ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Нелинейные элементы из "Основы современного электрохимического анализа" Существуют пассивные нелинейные элементы, например полупроводниковые диоды, и активные элементы, например транзисторы, которые по существу преобразуют энергию источника постоянного (питающего) напряжения в энергию получаемых с их помощью сигналов различной формы. [c.28] В зависимости от используемых физических явлений и веществ различают электровакуумные, газоразрядные, электрохимические и полупроводниковые нелинейные элементы электронных схем. Такие элементы, выполненные в виде отдельной конструкции, часто называют электронными приборами. Полупроводниковые элементы составляют основную элементную базу современной электроники, тем более микроэлектроники. [c.28] В нелинейных полупроводниковых элементах обычно используются свойства /7-и-перехода, образующегося между двумя областями легированного полупроводника с электронной (и) и дырочной (р) проводимостью. Переходы металл-полупроводник, обладающие односторонней проводимостью (переход Шоттки), также используются для создания нелинейных элементов. Если же такие переходы имеют достаточно высокую двустороннюю проводимость, они повсеместно используются в качестве внешних контактов полупроводниковых элементов. [c.28] Из этой зависимости следует, что при и = О ток / = 0. При положительном (прямом) и ток быстро растет, а при обратном напряжении стремится к весьма малому постоянному значению -тепловому (обратному) току /о (при Г О /о 0). [c.28] Базовый монокристаллический полупроводник (Ое, 81 или ОаАз) с определенным типом проводимости, в котором тем или иным способом (сплавлением, диффузией, ионным легированием и др.) образована область с другим типом проводимости, вместе с двумя внешними контактами образует полупроводниковый диод с вольт-амперной характеристикой типа (1.37). Соответственно кристалл с двумя /7-и-переходами и тремя внешними выводами (эмиттер, база, коллектор) образует биполярный транзистор. [c.28] Другим типичным режимом работы транзисторов является импульсный (ключевой) режим, когда требуется получить скачки тока или напряжения от минимального до максимального значения. В этом режиме, за исключением моментов скачка (переключения), транзистор находится в одном из двух устойчивых состояний - в закрытом состоянии, характеризуемым практически нулевым выходным током /к (точнее, тепловым током /о коллекторного р-п-перехода) и максимальным напряжением Е, либо в открытом (насыщенном) состоянии с максимумом тока /к и минимумом напряжения (точка А). Такой режим работы широко используется в генераторах импульсных напряжений, в цифровых логических и запоминающих устройствах ЭВМ, в электронных переключателях. [c.30] Кроме биполярных транзисторов существуют и находят применение полевые (униполярные) транзисторы (рис. 1.5, в). В таких транзисторах управляемый ток через канал между стоком (с) и истоком (и) создается носителями заряда только одного типа (электронами или дырками), а управление током осуществляется электрическим полем, создаваемым управляющим напряжением между затвором (з) и истоком (п - подложка). [c.30] Существуют три основных вида полевых транзисторов, различающихся способом управления проводимостью канала. В транзисторах с управляемым р- -переходом (рис. 1.5, а) на слаболегированной полупроводниковой монокристаллической подложке исток, канал и сток образованы областью проводимости -типа. В средней части этой области между истоком и стоком создается область с противоположным типом проводимости и высокой концентрацией примеси (р -область). Под образовавшимся / - -переходом находится канал -типа. Для функционирования транзистора к затвору относительно истока прикладывается управляющее напряжение (рис. 1.4, в), смещающее р - -переход в обратном направлении (при канале -типа СЛ 0). Напряжение сток-исток [/с, создающее ток через канал, должно обеспечивать обратное смещение всего р - -перехода ([/ О для -канала). При этом обедненный носителями тока и выполняющий роль изоляционного слоя р - -переход располагается в основном в области канала, поскольку толщина перехода с каждой стороны от границы раздела р - и -областей обратно пропорциональна концентрации в них примесей. В то же время толщина перехода, а значит, и проводимость канала, и ток через него зависят от величины С/,. Так происходит эффективное управление током стока с, протекающего через канал, с помощью малых изменений напряжения на затворе. Поскольку / - -переход остается закрытым, входное сопротивление между затвором и истоком полевого транзистора в отличие от биполярного, оказывается весьма большим (10 ... 10 Ом). [c.30] Еще большее входное сопротивление порядка. Ом (на постоянном токе и на низких частотах) имеют полевые транзисторы с изолированным затвором - с индуцированным или встроенным каналом (рис. 1.5, б и в). В таких полупроводниковых приборах, называемых МДП анзисторами, используется структура металл-диэлектрик-полупроводник, в которой металлическая контактная площадка затвора отделена от полупроводниковой пластины тонким слоем диэлектрика. Поскольку чаще всего в качестве полупроводникового материала применяется кремний, а диэлектриком является оксид кремния 8102, МДП-транзисторы называют еще МОП-транзисторами. [c.31] При разомкнутой цепи затвора или при напряжении затвор-исток и,= О между истоком и стоком расположены два встречно включенных р-п-перехода, один из которых находится под обратным напряжением при любой полярности напряжения сток-исток Не. При этом ток стока /с практически равен нулю, т.е. канал отсутствует. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом является нормально закрытым прибором. [c.32] Если к затвору относительно истока приложить напряжение fЛ, противоположное по знаку основным носителям полупроводника под затвором ( 7, 0), то в поверхностном слое под диэлектриком будет индуцироваться заряд носителей тока того же типа, что и основные носители в данной области полупроводника (на рис. 1.5, б - дырки). Это приводит к увеличению поверхностной концентрации основных носителей, т.е. к обогащению ими поверхностного подзатворного слоя. При этом один из р-п-переходов, а следовательно, и транзистор остаются закрытыми. При подаче малого и, другой полярности ( 7з 0) в поверхностном слое под затвором индуцируется сравнительно небольшой заряд неосновных носителей тока (электронов) для данной области полупроводника, а основные носители частично смещаются в глубь полупроводника. В итоге их поверхностная концентрация уменьшается, но остается большей, чем у неосновных носителей. В этом случае происходит обеднение поверхностного слоя основными носителями. Транзистор по-прежнему остается закрытым. При значениях 7,, больших некоторого порогового значения ( Щ 1С ор1), поверхностная концентрация неосновных носителей становится больше концентрации ионов примеси (акцепторов). По этой причине поверхностный слой приобретает инверсное состояние - его тип проводимости становится противоположным проводимости остальной части подложки. Следовательно, между истоком и стоком индуцируется поверхностный канал и транзистор открывается. Чем больше 1 7,1 превышает 7пор1, тем больше ток стока / с- При этом напряжение затвора управляет током стока. [c.32] Как и в транзисторах с управляемым / - -переходом, в МДП-транзисторах напряжение на стоке относительно истока Ос должно иметь полярность, обеспечивающую обратное смещение р- -пере-хода между стоком и подложкой (Ц 0). [c.33] Принцип работы полевых транзисторов с / -каналом аналогичен принципу действия транзисторов с -каналом, если поменять местами р- и -области, а также сменить полярность напряжений и направление токов. [c.33] Все сказанное о линейном (усилительном) и импульсном (ключевом) режимах работы биполярных транзисторов относится и к полевым транзисторам, за исключением того, что управление выходным током полевого транзистора осуществляется не входным током, а входным напряжением ввиду весьма большого входного сопротивления. Это обстоятельство (Сказывается весьма важным при последовательном включении транзисторных схем, когда выход предыдущей транзисторной цепи подключается к входу следующей. При использовании полевых транзисторов легко обеспечивается условие, при котором входное сопротивление следующего транзисторного каскада оказывается больше выходного сопротивления предыдущего каскада. Данное условие устраняет нежелательное обратное влияние последующего каскада на предыдущий. Заметим, что на высоких частотах входное сопротивление полевых транзисторов уменьшается из-за неравной нулю емкости Сз , проводимость которой шСзи растет с увеличением частоты. По этой причине на частотах в сотни МГц входные сопротивления полевого и биполярного транзисторов становятся соизмеримыми. [c.33] Полевые транзисторы (как и биполярные) находят применение в различных аналоговых и цифровых схемах - как с дискретными элементами, так и в интегральных. В последних наиболее широко применяются МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Высокое входное сопротивление таких транзисторов является ценным качеством при создании электронных средств для потенциометрических измерений. На основе МДП-транзисторов созданы рН-метрические, ионоселективные и биосенсоры, используемые в биологии и медицине, а также для контроля за содержанием загрязнителей в объектах окружающей среды. В таких сенсорах затвор транзистора выполняет роль индикаторного электрода. [c.34] Вернуться к основной статье