока уменьшаются. На рисунке 4.2,а изображена характеристика прямой передачи IС =f(UЗИ). Указанный эффект будет тем сильнее, чем больше удельное сопротивление материала полупроводника, поэтому полевые транзисторы выполняют из высокоомного материала. При больших обратных напряжениях на затворе UЗИ0 сечение канала в его узкой части станет равным нулю и ток через канал прекратится. Такой режим называется режимом отсечки. Характеристика прямой передачи хорошо описывается формулой

(3.40)

Па рисунке 4.2,б изображено семейство статических выходных характеристик IС =f(UСИ) при различных значениях напряжения затвора UЗИ. Каждая характеристика имеет два участка — омический (для малых UСИ) и насыщения (для больших UСИ). При UЗИ = 0 с увеличением напряжения UС ток IС вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома; ток IС начинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и потенциала вдоль канала. Вследствие этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала, а также замедляется возрастание самого тока IС. При напряжении насыщения UСИ = UЗИ0 сечение канала приближается к нулю и рост IС прекращается.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора U¢ ЗИ, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях UСИ будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит раньше (при меньших значениях U¢ СИ=UЗИ0 -U¢ ЗИ).

Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна S уменьшается с увеличением температуры. Кроме того, с повышением температуры увеличивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток IЗ черед переход и, следовательно, уменьшается RВХ. У полевых кремниевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые, 10°С.

Особенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки, т. е. точки, в которой ток стока практически постоянен при различных температурах (рисунок 4.3). Это объясняется следующим образом.

При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителей удельная проводимость канала уменьшается, а следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина p-n перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Первое сказывается при больших токах стока, второе при малых. Эти два противоположных процесса при определенном выборе рабочей точки могут взаимно компенсироваться. При правильном выборе ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи затвора. С изменением тока затвора в зависимости от температуры будет изменяться падение напряжения по входной цепи, которое изменит рабочий ток стока.

Рисунок 4.3

Основным параметрам, используемым при расчете усилительного каскада с полевым транзистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т. е. отношение изменения тока стока к напряжению между затвором и истоком:

Дифференциальное выходное сопротивление здесь определяется как

, Ом, .

Оно составляет, примерно десятки — сотни килоомов. Статический коэффициент усиления по напряжению m =D UСИ/D UЗИ =S× Ri .

Междуэлектродные емкости затвор-исток СЗИ затвор-сток СЗС и сток-исток ССИ. Для маломощных транзисторов СЗИ=3 пФ, СЗС=2 пФ и ССИ=0,2 пФ.

Ток затвора во входной цепи триода IЗ —обратный ток, создаваемый неосновными носителями через p-n переход, чрезвычайна мал (порядка 10-9 А и менее). Поэтому входное сопротивление полевого транзистора RВХ=D UЗ/D IЗ очень высокое (порядка нескольких мегомов), входная же емкость мала, так как переход находится под обратным напряжением. Этими качествами полевой транзистор выгодно отличается от биполярных транзисторов с двумя p-n переходами. При работе полевого транзистора на высоких частотах основное значение имеет емкость СЗИ. Максимальная рабочая частота определяется постоянной времени входной цепи f=1/2p RCЗИ, где R — сопротивление канала, через которое заряжается емкость. Анализ показывает, что по частотным свойствам полевой транзистор не имеет особых преимуществ перед биполярным. Практически были осуществлены полевые транзисторы с максимальной частотой генерации до 30 ГГц. Но с точки зрения быстродействия полевой транзистор превосходит биполярный, так как работает на основных носителях заряда при отсутствии их накопления.

В импульсном режиме чрезвычайно полезным достоинством полевого транзистора является почти полное отсутствие остаточного напряжения и цепи канала во включенном состоянии. Закрытый полевой транзистор оказывает сопротивление постоянному току между стоком и истоком более 108 Ом.

Полевые транзисторы с p-n переходом целесообразно применять во входных устройствах усилителей при работе от высокоомного источника сигнала, в чувствительной по току измерительной аппаратуре, импульсных схемах, регуляторах уровня сигнала и т. п.

4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор)

Этот транзистор имеет структуру металл — диэлектрик — полупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом (рисунок 4.4,а) и с встроенным каналом (рисунок 4.4,б). Если основой транзистора является кремний, то диэлектриком может быть слой окиси кремния, поэтому такую структуру иногда называют МОП-транзистор (металл — окисел — полупроводник).

 

а)

б)

Рисунок 4. 4

Транзистор с индуцированным каналом имеет области истока n+ и стока n+, которые выведены путем металлизации через отверстие в окиси кремния на контакты — исток и сток. На слой двуокиси окиси кремния напыляют слой алюминия, служащий затвором. Можно считать, что алюминиевый затвор и полупроводниковый материал p-типа образуют плоский конденсатор с окисным диэлектриком, Если на металлическую часть затвора подать положительное напряжение, то положительный заряд обкладки затвора индуцирует соответствующий отрицательный заряд в полупроводниковой области канала. С возрастанием положительного напряжения этот заряд, созданный притянутыми из глубины p-области проводника электронами, которые являются неосновными носителями, превращает поверхностны слой полупроводника p-типа в проводящий канал n-типа, соединяющий исходные n+-области истока и стока. Поэтому уменьшается сопротивление материала между истоком и стоком, что ведет к увеличению тока стока. Таким образом, благодаря электростатической индукции между истоком и стоком происходит инверсия типа проводимости полупроводника. Слой полупроводника p-типа превращается в полупроводник n-типа. До инверсии сопротивление между истоком и стоком определяется сопротивлением закрытого перехода, так как до инверсии имеет место структура n+-р-n+. После инверсии образуется n-проводимость и структура становится n+-n-n+. Меняя напряжение на затворе, можно управлять током стока. Если взять подложку n-типа, то можно построить МДП-транзистор с индуцированным p-каналом, который управляется отрицательным напряжением на затворе.

Транзистор с встроенным каналом имеет конструкцию, подобную предыдущей. Между истоком и стоком методом диффузии создают слаболегированный канал c проводимостью n-типа при проводимости подложки p-типа. Возможно другое сочетание. Канал имеет проводимость p-типа, а подложка — проводимость n-типа. В отсутствие напряжения на затворе ток между истоком и стоком определяется сопротивлением n-канала. При отрицательном напряжении на затворе концентрация носителей заряда и канале уменьшится и в нем появляется обедненный слой. Сопротивление между истоком и стоком увеличивается и ток уменьшается. При положительном напряжении на затворе ток стока увеличивается, потому что в канале индуцируется дополнительный отрицательный заряд, увеличивающий его проводимость.

На рисунке 4.4 приведены характеристики прямой передачи МДП-транзисторов с ндуцированным (кривая 2) и встроенным (кривая 1) каналами. Из рисунка видна квадратичность передаточной характеристики. Теоретически характеристика прямой передачи описывается следующим выражением:

при . ( 3.41 )

Здесь А — постоянный коэффициент; UЗИ ПОР — напряжение, которое для транзистора с индуцированным каналом принято называть пороговым. Инверсия типа проводимости начинается лишь при достижении напряжения UПОР.

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рисунке 4. 5,а со встроенным каналом — на рисунке 4.5,б.

Рисунок 4.4

В области U < |UЗИ — UЗИ ПОР | теоретический ток стока

. ( 3.42 )

Уравнение описывает восходящие ветви выходной характеристики. Входное сопротивление МДП-транзистора из-за наличия изолятора между затвором и каналом составляет около 1012 — 1014 Ом и уменьшается с ростом частоты вследствие шунтирования входной емкостью транзистора. Выходное сопротивление находится в пределах десятков — сотен килоомов. Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость — десятые доли пикофарады.

Рисунок 4.5

Прибор для проверки мощных полевых транзисторов мосфет

Для проверки исправности полевого транзистора можно воспользоваться любым цифровым мультиметром с функцией «прозвонки» диодов. Данная функция работает таким образом, что позволяет измерить прямое падение напряжения на p-n-переходе, которое и будет отображено на дисплее мультиметра в ходе тестирования.

В процессе данной проверки мультиметр способен пропустить через проверяемую цепь ток в пределах нескольких миллиампер, и если падение напряжения окажется при этом слишком малым, то в случае наличия у прибора функции звукового оповещения, он запищит. А поскольку в любом полевом транзисторе присутствуют p-n-переходы, то можно рассчитывать на вполне адекватный результат.

Прежде чем проверять полевой транзистор на исправность, замкните на секунду фольгой все его выводы чтобы снять статический заряд, чтобы разрядить все его переходные емкости, включая емкость затвор-исток.

Проверка встроенного обратного диода

Практически в любом современном полевом транзисторе, за исключением специальных их типов, параллельно цепи сток-исток включен внутренний «защитный» диод.

Наличие этого диода внутри полевика обусловлено особенностями технологии производства мощных транзисторов. Иногда он мешает, считается паразитным, однако в большинстве полевых транзисторов без него, как части цельной структуры электронного компонента, не обойтись. Следовательно, в исправном полевом транзисторе данный диод тоже должен быть исправным. В n-канальном полевом транзисторе данный диод включен катодом к стоку, анодом — к истоку, а в p-канальном — анодом к стоку, катодом — к истоку.

Включите мультиметр в режим «прозвонки» диодов. Если полевой транзистор является n-канальным, то красный щуп мультиметра приложите к его истоку (source), а черный — к стоку (drain).

Обычно сток находится посередине и соединен с проводящей подложкой транзистора, а истоком является правый вывод (уточните это в datasheet). В случае если внутренний диод исправен, на дисплее мультиметра отобразится прямое падение напряжения на нем – в районе 0,4-0,7 вольт. Если теперь положение щупов изменить на противоположное, то прибор покажет бесконечность. Если все так, значит внутренний диод исправен.

Проверка цепи сток-исток

Полевой транзистор управляется электрическим полем затвора. И если емкость затвор-исток зарядить, то проводимость в направлении сток-исток увеличится.

Итак, если транзистор является n-канальным, приложите черный щуп к затвору (gate), а красный — к истоку, и через секунду измените расположение щупов на противоположное — красный к затвору, а черный — к истоку. Так мы сначала наверняка разрядили затвор, а после — зарядили его. Затвор обычно слева, а исток — справа (см. datasheet).

Теперь красный щуп переместите с затвора — на сток, а черный пусть останется на истоке. Если транзистор исправен, то как только вы переместите красный щуп с затвора на сток, мультиметр покажет что на стоке есть падение напряжения (не бесконечное, но может увеличиваться) — это значит, что транзистор перешел в проводящее состояние.

Теперь красный щуп на исток, а черный — на затвор (разряжаем затвор противоположной полярностью), после чего снова красный щуп на сток, а черный — на исток. Прибор должен показать бесконечность — транзистор закрылся. Для p-канального полевого транзистора щупы просто меняются местами.

Если прибор запищит

Если на этапе проверки сток-исток прибор запищит, это может быть вполне нормальным, ведь у современных полевых транзисторов сопротивление сток-исток в открытом состоянии бывает очень маленьким. Главное — чтобы не было звона затвор-исток и сток-исток, особенно в тот момент когда затвор заряжен противоположной полярностью. Как вариант, можно соединить затвор с истоком и в таком положении прозвонить сток-исток (для n-канального красный на сток, черный — на исток), прибор должен показать бесконечность.

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Вступайте в наши группы в социальных сетях:

Часто в ремонте разной электронной техники возникает подозрение в неисправности биполярных или полевых (Mosfet) транзисторов. Помимо специализированных приборов и пробников для проверки транзисторов, существуют способы доступные всем, из минимума нам подойдет самый простой тестер или мультиметр.

Как мы знаем транзисторы, в основном, бывают двух разновидностей: биполярные и полевые, принцип работы их похож но способы проверки существенно отличаются, поэтому мы рассмотрим разные методы проверки для каждых транзисторов по отдельности.

Проверка биполярных транзисторов

Способы проверки биполярных транзисторов достаточно просты и для удобства нужно помнить что биполярный транзистор условно представляет из себя два диода с точкой по середине, по сути из двух p-n переходов.

Биполярные транзисторы существуют двух типов проводимости: p-n-p и n-p-n что необходимо помнить и учитывать при проверке.

А диод как мы знаем, пропускает ток только в одну сторону, что мы и будем проверять.
Если так получится что ток проходит в обе стороны перехода то это явно указывает на то что транзистор «пробит» но это все условности, в реальности же при замере сопротивления ни в какой из позиций проверяемых переходов не должно быть «нулевого» сопротивления – поэтому это и есть самый простой способ выявления поломки транзистора.
Ну а теперь рассмотрим более достоверные способы проверки и поподробней.

И так выставляем тестер или мультиметр в режим прозвонки (проверка диодов), дальше нужно убедится в том что щупы вставлены в правильные разъемы (красный и черный), а на дисплее нет значка «разряжен». На дисплее должна быть единица а при замыкание щупов должны высветится нули (или близкие к нулям значения), также должен прозвучать звуковой сигнал. И так мы убедились в выборе правильного режима мультиметра, можем приступать к проверке.

И так поочередно проверяем все переходы транзистора:

  • База – Эмиттер – исправный переход будит вести себя как диод, то есть проводить ток только в одном направление.
  • База – Коллектор – исправный переход будит вести себя как диод, то есть проводить ток только в одном направление.
  • Эмиттер – Коллектор – в исправном состояние сопротивление перехода должно быть «бесконечное», то есть переход не должен пропускать ток или прозваниватmся ни в одном из положений полярности.

В зависимости от полярности транзистора (p-n-p или n-p-n) будит зависить лишь направление «прозвонки» переходов база-эмиттер и база-коллектор, с разной полярностью транзисторов направление будет противоположное.

Как определяется «пробитый» переход?
Если мультиметр обнаружит что какой ли бо из переходов (Б-К или Б-Э) в обоих из включений полярности имеет «нулевое» сопротивление и пищит звуковая индикация то такой переход пробит и транзистор неисправен.

Как определить обрыв p-n перехода?
Если один из переходов в обрыве – он не будит пропускать ток и прозваниватся ни в одну из сторон полярности как бы вы не меняли при этом полярность щупов.

Думаю всем понятно как проверять переходы транзистора, суть проверки такая же как у диодов, черный (минусовой) щуп ставим например на коллектор, а красный щуп (плюсовой) на базу и смотрим показания на дисплее. Затем меняем щупы тестера местами и смотрим показания снова. В исправного транзистора в одном случае должно быть какое то значение, как правило больше 100, в другом случае на дисплее должна быть единица «1» что говорит о «бесконечном» сопротивление.

Проверка транзистора стрелочным тестером

Принцип проверки все тот же, мы проверяем переходы (как диоды)
Отличие лишь в том что такие «омметры» не имеют режима прозвонки диодов и «бесконечное» сопротивление у них находится в начальном состояние стрелки, а максимальное отклонение стрелки будит уже говорить о «нулевом» сопротивление. К этому нужно просто привыкнуть и помнить о такой особенности при проверке.
Измерения лучше всего производить в режиме «1Ом» (можно пробовать и до *1000Ом пределе).

Для проверки в схеме (не выпаивая) стрелочным тестером можно даже более точно определить сопротивление перехода если он в схеме зашунтирован низкоомным резистором, например показания сопротивления в 20 Ом будет уже указывать о том что сопротивление перехода не «нулевое» а значит большая вероятность что переход исправен. С мультиметром же в режиме прозвонки диодов будит такая картина что он попросту будет показывать «кз» и пищать (тоже конечно зависит от точности прибора).

Если не известно где база, а где эмиттер и коллектор. Цоколевка транзистора?

У транзисторов средней и большой мощности вывод коллектора всегда на корпусе который переиначенный для закрепления на радиатора, так что с этим проблем не будит. А уже зная расположение коллектора, найти базу и эмиттер будит намного проще.
Ну а если транзистор малой мощности в пластмассовом корпусе где все выводы одинаковы будим применять такой способ:
Все что нам нужно – поочередно замерить все комбинации переходов прикасаясь щупами поочередно к разным выводам транзистора.

Нам нужно найти два перехода которые покажут бесконечность «1». Например: мы нашли бесконечность между правим-левим и правим-среднем, то есть по сути мы нашли и измеряли обратное сопротивления двух p-n переходов (как диодов) из этого размещение базы стает очевидным – база справа.
Дальше ищем где коллектор а где эмиттер, для этого от базы уже измеряем прямое сопротивление переходов и здесь все стает ясно так как сопротивление перехода база-Коллектор всегда меньше по сравнению с переходом база-Эмиттер.

Быстрая точная проверка транзистора

Если под руками есть мультиметр с функцией тестирования коэффициента усиления транзисторов – замечательно, проверка займет несколько секунд, здесь лишь надо будет определить правильную цоколевку (если конечно она не известна).
У таких мультиметров проверочные гнезда состоят из двух отделов p-n-p и n-p-n, а кроме того каждый отдел имеет три комбинации как можно вставить туда транзистор, то есть вместе не более 6 комбинаций, и только лишь одна правильная которая должна показать коэффициент усиления транзистора, за условий что он исправен.

Простой пробник

В данной схеме транзистор будет работать как ключ, схема очень простая и удобная если нужно часто и много проверять транзисторы.

Если транзистор рабочий – при нажатие кнопки светодиод светится, при отпускание гаснет.
Схема представлена для n-p-n транзисторов, но она универсальна, все что нужно сделать, это поставить параллельно к светодиоду еще один светодиод в обратной полярности, а при проверке p-n-p транзистора – просто менять полярность источника питания.

Если по данной методике что то идет не так, задумайтесь, а транзистор ли перед вами и случайно быть может он не биполярный, а полевой или составной.
Часто бывает путают при проверке составные транзисторы пытаясь их проверить стандартным способом, но нужно в первую очередь смотреть справочник или «даташит» со всем описанием транзистора.

Как проверить составной транзистор

Чтобы проверить такой транзистор его необходимо «запустить» то есть он должен как бы работать, для создания такого условия есть простой но интересный способ.
Стрелочным тестером, выставленным в режим проверки сопротивления (предел *1000?) подключаем щупы, плюсовой на коллектор, минусовой на эмиттер – для n-p-n (для p-n-p наоборот) – стрелка тестера не двинется сместа оставаясь в начале шкалы «бесконечность» (для цифрового мультиметра «1»)
Теперь если послюнявить палиц и замкнуть им прикоснувшысь к выводам базы и коллектора то стрелка сдвинется с места от того что транзистор немного приоткроется.
Таким же способом можно проверить любой транзистор даже не выпаивая з схемы.
Но следует помнить что некоторые составные транзисторы имеют в своем составе защитные диоды в переходе эмиттер-коллектор что дает им преимущество в работе с индукционной нагрузкой, например с электромагнитным реле.

Проверка полевых транзисторов

Здесь есть один отличительный момент при проверке таких транзисторов – они очень чувствительны к статическому электричеству которое способно вывести из строя транзистор если не соблюдать методы безопасности при проверке а также выпайке и перемещению. И в большей мере подвержены статике именно маломощные и малогабаритные полевые транзисторы.

Какие методы безопасности?
Транзисторы должны находится на столе на металлическом листе который подключен к заземлению. Для того чтобы снять с человека предельный статический заряд – применяют антистатический браслет который надевают на запястье.
Кроме того хранение и транспортировка особо чувствительных полевиков должна быть з закорочеными выводами, как правило выводы просто обматывают тонкой медной проволкой.

Полевой транзистор в отличие от биполярного управляется напряжением, а не током как у биполярного, поэтому прикладывая напряжение к его затвору мы его или открываем (для N-канального) или закрываем (для P-канального).

Проверить полевой транзистор можно как стрелочным тестером так и цифровым мультиметром.
Все выводы полевого транзистора должны показывать бесконечное сопротивление, независимо от полярности и напряжения на щупах.

Но если поставить положительный щуп тестера к затвору (G) транзистора N-типа, а отрицательный – к истоку (S), зарядится емкость затвора и транзистор откроется. И уже измеряя сопротивления между стоком (D) и истоком (S) прибор покажет некоторое значение сопротивления, которое зависит от ряда факторов, например емкости затвора и сопротивления перехода.

Для P-канального типа транзистора полярность щупов обратная. Также для чистоты эксперимента, перед каждой проверкой необходимо закорачивать выводы транзистора пинцетом чтобы снять заряд с затвора после чего сопротивление сток-исток должно снова стать «бесконечным» («1») – если это не так то транзистор скорее всего неисправен.

Особенностью современных мощных полевых транзисторов (MOSFET’ов) есть то что канал сток-исток прозванивается как диод, встроенный диод в канале полевого транзистора есть особенностью мощных полевиков (явление производственного процесса).
Чтобы не посчитать такую «прозвонку» канала за неисправность просто следует помнить о диоде.

В исправном состояние переход сток-исток MOSFETа должен в одну сторону звониться как диод а в другую показывать бесконечность (в закрытом состояние – после закорачивания выводов) Если переход прозваниваеться в обе стороны с «нулевым» сопротивлением то такой транзистор «пробит» и неисправен

Наглядный способ (экспресс проверка)

  • Необходимо замкнуть выводы транзистора
  • Тестером в режиме прозвонки (диод) ставим плюсовой щуп к истоку, а минусовой к стоку (исправный покажет 0.5 – 0.7 вольта)
  • Теперь меняем щупы местами (исправный покажет «1» или по другому говоря бесконечное сопротивление)
  • Минусовой щуп ставим к истоку, а плюсовой на затвор (открываем транзистор)
  • Минусовой щуп оставляем на истоке, а плюсовой сразу ставим на сток, исправный транзистор будет открыт и покажет 0 – 800 милливольт
  • Теперь можем поменять плюсовой и минусовой щупы местами, в обратной полярности переход сток-исток должен иметь такое же сопротивление.
  • Плюсовой щуп ставим к истоку, а минусовой на затвор – транзистор закроется
  • Можем снова проверить переход сток-исток, он должен показывать снова «бесконечное» сопротивление так как транзистор уже закрыт (но помним про диод в обратной полярности)

Большая емкость затвора некоторых полевых транзисторов (особенно мощных) позволяет некоторое продолжительное время сохранять транзистор открытим, что позволяет нам открыв его проверять сопротивление сток-исток уже убрав плюсовой щуп с затвора. Но у транзисторов с малой емкостью затвора необходимо очень быстро перемещать щупы что бы зафиксировать правильную работу транзистора.

Примечание: для проверки P-канального полевого транзистора, процесс выглядит также но щупы мультиметра должны быть противоположной полярности. Для удобства можно перекинуть их местами (красный на минус, а черный на плюс) и использовать все туже описану выше инструкцию.

Проверяя транзистор по такой методике канал сток-исток можно открывать и закрывать даже пальцем, например чтобы открыть достаточно прикоснутся пальцем к затвору держась при этом второй рукой за плюс, а чтобы закрыть нужно все также прикоснутся к затвору но уже держась другим пальцем или второй рукой за минус. Интересный опыт который дает понимание того что транзистор управляется не током (как у биполярных) а напряжением.

Простая схема пробника для проверки полевых транзисторов

Можно собрать простую и эффективную схему проверки полевиков которая достаточно ясно даст понять о состояние транзистора, к тому же достаточно быстро можно перекидать транзисторы если их предстоит проверять часто и много. В некоторых схемах можно проверить транзистор даже полностью не выпаивая его с платы.

Схема универсальна как для P-канальных так и для N-канальных полевых транзисторов в ней присутствует два светодиода включенных в обратной полярности друг к другу (каждый для своего типа) и все что остается при смене типа проверяемого полевого транзистора – просто поменять полярность источника питания.

MOSFET — проверка и прозвонка

Проверка и определение цоколевки MOSFET

Как показывает опыт, новички, сталкивающиеся с проверкой элементной базы подручными средствами, без каких-либо проблем справляются с проверкой диодов и биполярных транзисторов, но затрудняются при необходимости проверить столь распространенные сейчас MOSFET-транзисторы (разновидность полевых транзисторов). Я надеюсь, что данный материал поможет освоить этот нехитрый способ проверки полевых транзисторов.

Очень кратко о полевых транзисторах

На данный момент понаделано очень много всяких полевых транзисторов. На рисунке показаны графические обозначения некоторых разновидностей полевых транзисторов.

G-затвор, S-исток, D-сток. Сравнивая полевой транзистор с биполярным, можно сказать, что затвор соответствует базе, исток – эмиттеру, сток полевого транзистора – коллектору биполярного транзистора.

Наиболее распространены n-канальные MOSFET – они используются в цепях питания материнских млат, видеокарт и т.п. У MOSFET имеется встроенный диод:

MOSFET n-канальный (слева) и p-канальный (справа).

Транзисторы лучше рисовать с диодом — чтобы потом было проще в схеме ориентироваться. Этот диод является паразитным и от него не удается избавиться на этапе изготовления транзистора. Вообще при изготовлении MOSFET возникает паразитный биполярный транзистор, а диод – один из его переходов. Правда нужно признать, что по схемотехнике этот диод все равно частенько приходится ставить, поэтому производители транзисторов этот диод шунтируют диодом с лучшими показателями как по быстродействию, так и по падению напряжения. В низковольтные MOSFET обычно встраивают диоды Шоттки. А вообще в идеале этого диода не должно было бы быть.

Типовое включение полевого (MOSFET) транзистора:

MOSFET типовое включение

Проверка полевых транзисторов (MOSFET)

И вот, иногда наступает момент, когда необходимо полевой транзистор проверить, прозвонить или определить его цоколевку. Сразу оговоримся, что проверить таким образом можно «logic-level» полевые транзисторы, которые можно встретить в цепях питания на материнских платах и видеокартах. «logic-level» в данном случае означает, что речь идет о приборах, которые управляются, т.е. способны полностью открывать переход D-S, при приложении к затвору относительно небольшого, до 5 вольт, напряжения. На самом деле очень многие MOSFET способны открыться, пусть даже и не полностью, напряжением на затворе до 5В.

В качестве примера возьмем N-канальный MOSFET IRF1010N для его проверки (прозвонки). Известно, что у него такая цоколевка: 1 – затвор (G), 2 – сток (D), 3 – исток (S). Выводы считаются как показано на рисунке ниже.

Распиновка корпуса TO-220

1. Мультиметр выставляем в режим проверки диодов, этот режим очень часто совмещен с прозвонкой. У цифрового мультиметра красный щуп «+», а черный «–», проверить это можно другим мультиметром.
На любом уважающем себя мультиметре есть такая штуковина

Прозвонка диодов, да и вообще полупроводниковых переходов на мультиметре.

2. Щуп «+» на вывод 3, щуп «–» на вывод 2. Получаем на дисплее мультиметра значения 400…700 – это падение напряжения на внутреннем диоде.

3. Щуп «+» на вывод 2, щуп «–» на вывод 3. Получаем на дисплее мультиметра бесконечность. У мультиметров обычно обозначается как 1 в самом старшем разряде. У мультиметров подороже, с индикацией не 1999 а 4000 будет показано значение примерно 2,800 (2,8 вольта).

4. Теперь удерживая щуп «–» на выводе 3 коснуться щупом «+» вывода 1, потом вывода 2. Видим, что теперь щупы стоят так же, как и в п.3, но теперь мультиметр показывает 0…800мВ – у MOSFET открыт канал D-S. Если продолжать удерживать щупы достаточно долго, то станет заметно, что падение напряжения D-S увеличивается, что означает, что канал постепенно закрывается.

5. Удерживая щуп «+» на выводе 2, щупом «–» коснуться вывода 1, затем вернуть его на вывод 3. Как видим, канал опять закрылся и мультиметр показывает бесконечность.

Поясним, что же происходит. С прозвонкой внутреннего диода все понятно. Непонятно почему канал остается либо закрытым, либо открытым? На самом деле все просто. Дело в том, что у мощных MOSFET емкость между затвором и истоком достаточно большая, например у взятого мной транзистора IRF1010N измеренная емкость S-G составляла 3700пФ (3,7нФ). При этом сопротивление S-G составляет сотни ГОм (гигаом) и более. Не забыли – полевые транзисторы управляются электрическим полем, а не током в отличие от биболярных. Поэтому в п.4 касаясь “+” затвора (G) мы его заряжаем относительно истока (S) как обычный конденсатор и управляющее напряжение на затворе может держаться еще достаточно долго.

Если хвататься за выводы транзистора руками, особенно жирными и влажными, емкость транзистора будет разряжаться значительно быстрее, т.к. сопротивление будет определяться не диэлектриком у затвора транзистора, а поверхностным сопротивлением. Не смытый флюс также сильно снижает сопротивление. Поэтому рекомендую помыть транзистор, перед проверкой, например, в спирто-бензиновой смеси.

P.S. Спирто-бензиновая смесь при испарении может генерировать статическое электричество, которое, как известно, негативно действует на полевые транзисторы.

Небольшие пояснения о мультиметрах

1. У цифровых мультиметров режим проверки диодов проводится измерением падения напряжения на щупах, при этом по щупам прибор пропускает стабильный ток 1мА. Именно поэтому в данном режиме прибор показывает не сопротивление, а падение напряжения. Для германиевых диодов оно равно 0,3…0,4В, для кремниевых 0,6…0,8В. Но что бы там не измерялось напряжение на щупах прибора редко превышает 3В – это ограничение накладывается схемотехникой мультиметров.
2. В п.4 при измерении падения напряжения открытого канала величина, отображаемая мультиметром может сильно меняться от различных факторов: напряжения на щупах, температуры, тока стабилизации, характеристик самого полевого транзистора.

Тренировка =)

Теперь можно потренироваться в определении цоколевки мощного транзистора. Перед нами транзистор IRF5210 и его цоколевка мне неизвестна.

1. Начну с поиска диода. Попробую все варианты подключения к мультиметру. После каждого измерения корочу ножки транзистора фольгой чтобы обеспечить разряд емкостей транзистора. Возможные варианты показаны в таблице:

Т.е. диод находится между выводами 2 и 3, соответственно затвор (G) находится на выводе 1.

2. Осталось определить, где находятся сток (D) и исток (S) и полярность (n-канал или p-канал) полевого транзистора.

2.1. Если это n-канальный транзистор, то сток (D) – 3 вывод, исток (S) – 2 вывод. Проверяем. Прикладываем «–» щуп мультиметра к выводу 2, «+» к выводу 3 – канал закрыт, так и должно быть – мы же его еще не пытались открыть. Теперь не отнимая щупа «–» от вывода 2 щупом «+» касаемся вывода 1, затем «+» опять прикладываем к выводу 3. Канал не открылся – значит, наше предположение о том, что IRF5210 n-канальный транзистор оказалось неверным.

2.2. Если это p-канальный транзистор, то сток (D) – 2 вывод, исток (S) – 3. Проверяем. Прикладываем «+» щуп мультиметра к выводу 3, «–» к выводу 2 – канал закрыт, так и должно быть – мы же его еще не пытались открыть. Теперь не отнимая щупа «+» от вывода 3 щупом «–» касаемся вывода 1, затем «–» опять прикладываем к выводу 2. Канал открылся – значит, что IRF5210 p-канальный транзистор, вывод 1 – затвор, вывод 2 – сток, вывод 3 – исток.

На самом деле все не так сложно. Буквально пол часа тренировки – и вы сможете без каких-либо проблем проверять MOSFETы и определять их цоколевку!

Полевой МОП транзистор – устройство и принцип работы

Содержание статьи

Устройство и основные характеристики МОП-транзисторов

МОП-транзистор (MOSFET, «металл-оксид-полупроводник») – полевой транзистор с изолированным затвором (канал разделен с затвором тонким диэлектрическим слоем). Другое название МОП-транзистора – униполярный. Основные области применения таких приборов – выполнение функций электронного переключателя и усилителя электронных сигналов в старой и современной системотехнике.

Практически все типы MOSFET имеют три вывода:

Исток – источник носителей зарядов. Является аналогом эмиттера в биполярном приборе.

Сток. Служит для приема носителей заряда от истока. Аналог коллектора биполярного транзистора.

Затвор. Выполняет функции управляющего электрода. Аналог в биполярном устройстве – база.

Особая категория – транзисторы с несколькими затворами. Они применяются в цифровой технике для организации логических элементов или в качестве ячеек памяти EEPROM.

 

Основные характеристики униполярных транзисторов, учитываемые при выборе нужного прибора:

управляющее напряжение;

в открытом состоянии – внутреннее сопротивление и наибольшее значение допустимого постоянного тока;

в закрытом состоянии – максимально допустимое напряжение прямого типа.

Отличие униполярных транзисторов от биполярных

МОП-транзистор управляется электрополем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность прилагаемого напряжения определяется видом канала транзистора (p или n). В отличие униполярных биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников формируется двумя типами зарядов – электронами и дырками.

Полевые (униполярные) транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в звукоусилительных устройствах. MOSFET применяют в микросхемах низкочастотных усилителей в автомобильных проигрывателях.

Типы МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы делятся на p-канальные или n-канальные. Они могут иметь:

Собственный (встроенный) канал. Без напряжения канал открыт. Для закрытия канала необходимо подать ток определенной полярности.

Индуцированный (инверсный) канал. При отсутствии приложенного электротока он закрыт. Для его открытия прикладывают напряжение нужной полярности. Для n-канальных транзисторов отпирающим является напряжение, положительное относительно истока. Его величина должна быть больше порогового значения, установленного для данного транзистора. Для p-канальных моделей отпирающим будет отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору.

Принцип работы МОП-транзисторов на примере прибора с n-проводимостью

В схему униполярного транзистора с изолированным затвором и n-проводимостью входят:

Кремниевая подложка. В подложке n-типа в узлах кристаллической решетки кремния присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны, что достигается введением специальных примесей.

Диэлектрик. Служит для изоляции кремниевой подложки от электрода затвора. В качестве диэлектрика используется оксид кремния.

В большинстве MOSFET исток транзистора подключается к полупроводниковой подложке. Между стоком и истоком формируется «паразитный» диод. Ликвидировать отрицательные последствия появления такого диода и даже использовать в положительных целях позволяет его подключение анодом к истоку в n-канальных полевых транзисторах, анодом к стоку – в p-канальных приборах.

Принцип работы:

  1. Между затвором и истоком прикладывается плюсовое напряжение к затвору.
  2. Между металлическим выводом затвора и подложкой появляется электрическое поле.
  3. Электрическое поле притягивает к приповерхностному слою диэлектрика свободные электроны, ранее распределенные в кремниевой подложке.
  4. В приповерхностном слое появляется область проводимости (канал) n-типа, состоящая из свободных электронов.
  5. Между выводами стока и истока появляется «мост», проводящий электрический ток.
  6. Проводимость полевого транзистора регулируется величиной внешнего управляющего напряжения. При его снятии проводящий «мостик» исчезнет и прибор закроется.

Аналогично работает МОП-транзистор p-типа. Показанный выше принцип работы является упрощенным. Приборы, используемые на практике в схемотехнике, имеют более сложное устройство и, следовательно, более сложный принцип работы.

Преимущества и недостатки МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы имеют довольно широкое распространение в современной системотехнике благодаря ряду преимуществ, среди которых:

  • возможность мгновенного переключения;
  • отсутствие вторичного пробоя;
  • хорошая эффективность работы при низких напряжениях;
  • стабильность при температурных колебаниях;
  • низкий уровень шума при работе;
  • большой коэффициент усиления сигнала;
  • экономичность в плане энергопотребления;
  • меньшее количество технологических операций при построении схем с использованием МОП-транзисторов по сравнению с применением биполярных приборов.

Применение этих приборов ограничивают следующие недостатки:

Важнейший минус – повышенная чувствительность к статическому электричеству. Тонкий слой оксида кремния легко повреждается электростатическими зарядами, поэтому МОП-приборы могут выйти из строя даже при прикосновении к прибору наэлектризованными руками. Современные устройства практически лишены этого недостатка благодаря корпусам, способным минимизировать воздействие статики. Также в них могут интегрироваться защитные устройства по типу стабилитронов.

Появление нестабильности работы при напряжении перегрузки.

Разрушение структуры, начиная от температуры +150 °C. У биполярных приборов критической является температура +200 °C.

Постоянный поиск по получению хороших эксплуатационных свойств высокомощных униполярных транзисторов привел к изобретению гибридного IGBT-транзистора. Эти устройства объединили лучшие качества биполярного и полевых транзисторов.


Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?


Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.


Полевой транзистор »Примечания по электронике

Полевой транзистор, полевой транзистор, представляет собой трехконтактное активное устройство, которое использует электрическое поле для управления током и имеет высокий входной импеданс, который используется во многих схемах.


FET, полевой транзистор, руководство включает:
FET основы Характеристики полевого транзистора JFET МОП-транзистор МОП-транзистор с двойным затвором Силовой МОП-транзистор MESFET / GaAs полевой транзистор HEMT & PHEMT Технология FinFET


Полевой транзистор FET — ключевой электронный компонент, используемый во многих областях электронной промышленности.

Полевой транзистор, используемый во многих схемах, состоящих из дискретных электронных компонентов, в областях от ВЧ-технологий до управления мощностью и электронного переключения до общего усиления.

Однако в основном полевые транзисторы используются в интегральных схемах. В этом приложении схемы на полевых транзисторах потребляют гораздо меньше энергии, чем микросхемы, использующие технологию биполярных транзисторов. Это позволяет работать очень крупным интегральным схемам. Если бы использовалась биполярная технология, потребляемая мощность была бы на несколько порядков больше, а генерируемая мощность была бы слишком большой, чтобы рассеиваться на интегральной схеме.

Помимо использования в интегральных схемах, дискретные версии полевых транзисторов доступны как в виде выводных электронных компонентов, так и в качестве устройств для поверхностного монтажа.

Типичные полевые транзисторы

Полевой транзистор, история полевых транзисторов

До того, как первые полевые транзисторы были представлены на рынке электронных компонентов, эта концепция была известна в течение ряда лет. Было много трудностей в реализации этого типа устройства и в том, чтобы заставить его работать.

Некоторые из первых концепций полевого транзистора были изложены в статье Лилиенфилда в 1926 году и в другой статье Хайля в 1935 году.

Следующие основы были заложены в 1940-х годах в Bell Laboratories, где была создана группа по исследованию полупроводников. Эта группа исследовала ряд областей, относящихся к полупроводникам и полупроводниковой технологии, одним из которых было устройство, которое могло бы модулировать ток, протекающий в полупроводниковом канале, путем размещения электрического поля рядом с ним.

В ходе этих ранних экспериментов исследователи не смогли воплотить идею в жизнь, превратив свои идеи в другую идею и, в конечном итоге, изобрели другую форму компонента полупроводниковой электроники: биполярный транзистор.

После этого большая часть исследований в области полупроводников была сосредоточена на улучшении биполярного транзистора, и идея полевого транзистора некоторое время не была полностью исследована. Сейчас полевые транзисторы очень широко используются, являясь основным активным элементом во многих интегральных схемах.Без этих электронных компонентов технология электроники была бы совсем другой, чем сейчас.

Заметка об изобретении и истории полевого транзистора:

На разработку полевого транзистора ушло много лет. Первые идеи концепции появились в 1928 году, но только в 1960-х годах они стали широко доступны.

Подробнее об изобретении и истории полевого транзистора

Полевой транзистор — основы

Концепция полевого транзистора основана на концепции, согласно которой заряд на соседнем объекте может притягивать заряды в полупроводниковом канале.По сути, он работает с использованием эффекта электрического поля — отсюда и название.

Полевой транзистор состоит из полупроводникового канала с электродами на обоих концах, называемых стоком и истоком.

Управляющий электрод, называемый затвором, помещается в непосредственной близости от канала, так что его электрический заряд может влиять на канал.

Таким образом, затвор полевого транзистора контролирует поток носителей (электронов или дырок), текущий от истока к стоку. Он делает это, контролируя размер и форму проводящего канала.

Полупроводниковый канал, по которому протекает ток, может быть P-типа или N-типа. Это дает начало двум типам или категориям полевых транзисторов, известных как полевые транзисторы с P-каналом и N-каналом.

Кроме этого, есть еще две категории. Увеличение напряжения на затворе может либо истощить, либо увеличить количество носителей заряда, доступных в канале. В результате есть полевые транзисторы в режиме улучшения и полевые транзисторы в режиме истощения.

Обозначение цепи на переходном полевом транзисторе

Поскольку только электрическое поле управляет током, протекающим в канале, говорят, что устройство работает от напряжения и имеет высокое входное сопротивление, обычно много МОм.Это может быть явным преимуществом перед биполярным транзистором, работающим от тока и имеющим гораздо более низкий входной импеданс.

Переходный полевой транзистор, JFET работает ниже насыщения

Цепи на полевых транзисторах

Полевые транзисторы широко используются во всех схемах, от схем с дискретными электронными компонентами до интегральных схем.

Примечание по конструкции схемы полевого транзистора:

Полевые транзисторы могут использоваться во многих типах схем, хотя три основные конфигурации — это общий исток, общий сток (истоковый повторитель) и общий затвор.Сама схема довольно проста и может быть взята на вооружение довольно легко.

Подробнее о Проектирование схем полевого транзистора

Поскольку полевой транзистор представляет собой устройство, работающее от напряжения, а не токовое устройство, такое как биполярный транзистор, это означает, что некоторые аспекты схемы сильно отличаются: в частности, устройства смещения. Однако проектировать электронную схему с полевыми транзисторами относительно просто — она ​​немного отличается от схемы с биполярными транзисторами.

Используя полевые транзисторы, можно спроектировать такие схемы, как усилители напряжения, буферы или повторители тока, генераторы, фильтры и многое другое, а схемы очень похожи на схемы для биполярных транзисторов и даже термоэмиссионных клапанов / вакуумных ламп. Интересно, что клапаны / лампы также являются устройствами, работающими от напряжения, и поэтому их схемы очень похожи, даже с точки зрения устройства смещения.

Типы полевых транзисторов

Есть много способов определить различные типы доступных полевых транзисторов.Различные типы означают, что при проектировании электронной схемы необходимо выбрать правильный электронный компонент для схемы. Правильно подобрав устройство, можно получить наилучшие характеристики для данной схемы.

Полевые транзисторы

можно разделить на несколько категорий, но некоторые из основных типов полевых транзисторов можно увидеть на древовидной диаграмме ниже.

Типы полевых транзисторов

На рынке существует множество различных типов полевых транзисторов, которые имеют разные названия.Некоторые из основных категорий отложены ниже.

  • Junction FET, JFET: Junction FET, или JFET, использует диодный переход с обратным смещением для обеспечения соединения затвора. Структура состоит из полупроводникового канала, который может быть N-типа или P-типа. Затем на канале изготавливается полупроводниковый диод таким образом, чтобы напряжение на диоде влияло на канал полевого транзистора.

    При работе он имеет обратное смещение, а это означает, что он эффективно изолирован от канала — только обратный ток диода может течь между ними.JFET — это самый базовый тип полевого транзистора, который был разработан впервые. Однако он по-прежнему обеспечивает отличный сервис во многих областях электроники.


  • Полевой транзистор с изолированным затвором / полевой транзистор на основе оксида металла и кремния МОП-транзистор: В МОП-транзисторе используется изолированный слой между затвором и каналом. Обычно это формируется из слоя оксида полупроводника.

    Название IGFET относится к любому типу полевого транзистора с изолированным затвором.Наиболее распространенной формой IGFET является кремниевый MOSFET — металлооксидный кремниевый полевой транзистор. Здесь затвор выполнен из слоя металла, нанесенного на оксид кремния, который, в свою очередь, находится на канале кремния. МОП-транзисторы широко используются во многих областях электроники, особенно в интегральных схемах.

    Ключевым фактором IGFET / MOSFET является чрезвычайно высокий импеданс затвора, который могут обеспечить эти полевые транзисторы. Тем не менее, будет соответствующая емкость, и это уменьшит входное сопротивление при повышении частоты.


  • МОП-транзистор с двумя затворами: Это специализированная форма МОП-транзистора, у которого два затвора расположены последовательно вдоль канала. Это позволяет значительно улучшить производительность, особенно на ВЧ, по сравнению с устройствами с одним затвором.

    Второй затвор полевого МОП-транзистора обеспечивает дополнительную изоляцию между входом и выходом, и в дополнение к этому его можно использовать в таких приложениях, как смешивание / умножение.


  • MESFET: Кремниевый полевой транзистор MEtal обычно изготавливается из арсенида галлия и часто называется полевым транзистором на основе GaAs. Часто GaAsFET используются в ВЧ-приложениях, где они могут обеспечить низкий уровень шума с высоким коэффициентом усиления. Одним из недостатков технологии GaAsFET является очень маленькая структура затвора, что делает ее очень чувствительной к повреждению статическим электричеством. При обращении с этими устройствами необходимо соблюдать особую осторожность.


  • HEMT / PHEMT: Транзистор с высокой подвижностью электронов и псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов являются развитием базовой концепции полевого транзистора, но разработаны для обеспечения работы на очень высоких частотах. Несмотря на то, что они дороги, они позволяют достичь очень высоких частот и высокого уровня производительности.


  • FinFET: Технология FinFET теперь используется в интегральных схемах, чтобы обеспечить более высокий уровень интеграции за счет меньших размеров элементов.Поскольку требуются более высокие уровни плотности и становится все труднее реализовать все более мелкие размеры элементов, технология FinFET используется все более широко.


  • VMOS: Стандарт VMOS для вертикальной MOS. Это тип полевого транзистора, который использует вертикальный ток для улучшения коммутационных и токонесущих характеристик. Полевые транзисторы VMOS широко используются в энергетических приложениях.

Хотя в литературе можно встретить и другие типы полевых транзисторов, часто эти типы являются торговыми наименованиями для конкретной технологии и являются вариантами некоторых типов полевых транзисторов, перечисленных выше.

Характеристики полевого транзистора

Помимо выбора конкретного типа полевого транзистора для конкретной схемы, также необходимо понимать различные спецификации. Таким образом можно гарантировать, что полевой транзистор будет работать с требуемыми рабочими параметрами.

Спецификации полевого транзистора

включают все: от максимально допустимых напряжений и токов до уровней емкости и крутизны. Все они играют роль в определении того, подходит ли какой-либо конкретный полевой транзистор для данной схемы или приложения.

Технология полевых транзисторов может использоваться в ряде областей, где биполярные транзисторы не так подходят: каждое из этих полупроводниковых устройств имеет свои преимущества и недостатки и может использоваться с большим эффектом во многих схемах. Полевой транзистор имеет очень высокое входное сопротивление и является устройством, управляемым напряжением, что позволяет использовать его во многих областях.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Что такое полевой транзистор? — Блог Fusion 360

Полевой транзистор (FET) — это трехконтактный активный полупроводниковый прибор, в котором выходной ток регулируется электрическим полем, создаваемым входным напряжением. Полевые транзисторы также известны как униполярные транзисторы, потому что, в отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы имеют либо электроны, либо дырки, работающие в качестве носителей заряда. Полевой транзистор использует напряжение, приложенное к его входной клемме (называемой затвором), для управления током, протекающим от истока к стоку, что делает полевой транзистор устройством, управляемым напряжением.

Полевые транзисторы

широко используются в интегральных схемах (ИС) из-за их компактных размеров и значительно более низкого энергопотребления. Кроме того, полевые транзисторы также используются в мощных коммутационных устройствах, в качестве резисторов с переменным напряжением (VVR) в операционных усилителях (ОУ), регуляторов тембра и т. Д. Для работы микшера на FM- и ТВ-приемниках и в логических схемах. .

Психический обзор

Полевой транзистор имеет четыре терминала с именами Источник, Сток, Затвор и Корпус.

  1. Источник : Источник — это терминал, через который основные носители заряда вводятся в полевой транзистор.
  2. Дренаж : Дренаж — это терминал, через который большинство носителей заряда выходят из полевого транзистора.
  3. Затвор : Вывод затвора формируется путем диффузии полупроводника N-типа с полупроводником P-типа. Это создает сильно легированную область PN-перехода, которая контролирует поток носителя от истока к стоку.
  4. Корпус : Это основа, на которой построен полевой транзистор.В дискретных приложениях он внутренне привязан к выводу источника, что позволяет полностью игнорировать его эффекты. Однако в интегральных схемах этот вывод обычно подключается к наиболее отрицательному источнику питания в схеме NMOS (наиболее положительному в схеме PMOS), поскольку он используется многими транзисторами. Тщательные соединения и конструкция имеют решающее значение для поддержания производительности полевого транзистора, когда задействовано соединение Body.

Канал : Это область, в которой большинство несущих проходят от терминала истока к терминалу стока.

Классификация полевых транзисторов

Полевые транзисторы

подразделяются на полевые транзисторы (JFET) и полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

JFET (переходно-полевой транзистор)

Junction Field Effect Transistor (JFET) — это самый ранний тип полевых транзисторов. Ток течет по активному каналу между истоками к клеммам стока. Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет потоком электрического тока между истоком и стоком полевого транзистора.При подаче напряжения обратного смещения на вывод затвора канал деформируется, поэтому электрический ток полностью отключается. Вот почему полевые транзисторы JFET называют «нормально включенными» устройствами. Транзисторы JFET доступны как в N-канальном, так и в P-канальном исполнении.

N-канальный JFET

В N-канальном JFET канал легирован донорными примесями, что делает его полупроводником N-типа. Следовательно, ток через канал отрицателен в виде электронов.Отсюда и название N-канальный JFET. Две подложки P-типа, легированные с противоположных сторон от его средней части. Таким образом, два PN-перехода образованы этими сильно легированными областями P-типа и каналом N-типа между ними. Вывод затвора (G) подключается внутри к обоим клеммам P-типа, а выводы стока (D) и истока (S) подключаются к любому концу канала N-типа.

Как это работает?

Когда на вывод затвора не подается напряжение, канал становится широко открытым путем для прохождения электронов.Следовательно, максимальный ток течет от истока к выводу стока. Величина протекающего тока определяется разностью потенциалов между выводами истока и стока и внутренним сопротивлением канала.

Но происходит обратное, когда на вывод затвора подается отрицательное напряжение по отношению к выводу истока, что приводит к обратному смещению P-N перехода. В канале создается область истощения, которая сужает канал, увеличивая сопротивление канала между истоком и стоком, и ток становится меньше.

P-канальный JFET

Аналогичным образом, в JFET с P-каналом канал легирован акцепторными примесями, что делает его полупроводником P-типа. Следовательно, ток через канал имеет положительную форму в виде отверстий. Отсюда и название P-channel JFET. Противоположная сторона канала сильно легирована подложками N-типа. Как и в N-канальном JFET, вывод затвора формируется путем соединения областей N-типа с обеих сторон. Клеммы истока и стока взяты с двух других сторон канала.

Принцип работы также аналогичен N-канальному JFET. Единственное отличие состоит в том, что вам необходимо обеспечить положительное напряжение затвора к источнику, чтобы выключить его. Однако N-канальный JFET имеет более высокую проводимость по току из-за более низкого сопротивления канала, чем их эквивалентные типы P-каналов, поскольку электроны имеют более высокую подвижность через проводник по сравнению с дырками. Это делает N-канальный JFET более эффективным, чем их аналоги с P-каналом.

Характеристики

Здесь JFET смещен через источник постоянного тока, который будет управлять VGS JFET.Мы можем контролировать приложенное напряжение на клеммах стока и источника, изменяя VGS. Оттуда мы можем построить кривую ВАХ полевого транзистора.

Выходные характеристики JFET представлены между током стока (ID) и напряжением сток-исток (VDS) при постоянном напряжении затвор-исток (VGS), как показано на следующем рисунке.

  • Область отсечки — это область, где JFET выключен, что означает отсутствие тока стока, ID течет от стока к истоку.
  • Омическая область — В этой области JFET начинает показывать некоторое сопротивление току стока, ID, который начинает течь от стока к истоку. Ток, протекающий через полевой транзистор, линейно пропорционален приложенному напряжению.
  • Область насыщения — Когда напряжение сток-исток достигает такого значения, что ток, протекающий через устройство, является постоянным с напряжением сток-исток и изменяется только с напряжением затвор-исток, устройство считается находящимся в состоянии насыщения. область.
  • Область пробоя — Когда напряжение стока в исток, VDS превышает максимальное пороговое значение, что вызывает пробой области истощения, JFET теряет способность противостоять току, и ток стока неограниченно увеличивается.

МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник)

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы, также известные как полевые МОП-транзисторы, имеют большее значение и являются наиболее полезным типом среди всех транзисторов.МОП-транзистор имеет четыре вывода: сток, исток, затвор и корпус или подложку. MOSFET также является транзистором, управляемым напряжением, но основное различие между JFET и MOSFET заключается в том, что он имеет металлооксидный электрод затвора, который электрически изолирован от основного токоведущего канала между стоком и истоком очень тонким слоем. из изоляционного материала, обычно диоксида кремния, широко известного как стекло.

Трек создан с использованием двух сильно легированных зон N-типа, рассеянных в слаболегированной подложке P-типа.Эти две области N-типа известны как сток и исток, а область P-типа называется подложкой. Изоляция управляющего затвора делает входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно высоким по шкале мегаомов (МОм), тем самым делая его почти бесконечным. Таким образом, ток не может течь в ворота.

Как это работает?

Основной принцип устройства MOSFET заключается в том, чтобы иметь возможность управлять напряжением и током между выводами истока и стока с помощью напряжения, приложенного к выводу затвора.Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока, может быть инвертирован из p-типа в n-тип путем приложения либо положительного, либо отрицательного напряжения затвора, соответственно. Когда мы прикладываем силу отталкивания к положительному напряжению затвора, то дырки, находящиеся под оксидным слоем, толкаются вниз вместе с подложкой. Область обеднения населена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Когда достигаются электроны, развивается канал.Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если вместо положительного напряжения приложить отрицательное напряжение, под слоем оксида образуется отверстие.

Типы полевых МОП-транзисторов

Широко используются два полевых МОП-транзистора:

1.Истощение MOSFET:

МОП-транзистор в режиме истощения аналогичен разомкнутому переключателю. В этом режиме для выключения устройства применяется напряжение затвора в источник (VGS). Когда напряжение затвора отрицательное, в канале накапливаются положительные заряды. Это вызывает область истощения в канале и предотвращает протекание тока. Таким образом, поскольку на протекание тока влияет формирование обедненной области, он называется истощенным MOSFET.

2.Расширение MOSFET:

МОП-транзистор расширенного режима аналогичен переключателю включения. В этом режиме для включения устройства применяется напряжение затвор-исток (VGS). Когда отрицательное напряжение подается на вывод затвора полевого МОП-транзистора, отверстия, несущие положительный заряд, накапливаются рядом с оксидным слоем, образуя канал от истока к выводу стока. По мере того, как напряжение становится более отрицательным, ширина канала увеличивается и ток увеличивается; поэтому он называется улучшенным MOSFET.

Кроме того, типы истощения и расширения подразделяются на типы N-канал и P-канал .

1.N-канальный полевой МОП-транзистор :

N-канальный полевой МОП-транзистор имеет канал N-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником N-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом P-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за электронов.А протекание тока контролируется напряжением на затворе.

2.P-канальный полевой МОП-транзистор:

Аналогично, P-канальный MOSFET имеет канал P-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником P-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом N-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за дыр. А протекание тока контролируется напряжением на затворе.

Характеристики

В целом, полевой МОП-транзистор работает в основном в трех регионах, а именно:

  1. Область отсечки:
    В области отсечки полевой МОП-транзистор остается выключенным, поскольку в этой области нет тока.Здесь MOSFET ведет себя как разомкнутый переключатель и поэтому используется, когда они должны функционировать как электронные переключатели.
  2. Омическая область:
    В омической или линейной области ток сток-исток увеличивается с увеличением напряжения между стоком и истоком. Когда в этой области работают полевые МОП-транзисторы, их можно использовать в качестве усилителей.
  3. Область насыщения:
    В этой области значение тока от стока к истоку остается постоянным без учета увеличения напряжения между стоком и истоком.Это происходит только один раз, когда напряжение на стоке к выводу истока увеличивается больше, чем напряжение отсечки. В этом случае устройство будет работать как замкнутый переключатель. Поэтому эта рабочая область используется всякий раз, когда требуются полевые МОП-транзисторы для выполнения операций переключения.

Приложения

MOSFET как переключатель

Полевые МОП-транзисторы

используются во многих различных приложениях. Они широко известны своими коммутационными характеристиками. Как мы видели ранее, N-канальный MOSFET в режиме улучшения имеет очень высокое входное сопротивление и работает от положительного входного напряжения.Это позволяет нам переключать нагрузки с высоким током или высоким напряжением, используя сигнал с относительно низким логическим уровнем. В следующем примере мы будем использовать N-канальный МОП-транзистор в режиме улучшения для включения и выключения простой лампы.

Как видите, в этой схеме мы хотим переключить лампу на 12 В с помощью логического сигнала 5 В. Мы подключили положительную клемму лампы к источнику питания 12 В, а другой конец — к клемме стока полевого МОП-транзистора. Клемма источника подключена к GND. Сопротивление затвора к истоку (RGS) используется для предотвращения любого внешнего шума на выводе затвора.

Когда напряжение не подается, лампа остается в выключенном состоянии. Если мы подадим положительное входное напряжение (VGS) на вывод затвора полевого МОП-транзистора, лампа включится и останется включенной до тех пор, пока мы не удалим входной сигнал или не подадим отрицательное входное напряжение. Затем лампа погаснет.

Усилитель MOSFET

MOSFET или eMOSFET в режиме расширения требует минимального напряжения затвор-исток, называемого пороговым напряжением (VTH), которое должно быть приложено к затвору, чтобы он начал протекать ток от стока к истоку (VDS).По мере увеличения прямого смещения затвора ток сток-исток (IDS) также будет увеличиваться, что делает eMOSFET идеальным для использования в схемах усилителя MOSFET.

Эта простая конфигурация усилителя MOSFET в режиме расширения с общим истоком использует одиночный источник питания на выводе стока для генерации необходимого напряжения затвора (VG) с использованием резисторного делителя на резисторах R1 и R2. Сеть резисторов создает необходимую схему смещения для работы в области насыщения. Нам также понадобятся резисторы стока и истока и емкости связи.Значения R1 и R2 обычно большие, чтобы увеличить входное сопротивление усилителя и уменьшить омические потери мощности. Конденсаторы связи C1 и C2 изолируют напряжение смещения постоянного тока от сигнала переменного тока, который необходимо усилить. На изображении выше небольшой сигнал переменного тока (VGS) подается на затвор полевого МОП-транзистора, что приводит к колебаниям тока стока, синхронному с приложенным входным переменным током.

Драйвер мотора H-моста

Н-мост — это конфигурация схемы, обычно используемая для управления скоростью и направлением щеточного двигателя постоянного тока.Как мы видели ранее, используя полевой МОП-транзистор, мы можем легко контролировать скорость двигателя. Но это работает только в одном направлении. Чтобы сделать его двунаправленным, нам нужно подключить 4 полевых МОП-транзистора таким образом, чтобы он мог одновременно переключать как верхнюю, так и низкую стороны.

При активации одной пары (диагонально противоположных) полевых МОП-транзисторов двигатель видит, что ток течет в одном направлении, а когда активируется другая пара, ток через двигатель меняет направление. Срабатывание как нижнего, так и верхнего полевых МОП-транзисторов (но никогда вместе) прерывает ток и останавливает двигатель.

Затворы полевого МОП-транзистора с N-каналом обычно подтягиваются понижающим резистором, а затворы полевого МОП-транзистора с P-каналом поднимаются высоко. Это приводит к тому, что полевые МОП-транзисторы с каналом P и N отключаются; следовательно, ток не может течь. Когда сигнал PWM подается на затворы полевого МОП-транзистора, полевые МОП-транзисторы с каналом N и P попеременно включаются и выключаются, контролируя мощность.

_____

Технология полевых транзисторов может использоваться в различных областях электроники, где биполярные транзисторы не подходят.Полевой транзистор имеет очень высокое входное сопротивление и является устройством, управляемым напряжением; возможно, они являются наиболее широко используемым активным устройством. Поскольку они используются в CMOS и других технологиях интегральных схем, где потребляемая мощность является решающим фактором, полевые МОП-транзисторы обеспечивают работу с очень низким энергопотреблением. МОП-транзистор также можно использовать в качестве переключателя для управления большими нагрузками, такими как лампы или двигатели большой мощности. ШИМ-сигналы от внешнего источника, такого как микроконтроллер, используются для управления проводимостью транзистора. Соответственно, полевой МОП-транзистор включается или выключается, таким образом поддерживая яркость лампы или скорость двигателя.

Вы уже знакомы с электронными возможностями Fusion 360? Fusion 360 предлагает доступ к комплексным средствам проектирования электроники и печатных плат на одной платформе разработки продуктов в облаке. Попробуйте сами сегодня.

Улучшено Плотность тока и контактное сопротивление в Двухслойные полевые транзисторы MoSe2 от AlOx Capping

Abstract

Атомно тонкие полупроводники представляют интерес для электроники будущего приложений, и большое внимание было уделено монослою (1L) сульфиды, такие как MoS 2 , выращенные методом химического осаждения из паровой фазы (CVD).Однако отчеты об электрических свойствах выращенных методом CVD селенидов, в частности MoSe 2 , мало. Мы тут сравните электрические свойства 1L и двухслойного (2L) MoSe 2 , выращенного методом CVD и закрытого субстехиометрическим AlO x . Каналы 2L демонстрируют в ~ 20 раз меньшее контактное сопротивление ( R C ) и ∼30 × большая плотность тока по сравнению с каналами 1L. R C дополнительно уменьшается более чем в 5 раз за счет покрытия из AlO x , что позволяет улучшить ток транзистора плотность.В целом, 2L AlO x -закрытые MoSe 2 транзисторов (с длиной канала ~ 500 нм) достигают улучшенная плотность тока (∼65 мкА / мкм при В DS = 4 В), хорошее I на / I от соотношение> 10 6 , и an R C ∼60 кОм · мкм. В более слабая производительность устройств 1L связана с их чувствительностью к обработке и эмбиент. Наши результаты показывают, что 2L (или несколько слоев) предпочтительнее. до 1 л для улучшения электронных свойств в приложениях, которые не требуется прямая запрещенная зона, что является ключевым открытием для будущих двумерных электроника.

Ключевые слова: диселенид молибдена, монослой, бислой, контактное сопротивление, полевой транзистор, оксидное покрытие, легирование, двумерные полупроводники

1. Введение

Снижение контактного сопротивления и поиск допирования, совместимого с промышленностью методы — две основные проблемы при изготовлении электронных устройства на основе двухмерных (2D) материалов. 1-3 Эти проблемы тесно взаимосвязаны, поскольку более высокая концентрация легирования может снизить Контактное сопротивление.Фазовая инженерия контактов, 4 наплавка металла в сверхвысоком вакууме, 5-7 перенос металла контакты на 2D-материалы, 6,8,9 и краевые контакты 10-12 были предложены в качестве средств опускания контакта сопротивление. Показано осаждение субстехиометрических оксидов. для электронного легирования и снижения контактного сопротивления в MoS 2 монослоев (1Ls), 13,14 с дальнейшим уменьшением на порядок чтобы эта технология стала конкурентоспособной. с кремниевыми устройствами. 15,16

Были большие усилия, вложенные в изготовление хороших 1л аппаратов. Межвузовский центр микроэлектроники 17 недавно сообщил о масштабировании пластин 300 мм 1 л. WS 2 полевых транзисторов (FET) с плотностью тока ∼10 мкА / мкм и подвижность несколько см 2 V –1 с –1 . Кроме того, Смит и другие. 18 показал низкую электрическую изменчивость в CVD-выращенных 1L MoS 2 , несмотря на наличие бислоев (2L) из-за небольшого смещения зоны проводимости 1L / 2L.Однако на сегодняшний день нет четких убедительных аргументов в пользу использования полупроводников 1L, в отличие от 2L, трехслойного (3L) или нескольких слоев (FL) для оптимизации поведение устройства. Естественно, что каналы транзисторов объемом 1 л обладают лучшими электростатическими характеристиками. контроль; тем не менее, устройства FL могут достичь лучшего контактного сопротивления. и мобильность и больше тока. 19−22 Причем испарение металлические контакты могут повредить верхний слой целевого материала. 23 Торцевые контакты 10-12 могут быть значительно улучшены в устройствах FL благодаря большей площади поперечного сечения впрыска заряда.Ясно поэтому, что было бы интересно исследовать устройства 2L (или FL), поскольку их преимущества по сравнению с 1L устройства могут быть ключом к достижению желаемого порядка величины улучшение контактного сопротивления и плотности тока при сохранении превосходная электростатика.

MoSe 2 потенциально хороший кандидат на малую мощность электронные приложения с прямой электронной (оптической) запрещенной зоной ∼2 эВ (∼1,5 эВ) в 1L и ∼1,1 эВ косвенно запрещенная зона в основной массе. 24-29 Кроме того, его амбиполярное поведение в сочетании с относительно высокими подвижности электронов и дырок (200 и 150 см 2 V –1 с –1 соответственно в многослойных пленках) 19,30–33 перспективен для КМОП приложений. Тем не менее, MoSe 2 остается относительно малоизученный в сообществе устройств, 34 вероятно из-за более сложного роста больших площадей качественные материалы по сравнению с MoS 2 и WS 2 . 19,35−37 Однако Li et al. 19 недавно продемонстрировали контролируемое количество слоев (1L и FL) синтез кристаллического MoSe на большой площади 2 , дальнейшее продвижение возможности дебатов 1L против FL. Следовательно, сравнивая электрические свойства FL и 1L MoSe 2 становится актуальным и необходимым для этой цели. оптимизации устройства и является центральным элементом нашего исследования.

В данной работе мы сравниваем электрические характеристики CVD-выращенных 1L против 2L MoSe 2 полевых транзисторов.Мы используем Раман карты спектроскопии для определения количества слоев (1L или 2L) транзистора каналы и применить отжиг AlO x и N 2 для пассивации и электронного легирования обоих типов устройств. Наши устройства 2L с крышкой AlO x достигают рекордно высокого уровня. плотность тока для атомарно тонкого MoSe 2 ∼65 мкА / мкм, с I на / I с > 10 6 и R C ∼60 кОм · мкм. 30,34,38-40 Эти результаты представляют ∼20 × улучшение R C и ∼30 × увеличенная плотность тока по сравнению с нашими (AlO x -ограниченный) 1L устройствами. Эффект легирования AlO x хорошо согласуется с ранее сообщенными данные для 1L и FL MoS 2 и ReS 2 инкапсуляция. 14,41 Наши результаты показывают, что следует уделять больше внимания исследованиям для исследования каналов синтетических FL (вероятно, 2L или 3L) и контакты для будущей 2D электроники.

2. Результаты и Обсуждение

2.1. Характеристика материалов и Структура устройства

показывает оптическое изображение нашего 1L MoSe 2 , принципиальная схема изготовленного прибора, спектры комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции (ФЛ) MoSe 2 1 л с покрытием из AlO и без него x . Пленка MoSe 2 была нанесена на подложки SiO 2 / Si методом химического осаждения из паровой фазы, более подробную информацию о процессе можно найти в разделе S1. Оптическое изображение в a состоит в основном из 1L MoSe 2 треугольников размером ∼10–20 мкм, хотя также присутствуют 2L участков (∼1–2 мкм).К оценить электрические свойства 1L и 2L MoSe 2 , мы изготовили полевые транзисторы на SiO 2 ( t ox = 90 нм) на подложках Si p ++ , которые служат задними затворами. Принципиальная схема готового полевого транзистора емкостью 1 л показана на рисунке b. Мы закрыли устройства с субстехиометрическим оксидом алюминия ∼20 нм (AlO x ) путем осаждения атомного слоя (ALD) для инкапсуляции и электронное легирование. 14,41 Детали изготовления для устройств MoSe 2 и AlO x укупорочных приведено в разделе «Методы».

Характеристика материалов и устройство устройства. (а) Оптическое изображение CVD-выращенных 1 л MoSe 2 . Оранжевый цвет — это голая Подложка SiO 2 / Si, а зеленые треугольники — 1 л MoSe 2 на подложках SiO 2 / Si. Присутствуют некоторые 2L и FL в центрах зародышеобразования. (б) Схема полевого транзистора MoSe 2 . (покрытый ∼20 нм AlO x ) с Au электроды истока / стока на t ox = 90 нм SiO 2 с подложкой Si p ++ , которая служит глобальные задние ворота.(в) Рамановские спектры 1L MoSe 2 перед (оранжевый) и после (синий) AlO x укупорка. Синее смещение (∼1.15 см –1 ) и уширение в Наблюдаются комбинационная мода A 1 , что указывает на индуцированное электронное легирование. (d) Измерение PL MoSe 2 до и после укупорки AlO x . 1L MoSe 2 показывает сильный пик при 1,52 эВ с высокой интенсивностью, отображая прямой оптический диапазон зазор 1л MoSe 2 .После кэпирования AlO x наблюдается уменьшение интенсивности ФЛ и уширение на ∼25 мэВ наблюдается без изменения положения пика.

Мы используем спектроскопию комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции (532 нм) для определения оптических характеристик. из MoSe 2 с покрытием из AlO и без него x . Отображаются измеренные спектры комбинационного рассеяния света (оранжевый) и AlO x , закрытый (синий) 1L MoSe 2 . в с. Рамановский активный элемент A 1 мода (внеплоскостное колебание атомов Se) наблюдается при 240.2 см –1 для 1 л MoSe 2 , что соответствует предыдущие отчеты о MoSe 2 1L. 42-45 Отметим, что A 1 обозначение этого рамановского режим действителен для 1L и нечетного количества (нескольких) слоев, тогда как он с маркировкой A 1g для насыпного и четного количества слоев. 7,46,47 После закрытия 1L MoSe 2 AlO x , синий сдвиг ~ 1,15 см –1 и уширение в рамановской моде A 1 , демонстрируя сильную зависимость от допинга, как сообщалось ранее для 1Л МоС 2 . 48 Комнатная температура Спектр ФЛ 1L MoSe 2 без покрытия показывает сильный пик излучения. при 1,52 эВ с полной шириной на полувысоте (fwhm) ∼50 мэВ, как показано на d. Это объясняется оптической шириной запрещенной зоны 1L MoSe 2 в точке высокой симметрии K зоны Бриллюэна 38,44,49 (отметим, что электронная щель 1L MoSe 2 больше на ∼0.5 эВ, экситонная энергия связи 27,28 ). Однако после покрытия AlO x интенсивность ФЛ гасится и уширяется. (fwhm ∼ 75 мэВ), а положение пика остается постоянным.Это связано с созданием дефектных состояний и повышенной скорость рекомбинации в 1 л MoSe 2 из-за укупорки AlO x . 14

2.2. Раман Спектроскопия и оптическая микроскопия Характеристики 1L и 2L MoSe

2 устройств

a, b показывает рамановское спектральное сравнение 1L и 2L MoSe 2 . Различие между номерами слоев видно по характеристике ∼1 см –1 красное смещение от пика A 1 в 1L MoSe 2 до пик A 1g в 2L MoSe 2 24,50 и дополнительно подтверждается пиком B 2g 1 , который присутствует только для 2L MoSe 2 . 24,36,43 c показывает оптическое изображение несколько полевых транзисторов, изготовленных на одном листе MoSe 2 , и d перекрывает рамановское отображение на основе спектров 1L, 2L, Au и Si поверх c. e сравнивает разные спектры используется для отображения комбинационного рассеяния. c — отчетливо показаны изготовленные полевые транзисторы на основе каналов 1L и 2L, которые можно использовать для сравнения их электрических характеристик.

Рамановский 1 л и 2 л спектры и схемы комбинационного рассеяния каналов транзисторов. а) Наложенные спектры комбинационного рассеяния 1L и 2L MoSe 2 , показывающие красный сдвиг ∼1 см –1 от A 1 в 1L к режиму A 1g в 2L.Низкая интенсивность B 2g 1 Рамановский режим присутствует только для 2L MoSe 2 . (b) Увеличенный B 2g 1 Рамановский режим для 1L и 2L MoSe 2 , показывает отсутствие пика для 1 л MoSe 2 , тогда как наблюдается четкий пик для 2L MoSe 2 . (c) Оптическое изображение 1L и 2L каналов транзистора MoSe 2 с выделенной областью, использованной для отображения комбинационного рассеяния. (г) Рамановская карта интенсивности 1L и 2L каналов транзистора MoSe 2 (синий и красный) с золотым электродом (желтый) и подложками SiO 2 / Si (бирюза).(e) Сравнение спектров комбинационного рассеяния света, которые соответствуют Au, Si, 1L и 2L MoSe 2 каналов, показанных на (г). Интенсивности на рисунках (а), (б) и (д) нормированы на Si пик.

2.3. Электрические Характеристики 1L и 2L MoSe

2 полевых транзистора и AlO x Покрытие

Анализируем электрические характеристики голых 1L и 2L MoSe 2 полевых транзисторов и влияние покрытия из AlO x по работоспособности изготовленных устройств.Отмечается, что количество отчетов об электрических свойствах MoSe 2 ограничено; в основном, опубликованные исследования сосредоточены на многослойных полевых транзисторах 30,31,33,39 или 1L 19,38,40 MoSe 2 FET. Мало внимания было уделено электрическим характеристикам. 2L MoSe 2 полевых транзисторов. 19

сравнивает линейная и логарифмическая (логарифмическая) шкала передаточных характеристик постоянного тока с двойной разверткой 1 л (оранжевый) и 2 л (черный) MoSe 2 полевых транзисторов, измеренных в воздухе при В DS = 1 В.Обратите внимание, что все измерения I V , представленные в этой работе, были выполняется при комнатной температуре с прямой и обратной развертками. В голый 1L MoSe 2 FET демонстрирует типичное поведение n-FET с ток стока ( I D ) ∼0,6 нА / мкм при положительном напряжении затвора ( В GS ) = 40 В, а коэффициент двухпозиционного тока ( I на / I off ) составляет ∼10 2 . Такой низкая производительность согласуется с предыдущими отчетами. 36,40 2L MoSe 2 FET демонстрирует амбиполярное поведение, I D ∼6,5 нА / мкм при В GS = 40 В с I на / I от из ∼10 3 и I D ∼0,1 нА / мкм при V GS = -40 V. Li et al. наблюдал подобный транспорт поведение устройств 2L MoSe 2 . 19 Неограниченные 1L и 2L MoSe 2 полевые транзисторы не показали улучшений по плотности тока после отжига в N 2 при окружающей среде при 250 ° C в течение 30 мин.

Электрические характеристики 1L и 2L MoSe 2 полевых транзисторов. (а) Передаточные характеристики 1L и 2L MoSe 2 полевых транзисторов при В DS = 1 В, измеренные в воздухе. Типичное поведение n-FET наблюдается для 1L MoSe 2 , тогда как амбиполярное поведение наблюдается для 2L MoSe 2 с доминантой I D при положительном V GS . (б) Передача характеристики 2L MoSe 2 FET с (синий) и без (черный) AlO x заглушка.Увеличение I на , более высокое I на / I от (∼10 5 ) и уменьшенный гистерезис соблюдаются для закрытых устройств. (в) Дырка и (г) электронный ток Выходные характеристики полевого транзистора 2L MoSe 2 с укупоркой из AlO x .

Затем на устройства был нанесен колпачок из AlO x для улучшения их электрических характеристик. На рисунке S1 сравниваются передаточные характеристики 1L. MoSe 2 FET до и после AlO x укупорки, демонстрируя менее значительное изменение I на / I от и I D с некоторым гистерезисом.b показывает передаточные характеристики незащищенного и AlO x -закрытые 2L MoSe 2 устройства , наблюдается значительное улучшение амбиполярных характеристик. Устройства 2L с крышкой показывают улучшенный I на / I от ∼10 5 , отрицательный сдвиг порогового напряжения ( В Т ) на ∼ −2,1 V через 90 нм SiO 2 диэлектрик затвора и полевой эффект подвижность (μ FE ) ∼2 см 2 V –1 с –1 (по сравнению с ∼0.3 см 2 V –1 с –1 для без крышки устройств). Повышенный I D и более низкий гистерезис с AlO x укупорка соответствует те из AlO x -инкапсулированных MoS 2 устройств, описанных в литературе. 14,41,51

c, d показывает выходные характеристики дырочного и электронного тока 2L MoSe 2 полевых транзисторов после укупорки AlO x . Нелинейный выходная характеристика наблюдается из-за наличия Шоттки барьер на контактах истока и стока. 52-55 I D увеличивается с увеличением положительного и отрицательного V GS от 10 до 40 В, что также подтверждает амбиполярность характеристики устройства. Замечено, что производительность значительно улучшается после укупорки AlO x , что связано с удалением непреднамеренных адсорбентов в канал транзистора, благодаря пассивации оксидным покрытием. 41

2.4. Высокопроизводительный AlO

x -Легированный 2L MoSe 2 полевых транзисторов

После укупорки AlO x выполняется отжиг в N 2 при температуре окружающей среды 200 ° C в течение 40 мин.a сравнивает передаточные характеристики принадлежащий AlO x -закрытый 2L MoSe 2 FET перед (синий) и после (красный) отжиг N 2 . Отрицательный сдвиг V T на ∼ −7,5 В наблюдается после отжиг, указывающий на повышенную концентрацию электронов. Оба электронные и дырочные токи увеличиваются с подвижностью электронов μ FE ∼4 см 2 V –1 с –1 . Ток включения увеличивается более чем на ∼25%, с улучшенным I на / I от ∼10 6 .На рисунке S1 сравниваются передаточные характеристики. 1L MoSe 2 FET до и после отжига N 2 , демонстрируя аналогичные тенденции для V T , хотя I на / I off не существенно изменится. Высокое I на / I от отношение после N 2 отжиг может частично объясняется улучшением в I D , которое, вероятно, стало возможным благодаря контактам Au / 2L с более низким сопротивлением по сравнению с Au / 1L MoSe 2 из-за более низкого барьера Шоттки высота и уменьшенное повреждение поверхности от контактного испарения. 21,22,56

AlO x легирование и улучшенная производительность 2L MoSe 2 . (а) Сравнение переноса (линейного и логарифмического шкала) характеристики до (синий) и после (красный) N 2 отжиг. Увеличение I на , улучшенное I на / I от соотношение > 10 6 , и наблюдается сдвиг порогового напряжения Δ В T = -7,5 В, что указывает на индуцированное электронное легирование.(б) Передаточные и (в) выходные характеристики 2L MoSe 2 полевого транзистора после отжига N 2 при 200 ° C в течение 40 мин., длиной 500 нм. Кривая передачи показывает пиковую плотность тока ~ 65 мкА / мкм. при В DS = 4 В, а кривая выхода показывает линейный I D V DS отношение.

Поскольку устройства были измеряется в воздухе, роль AlO x укупорка двоякий: он пассивирует атомарно тонкий канал из окружающей воздушной среды, и это также может увеличить количество электронов плотность.Эффекты укупорки AlO x и отжиг на наших устройствах MoSe 2 можно объяснить аналогичным аналогично недавним отчетам о полевых транзисторах MoS 2 и ReS 2 . 14,41 На основе внутренних измерений фотоэмиссии 1L MoSe 2 , 57 его выравнивание полосы с AlO x допускает электронное легирование, а именно, минимумы его зоны проводимости лежат ниже дефектов донорного типа в AlO x . 41

b показывает передаточные характеристики AlO x 2L MoSe 2 FET (длина канала L = 500 нм) после отжига N 2 , достижение пикового тока плотность ∼65 мкА / мкм при В DS = 4 В с I на / I с из> 10 6 . Это устройство показывает хорошие представление с наилучшей плотностью тока для атомарно тонкого (здесь 2L) полевого транзистора на основе MoSe 2 , о котором сообщалось на сегодняшний день, без ухудшения I при соотношении / I от . 19,31,33,34,40 Сопоставимые характеристики были достигнуты в 2L MoSe 2 Ли и др., 19 , хотя количественное сравнение затруднено, поскольку ширина канала была не вполне определен. Выходная характеристика того же устройства показано в c, где В GS изменяется от 10 до 60 В с минимальный гистерезис. Улучшенное контактное сопротивление и уменьшенное Шоттки барьер приводит к омическому поведению L = 500 нм канал при большом положительном смещении затвора.Далее мы покажем, что улучшенный плотность тока в 2L по сравнению с 1L MoSe 2 устройств хорошо коррелирует со снижением контактного сопротивления.

2.5. MoSe

2 Контактное сопротивление

Используем передачу метод длины (TLM) и Y -функция метод извлечения R C наших AlO x -закрытых 1L и 2L MoSe 2 полевых транзисторов, до и после отжига N 2 . Для измерений TLM, мы включили короткие каналы ∼100 нм для точной оценки из R C . 5 a показывает извлечение из R C из измерения TLM для 1 л MoSe 2 полевых транзисторов, где символы обозначают экспериментальные данные, а линии представляют линейную аппроксимацию. Плотность носителей оценивается из линейная зависимость заряда от напряжения перегрузки затвора определяется выражением n C ox ( V GS V T ) / q , где C ox ≈ 38,4 нФ / см 2 — емкость оксида для 90 нм SiO 2 , q — элементарный заряд, В GS — напряжение затвора, а В T — пороговое значение напряжение, определяемое методом линейной экстраполяции для каждого канала длина.

MoSe 2 контактное сопротивление. (a) R TOT и длина канала ( L ) для экстракции R C и R sh до (синий) и после (красный) N 2 отжиг для AlO x с крышкой 1 л MoSe 2 . А значительное уменьшение R C и R sh наблюдается при отжиге N 2 при 200 ° С в течение 40 мин; символы — экспериментальные данные, а линии линейные аппроксимации экспериментальных данных.(b) R C против V GS из метода функции Y для 2L MoSe 2 FET длиной 500 нм. Из В режиме сильного накопления мы извлекаем R C ∼60 кОм · мкм для 2L MoSe 2 при В DS = 1 В и В GS > 35 В.

Получены удовлетворительные линейные посадки для измеренного полного сопротивления (нормализовано по ширине) R TOT по сравнению с длиной канала L для нашего AlO x MoSe с крышкой 2 до и после отжига N 2 , означает относительно однородные свойства в массиве TLM.Перехват линейной посадки дает 2 R C , а наклон дает сопротивление листа ( R sh ). Извлекаем R C = 8 ± 2 МОм · мкм при 300 K для n ≈ 3,3 × 10 12 см –2 (с погрешностью, отражающей 96% -ную достоверность интервалы) для AlO x -легированный 1L MoSe 2 (синий). Важно отметить, что R C уменьшен до 1,2 ± 0,4 МОм · мкм при 300 К для n ≈ 5.5 × 10 12 см –2 с доверительный интервал 98% после обработки отжигом N 2 (красный). Стоимость R sh составляет ∼42 МОм / □ для AlO x -ограниченный 1L MoSe 2 , и оно уменьшается до ~ 14 МОм / □ после отжига N 2 . Это первая характеристика контакта сопротивление в 1L MoSe 2, и в этот момент существенное улучшение R C необходимо для удовлетворения требования для практического применения.Похоже, что отжиг в инертной окружающей среде ( например, , N 2 ) после AlO x укупорка является важным шагом в восстановлении из R C в 1L 2D полупроводниках; похожий наблюдение было зарегистрировано в AlO x -легированный MoS 2 устройств. 14

Для 2L MoSe 2 устройств, массивы TLM отсутствовали, и поэтому мы использовали метод функции Y 58,59 , чтобы оценить их R C .Подробная информация о функциональном фитинге Y приведена в разделе S3. Экстракция функции Y для AlO x 2L MoSe 2 FET после отжига N 2 ( L = 500 нм и W = 1,5 мкм) показывает V Т из ∼18 V (прямая развертка) и μ 0 ∼3 см 2 V –1 с –1 (Рисунок S2). b отображает экстракцию R C с использованием метода функции Y при В DS = 1 В.Пунктирная (черная) линия представляет среднее значение R C ∼60 кОм · мкм для В GS > 35 В. Следует отметить, что R C , вычисленное на основе функции Y 18,58 является верхней границей, а истинное значение R C может быть ниже. Наши результаты показывают, что устройства 2L MoSe 2 достигают в ~ 20 раз лучшего контактного сопротивления. по сравнению с 1L, что подчеркивает необходимость оптимизации количества слоев в полупроводниковых приборах от 1L до FL 2D.

В заключение, мы Обратите внимание, что отжиг при 350 ° C в инертном ambient был выполнен для проверки стабильности устройств MoSe 2 к конечной температуре обработки линии. 1л аппараты улучшены при отжиге (раздел S5), а 2L устройства не могли быть протестированы из-за ограниченного количества устройств (которые до этого претерпели электрический пробой во время измерений. заключительный этап отжига). Эти результаты предполагают, что хотя селениды менее устойчивы на воздухе по сравнению с сульфидами, надлежащая инкапсуляция может обеспечить достаточную защиту.

4. Методы

4.1. MoSe

2 Изготовление полевых транзисторов

MoSe 2 было осажден на 90 нм термически выращенного SiO 2 на подложках Si (p ++ ) (<5 мОм · см) с использованием процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD) (Раздел S1). Электронно-лучевая литография (EBL) используется для определения электроды, площадь канала и контактные площадки (100 мкм × 100 мкм) в три отдельных шага. Электроды из металла Au с длиной волны 50 нм. осажденные электронно-лучевым испарением в высоком вакууме (∼5.8 × 10 –8 Торр) без адгезионного слоя для достижения чистого контактного интерфейса. Использовалась плазма O 2 . реактивное ионное травление (давление = 20 мТорр и поток O 2 20 sccm) в течение 30 секунд, чтобы сформировать четко определенные каналы. Кроме того, контактные площадки Ti (15 нм) / Au (50 нм) осаждаются электронным лучом метод испарения в условиях вакуума ∼9 × 10 –7 Торр с последующим отрывом в ацетоне и очисткой IPA.

4.2. AlO

x Укупорка и Отжиг

Перед AlO x укупорка, затравочный слой металлического Al толщиной ∼1.5 нм (осаждение скорость ∼0,5 Å / с) напыляли на устройства MoSe 2 методом электронно-лучевого испарения. Затравочный слой Al окисляется под воздействием на воздухе и служит зародышевым слоем для AlO x . Далее отжиг проводился в атмосфере формовочного газа (ФГ). при 250 ° C в течение 30 мин. AlO x (20 нм) был нанесен методом ALD с использованием триметилалюминия (ТМА) и воды (H 2 O) в качестве предшественников при 150 ° C. До роста ALD, мы провели осаждение 10 нм Al 2 O 3 для пассивации камеры и провел шесть циклов стирки ТМА.AlO x покрывает всю структуру транзистора, как область контактов, так и области каналов, как схематично показано на b. После осаждения AlO x проводят отжиг в атмосфере N 2 . при 200 ° C в течение 40 мин для дальнейшего улучшения характеристик устройства.

4.3. Характеристика

Образец MoSe 2 топография впервые была охарактеризована с помощью оптической микроскопии (Zeiss Axiotron). Рамановская и ФЛ спектроскопия проводилась с использованием прибор Horiba LabRam Revolution HR с лазером 532 нм, 1800 Решетка 1 / мм и объектив с большим рабочим расстоянием 50 ×, в то время как Положение пика Si при 520 см –1 использовалось в качестве стандарта. пиковая ссылка.Раман отображение было выполнено с прибор WITec alpha300 R с лазером 532 нм, решеткой 1800 г / мм, Объектив с 50-кратным увеличением и программное обеспечение WITec Suite FIVE для анализа. Раман и спектры ФЛ использовались для характеристики толщины, однородности, и качество материала образцов MoSe 2 . Все электрические характеристики были выполнены с помощью Keysight B1500. анализатор параметров полупроводников при комнатной температуре на воздухе.

Полупроводниковый прибор | электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники.(При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке 1 показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), которые связаны с некоторыми важными материалами каждого из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 −18 до 10 −10 сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 4 до 10 6 сименс на сантиметр.Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями.

Проводимость полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление менее 0,01 процента примеси конкретного типа может увеличить электрическую проводимость полупроводника на четыре или более порядков ( то есть в 10000 раз). Диапазоны проводимости полупроводников за счет примесных атомов для пяти распространенных полупроводников приведены на рисунке 1.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. За прошедшие годы было исследовано множество полупроводников. В таблице показана часть периодической таблицы, относящаяся к полупроводникам. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и серое олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI. Однако существует множество сложных полупроводников, состоящих из двух или более элементов.Например, арсенид галлия (GaAs) представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Часть периодической таблицы элементов, относящихся к полупроводникам
период столбец
II III IV V VI
2 бор
B
углерод
C
азот
N
3 магний
мг
алюминий
Al
кремний
Si
фосфор
P
сера
S
4 цинк
Zn
галлий
Ga
германий
Ge
мышьяк
As
селен
Se
5 кадмий
Cd
индий
В
олово
Sn
сурьма
Сб
теллур
Te
6 ртуть
Hg
свинец
Pb

Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок, как, например, теллурид ртути и индия (HgIn 2 Te 4 ), соединение II-III-VI.Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al x Ga 1 — x As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, фактически вытеснив германий в качестве материала для производства полупроводников.Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства имеют гораздо более низкие токи утечки и (2) высококачественный диоксид кремния (SiO 2 ), который является изолятором, легко производить. Кремниевая технология в настоящее время является самой передовой среди всех полупроводниковых технологий, а устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.

Многие сложные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими в кремнии.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы — т.е. атомы расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное представление кристалла собственного кремния, который очень чистый и содержит пренебрежимо малое количество примесей. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями.Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.

При низких температурах электроны связаны в своих соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. Разрыв связи дает свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот недостаток может быть восполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению местоположения недостатка с одного сайта на другой. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, названная дыркой, несет положительный заряд и движется под действием приложенного электрического поля в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Для изолированного атома электроны атома могут иметь только дискретные уровни энергии.Когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда отсутствует тепловая вибрация (, т.е. при низкой температуре), электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая более высокая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной.Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в полупроводнике не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1,42 эВ.

Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрывают некоторые связи. Когда связь разрывается, свободный электрон вместе со свободной дыркой дает то есть электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставляя дырку в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне получают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от количества носителей заряда (, т.е. свободных электронов и свободных дырок) в единице объема и от скорости, с которой эти носители перемещаются под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и свободных дырок.Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью, то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см 2 / В · с) — то есть , то есть, электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поле в один вольт на сантиметр — при подвижности дырок 500 см 2 / В · с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или с увеличением концентрации примесей.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, такими как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который «дарится» зоне проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же на рисунке 2C показано, что, когда атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон «принимается» для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и в атоме бора создается положительно заряженная дырка. валентная полоса. Это полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

Полевые транзисторы — Основы — Полупроводниковые технологии от А до Я

1.Подложка

Основой n-канального полевого транзистора является кремниевая подложка, легированная p-примесью (бором).

2. Окисление

Поверх подложки за счет термического окисления создается тонкий слой диоксида кремния SiO 2 (оксид затвора). Он используется для изоляции позже нанесенного затвора и подложки.

3. Депонирование

В процессе LPCVD наносится нитрид, который позже используется в качестве маскировки во время полевого окисления.

4. Фотолитография

Поверх нитрида наматывают, экспонируют и проявляют фоторезист. Таким образом образуется структурированный слой покрытия, который служит маской для травления.

5. Офорт

Только на участках, свободных от резиста, нитрид удаляют реактивным ионным травлением.

6. Сопротивление удалению

После этого резистная маска удаляется в растворе влажного химического проявителя.

7. Окисление

Во время полевого окисления нитрид служит маскирующим слоем, термическое влажное окисление происходит только на оксиде без покрытия.Выращенный полевой оксид используется для боковой изоляции соседних устройств.

8. Офорт

После окисления нитрид удаляется в процессе влажного химического травления.

9. Депонирование

Посредством CVD низкого давления осаждается поликристаллический кремний, который представляет собой электрод затвора.

10. Фотолитография

Снова нанесен узор на слой фоторезиста поверх поликремния.

11. Офорт

Фоторезист, в свою очередь, служит маскирующим слоем, с помощью реактивного ионного травления затвор формируется.

12. Сопротивление удалению

Резист удаляется методом влажного химического травления.

13. Окисление

Тонкий оксид (постоксид) наносится в качестве изолирующего слоя для электрода затвора, а также в качестве прокладки для последующей имплантации истока и стока.

14. Ионная имплантация

Путем ионной имплантации с фосфором вводятся области истока и стока (n-тип). Поскольку электрод затвора действует как маска во время имплантации, ширина n-канала между истоком и стоком задается заранее.Это называется «самовыравнивание».

15. Окисление

В качестве изоляции осаждается неметалл (например, оксид). Это происходит в процессе LPCVD с TEOS, который обеспечивает хорошее покрытие этапов.

16. Фотолитография и травление

На следующем этапе структурируется слой резиста, а края контактных отверстий закругляются в процессе изотропного травления.

17. Офорт

Затем контактные отверстия открываются в процессе сильно анизотропного травления.

18. Металлизация

Контактные отверстия заполнены алюминием напылением.

19. Фотолитография

На заключительном этапе литографии формируется новая маска резиста.

20. Офорт

Рисунок переносится на нижележащую металлизацию в процессе анизотропного сухого травления.

21. Удаление сопротивления

Наконец, резистор удаляется, и остаются алюминиевые проводники для срабатывания транзистора.

Фактическая конструкция транзистора намного сложнее, поскольку для точной регулировки порогового напряжения необходимы дополнительные слои планаризации для фотолитографии или вторичный сток и имплантация истока. На откосах электродов затвора могут быть сформированы дополнительные распорки (боковые стенки) для установки точной длины канала или точной настройки профиля легирования соответственно.

Что такое полевые транзисторы и какова их роль в конструкции микрофона? — Мой новый микрофон

При просмотре каталогов конденсаторных микрофонов довольно часто можно встретить термины FET или твердотельные, используемые для описания микрофона.Многие конденсаторы, представленные сегодня на рынке, имеют в своей конструкции полевые или полевые транзисторы.

Что такое полевые транзисторы и какова их роль в конструкции микрофона? полевые транзисторы (полевые транзисторы) представляют собой активные электрические устройства, которые используют электрическое поле от микрофонного капсюля для управления потоком тока, который в конечном итоге является микрофонным сигналом. Полевые транзисторы принимают сигнал с высоким импедансом от микрофонных капсюлей и выдают полезный и пропорциональный сигнал с низким импедансом.

В этой статье мы более подробно опишем микрофонные полевые транзисторы и обсудим микрофоны, для которых они необходимы, а также микрофоны, для которых они не нужны.


Что такое полевой транзистор?

Полевой транзистор (FET) — это тип транзистора, который использует электрическое поле для управления протеканием тока. Проще говоря, полевой транзистор использует входной сигнал для модуляции выходного сигнала.

Давайте вернемся немного назад и опишем, что такое транзистор, прежде чем углубляться в полевые транзисторы.

Транзистор — это активное полупроводниковое устройство, которое используется для усиления (псевдоусиления) или переключения электрических сигналов и электроэнергии.

Во многих случаях транзисторы используются для включения / выключения и необходимы для двоичной цифровой обработки (единицы и нули). Так обстоит дело со многими цифровыми аудиоустройствами. В случае аналоговых микрофонов на полевых транзисторах транзистор преобразует импеданс сигнала и усиливает сигнал (хотя это не настоящее усиление).

Чтобы узнать больше о микрофонах и их роли в аналоговом и цифровом аудио, прочтите мою статью «Микрофоны аналоговые или цифровые устройства?» (Конструкция микрофонного выхода).

Транзисторы состоят из полупроводникового материала (обычно кремния) с как минимум тремя выводами, которые подключаются к внешней цепи.

Подача напряжения или тока на одну пару выводов транзистора будет управлять током через другую пару выводов. Таким образом, мы можем взять «входной» сигнал на одной паре клемм и использовать его для модуляции «выходного» сигнала с большим напряжением и / или меньшим импедансом (псевдоусиление).

Микрофоны, в которых используются полевые транзисторы, обычно используют полевые транзисторы JFET или полевые транзисторы с переходным затвором.

JFET, возможно, является самой простой конструкцией полевого транзистора и выполняет описанную выше задачу. Его «входной» сигнал (напряжение между затвором и истоком) модулирует пропорциональный «выходной» сигнал (напряжение между стоком и истоком). Таким образом, с помощью полевого транзистора мы можем взять сигнал низкого уровня на входе и превратить его в сигнал высокого уровня на выходе.

Вход и выход полевого транзистора называются клеммами. Каждый JFET имеет 3 терминала, которые называются:

Вот простая схема полевого транзистора с соединением-затвором микрофона:

Когда мы прикладываем напряжение между затвором и истоком (некоторые называют это входом) полевого транзистора, транзистор изменяет проводимость между стоком и истоком.При правильном напряжении смещения постоянного тока мы получаем выходное напряжение между стоком и истоком, которое пропорционально входному сигналу на затворе / истоке.

Таким образом, в основном выходной сигнал капсулы с высоким импедансом поступает на выводы затвора и истока и эффективно модулирует сигнал с более низким импедансом (а часто и более высоким напряжением) между выводами стока и истока.


Для чего используются полевые транзисторы в микрофонах?

Полевые транзисторы

используются в основном как преобразователи импеданса в конденсаторных микрофонах.

Капсюль конденсаторного микрофона работает как преобразователь, преобразуя звуковые волны (энергию механических волн) в звуковые сигналы (электрическую энергию). Электрические аудиосигналы (напряжение переменного тока) на выходах конденсаторного капсюля имеют невероятно высокое сопротивление и почти не пропускают ток.

Для получения дополнительной информации о микрофонных капсюлях ознакомьтесь с моей статьей Что такое микрофонный капсюль? (Плюс топ-3 самых популярных капсул).

Здесь вступает в игру полевой транзистор, преобразующий импеданс.

Полевые транзисторы

по своей конструкции имеют чрезвычайно высокий входной импеданс на затворе. Однако сопротивление на стоке намного ниже и фактически позволяет току течь.

Таким образом, выходной сигнал капсулы отправляется непосредственно на затвор полевого транзистора. Этот сигнал переменного тока изменяет проводимость между выводами стока и истока и, следовательно, изменяет ток на стоке и, в конечном итоге, «выходное» напряжение полевого транзистора.

Другими словами, полевой транзистор принимает на вход сигнал с высоким импедансом и использует его для модуляции сигнала с низким импедансом на выходе.Этот выходной сигнал затем может проходить через остальную схему микрофона; микрофонный выход и через микрофонный кабель к микрофонному предусилителю.

Вот простая схема конденсаторного микрофона на полевых транзисторах:

Как видно из этой простой схемы, для работы полевого транзистора требуется некоторое напряжение смещения постоянного тока от источника питания.

Обратите внимание, что капсулы «настоящих» конденсаторов также требуют внешнего питания для поляризации.

Полевой транзистор принимает сигнал с высоким импедансом от капсюля и понижает импеданс до приемлемого уровня, прежде чем сигнал будет отправлен на выход микрофона.

В большинстве случаев, включая микрофоны, роль полевого транзистора раньше выполняли электронные лампы. Транзисторы обычно намного меньше; требуют меньшего количества энергии для работы (фантомное питание или смещение постоянного тока, а не выделенные источники питания) и менее затратны в производстве и внедрении.

Чтобы узнать больше о правильном питании микрофонов, ознакомьтесь со следующими статьями «Мой новый микрофон»:
• Требуется ли питание для микрофонов для правильной работы?
• Требуется ли фантомное питание для правильной работы микрофонов?
• Может ли фантомное питание повредить мой ленточный микрофон?

Хотя есть различия в звучании полевых транзисторов и электронных ламп (аудиофилы определенно возразят), в настоящее время микрофоны на полевых транзисторах и ламповые микрофоны могут производиться с одинаковыми стандартами качества.

Также важно отметить, что полевые транзисторы стали стандартом для конденсаторных микрофонов. Я имею в виду, что если у конденсаторного микрофона есть трубка, он будет называться «ламповый конденсатор», тогда как конденсатор на полевых транзисторах обычно будет называться просто «конденсаторный микрофон». То есть, если только префикс «FET» не отличает микрофон от ламповой версии того же микрофона.

Чтобы подробнее узнать о различиях между ламповыми и ламповыми микрофонами, ознакомьтесь с моей статьей В чем разница между ламповыми и ламповыми микрофонами?


Какие микрофоны не требуют полевых транзисторов?

Не для всех микрофонов требуются полевые транзисторы.Фактически, полевые транзисторы действительно используются только в определенных конструкциях конденсаторных микрофонов, а иногда и в активных ленточных микрофонах.

Давайте посмотрим на типы микрофонов, для которых не требуются полевые транзисторы.

Пассивные микрофоны

полевых транзисторов — активные устройства. Для правильной работы им требуется смещение постоянного тока. Таким образом, пассивные микрофоны, по простому определению пассивности, не имеют полевых транзисторов в своей конструкции. Давайте посмотрим на типы динамических и ленточных микрофонов, оба из которых работают на принципах пассивной электрической энергии.

Динамические микрофоны

Динамические микрофоны с подвижной катушкой работают на электромагнитной индукции и не требуют каких-либо активных компонентов.

Их выходные сигналы капсулы (картриджа) имеют низкий импеданс и могут быть отправлены непосредственно на выходное соединение микрофона (хотя часто они сначала отправляются через выходной трансформатор).

Чтобы узнать больше о динамических микрофонах с подвижной катушкой, пожалуйста, прочтите мою статью Динамические микрофоны с подвижной катушкой: подробное руководство.

Ленточные микрофоны

Ленточные микрофоны

также преобразуют звук в звук с помощью электромагнитной индукции.

Их «капсулы» (известные как ленточные элементы или перегородки) выводят сигналы с низким импедансом, которые не требуют полевого транзистора с преобразованием импеданса. Ленточные микрофоны разработаны с трансформаторами, чтобы защитить их хрупкие ленточные диафрагмы от короткого замыкания постоянного напряжения.

Для получения дополнительной информации о трансформаторах микрофонов, ознакомьтесь со следующими статьями «Мой новый микрофон»:
• Что такое трансформаторы микрофонов и какова их роль?
• Все ли микрофоны имеют трансформаторы и транзисторы? (+ Примеры микрофонов)

Активные ленточные микрофоны потенциально могут иметь в своей конструкции полевые транзисторы.Эти конструкции будут иметь повышающие трансформаторы с высоким коэффициентом передачи между ленточной перегородкой и полевым транзистором для повышения относительно низкого напряжения на выходе ленты.

Эти повышающие трансформаторы также увеличивают импеданс сигналов, поэтому полевые транзисторы иногда полезны для понижения импеданса до пригодных для использования уровней без снижения мощности сигнала.

Чтобы узнать больше о ленточных микрофонах, прочитайте мою статью «Динамические ленточные микрофоны: подробное руководство».

Ламповые микрофоны

Электронные лампы по существу выполняют ту же роль, что и полевые транзисторы в микрофонах. То есть они преобразуют импеданс сигналов капсулы с высоким импедансом и действуют как псевдоусилители.

Давайте быстро взглянем на схему триодной вакуумной лампы (простейшей лампы для микрофона) и перечислим ее компоненты:

  • H — нагреватель
  • K — катод
  • A — анод
  • G — сетка

Источник питания нагревает нагреватель, который затем вызывает устойчивый поток электронов (электрический ток) от отрицательно заряженный катод к положительно заряженному аноду.Это похоже на ток, протекающий между выводами истока и стока полевого транзистора.

Выход высокоомного капсюля подключен к высокоомной сетке (входу) триодной вакуумной лампы. Напряжение переменного тока на сетке трубки модулирует поток электронов между катодом и анодом. Другими словами, входной сигнал с высоким импедансом в сети управляет сигналом с низким импедансом (и часто более высоким напряжением) на выходе лампы. Это несколько аналогично клемме затвора полевого транзистора.

Таким образом, хотя лампы сильно отличаются от транзисторов, их можно рассматривать как аналог полевых транзисторов следующим образом:

  • Нагреватель = цепь смещения постоянного тока
  • Катод = клемма истока
  • Анод = клемма стока
  • Сеть = клемма затвора

Фактически, ранние конденсаторные микрофоны требовали вакуумных ламп для преобразования сигналов с высоким сопротивлением от их капсул. Транзистор был изобретен только в 1947 году, а FET / JFET дебютировал в коммерческой микрофонной технологии только в 1964 году.

Чтобы узнать больше об истории микрофонов и технологических достижениях, сделавших возможными современные микрофоны, ознакомьтесь с моей статьей История микрофонов: кто и когда изобрел каждый тип микрофона?


Что такое микрофонный капсюль? Микрофонный капсюль — это часть, отвечающая за преобразование звуковых волн в микрофонные сигналы. Капсулы всегда имеют диафрагму (и) и корпус для этих диафрагм. Капсула в целом действует как преобразователь микрофона, превращая звук в звук.

Что измеряет микрофон? Микрофон по существу измеряет колебания звукового давления на своей диафрагме в диапазоне слышимых частот. Поскольку звуковые волны вызывают переменное давление вокруг диафрагмы микрофона, микрофон производит совпадающий электрический звуковой сигнал.

Для получения дополнительной информации о микрофонах, звуке и звуке ознакомьтесь с моей статьей «Что и как измеряют микрофоны?»

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.