Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.
За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).
Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.
Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, обладающие малыми нелинейными и динамическими искажениями.
37) МДП-транзисторы с индуцированным каналом
При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.
В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.
Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.
38)Очень часто полевые транзисторы, главным образом МДП-транзисторы,
применяются в качестве аналоговых ключей. В силу своих свойств, таких, как
малое сопротивление в проводящем состоянии, крайне высокое сопротивление
в состоянии отсечки, малые токи утечки и малая емкость, они являются идеаль-
ными ключами, управляемыми напряжением, для аналоговых сигналов. Иде-
альный аналоговый ключ ведет себя как механический выключатель: пропуска-
ет сигнал к нагрузке без ослаблений или нелинейных искажений
VT1 — это n-канальный МДП транзистор
с индуцированным каналом, не проводя-
щий ток при заземленном затворе или
при отрицательном напряжении затвора.
В этом состоянии сопротивление сток —
исток, как правило, больше 10000 МОм,
и сигнал не проходит через ключ. Подача
на затвор положительного управляющего
напряжения (больше UПОР) приводит ка-
нал сток — исток в проводящее состоя-
ние с типичным сопротивлением от 25 до
100 0м (Rвкл) для транзисторов, предна-
значенных для использования в качестве
аналоговых ключей. Схема не критична к
значению уровня сигнала на затворе, поскольку он существенно более положи-
телен, чем это необходимо для поддержания малого Rвкл, а потому его можно
задавать от логических схем; можно использовать выход ТТЛ для получения
уровней, соответствующих полному диапазону питания, с помощью внешнего
транзистора, или даже операционного усилителя (ОУ). Обратное смещение за-
твора при отрицательных значениях выхода ОУ будет давать дополнительное
преимущество — возможность переключать сигналы любой полярности. Заме-
тим, что аналоговый ключ такого типа — двунаправленное устройство, т. е. он
может пропускать сигнал в обе стороны.
Приведенная схема будет работать при положительных сигналах, не превы-
шающих (UУПР - UПОР); при более высоком уровне сигнала напряжение на за-
творе будет недостаточным, чтобы удержать транзистор в состоянии проводи-
мости (Rвкл начинает расти); отрицательные сигналы вызовут включение при
заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода канал —
подложка). Если нужно переключать сигналы обеих полярностей, то можно
применить такую же схему, но с затвором, управляемым двуполярным напря-
жением, при этом подложка должна быть подсоединена к отрицательному на-
пряжению.
Для любого ключа на полевом транзисторе важно обеспечить сопротивление
нагрузки в диапазоне от 10 до 100 кОм, чтобы предотвратить емкостное прохо-
ждение входного сигнала в состоянии «ВЫКЛ», которое имело бы место при
большем сопротивлении. Значение сопротивления нагрузки выбирается ком-
промиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет
ослабление выходного сигнала из-за делителя напряжения, образованного со-
противлением проводящего транзистора Rвкл и сопротивлением нагрузки. А
так как Rвкл меняется с изменением входного сигнала, то это ослабление при-
ведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивле-
ние нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая входной сигнал.
Привлекательной альтернативой является также применение еще одного ключа,
закорачивающего выход на землю, если транзистор, включающий сигнал, на-
ходится в состоянии «ВЫКЛ»: таким образом, формируется однополюсный
ключ на два направления.
Часто необходимо пере-
ключать сигналы, сравнимые
по величине с напряжением
питания. В этом случае опи-
санная выше простая схема ра-
ботать не будет, поскольку при
пиковом значении сигнала за-
твор не будет иметь достаточ-
ного смещения. Задача пере-
ключения таких сигналов ре-
шается применением переклю-
чателей на комплементарных
МДП-транзисторах (КМДП)
(рис. 12). При высоком уровне
управляющего сигнала VТ1
пропускает сигналы с уровня-
ми от земли до E П без нескольких вольт. VТ2 пропускает сигнал с уровнями от
E П до значения на несколько вольт выше уровня земли. Таким образом, все
сигналы в диапазоне от земли до E П проходят через схему, имеющую малое
сопротивление. Переключение управляющего сигнала на уровень земли запи-
рает оба транзистора, размыкая, таким образом, цепь. В результате получается
аналоговый переключатель для сигналов в диа-
пазоне от земли до E П. Это основа схемы КМДП
«передающего вентиля» 4066 (К561КТ3). Как и
описанные ранее ключи, эта схема работает в
двух направлениях — любой ее терминал может
служить входным.
Полевые транзисторы с управляющим p-n
переходом (рис. 13) можно использовать и как
аналоговые ключи, но нужна осторожность в от-
переходом Напряжение затвора должно быть сущест-
венно ниже потенциала земли для удержания ПТ
в состоянии отсечки. Это значит, что если напряжение сигнала становится от-
рицательным, то напряжение затвора должно удерживаться.
39) Принцип действия тиристора
Тиристор имеет два силовых контакта, пропускающих рабочий ток (катод и анод) и могут иметь управляющий электрод. Тиристор может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Эти состояния обладают существенно различным сопротивлением между силовыми электродами. В закрытом состоянии сопротивление велико и ток через тиристор не идёт. Открывается тиристор при достижении между силовыми электодами напряжения открывания или током на управляющем электроде. В открытом состоянии сопротивление тиристора резко падает и он проводит ток. Закрытие тиристора происходит при отключении тока или смене его знака.
Разновидности тиристоров
Функционально тиристоры различаются на обладающие односторонней и двусторонней проводимостью, и также имеющие управляющий электрод и не имеющие его.
динистор (диодный тиристор, диод Шокли) — тиристор с односторонней проводимостью без управляющего электрода;
тринистор (триодный тиристор или просто тиристор) — то же с управляющим электродом.
симистор — двунаправленный тиристор.
Тиристоры с односторонней проводимостью в обратном направлении всегда закрыты. В соответствии с направлением, к котором тиристор может пропускать ток, силовые электроды именуются катодом и анодом (отрицательный и положительный электроды соответственно). Тиристоры с двусторонней проводимостью (симисторы) могут пропускать ток в обоих направлениях, таким образом их возможно применять для управления переменным током.
Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) – симистор
Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.
40) 
Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению V G, подаваемому на первый p 1 -эмиттер тиристора.Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения V G падает на коллекторном переходе П 2, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П 1 и П 2 включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода.При достижении напряжения V G, называемого напряжением включения U вкл, или тока J, называемого током включения J вкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.
41) Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рисунке 7.4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению VG, подаваемому на первый p1-эмиттер тиристора.Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения VG падает на коллекторном переходе П2, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П1 и П2 включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода.При достижении напряжения VG, называемого напряжением включения Uвкл, или тока J, называемого током включения Jвкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.
Рис. 7.4. ВАХ тиристора:
VG - напряжение между анодом и катодом; Iу, Vу - минимальный удерживающий ток и напряжение; Iв, Vв - ток и напряжение включения
43)
44)
45) Конструкция МЭТ, широко используемых в цифровых ИМС транзисторно-транзисторной логики, приведена на рис. 2. Число эмиттеров может быть равным 5 - 8. МЭТ можно рассматривать как совокупность транзисторов с общими базами и коллекторами. При их конструировании необходимо учитывать следующие обстоятельства.
Рис. 2. Конструкция многоэмиттерного транзистора.
Для подавления действия паразитных горизонтальных n+-p-n+- транзисторов расcтояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей заряда в базовом слое. Если структура легирована золотом, то диффузионная длина не превышает 2 - 3 мкм и указанное расстояние достаточно сделать равным 10 - 15 мкм.
46)
47) Резисторы полупроводниковых интегральных микросхем представляют собой участки легированного полупроводника с двумя выводами. Сопротивление такого резистора зависит от удельного сопротивления полупроводника и геометрических размеров резисторов. Сопротивления резисторов обычно не превышают нескольких килоом. В качестве более высокоомных резисторов иногда используют входные сопротивления эмиттерных повторителей, которые могут достигать десятков и даже сотен килоом. Температурная стабильность таких резисторов удовлетворительна во всем рабочем диапазоне. Отклонение сопротивления резистора от номинального составляет ±20% и более.
53,54) При попадании электронного луча на точку p на люминофорном экране ЭЛТ, происходит вторичная эмиссия и участок люминофора в точке p обретает положительный заряд. Если луч отключается сразу, то благодаря электрическому сопротивлению люминофорного слоя, точка положительного заряда некоторое время (долю секунды) держится на экране. Однако если луч не отключается, а отклоняется в сторону от p, рисуя «тире» на экране трубки, то электроны, испущенные в процессе вторичной эмиссии под лучом, поглощаются люминофором в точке p, и точка p обретает нейтральный заряд. Таким образом, выделив на экране некое количество точек p1…pN, можно записать N битов информации (точка без заряда означает 1, точка с положительным зарядом — 0).
Для считывания информации, к внешней стороне экрана прикрепляется пластина с электродами. На точку p снова направляется электронный луч. Происходит вторичная эмиссия электронов и точка обретает положительный заряд независимо от того, какой заряд она имела до этого. Электрод на внешней стороне экрана позволяет измерить величину изменения заряда точки, то есть определить её изначальный заряд, и следовательно, значение данного бита. Процесс считывания уничтожает информацию, которая хранится в точке, следовательно после считывания каждого бита необходимо повторно записать значение бита на люминофор.
Люминофор быстро теряет заряд, поэтому необходимо регулярно считывать и перезаписывать записанную информацию (аналогично процессу регенерации в современной памяти DRAM).
