Что такое сток исток. Полевые транзисторы

Транзистор (от английских слов tran(sfer) — переносить и (re)sistor — сопротивление) — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Наиболее распространены так называемые биполярные транзисторы . Электропроводность эмиттера и коллектора всегда одинаковая (р или n), базы — противоположная (n или р). Иными словами, биполярный транзистор содержит два р-n-перехода: один из них соединяет базу с эмиттером (эмиттерный переход), другой — с коллектором (коллекторный переход).

Буквенный код транзисторов — латинские буквы VT. На схемах эти полупроводниковые приборы обозначают, как показано на рис. 8.1 . Здесь короткая черточка с линией от середины символизирует базу, две наклонные линии, проведенные к ее краям под углом 60°, — эмиттер и коллектор. Об электропроводности базы судят по символу эмиттера: если его стрелка направлена к базе (см. рис. 8.1 , VT1), то это означает, что эмиттер имеет электропроводность типа р, а база— типа n; если же стрелка направлена в противоположную сторону (VT2), электропроводность эмиттера и базы обратная.

Знать электропроводность эмиттера базы и коллектора необходимо для того, чтобы правильно подключить транзистор к источнику питания. В справочниках эту информацию приводят в виде структурной формулы. Транзистор, база которого имеет электропроводимость типа n, обозначают формулой р-п-р, а транзистор с базой, имеющей электропроводность типа р, обозначают формулой n-р-n. В первом случае на базу и коллектор следует подавать отрицательное по отношению к эмиттеру напряжение, во втором — положительное.

Для наглядности условное графическое обозначение дискретного транзистора обычно помещают в кружок, символизирующий его корпус. Иногда металлический корпус соединяют с одним из выводов транзистора. На схемах это показывается точкой в месте пересечения соответствующего вывода с символом корпуса. Если же корпус снабжен отдельным выводом, линию-вывод допускается присоединять к кружку без точки (VT3 на рис. 8.1 ). В целях повышения информативности схем рядом с позиционным обозначением транзистора допускается указывать его тип.

Линии электрической связи, идущие от эмиттера и коллектора проводят в одном из двух направлений: перпендикулярно или параллельно выводу базы (VT3—VT5). Излом вывода базы допускается лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (VT4).

Транзистор может иметь несколько эмиттерных областей (эмиттеров). В этом случае символы эмиттеров обычно изображают с одной стороны символа базы, а окружность обозначения корпуса заменяют овалом (рис. 8.1 , VT6).

Стандарт допускает изображать транзисторы и без символа корпуса, например, при изображении бескорпусных транзисторов или когда на схеме необходимо показать транзисторы, входящие в состав сборки транзисторов или интегральной схемы.

Поскольку буквенный код VT предусмотрен для обозначения транзисторов, выполненных в виде самостоятельного прибора, транзисторы сборок обозначают одним из следующих способов: либо используют код VT и присваивают им порядковые номера наряду с другими транзисторами (В этом случае на поле схемы помещают такую, например, запись: VT1-VT4 К159НТ1), либо используют код аналоговых микросхем (DA) и указывают принадлежность транзисторов в сборке в позиционном обозначении (рис. 8.2 , DA1.1, DA1.2). У выводов таких транзисторов, как правило, приводят условную нумерацию, присвоенную выводам корпуса, в котором выполнена матрица.

Без символа корпуса изображают на схемах и транзисторы аналоговых и цифровых микросхем (для примера на рис. 8.2 показаны транзисторы структуры п-р-п с тремя и четырьмя эмиттерами).

Условные графические обозначения некоторых разновидностей биполярных транзисторов получают введением в основной символ специальных знаков. Так, чтобы изобразить лавинный транзистор, между символами эмиттера и коллектора помещают знак эффекта лавинного пробоя (см. рис. 8.3 , VT1, VT2). При повороте УГО положение этого знака должно оставаться неизменным.

Иначе построено УГО однопереходного транзистора: у него один р-п-переход, но два вывода базы. Символ эмиттера в УГО этого транзистора проводят к середине символа базы (рис. 8.3 , VT3, VT4). Об электропроводности последней судят по символу эмиттера (направлению стрелки).

На символ однопереходного транзистора похоже УГО большой группы транзисторов с p-n-переходом, получивших название полевых . Основа такого транзистора — созданный в полупроводнике и снабженный двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью п или р-типа. Сопротивлением канала управляет третий электрод — затвор. Канал изображают так же, как и базу биполярного транзистора, но помещает в середине кружка-корпуса (рис. 8.4 , VT1), символы истока и стока присоединяют к нему с одной стороны, затвора — с другой стороны на продолжении линии истока. Электропроводность канала указывают стрелкой на символе затвора (на рис. 8.4 условное графическое обозначение VT1 символизирует транзистор с каналом п-типа, VT1 — с каналом p-типа).

В условном графическом обозначении полевых транзисторов с изолированным затвором (его изображают черточкой, параллельной символу канала с выводом на продолжении линии истока) электропроводность канала показывают стрелкой, помещенной между символами истока и стока. Если стрелка направлена к каналу, то это значит, что изображен транзистор с каналом n-типа, а если в противоположную сторону (см. рис. 8.4 , VT3) — с каналом p-типа. Аналогично поступают при наличии вывода от подложки (VT4), а также при изображении полевого транзистора с так называемым индуцированным каналом, символ которого — три коротких штриха (см. рис. 8.4 , VT5, VT6). Если подложка соединена с одним из электродов (обычно с истоком), это показывают внутри УГО без точки (VT1, VT8).

В полевом транзисторе может быть несколько затворов. Изображают их более короткими черточками, причем линию-вывод первого затвора обязательно помещают на продолжении линии истока (VT9).

Линии-выводы полевого транзистора допускается изг[цензура] лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (см. рис. 8.4 , VT2). В некоторых типах полевых транзисторов корпус может быть соединен с одним из электродов или иметь самостоятельный вывод (например, транзисторы типа КПЗ03).

Из транзисторов, управляемых внешними факторами, широкое применение находят фототранзисторы . В качестве примера на рис. 8.5 показаны условные графические обозначения фототранзисторов с выводом базы (FT1, VT2) и без него (К73). Наряду с другими полупроводниковыми приборами, действие которых основано на фотоэлектрическом эффекте, фототранзисторы могут входить в состав оптронов. УГО фототранзистора в этом случае вместе с УГО излучателя (обычно светодиода) заключают в объединяющий их символ корпуса, а знак фотоэффекта — две наклонные стрелки заменяют стрелками, перпендикулярными символу базы.

Для примера на рис. 8.5 изображена одна из оптопар сдвоенного оптрона (об этом говорит позиционное обозначение U1.1), Аналогично строится У ГО оптрона с составным транзистором (U2).

На принципиальных схемах можно встретить обозначения полевого транзистора той или иной разновидности. Чтобы не запутаться и получить наиболее полное представление о том, какой всё-таки транзистор используется в схеме, сопоставим условное графическое обозначение униполярного транзистора и его отличительные свойства и особенности

Независимо от разновидности полевого транзистора он имеет 3 вывода. Один из них называется Затвор (З). Затвор является управляющим электродом, на него подают управляющее напряжение. Следующий вывод зовётся Исток (И). Исток аналогичен эмиттеру у биополярных транзисторов . Третий вывод именуется Сток ©. Сток является выводом, с которого снимается выходной ток.

На зарубежных электронных схемах можно увидеть следующее обозначение выводов униполярных транзисторов:

G – затвор (от англ. – G ate «затвор», «ворота»);

S – исток (от англ. – S ource «источник», «начало»);

D – сток (от англ. – D rain «отток», «утечка»).

Зная зарубежные обозначения выводов полевого транзистора, будет легко разобраться в схемах импортной электроники.

Обозначение полевого транзистора с управляющим p-n – переходом (J-FET).

Итак. Транзистор с управляющим p-n – переходом обозначается на схемах так:

n-канальный J-FET транзистор

p-канальный J-FET транзистор

В зависимости от типа носителей, которые используются для формирования проводящего канала (область, через которую течёт регулируемый ток), данные транзисторы могут быть n-канальные и p-канальные. На графическом обозначении видно, что n-канальные транзисторы изображаются со стрелкой, направленной внутрь, а p-канальные наружу.

Обозначение МДП-транзистора.

Униполярные транзисторы МДП типа (MOSFET) имеют немного иное условное графическое обозначение, нежели транзисторы J-FET c управляющим p-n переходом. MOSFET транзисторы также могут быть как n-канальными, так и p-канальными.

Транзисторы MOSFET существуют двух типов: со встроенным каналом и индуцированным каналом .

В чём разница?

Разница в том, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при подаче на затвор положительного или только отрицательного порогового напряжения. Пороговое напряжение (U пор ) – это напряжение между выводом затвора и истока, при котором полевой транзистор открывается и через него начинает протекать ток стока (I c ).

Полярность порогового напряжения зависит от типа канала транзистора. Для МДП-транзисторов с p-каналом к затвору необходимо приложить отрицательное «-» напряжение, а для транзисторов с n-каналом положительное «+» напряжение. МДП-транзисторы с индуцированным каналом ещё называют транзисторами обогащённого типа . Поэтому, если услышите, что говориться о МДП-транзисторе обогащенного типа – знайте, это транзистор с индуцированным каналом. Далее показано условное обозначение транзисторов с индуцированным каналом.

n-канальный MOSFET транзистор

p-канальный MOSFET транзистор

Основное отличие МДП-транзистора с индуцированным каналом от полевого транзистора со встроенным каналом заключается в том, что он открывается только при определённом значении (U пороговое) положительного, либо отрицательного напряжения (зависит от типа канала – n или p).

Транзистор же со встроенным каналом открывается уже при «0», а при отрицательном напряжении на затворе работает вобеднённом режиме (тоже открыт, но пропускает меньше тока). Если же к затвору приложить положительное «+» напряжение, то транзистор продолжит открываться и перейдёт в так называемый режим обогащения - ток стока будет увеличиваться. Данный пример описывает работу n-канального МДП транзистора со встроенным каналом. Транзисторы со встроенным каналом ещё называют транзисторами обеднённого типа . Далее показано их условное изображение на схемах.

На условном графическом обозначении отличить транзистор с индуцированным каналом от транзистора со встроенным каналом можно по разрыву вертикальной черты.

Иногда в технической литературе можно увидеть изображение МОП транзистора с четвёртым выводом, который является продолжением линии стрелки указывающей тип канала. Так вот, четвёртый вывод – это вывод подложки (substrate). Такое изображение полевого МОП транзистора применяется, как правило, для описания дискретного (т.е. отдельного) транзистора и используется лишь как наглядная модель. При изготовлении МОП транзистора подложку обычно соединяют с выводом истока.

MOSFET транзистор с выводом подложки (substrate)

Обозначение мощного МОП-транзистора

В результате соединения истока и подложки в структуре полевого МОП транзистора между истоком и стоком образуетсявстроенный диод . На работу транзистора данный диод не влияет, поскольку в схему он включен в обратном направлении. В некоторых случаях, встроенный диод, который образуется из-за технологических особенностей изготовления мощного МОП-транзистора можно использовать на практике. В последних поколениях мощных МОП-транзисторов встроенный диод используется для защиты транзистора.

MOSFET транзистор со встроенным диодом

Встроенный диод на условном обозначении мощного МДП-транзистора может и не указываться, хотя реально такой диод присутствует в любом мощном полевом транзисторе.

В электронике полевым транзистором называется электронный компонент, в котором ток проходящий через канал регулируется электрическим полем, образующимся в результате подачи напряжения между его истоком и затвором. Основным отличием полевого транзистора от транзистора биполярного является то, что выходное и входное сопротивление у него существенно выше.

Плевые транзисторы нередко именуют униполярными, поскольку основным принципом их действия является перемещение при помощи поля носителей зарядов одного и того же типа. Конструктивно эти приборы представляют собой изготовленные из полупроводниковых материалов пластинки одного типа проводимости, на противоположных сторонах которых способом диффузии создается область другого типа проводимости. На их границах образуется обладающий большим сопротивлением p - n -переход.

В полевых транзисторах существуют области полупроводника которые называют каналами. Их поперечное сечение, а вместе с ним и ток носителей заряда изменяются под воздействием электрического поля.

Структура полевого транзистора
с управляющим p - n -переходом и каналом n -типа

В случае, если между p -областью и n -областью приложить некоторое напряжение U зи., как показано на рисунке выше, то p - n -переход окажется включенным в обратном направлении, следовательно его толщина увеличится, а толщины канала уменьшается. При этом принято p -область называть затвором полевого транзистора , или же его управляющим электродом. Если к этому каналу подключить еще один источник напряжения U cи., то через него начнёт протекать ток в направлении от нижнего к верхнему участку n -области. Часть этой области, от которой основные носители зарядов начинают свое движение, называется истоком, а та часть, по направлению к которой они перемещаются – стоком.

Что касается величины тока, который протекает через канал, то определяющим для нее является сопротивление. Оно, в свою очередь, напрямую зависит от толщины канала. Таким образом, если изменяется величина приложенного к каналу напряжения, то вслед за этим происходит изменение величины тока.

В тех случаях, когда для производства этого электронного компонента в качестве основы берут полупроводник p -типа, то получается полевой транзистор, имеющий канал р -типа и управляющий p - n -переход. Канал в нем образуется n -областью.

Структура и схема подключения МДП -транзистора
с индуцированным каналом

Помимо тех полевых транзисторов , которые имеют в своей конструкции управляющий затвор, имеются и такие, у которых он изолирован. В электронике для обозначения таких транзисторов используют аббревиатуры МОП (металл-оксид-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Соответственно, такие приборы называют МОП -транзисторами или МДП -транзисторами.

Для МДП -транзистора характерно то, что в нем между истоком и стоком располагается n -область, представляющая собой подложку. Поэтому образуется два p - n -перехода, которые включены навстречу друг другу. При этом вне зависимости от того, какую именно полярность имеет питающее напряжение, один из этих переходов всегда закрыт, так что в в направлении «исток-сток» ток равен нулю.

Если на затвор подается отрицательное напряжение, то ток в цепи начинает течь. Дело в том, что на расположенные в подложке электроны действует электрическое поле, и они начинают передвигаться вглубь нее.

Существует некоторое пороговое значение напряжения, при котором количество дырок, расположенных у самой поверхности подложки, становится существенно больше, чем электронов. В результате этого происходит так называемая инверсия типа электроповодности: она обретает p-тип. В результате этого между стоком и истоком получается канал, связывающий их. Его толщина зависит от того, какое именно значение имеет приложенное напряжение. Если изменять его, то можно регулировать и толщину канала, поскольку сопротивление участка, располагающегося между истоком и стоком, также будет изменяться.

Биполярные транзисторы, рассмотренные в § 1.4, 1.5, нашли чрезвычайно широкое применение в различных областях электронной техники. Однако в ряде случаев их использование затруднено, так как эти приборы управляются током, т. е. потребляют заметную мощность от входной цепи.

Рис. 1.9. Структура (а), схемные обозначения (б - канал -типа, в - канал -типа) и стоковые характеристики (г) полевого транзистора с переходом

Рис. 1.10. Сужение канала полевого транзистора при приложении напряжений

Это препятствует их использованию при подключении к маломощным источникам входного сигнала. Указанного недостатка лишены полевые транзисторы - полупроводниковые приборы, которые практически не потребляют ток из входной цепи.

Полевые транзисторы подразделяются на два типа, отличающихся друг от друга принципом действия: а) с переходом; б) МДП-типа.

1.6.1. Полевые транзисторы с p-n переходом имеют структуру, разрез которой приведен на рис. 1.9, а. Слой с проводимостью -типа называется каналом, он имеет два вывода во внешнюю цепь: С - сток и И - исток. Слои с проводимостью типа n, окружающие канал, соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором 3. Подключение источников напряжения к прибору показано на рис. 1.9, а, на рис. показано схемное обозначение полевого транзистора с переходом и каналом -типа. Существуют также полевые транзисторы с каналом -типа, их обозначение приведено на рис. 1.9, в, принцип действия аналогичен, но направления токов и полярность приложенных напряжений противоположны.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с каналом p-типа. На рис. 1.9, г приведено семейство стоковых (выходных) характеристик этого прибора при .

При управляющем напряжении и подключении источника напряжения между стоком и истоком по каналу течет ток, который зависит от сопротивления канала. Напряжение равномерно приложено подлине канала, это напряжение вызывает обратное смещение перехода между каналом -типа и -слоем, причем наибольшее обратное напряжение на переходе существует в области, прилегающей к стоку, а вблизи истока переход находится в равновесном состоянии. При увеличении напряжения область двойного электрического слоя перехода, обедненная подвижными носителями заряда, будет расширяться, как показано на рис. 1.10, а. Особенно сильно расширение перехода проявляется вблизи стока, где больше обратное напряжение на переходе. Расширение перехода приводит к сужению проводящего ток канала транзистора, и сопротивление канала возрастает. Из-за увеличения сопротивления канала при росте стоковая характеристика полевого транзистора имеет нелинейный характер (рис. 1.9,г). При некотором напряжении границы перехода смыкаются (пунктир на рис. 1.10, а), и рост тока при увеличении прекращается.

При приложении положительного напряжения к затвору переход еще сильнее смещается в область обратного напряжения, ширина перехода увеличивается, как показано на рис. . В результате канал, проводящий ток, сужается и ток уменьшается. Таким образом, увеличивая напряжение , можно уменьшить , что видно из рассмотрения рис. 1.9, г. При определенном называемом напряжением отсечки, ток стока практически не протекает. Отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения между затвором и истоком при называется крутизной: при .

В отличие от биполярных транзисторов полевые транзисторы управляются напряжением, и через цепь затвора протекает только малый тепловой ток перехода, находящегося под действием обратного напряжения.

Стоковые характеристики, так же как и коллекторные характеристики , имеют два участка: крутой и пологий; последний используется при работе транзистора в усилительных устройствах, в то время как начальный крутой участок характеристик - при их работе в переключательных устройствах.

Ток стока полевого транзистора сильно зависит от температуры. Во-первых, как указано в § 1.1, с ростом температуры электропроводность примесных полупроводников в рабочем диапазоне температур уменьшается. Во-вторых, при нагреве ширина перехода уменьшается, а канал расширяется. В результате воздействия этих двух факторов при нагреве ток стока при может изменяться различным образом - как увеличиваться, так и уменьшаться.

Предельные частоты, на которых могут работать полевые транзисторы, весьма высоки. Основным ограничительным фактором здесь является емкость перехода, площадь которого сравнительно велика. Выпускаемые промышленностью полевые транзисторы с переходом способны работать в мегагерцевом диапазоне частот.

1.6.2. Полевые транзисторы МДП-типа («металл - диэлектрик-полупроводник») называют также полевыми транзисторами с изолированным затвором. На рис. 1.11, а показан разрез МДП-транзистора. У поверхности кристалла полупроводника-подложки с проводимостью p-типа созданы две области с проводимостью -типа и тонкая перемычка между ними, называемая каналом. Области n-типа имеют выводы во внешнюю цепь: С - сток и И - исток. Полупроводниковый кристалл покрыт окисной пленкой диэлектрика, на которой расположен металлический затвор 3, связанный с внешней цепью. Таким образом, затвор электрически изолирован от цепи исток-сток. Подключение источников показано на рис. 1.11, с. Подложка соединяется с истоком; это соединение либо осуществляется внутри прибора, либо подложка имеет вывод во внешнюю цепь (П) и это соединение осуществляется по внешней цепи.

Рассмотрим принцип действия прибора. Его стоковые характеристики при приведены на рис. . При отсутствии управляющего напряжения через канал между -областями протекает ток . При увеличении напряжения источника переход между подложкой и каналом смещается в обратном направлении, причем наибольшее обратное напряжение на переходе получается вблизи стока.

Рис. 1.11. Структура и стоковые характеристики (б - со встроенным каналом, индуцированным каналом) МДП-транзисторов

При обратном смещении перехода расширяется двойной электрический слой, обедненный подвижными носителями заряда, и сужается канал, проводящий ток. По мере роста увеличивается сопротивление канала, рост тока стока замедляется, а при перекрытии переходом сечения канала при увеличении ток практически не изменяется. В этом режиме процессы в МДП-транзисторе аналогичны процессам в полевом транзисторе с переходом.

При приложении положительного напряжения к затвору электрическое поле притягивает электроны из подложки, они скапливаются в области канала, сопротивление канала уменьшается и ток стока растет (режим обогащения) . характеристики на рис. 1.11, б при .