Lehrbuch

Depletion-Typ IGFETs

Construction & Working of Enhancement-Type MOSFET (Part 1) (Januar 2019).

Anonim

Depletion-Typ IGFETs

Kapitel 6 - Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate


Insulated-Gate-Feldeffekttransistoren sind wie JFETs unipolare Bauelemente: Das heißt, der gesteuerte Strom muss keinen PN-Übergang kreuzen. Es gibt einen PN-Übergang innerhalb des Transistors, aber sein einziger Zweck besteht darin, diesen nichtleitenden Verarmungsbereich bereitzustellen, der verwendet wird, um Strom durch den Kanal zu begrenzen.

Hier ist ein Diagramm eines N-Kanal-IGFET vom Typ "Depletion":

Beachten Sie, wie die Source- und Drain-Anschlüsse mit jedem Ende des N-Kanals verbunden sind und wie die Gate-Leitung an einer Metallplatte befestigt ist, die durch eine dünne isolierende Barriere vom Kanal getrennt ist. Diese Barriere wird manchmal aus Siliziumdioxid (der chemischen Hauptverbindung, die in Sand gefunden wird) hergestellt, die ein sehr guter Isolator ist. Aufgrund dieses M etal (Gate) - Oxid (Barriere) - Halbleiter (Kanal) Aufbaus wird der IGFET manchmal als ein MOSFET bezeichnet. Es gibt jedoch andere Arten von IGFET-Konstruktionen, und daher ist "IGFET" der bessere Deskriptor für diese allgemeine Klasse von Transistoren.

Beachten Sie auch, wie vier Verbindungen zum IGFET bestehen. In der Praxis ist die Substratleitung direkt mit der Source- Leitung verbunden, um die beiden elektrisch gemeinsam zu machen. Normalerweise wird diese Verbindung intern zum IGFET hergestellt, wodurch die separate Substratverbindung entfällt, was zu einem Gerät mit drei Anschlüssen mit einem etwas anderen schematischen Symbol führt:

Wenn Source und Substrat einander gemeinsam sind, sind die N- und P-Schichten des IGFETs über den äußeren Draht direkt miteinander verbunden. Diese Verbindung verhindert, dass irgendeine Spannung an den PN-Übergang angelegt wird. Als Ergebnis existiert eine Verarmungsregion zwischen den zwei Materialien, aber sie kann niemals expandiert oder kollabiert werden. JFET-Betrieb basiert auf der Ausdehnung des Verarmungsbereichs des PN-Übergangs, aber hier im IGFET, was nicht passieren kann, muss der IGFET-Betrieb auf einem anderen Effekt basieren.

In der Tat ist es, wenn eine Steuerspannung zwischen dem Gate und der Source angelegt wird, die Leitfähigkeit des Kanals als ein Ergebnis davon, dass sich der Verarmungsbereich näher zu oder weiter weg von dem Gate bewegt . Mit anderen Worten, die effektive Breite des Kanals ändert sich genau wie beim JFET, aber diese Änderung der Kanalbreite ist eher auf die Verarmungsbereichsversetzung als auf die Verarmungsbereichsexpansion zurückzuführen.

In einem N-Kanal-IGFET hat eine Steuerspannung, die positiv (+) an das Gate und negativ (-) an die Source angelegt wird, die Abreicherungsregion des PN-Übergangs abzustoßen, den N-Typ-Kanal zu erweitern und die Leitfähigkeit zu erhöhen:

Das Umkehren der Polarität der Steuerspannung hat den gegenteiligen Effekt, indem sie die Verarmungszone anzieht und den Kanal verschmälert, wodurch die Kanalleitfähigkeit verringert wird:

Das isolierte Gate erlaubt das Steuern von Spannungen beliebiger Polarität, ohne dass die Gefahr besteht, dass eine Verbindung in Durchlassrichtung vorgespannt wird, wie dies bei JFETs der Fall war. Dieser Typ von IGFET, obwohl er als "Verarmungstyp" bezeichnet wird, hat tatsächlich die Fähigkeit, dass sein Kanal entweder verarmt (Kanal verengt) oder verstärkt (kanalexpandiert) ist. Die Polarität der Eingangsspannung bestimmt, auf welche Weise der Kanal beeinflusst wird.

Zu verstehen, welche Polarität welche Wirkung hat, ist nicht so schwierig, wie es scheinen mag. Der Schlüssel ist die Art der Halbleiterdotierung, die im Kanal verwendet wird (N-Kanal oder P-Kanal "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/03182.png">)

Veranschaulichen der richtigen Polarisation der Vorspannung mit Standard-IGFET-Symbolen:

Wenn zwischen Gate und Source eine Spannung von Null liegt, wird der IGFET Strom zwischen Source und Drain leiten, jedoch nicht so viel Strom, wie es der Fall wäre, wenn er durch die geeignete Gate-Spannung verstärkt würde. Dies bringt den IGFET vom Verarmungstyp oder einfach vom D-Typ in eine eigene Kategorie in der Transistorwelt. Bipolar-Junction-Transistoren sind normalerweise ausschaltbare Bauelemente: Ohne Basisstrom blockieren sie jeden Strom, der durch den Kollektor fließt. Sperrschicht-Feldeffekttransistoren sind normalerweise eingeschaltete Bauelemente: bei Null angelegter Gate-Source-Spannung ermöglichen sie einen maximalen Drain-Strom (tatsächlich können Sie einen JFET durch Anlegen einer sehr kleinen Durchlassspannung zwischen Gate und Gate zu größeren Drain-Strömen führen) Quelle, aber dies sollte nie in der Praxis für das Risiko der Beschädigung seiner fragilen PN-Kreuzung getan werden). D-Typ-IGFETs sind jedoch normalerweise Halb-Ein- Bauelemente: Ohne Gate-Source-Spannung liegt ihr Leitungspegel zwischen Cutoff und Vollsättigung. Außerdem werden sie angelegte Gate-Source-Spannungen beliebiger Polarität tolerieren, wobei der PN-Übergang vor einer Beschädigung aufgrund der isolierenden Barriere und insbesondere der direkten Verbindung zwischen Source und Substrat immun ist, die jegliche Spannungsdifferenz über die Verbindung verhindert.

Ironischerweise ist das Leitungsverhalten eines D-Typ-IGFETs auffallend ähnlich dem einer Elektronenröhre der Triode / Tetrode / Pentode-Varietät. Diese Vorrichtungen waren spannungsgesteuerte Stromregler, die ebenfalls einen Strom durch sie mit einer angelegten Nullsteuerspannung erlaubten. Eine Steuerspannung einer Polarität (negatives Gitter und Kathode positiv) würde die Leitfähigkeit durch die Röhre verringern, während eine Spannung der anderen Polarität (Gitter positiv und Kathode negativ) die Leitfähigkeit erhöhen würde. Ich finde es merkwürdig, dass eines der späteren Transistor-Designs die gleichen grundlegenden Eigenschaften des ersten aktiven (elektronischen) Geräts aufweist.

Einige SPICE-Analysen zeigen das stromregulierende Verhalten von D-IGFETs. Zuerst wurde ein Test mit einer Eingangsspannung von Null durchgeführt (das Gate wurde mit der Source kurzgeschlossen) und die Stromversorgung wurde von 0 bis 50 Volt gespült. Das Diagramm zeigt den Drain-Strom:

 N-Kanal-Igfet-Kennlinie 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 

Wie für jeden Transistor zu erwarten ist, hält der gesteuerte Strom über einen weiten Bereich von Versorgungsspannungen konstant bei einem geregelten Wert. In diesem Fall beträgt dieser geregelte Punkt 10 μA (1.000E-05). Jetzt sehen wir, was passiert, wenn wir eine negative Spannung an das Gate anlegen (bezogen auf die Source) und die Stromversorgung über den gleichen Bereich von 0 bis 50 Volt fegen:

 n-Kanal-igfet-Kennlinie 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 

Es ist nicht überraschend, dass der Drain-Strom nun auf einen niedrigeren Wert von 2, 5 & mgr; A (von 10 & mgr; A bei Null-Eingangsspannung) geregelt wird. Lassen Sie uns nun eine Eingangsspannung der anderen Polarität verwenden, um den IGFET zu verbessern :

 n-Kanal-igfet-Kennlinie 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 

Wenn der Transistor durch die kleine Steuerspannung verstärkt wird, hat der Drain-Strom nun einen erhöhten Wert von 22, 5 μA (2, 250E-05). Es sollte aus diesen drei Sätzen von Spannungs- und Stromfiguren ersichtlich sein, dass die Beziehung des Drain-Stroms zu der Gate-Source-Spannung nichtlinear ist, genau wie es bei dem JFET der Fall war. Bei 1/2 Volt Entladungsspannung beträgt der Drain-Strom 2, 5 μA; bei 0 Volt Eingang steigt der Drain-Strom auf 10 μA; und mit 1/2 Volt Verstärkungsspannung beträgt der Strom 22, 5 uA. Um ein besseres Verständnis dieser Nichtlinearität zu erhalten, können wir SPICE verwenden, um den Drain-Strom über einen Bereich von Eingangsspannungswerten zu plotten, wobei von einer negativen (verarmenden) Zahl zu einer positiven (verstärkenden) Figur übergegangen wird, wobei die Stromversorgungsspannung von V1 beibehalten wird auf einen konstanten Wert:

 n-Kanal 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 (vammeter) .end 

Genau wie bei JFETs hat diese inhärente Nichtlinearität des IGFET das Potential, eine Verzerrung in einer Verstärkerschaltung zu verursachen, da das Eingangssignal nicht mit 100 Prozent Genauigkeit am Ausgang reproduziert wird. Man beachte auch, dass eine Gate-Source-Spannung von etwa 1 Volt in der Abreicherungsrichtung den Kanal abklemmen kann, so dass praktisch kein Drain-Strom vorhanden ist. D-Typ-IGFETs haben wie JFETs eine bestimmte Abschnürspannung. Diese Bewertung variiert mit der genauen Eindeutigkeit des Transistors und ist möglicherweise nicht die gleiche wie in unserer Simulation hier.

Wenn wir einen Satz charakteristischer Kurven für den IGFET zeichnen, sehen wir ein Muster, das dem des JFET nicht unähnlich ist:

  • REZENSION: