Понимание депелеционных IGFET: проектирование, работа и SPICE-анализ

Транзисторы с изолированным затвором (IGFET) — униполярные приборы, как и JFET: управляемый ток течет полностью в пределах одного типа полупроводника, поэтому никакой PN-переход не пересекается током.

Внутри прибора PN-переход существует исключительно для формирования непроводящей области обеднения, ограничивающей ток через канал. Сам переход никогда не переносит тока.

Схемный символ и физическая диаграмма

Ниже приведена схема депелеционного n-канального IGFET:

Обратите внимание, как выводы источника и стока присоединяются к любому концу n-канала, в то время как затвор соединяется с металлической пластиной, разделенной тонким изолирующим барьером — обычно диоксидом кремния, основным компонентом песка. Эта металл-оксид-полупроводник (MOS) конструкция является причиной, по которой многие IGFET также называют MOSFET, хотя «IGFET» лучше описывает весь класс изолированных-затворных приборов.

Современные IGFET обычно соединяют подложку с источником внутри, давая трехвыводной прибор. Схема ниже отражает эту распространенную конфигурацию:

Поскольку подложка и источник электрически общие, никакое напряжение не может быть приложено через внутренний PN-переход. Следовательно, область обеднения не может быть расширена или схлопнута как в JFET; вместо этого работа IGFET опирается на смещение этой области обеднения относительно затвора.

N-канальный IGFET

Приложение положительного напряжения к затвору относительно источника отталкивает область обеднения, расширяя n-типовой канал и увеличивая проводимость:

Изменение полярности наоборот привлекает область обеднения, сужая канал и снижая проводимость:

Изолированный затвор допускает любую полярность управляющего напряжения без риска прямого смещения внутреннего перехода — озабоченности, ограничивающей JFET. Хотя обозначенный как «депелеционный», прибор может быть либо обеднен (канал сужен), либо усилен (канал расширен) в зависимости от полярности затвор-источного напряжения.

Для предсказания эффекта сопоставьте легирование канала (n- или p-тип) со знаком напряжения источника. Для n-канального прибора положительный затвор и отрицательный источник усиливают канал, накапливая электроны на канальной стороне диэлектрика. Если полярности поменять местами, электроны удаляются из канала, обедняя его и снижая проводимость.

P-канальный IGFET

P-канальные приборы подчиняются тому же принципу, но требуемая полярность обратная. Следующие изображения иллюстрируют смещение:

При нулевом затвор-источном напряжении депелеционный IGFET проводит между источником и стоком, но не на полной мощности — в отличие от биполярных транзисторов, которые нормально закрыты, или JFET, которые нормально открыты. В действительности он ведет себя как полуоткрытое устройство.

Поскольку затвор изолирован, IGFET допускает затвор-источные напряжения любой полярности. PN-переход защищен, и прямое источно-подложечное соединение предотвращает любое напряженное различие через переход.

Удивительно, но проводимое поведение D-типа IGFET напоминает ранние электронные лампы, где напряжение на сетке могло либо подавлять, либо усиливать поток электронов между катодом и анодом.

SPICE-моделирование D-типа IGFET

Следующие SPICE-прогоны иллюстрируют токорегулирующую природу депелеционного IGFET.

Сначала, с завором, закоротованным на источник (0 В) и питанием, варьируемым от 0 до 50 В, стоковый ток стабилизируется на регулируемых 10 мкА на всем диапазоне:

n-channel igfet characteristic curve
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(vammeter)
.end 

Приложение отрицательного затворного напряжения –0,5 В при повторном варьировании питания снижает регулируемый стоковый ток до 2,5 мкА:

n-channel igfet characteristic curve
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(vammeter)
.end 

Наоборот, положительное затворное напряжение +0,5 В увеличивает ток до 22,5 мкА:

n-channel igfet characteristic curve
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(vammeter)
.end 

Эти результаты подтверждают нелинейную связь между затвор-источным напряжением и стоковым током, аналогичную наблюдаемой в JFET. Обедняющее напряжение около –1 В может захватить канал, снижая стоковый ток практически до нуля. Точное напряжение захвата варьируется с спецификациями каждого прибора.

Характеристическая кривая IGFET

Построение множества характеристических кривых для разных затворных напряжений дает картину, похожую на семейство кривых JFET:

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист по транзисторам с изолированным затвором