Часть 1

∙ Транзисторы с индуцированным (induce) каналом (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Полевые транзисторы с изолированным затвором

ииндуцированным каналом:

а– n-типа; б – p-типа; в и г – n- и p-типа с отдельным выводом от подложки;

д– со встроенным защитным диодом

Транзистор со встроенным каналом

Основой такого транзистора является кристалл кремния р- или n- типа проводимости (рис. 7.11). Наличие сильнолегированных областей под стоком и истоком предотвращает появление выпрямляющего контакта металл – полупроводник и уменьшает сопротивление канала.

Диэлектрик

Рис. 7.11. Структура полевого транзистора со встроенным каналом n-типа проводимости

Для транзистора с n-типом проводимости:

При Uзи = 0; Ic1 = среднее (начальное) значение;

Uзи > 0; Ic2 > Ic1 (до Iс max ); Uотс < U зи < 0; Ic3 < Ic1;

U зи ≤ Uотс; Ic4 ≈ 0.

Принцип действия

Под действием электрического поля между стоком и истоком через канал будут протекать основные носители зарядов, т.е. будет существовать ток стока. При подаче на затвор положительного напряжения электроны как неосновные носители подложки будут притягиваться в канал. Канал обогатится носителями заряда, и ток стока увеличится.

131

При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны из канала уходят в подложку, канал обедняется основными носителями зарядов и ток стока уменьшается. При достаточно больших напряжениях на затворе все носители заряда могут из канала уходить в подложку и ток стока станет равным нулю.

Вывод: МОП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения зарядов. Напряжение,

при котором происходит исчезновение канала и прекращение протекания тока между истоком и стоком, называют напряжением отсечки.

На рис. 7.12 приведены стокзатворные характеристики полевых транзисторов со встроенным каналом.

Рис. 7.12. Стокзатворные характеристики полевых транзисторов со встроенным каналом

Транзисторы с индуцированным каналом

При Uз = 0; Ic1 = 0; При Uз < 0; Ic2 = 0;

При Uпор > U з > 0; Ic3 = 0; При Uпор ≤ Uз ; I4 > 0.

Затвор Исток

Рис. 7.13. Структура полевого транзистора с индуцированным каналом: а – n-типа проводимости; б – изготовленного по V-технологии

132

При напряжениях на затворе, равных или меньше нуля, канал отсутствует и ток стока будет равен нулю. При положительных напряжениях на затворе электроны, как неосновные носители заряда подложки р-типа, будут притягиваться к затвору, а дырки будут отталкиваться в глубь подложки. В результате в тонком слое под затвором концентрация электронов превысит концентрацию дырок, т.е. в этом слое полупроводник поменяет тип своей проводимости (инверсия типа проводимости). Образуется (индуцируется) канал, и в цепи стока потечет ток, величина которого зависит от ширины канала, т.е. напряжения на затворе. Напряжение, при котором происходит образование канала под затвором, называется пороговым (Uпор).

На рис. 7.14 приведены стокзатворные характеристики полевых транзисторов с индуцированными каналами.

Рис 7.14. Стокзатворные характеристики полевых транзисторов с индуцированными каналами

Вывод: МОП-транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.

МОП-транзисторы обладают большим входным сопротивлением, чем транзисторы с управляемым переходом. Rвх. = (1013 … 1015) Ом.

В последнее время все чаще встречаются транзисторы, изготовленные по V-технологии. Затвор таких транзисторов по-прежнему изолирован от канала, а стоковый электрод контактирует одновременно и с подслоем n+, и р-областью подложки. В обычном включении (+ на сток, – на исток) он работает как обычный транзистор с индуцированным каналом, однако при смене полярности откроется p-n-переход и канал окажется зашунтированным сопротивлением открытого перехода. Такие транзисторы обладают повышенным пробивным напряжением сток – исток и используются в мощных высоковольтных ключевых схемах.

133

7.4.Полевые транзисторы для ИМС РПЗУ

Винтегральных микросхемах РПЗУ в виде ячейки для хранения 1 бита информации используются полевые транзисторы МНОП (MNOS) structure или МОП-транзисторы с плавающим затвором. Аббревиатура МНОП расшифровывается следующим образом: М – металл; Н – сплав

Si3N4; О – оксид металла; П – полупроводник.

Принцип действия этих транзисторов основан на том, что в сильных

электрических полях электроны могут проникать в диэлектрик на глубину до 1мкм.

МНОП-структура транзистора изображена на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Конструкция МНОП транзистора

Транзисторы структуры МНОП имеют двухслойный диэлектрик. Первый слой, толщиной менее 1мкм, – это окись кремния, второй слой,

достаточно долго (дни – месяцы). За счет этого заряда возникает электри- ческое поле, противодействующее полю затвора. Чтобы индуцировать канал в транзисторе, на затвор необходимо подавать большее напряжение, чтобы

134

преодолеть действие поля объемного заряда. Это соответствует сдвигу стокозатворной характеристики вправо по оси напряжений. При подаче на затвор импульса запроса (считывании) 5 В канал индуцироваться не будет, ток стока и ток в нагрузке отсутствуют, и на нагрузке будет уровень логического нуля.

Для стирания информации на затвор подают также напряжение 25 … 30 В, только отрицательной полярности.

Структура МНОП-транзисторов с плавающим затвором (floating

gate)

В слое окисла кремния создается область из алюминия или поликристаллического кремния на расстоянии менее 1 мкм от полупроводника

(рис. 7.17).

Принцип действия МОП-транзисторов с плавающим затвором точно такой же, как у транзисторов МНОП, только при программировании электроны скапливаются в плавающем затворе из алюминия или кремния. Стирание информации осуществляется ультрафиолетовым облучением. В процессе записи в некоторых структурах процесс перехода носителей заряда в плавающий затвор связан с лавинным эффектом (см. эффекты в полупроводниках). Такие транзисторы называют ЛИЗМОП (лавинно-инжекционные).

Рис. 7.17. Структура МНОП-транзисторов с плавающим затвором

7.5. Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор – трехэлектродный (четырехэлектродные – при наличии вывода от подложки) прибор. Один из его электродов всегда будет общим для входной и выходной частей электрической схемы. Название общего электрода определяет схему включения транзистора. На рис. 7.18 представлены три схемы включения: а – схема с общим затвором (ОЗ); б – схема с общим истоком (ОИ); в – схема с общим стоком (ОС).

Наиболее часто используется схема включения с ОИ. Входными и выходными напряжениями (токами) в схемах являются:

135

Наиболее распространенной является схема с общим истоком. Схема с общим стоком (истоковый повторитель (см. рис 7.18, г) по аналогии с эмиттерным повторителем на биполярном транзисторе) имеет ограниченное применение в схемах, где требуется согласование с сопротивлением нагрузки и совпадение фазы входного и выходного сигналов. Схема с общим затвором, имеющая низкое входное сопротивление rвх, из-за значительного значения входного тока, протекающего от выходного источника через канал (Uсз>>Uиз), редко используется в некоторых специальных схемах. В схемах с общим истоком и общим стоком входной ток равен нулю: Iвх = Iз ≈ 0 (обратный ток перехода). Поэтому мощность, потребляемая от источника входного сигнала для управления выходным током, ничтожно мала.

Предельные эксплуатационные параметры:

Uси max – напряжение сток – исток; Uзи max – напряжение затвор – ис-

ток; Uзс max – напряжение затвор – сток; Iс max – ток стока; Pс max – допустимая мощность рассеяния тепловых потерь.

Контрольные вопросы

1.Какая полярность прикладываемого напряжения недопустима между затвором и истоком транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа?

2.Как называются рабочие режимы работы каналов транзисторов различного типа?

3.В чем разница между пороговым и напряжением отсечки?

4.Какой из типов полевых транзисторов обладает максимальным входным сопротивлением?

5.Какой из типов полевых транзисторов допускает подачу разнополярного напряжения на затвор без дополнительного смещения?

6.Приведите стокозатворные характеристики полевых транзисторов разных типов и укажите, какие параметры по ним определяются.

7.Зачем под областями истока и стока транзисторов с изолированным затвором делают легированные области?

8.Объясните, что дает возможность использования отдельного вывода от подложки, например, при подключении к нему источник ЭДС? Докажите это экспериментально, например, в программе EWB.

9.Приведите английские названия и аббревиатуры областей и разновидностей полевых транзисторов.

10.Какая из схем включения полевых транзисторов наиболее распространена?

Список использованных литературных источников

1.Москатов, Е. А. Электронная техника / Е. А. Москатов. – Таган-

рог, 2004. – 121 с.

2.Галкин, В. И. Полупроводниковые приборы : справочник. – 2-е изд., перераб. и доп. / В. И. Галкин, А. Л. Булычев, В. Л. Прохоренко. – Минск : Беларусь, 1987. – 285 с.

3.Жеребцов, И. П. Основы электроники. – 5-е изд., перераб. и доп. / И. П. Жеребцов. – Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. – 352 с. : ил.

4.Ткаченко, Ф. А. Техническая электроника : учеб. пособие / Ф. А. Ткаченко. – Минск : Дизайн ПРО, 2000.

5.Kuphaldt, Tony R. Lessons In Electric Circuits. Volume III. Semicon-

ductors / Tony R. Kuphaldt. – Third Edition, last update August 23, 2002.

137

РАЗДЕЛ 5. БЕСКОНТАКТНЫЕ УСТРОЙСТВА КОММУТАЦИИ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Содержание раздела

Переключающие приборы

Устройство, принцип действия, ВАХ, разновидности тиристоров, диодные тиристоры, триодные тиристоры, симисторы, области применения. Параметры и система обозначения переключающих приборов, однопереходной (двухбазовый) транзистор, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), работа IGBT-транзистора, IGBT-модули, применение.

Оптоэлектронные приборы и устройства

Классификация элементов оптоэлектроники. Полупроводниковые источники оптического излучения. Электролюминесценция. Светодиоды, устройство, принцип работы, характеристики, параметры. Полупроводниковые приемники излучения: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Принцип работы, характеристики, параметры.

Фотоэлементы на ПЗС, устройство, принцип работы. Оптроны, их разновидности. Классификация, принцип действия, входные и выходные параметры оптопар.

Электронные индикаторные приборы

Физические эффекты, пригодные для создания индикаторов. Полупроводниковые, жидкокристаллические, газоразрядные, электролюминесцентные и другие индикаторы. Сравнение различных индикаторов и их применение.

Методические указания

Переключающие приборы [1, c. 214 – 220; 2, c. 113 – 120; 3, c. 100 – 106]

При изучении данного материала необходимо знать устройство и принцип действия динисторов, тиристоров, симисторов, применение и принцип работы однопереходных транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором, их характеристики и параметры, области применения.

Вопросы для самопроверки

1. Объясните работу динистора. Нарисуйте ВАХ.

2.Объясните механизм управления процессом переключения в тиристоре.

3. Назовите параметры тиристора.

138

4.Чем отличается механизм включения тиристора от механизма включения динистора?

5.Симистор, его устройство. Характеристики.

6.Система обозначения и маркировка переключающих приборов.

7.Устройство, ВАХ и УГО однопереходного транзистора.

8.Приведите структуру и расскажите о принципе работы IGBTтранзистора.

Приборы оптоэлектроники[1, c. 328 – 351; 2, c. 148 – 200, 3, c. 125 – 150]

Изучение этого материала необходимо начать с явлений внутреннего и внешнего фотоэффектов, которые лежат в основе работы всех фотоэлектрических приборов. После этого необходимо изучить принцип работы и параметры фоторезисторов, фотоэлементов, фотодиодов, фототранзисторов.

В последнее время широко начали применяться излучающие полупроводниковые приборы, использующие явления инжекционной электролюминесценции, – люминесцентные индикаторы и светодиоды. Сочетание фотоприемников и излучателей позволило создать новые приборы – оптроны. Необходимо знать устройство и принцип действия простейших разновидностей оптронов.

Вопросы для самопроверки

1.Назовите основные законы фотоэффекта.

2.На чем основан принцип действия фоторезистора?

3.Назовите параметры фоторезистора.

4.Чем определяется величина темнового тока у фоторезистора?

5.Для чего служит фотоэлемент и в каких областях науки и техники он применяется?

6.Чем отличается фотодиод от фотоэлемента?

7.Основные параметры фотодиода в фотодиодном и вентильном

режимах.

8.Устройство и принцип действия фототранзистора.

10.Характеристики фототранзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и плавающей базой.

11.Преимущества фототранзисторов по сравнению с фотодиодами.

12.Какие полупроводниковые приборы относятся к излучательным?

13.Объясните принцип работы светодиода.

14.Что такое оптрон?

15.Назовите простейшие разновидности оптронов. Характеристики и параметры простейших оптронов.

139

Рекомендуемая литература

1.Электронные приборы / А. Л. Булычев [и др.]. – М. : ЛайтЛтд, 2000. – 416 с. : ил.

2.Гусев, В. Г. Электроника : учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – М. : Высш.

шк., 1991. – 622 с. : ил.

3.Ткаченко, Ф. А. Техническая электроника : учеб. пособие / Ф. А. Ткаченко. – Минск : Дизайн ПРО, 2000. – 352 c. : ил.

Тема 8. Приборы бесконтактной коммутации: тиристоры, IGBT-транзисторы

Термины: тиристор, динистор, тринистор, симистор, триггер-

ный эффект, структура, парметры, запираемые и незапираемые тиристоры, однопереходной (двухбазовый) транзистор, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), работа IGBT-транзистора, IGBT-модули, применение.

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен), имеющие три или более p-n-переходов.

Тиристор по своему принципу – прибор ключевого действия. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а в выключенном – разомкнутому ключу. Те тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а имеют только два силовых электрода (анод и катод), называют неуправляемыми, или ди- одными тиристорами (динисторами). Если тиристоры имеют дополнительный (третий) управляющий электрод, то этот вид называют управляемыми тринисторами или просто тиристорами.

Динисторы – это диодные тиристоры, или неуправляемые переклю-

чательные диоды (four-layer [four-region] diode, diode-thyristor, dynistor, diode thyristor, two-terminal thyristor, Shokley diode).

Тринисторы (триодные тиристоры) – это управляемые переключа-

тельные диоды (triode-thyristor, controlled tyrystor, controlled rectifier).

Симисторы – это симметричные тиристоры, т.е. тиристоры с симметричной ВАХ. Различают управляемые (триаки) и неуправляемые (диаки) симисторы.

Область применения тиристоров, главным образом, – силовые коммутаторы в системах электропривода мощных установок, управление цепями освещения и автоматики. Отличительная особенность ключей на ти-

140