はじめに
次に、電界効果トランジスタについて説明します。 名前だけですでに何を想定できますか？ まず、トランジスタであるため、出力電流を制御するために何らかの方法で使用できます。 第二に、彼らは3つの連絡先を持つことになっています。 そして第三に、彼らの仕事の基礎はpn接合です。 公式ソースは何を教えてくれますか？
電界効果トランジスタはアクティブ半導体デバイスと呼ばれ、通常3つの端子を持ち、出力電流は電界によって制御されます。 （electrono.ru）
この定義は、仮定を確認するだけでなく、電界効果トランジスタの特性も実証しました-出力電流は、印加電界を変更することによって制御されます。 電圧。 ただし、 バイポーラトランジスタの場合、思い出すように、ベースの入力電流が出力電流を制御します。
電界効果トランジスタに関する別の事実は、 ユニポーラという別の名前に注意を払うことで見つけることができます。 これは、1種類の電荷キャリア（電子または正孔）のみが電流フロープロセスに関与することを意味します。
電界効果トランジスタの3つの接点は、 ソース （電流キャリアソース）、 ゲート （制御電極）、およびドレイン （キャリアが流れる電極）と呼ばれます。 構造は単純で、バイポーラトランジスタデバイスに非常に似ているようです。 ただし、少なくとも2つの方法で実装できます。 したがって、 pn接合制御と絶縁ゲートを 備えた電界効果トランジスタがあります。
一般に、後者のアイデアは、バイポーラトランジスタの発明のずっと前の1920年代に登場しました。 しかし、技術のレベルは1960年にのみそれを実現しました。 50年代に最初に理論的に説明され、次に制御pn接合を持つ電界効果トランジスタが具体化されました。 また、バイポーラの「兄弟」と同様に、電界効果トランジスタは電子機器で依然として大きな役割を果たしています。
ユニポーラトランジスタの動作の物理学に関する話に移る前に、pn接合に関する知識を更新できるリンクを思い出したいと思います。
Pn接合電界効果トランジスタ
では、最初のタイプの電界効果トランジスタはどのように機能しますか？ デバイスは、導電性（たとえば）p型の半導体プレートに基づいています。 両端に電極があり、ソースからドレインに電流を流すための電圧を印加します。 このプレートの上部には、反対の導電型の領域があり、そこに第3の電極、つまりゲートが接続されています。 当然、ゲートとその下のp領域（ チャネル ）の間にpn接合が生じます。 また、n層はチャネルのかなり近くにあるため 、モバイル電荷キャリアが減少した遷移領域の大部分はp層にあります。 したがって、接合部に逆バイアス電圧を印加して閉じると、チャネル抵抗が大幅に増加し、ソースとドレイン間の電流が減少します。 したがって、トランジスタの出力電流は、ゲートの電圧（電界）によって制御されます。
次の類似性を描くことができます：pn接合は、ソースからドレインへの電荷キャリアの流れをブロックするダムです。 逆電圧を増減することで、ロックを開閉し、「給水」（出力電流）を調整します。
そのため、pn接合制御を備えた電界効果トランジスタの動作モードでは 、ゲート電圧はゼロ（チャネルが完全に開いている）またはその逆でなければなりません。
逆電圧の値が非常に大きくなり、ブロッキング層がチャネルを閉じると、トランジスタはカットオフモードになります 。
ゲート電圧がゼロの場合でも、ゲートとドレインの間には、ソース-ドレイン電圧に等しい逆電圧があります。 これが、pn接合がそのような不均一な形状をもち、ドレイン領域に広がる理由です。
言うまでもなく、n型チャネルとp型ゲートを持つトランジスタを作成できます。 彼の作品の本質は変わらないでしょう。
電界効果トランジスタの条件付きグラフィック画像を図に示します（ a -p型チャネル、 b -n型チャネル）。 ここの矢印は、p層からn層への方向を示しています。
制御pn接合を備えた電界効果トランジスタの静特性
動作モードでは、通常、ゲート電流が小さいか、一般にゼロに等しいため、電界効果トランジスタの入力特性の図は考慮しません。 週末または在庫にすぐに進みます。 ちなみに、一定の電圧がシャッターに印加されるため、静的と呼ばれます。 つまり 周波数モーメント、過渡などを考慮する必要はありません。
出力 （ drain ）は、一定のゲート-ソース電圧でのソース-ドレイン電圧に対するドレイン電流の依存性です。 図は左側のグラフです。
グラフ上で3つの領域を明確に識別できます。 それらの最初のものは、ドレイン電流の急激な増加のゾーンです。 これは、いわゆる「オーミック」領域です。 ソース-ドレインチャネルは抵抗のように動作し、その抵抗はトランジスタのゲートの電圧によって制御されます。
2番目のゾーンは飽和領域です。 ほぼ直線的な外観です。 ここで、チャネルはドレイン領域で重なり、ソース-ドレイン電圧がさらに増加すると増加します。 したがって、チャネル抵抗も増加し、ドレイン電流は非常に弱く変化します（ただし、オームの法則）。 ここでは、信号の非線形歪みが最も少なく、増幅に不可欠な低信号パラメータの最適値があるため、増幅技術で使用されるのはこのセクションです。 これらのパラメータには、急峻性、内部抵抗、ゲインが含まれます。 これらすべてのあいまいなフレーズの意味を以下に開示します。
グラフの3番目のゾーンはブレークダウン領域で 、その名前はそれ自身を表しています。
図の右側には、別の重要な依存関係のグラフが示されています - ドレイン-ゲート特性です。 ソースとドレイン間の一定電圧でのドレイン電流がゲート-ソース電圧にどのように依存するかを示しています。 そして、その急峻性は、電界効果トランジスタの主要なパラメータの1つです。
絶縁ゲート電界効果トランジスタ
このようなトランジスタは、MOS（金属-誘電体-半導体）-またはMOS（金属-酸化物-半導体）トランジスタ（Eng.metal-oxide-semiconductor電界効果トランジスタ、MOSFET）とも呼ばれます。 そのようなデバイスの場合、ゲートは誘電体の薄い層によってチャネルから分離されます。 彼らの仕事の物理的基盤は、横電界の影響下で誘電体との境界で半導体の表面層の導電率を変える効果です。
この種のトランジスタのデバイスは次のとおりです。 p導電性の半導体で作られた基板があり、n導電性の2つの高濃度ドープ領域（ソースとシンク）が作られています。 それらの間には、表面近くの狭いジャンパーがあり、その導電率もn型です。 プレートの表面のその上に、誘電体の薄い層があります（ほとんどの場合、二酸化ケイ素でできています-ちなみに、略称MOS）。 そしてすでにこの層の上にシャッターが配置されています-金属薄膜。 クリスタル自体は通常、ソースに接続されていますが、別々に接続されることもあります。
ゼロ電圧でソース-ドレイン電圧がゲートに印加されると、それらの間のチャネルに電流が流れます。 なぜクリスタルを通さないのですか？ pn遷移の1つが閉じられるためです。
次に、ソースに対して負の電圧をゲートに供給しましょう。 結果として生じる横方向の電界は、チャネルから基板に電子を「押し込む」でしょう。 したがって、チャネル抵抗が増加し、チャネルを流れる電流が減少します。 このモードでは、ゲートの電圧が増加すると出力電流が減少しますが、このモードは空乏モードと呼ばれます 。
ゲートに電圧を印加すると、電子が基板からチャネルに「入る」のに役立つ電界の出現に寄与し、トランジスタは濃縮モードで動作します 。 この場合、チャネル抵抗が低下し、それを通る電流が増加します。
上記の絶縁ゲートトランジスタの設計は、ソースドレイン電圧がゼロではないゲートで電流がゼロであっても、それらの間にいわゆる初期ドレイン電流が存在するという点で、pn接合制御の設計に似ています。 どちらの場合も、これは、この電流のチャネルがトランジスタ設計に組み込まれているという事実によるものです。 つまり、厳密に言えば、このようなMOSトランジスタのサブタイプを、統合チャネルを備えたトランジスタと見なしただけです。
ただし、絶縁ゲート電界効果トランジスタには別の種類があります- 誘導（逆）チャネルを備えたトランジスタです。 名前から、以前のものとの違いはすでに明らかです-特定の極性がゲートに適用されている場合にのみ、高濃度にドープされたドレイン領域とソース領域の間にチャネルがあります。
そのため、ソースとドレインにのみ電圧を印加します。 それらと基板との間のpn接合の1つが閉じているため、それらの間に電流は流れません。
ゲートに電圧を印加します（ソースに対して直接）。 結果として生じる電場は、電子を高ドープ領域からシャッターの方向に基板に「引き寄せ」ます。 そして、表面近くのゾーンでゲート電圧が特定の値に達すると、いわゆる導電型の反転が発生します。 つまり 電子濃度が正孔濃度を超え、ドレインとソースの間に薄いn型チャネルが現れます。 トランジスタは電流を伝導し始め、ゲートの電圧が強くなるほど高くなります。
この設計から、誘導チャネルを備えたトランジスタは、濃縮モードでのみ動作できることが明らかです。 そのため、スイッチングデバイスでよく見られます。
絶縁ゲートトランジスタの記号は次のとおりです。
ここに
a-統合されたn型チャネルを使用。
b-統合されたp型チャネル。
で -基板からの結論;
g -n型の誘導チャネルを使用。
d-誘導されたp型チャネルを使用。
e-素材からの出力。
MOSトランジスタの静特性
統合チャネルを備えたトランジスタのドレインおよびゲート-ゲート特性のファミリーを次の図に示します。
誘導チャネルを備えたトランジスタと同じ特性：
エキゾチックMIS構造
プレゼンテーションを混乱させないために、それらについて読むことができるリンクをアドバイスしたいだけです。 まず第一に、これはみんなのお気に入りのウィキペディア 、セクション「特別な目的のためのTIR構造」です。 そして、ここに理論と公式があります： 固体電子工学のチュートリアル、第6章、6.12-6.15のサブチャプター。 読んで、これは面白い！
電界効果トランジスタの一般的なパラメータ
- 固定ゲート-ソース電圧での最大ドレイン電流 。
- 最大電圧はdrain-sourceで 、その後ブレークダウンがすでに発生しています。
- 内部（出力）抵抗 。 これは、交流のチャネル抵抗を表します（ゲート-ソース電圧-定数）。
- ドレイン-ゲート特性の急峻性 。 大きいほど、ゲート電圧の変化に対するトランジスタの応答が「鋭く」なります。
- 入力インピーダンス 。 これは、逆バイアスされたpn接合の抵抗によって決定され、通常、単位と数十MΩに達します（これは、電界効果トランジスタとバイポーラの「相対」を区別します）。 そして、電界効果トランジスタ自体の中で、手のひらは絶縁シャッター付きのデバイスに属します。
- ゲイン -一定のドレイン電流でのソース-ドレイン電圧の変化とゲート-ソース電圧の変化の比率。
切り替えスキーム
バイポーラのように、電界効果トランジスタは4端子と見なすことができ、4端子のうち2端子が一致します。 したがって、3つのタイプのスイッチング回路を区別できます。共通のソース、共通のゲート、共通のドレインです。 特性面では、バイポーラトランジスタのエミッタ、ベース、コレクタが共通の回路に非常に似ています。
ほとんどの場合、電流と電力のゲインが大きくなるため、共通のソース （ a ）を持つ回路が使用されます。
共通ゲート （ b ）を備えた回路はほとんど電流を獲得せず、入力抵抗が小さい。 このため、そのようなスイッチング回路は実際の用途が限られています。
共通ドレイン回路 （ c ）はソースフォロワーとも呼ばれます。 その電圧ゲインは1に近く、入力インピーダンスは大きく、出力インピーダンスは小さくなります。
電界効果トランジスタのバイポーラとの違い。 適用分野
上記のように、これら2つのタイプのトランジスタの最初の主な違いは、2番目のトランジスタが電流と1番目の電圧を変更することによって制御されることです。 そしてこれから、バイポーラトランジスタと比較した電界効果トランジスタの他の利点は次のとおりです。
- 直流および高周波での高い入力インピーダンス、したがって低い制御損失;
- 高速（少数キャリアの蓄積と吸収の欠如による）;
- 電界効果トランジスタの増幅特性は主電荷キャリアの移動によるものであるため、実効ゲインの上限はバイポーラトランジスタの上限よりも高くなります。
- 高温安定性;
- 少数電荷キャリアの注入現象は電界効果トランジスタでは使用されないため、低ノイズレベルであり、バイポーラトランジスタを「ノイズの多い」ものにします。
- 低消費電力。
しかし、同時に、電界効果トランジスタにも欠点があります-静電気を「恐れている」ため、これらのトランジスタを扱う場合、この惨劇に対する保護のために特に厳しい要件が課せられます。
電界効果トランジスタはどこで使用されますか？ はい、ほぼどこでも。 デジタルおよびアナログの集積回路、サーボおよびロジックデバイス、省エネ回路、フラッシュメモリ...クォーツ時計やテレビのリモコンでさえ、電界効果トランジスタで動作します。 彼らはどこにでもいる、％ habruiser ％。 しかし、今ではあなたはそれらがどのように機能するかを知っています！
ソースのリスト：
ru.wikipedia.org
dssp.petrsu.ru
zpostbox.narod.ru
electrono.ru
radio.cybernet.name
有用なコメント：
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4435883
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4436509
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4441531
読むことをお勧めします：
DI HALTの Finger Fundamentals （ヒント、 AlexeiKozlovに感謝 ）