IGFET типа истощения

Полевые транзисторы с изолированным затвором являются униполярными устройствами, как и полевые транзисторы JFET:то есть, управляемый ток не должен пересекать PN-переход. Внутри транзистора есть PN-переход, но его единственная цель - обеспечить непроводящую область обеднения, которая используется для ограничения тока через канал.

Схематический символ и физическая диаграмма

Вот схема N-канального IGFET типа «истощение»:

Обратите внимание, как выводы истока и стока подключаются к любому концу канала N, и как вывод затвора прикрепляется к металлической пластине, отделенной от канала тонкой изолирующей перегородкой. Этот барьер иногда делают из диоксида кремния (основного химического соединения, содержащегося в песке), который является очень хорошим изолятором. Из-за этой конструкции металл (затвор) - оксид (барьер) - полупроводник (канал), IGFET иногда называют MOSFET. Однако существуют и другие типы конструкции IGFET, поэтому IGFET - лучший дескриптор для этого общего класса транзисторов.

Также обратите внимание на четыре соединения с IGFET. На практике вывод подложки напрямую подключается к выводу истока, чтобы сделать два электрически общими. Обычно это соединение выполняется внутри IGFET, что исключает отдельное соединение подложки, что приводит к трехконтактному устройству с немного другим схематическим обозначением:

Поскольку источник и подложка являются общими друг для друга, слои N и P IGFET в конечном итоге напрямую соединяются друг с другом через внешний провод. Это соединение предотвращает попадание любого напряжения на PN-переход. В результате между двумя материалами существует область истощения, но она никогда не может быть расширена или сжата. Работа JFET основана на расширении области истощения PN-перехода, но здесь, в IGFET, этого не может произойти, поэтому работа IGFET должна основываться на другом эффекте.

Действительно, когда между затвором и истоком подается управляющее напряжение, проводимость канала изменяется в результате того, что область обеднения перемещается ближе к затвору или дальше от него. Другими словами, эффективная ширина канала изменяется так же, как и в случае JFET, но это изменение ширины канала происходит из-за смещения области обеднения, а не расширения области истощения.

N-канальный IGFET

В N-канальном IGFET управляющее напряжение, приложенное положительным (+) к затвору и отрицательным (-) к источнику, имеет эффект отталкивания области обеднения PN-перехода, расширения канала N-типа и увеличения проводимости:

Изменение полярности управляющего напряжения имеет противоположный эффект, притягивая область истощения и сужая канал, следовательно, снижая проводимость канала:

Изолированный затвор позволяет управлять напряжением любой полярности без опасности прямого смещения перехода, как это было в случае с полевыми транзисторами. Этот тип IGFET, хотя он и называется «типом истощения», на самом деле имеет возможность истощать свой канал (сужать канал) или улучшать (расширять канал). Полярность входного напряжения определяет, в каком направлении будет влиять канал.

Понять, какая полярность какой эффект оказывает, не так сложно, как может показаться. Ключевым моментом является рассмотрение типа легирования полупроводников, используемого в канале (N-канал или P-канал?), А затем соотнесение этого типа легирования со стороной источника входного напряжения, подключенного к каналу с помощью вывода источника. Если IGFET является N-канальным, а входное напряжение подключено так, что положительная (+) сторона находится на затворе, а отрицательная (-) сторона - на источнике, канал будет усилен, поскольку дополнительные электроны будут накапливаться на затворе. канал со стороны диэлектрического барьера. Подумайте, «отрицательная (-) коррелирует с N-типом, таким образом улучшая канал с правильным типом носителя заряда (электронами) и делая его более проводящим». И наоборот, если входное напряжение подключено к N-канальному IGFET другим способом, так что отрицательный (-) подключается к затвору, а положительный (+) подключается к источнику, свободные электроны будут «отобраны» из канала, поскольку Конденсатор затворного канала заряжается, тем самым истощая канал основных носителей заряда и делая его менее проводящим.

P-канал IGFET

Для P-канальных IGFET полярность входного напряжения и эффекты канала подчиняются тому же правилу. Другими словами, требуется полярность, противоположная N-канальному IGFET, для истощения или увеличения:

Иллюстрируем правильную полярность смещения стандартными символами IGFET:

Когда между затвором и истоком приложено нулевое напряжение, IGFET будет проводить ток между истоком и стоком, но не такой большой, как если бы он был усилен правильным напряжением затвора. Это помещает IGFET обедненного типа или просто D-типа в отдельную категорию в мире транзисторов. Транзисторы с биполярным переходом обычно выключены:без тока базы они блокируют прохождение любого тока через коллектор. Полевые транзисторы с переходным эффектом обычно являются устройствами:с нулевым приложенным напряжением затвор-исток они допускают максимальный ток стока (на самом деле, вы можете коаксировать JFET-транзистор в большие токи стока, приложив очень небольшое прямое смещение между затвором и источника, но на практике этого никогда не следует делать из-за риска повреждения его хрупкого PN-перехода). Однако IGFET-транзисторы D-типа обычно представляют собой полупроводниковые устройства:при отсутствии напряжения затвор-исток их уровень проводимости находится где-то между отсечкой и полным насыщением. Кроме того, они выдерживают приложенное напряжение затвор-исток любой полярности, PN-переход невосприимчив к повреждению из-за изолирующего барьера и, в частности, прямого соединения между источником и подложкой, предотвращающим любую разность напряжений на переходе.

По иронии судьбы, поведение проводимости IGFET D-типа поразительно похоже на проводимость электронных ламп типа триод / тетрод / пентод. Эти устройства представляли собой регуляторы тока с регулируемым напряжением, которые также пропускали через них ток при подаче нулевого управляющего напряжения. Управляющее напряжение одной полярности (отрицательная сетка и положительный катод) уменьшило бы проводимость через трубку, в то время как напряжение другой полярности (положительная сетка и отрицательный катод) увеличило бы проводимость. Мне кажется любопытным, что один из изобретенных позже конструкций транзисторов демонстрирует те же основные свойства, что и самое первое активное (электронное) устройство.

Моделирование SPICE IGFET D-типа

Несколько анализов SPICE продемонстрируют поведение IGFET D-типа при регулировании тока. Во-первых, тест с нулевым входным напряжением (затвор закорочен на исток) и напряжением источника питания от 0 до 50 вольт. График показывает ток стока:

n-канальная характеристика igfet m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i (вамметр) .end

Как и ожидалось для любого транзистора, регулируемый ток остается стабильным на регулируемом значении в широком диапазоне напряжений источника питания. В данном случае регулируемая точка составляет 10 мкА (1.000E-05 А). Теперь давайте посмотрим, что происходит, когда мы прикладываем отрицательное напряжение к затвору (относительно источника) и изменяем напряжение источника питания в том же диапазоне от 0 до 50 вольт:

n-канальная характеристика igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0,5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i (вамметр) .end

Неудивительно, что ток стока теперь имеет более низкое значение 2,5 мкА (по сравнению с 10 мкА при нулевом входном напряжении). Теперь давайте подадим входное напряжение другой полярности, чтобы усилить IGFET:

n-канальная характеристика igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0,5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i (вамметр) .end

С транзистором, усиленным небольшим управляющим напряжением, ток стока теперь увеличился до 22,5 мкА (2,250E-05 А). Из этих трех наборов значений напряжения и тока должно быть очевидно, что зависимость тока стока от напряжения затвор-исток нелинейна, как и в случае с полевым транзистором. При напряжении истощения 1/2 В ток стока составляет 2,5 мкА; при входном напряжении 0 В ток стока достигает 10 мкА; а при 1/2 вольта повышающего напряжения ток составляет 22,5 мкА. Чтобы лучше понять эту нелинейность, мы можем использовать SPICE для построения графика тока стока в диапазоне значений входного напряжения, изменяясь от отрицательного (истощающего) значения до положительного (повышающего), поддерживая напряжение источника питания V1 на уровне постоянное значение:

n-канальный igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 .model mod1 nmos vto =-1 .dc vin -1 1 0,1 .plot dc i (вамметр) .end

Как и в случае с JFET-транзисторами, эта неотъемлемая нелинейность IGFET-транзисторов может вызвать искажения в цепи усилителя, поскольку входной сигнал не будет воспроизводиться на выходе со 100-процентной точностью. Также обратите внимание, что напряжение затвор-исток около 1 вольта в направлении истощения способно перекрыть канал, так что ток стока практически отсутствует. IGFET-транзисторы D-типа, как и JFET-транзисторы, имеют определенное номинальное напряжение отсечки. Этот рейтинг зависит от конкретной уникальности транзистора и может быть не таким, как в нашем моделировании здесь.

Характеристическая кривая IGFET

Построив набор характеристических кривых для IGFET, мы видим образец, похожий на образец JFET:

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист полевых транзисторов с изолированным затвором