IGFETs vom Verarmungstyp

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

Schematisches Symbol und physikalisches Diagramm

Hier ist ein Diagramm eines N-Kanal-IGFET vom Typ „Verarmung“:

Beachten Sie, wie die Source- und Drain-Leitungen mit beiden Enden des N-Kanals verbunden sind und wie die Gate-Leitung an einer Metallplatte befestigt ist, die durch eine dünne Isolierbarriere vom Kanal getrennt ist. Diese Barriere besteht manchmal aus Siliziumdioxid (der primären chemischen Verbindung im Sand), die ein sehr guter Isolator ist. Aufgrund dieser Metall (Gate) - Oxid (Barriere) - Halbleiter (Kanal) Konstruktion wird der IGFET manchmal als MOSFET bezeichnet. Es gibt jedoch auch andere Arten von IGFET-Konstruktionen, und daher ist „IGFET“ die bessere Beschreibung für diese allgemeine Klasse von Transistoren.

Beachten Sie auch, dass es vier Verbindungen zum IGFET gibt. In der Praxis wird die Substratleitung direkt mit der Sourceleitung 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 Schaltplansymbol führt:

Wenn Source und Substrat gemeinsam sind, werden die N- und P-Schichten des IGFET am Ende durch den Außendraht direkt miteinander verbunden. Diese Verbindung verhindert, dass am PN-Übergang eine Spannung eingeprägt wird. Infolgedessen existiert zwischen den beiden Materialien ein Verarmungsbereich, der jedoch niemals erweitert oder kollabiert werden kann. Der JFET-Betrieb basiert auf der Erweiterung des Verarmungsbereichs des PN-Übergangs, aber hier im IGFET kann dies nicht passieren, daher muss der IGFET-Betrieb auf einem anderen Effekt basieren.

In der Tat, denn wenn eine Steuerspannung zwischen Gate und Source angelegt wird, ändert sich die Leitfähigkeit des Kanals als Ergebnis der Annäherung des Verarmungsbereichs an das Gate oder weiter weg von diesem. Mit anderen Worten, die effektive Breite des Kanals ändert sich genau wie beim JFET, aber diese Änderung der Kanalbreite ist eher auf die Verschiebung des Verarmungsbereichs als auf die Erweiterung des Verarmungsbereichs zurückzuführen.

N-Kanal-IGFET

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

Das Umkehren der Polarität der Steuerspannung hat den gegenteiligen Effekt, zieht den Verarmungsbereich an und verengt den Kanal, wodurch die Kanalleitfähigkeit reduziert wird:

Das isolierte Gate ermöglicht die Steuerung von Spannungen jeder Polarität, ohne dass die Gefahr besteht, dass ein Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, wie es bei JFETs der Fall war. Dieser IGFET-Typ, obwohl er als "Verarmungstyp" bezeichnet wird, hat tatsächlich die Fähigkeit, seinen Kanal entweder verarmt (Kanal verengt) oder zu verstärken (Kanal erweitert). Die Polarität der Eingangsspannung bestimmt, wie der Kanal beeinflusst wird.

Zu verstehen, welche Polarität welche Wirkung hat, ist nicht so schwierig, wie es scheinen mag. Der Schlüssel besteht darin, die Art der Halbleiterdotierung zu berücksichtigen, die im Kanal verwendet wird (N-Kanal oder P-Kanal?) und dann diese Dotierungsart auf die Seite der Eingangsspannungsquelle zu beziehen, die mit dem Kanal über die Source-Leitung verbunden ist. Wenn der IGFET ein N-Kanal ist und die Eingangsspannung so angeschlossen ist, dass die positive (+) Seite auf dem Gate liegt, während die negative (-) Seite auf der Source liegt, wird der Kanal verstärkt, da sich zusätzliche Elektronen auf dem aufbauen Kanalseite der dielektrischen Barriere. Denken Sie, "negativ (-) korreliert mit dem N-Typ, wodurch der Kanal mit der richtigen Art von Ladungsträger (Elektronen) verstärkt und leitfähiger gemacht wird." Umgekehrt, wenn die Eingangsspannung umgekehrt an einen N-Kanal-IGFET angeschlossen ist, so dass Minus (-) mit dem Gate verbunden ist, während Plus (+) mit der Source verbunden ist, werden dem Kanal freie Elektronen „geraubt“ Der Gate-Kanal-Kondensator lädt sich auf, wodurch der Kanal an Majoritätsladungsträgern verarmt und weniger leitfähig wird.

P-Kanal-IGFET

Bei P-Kanal-IGFETs folgen die Polarität der Eingangsspannung und die Kanaleffekte derselben Regel. Das heißt, es braucht genau die entgegengesetzte Polarität wie ein N-Kanal-IGFET, um entweder zu verarmen oder zu verbessern:

Veranschaulichen der richtigen Vorspannungspolaritäten mit Standard-IGFET-Symbolen:

Wenn zwischen Gate und Source keine Spannung angelegt wird, leitet der IGFET Strom zwischen Source und Drain, jedoch nicht so viel Strom, wie er es würde, wenn er durch die richtige Gate-Spannung erhöht würde. Dies stellt den Verarmungstyp oder einfach D-Typ IGFET in eine eigene Kategorie in der Transistorwelt. Bipolartransistoren sind selbstsperrende Geräte:Ohne Basisstrom blockieren sie jeglichen Strom daran, durch den Kollektor zu gehen. Sperrschicht-Feldeffekttransistoren sind selbstleitende Geräte:Bei einer angelegten Gate-Source-Spannung von null ermöglichen sie einen maximalen Drainstrom (eigentlich können Sie einen JFET zu größeren Drainströmen verleiten, indem Sie eine sehr kleine Vorwärtsspannung zwischen Gate und anlegen Quelle, aber dies sollte in der Praxis niemals durchgeführt werden, da die Gefahr besteht, dass der zerbrechliche PN-Übergang beschädigt wird). D-Typ-IGFETs sind jedoch normalerweise halb eingeschaltete Geräte:Ohne Gate-Source-Spannung liegt ihr Leitungspegel irgendwo zwischen Cutoff und voller Sättigung. Außerdem tolerieren sie angelegte Gate-Source-Spannungen jeglicher Polarität, wobei der PN-Übergang aufgrund der Isolierbarriere immun gegen Beschädigungen ist und insbesondere die direkte Verbindung zwischen Source und Substrat, die jegliche Spannungsdifferenz über den Übergang verhindert.

Ironischerweise ähnelt das Leitungsverhalten eines D-Typ-IGFET auffallend dem einer Elektronenröhre vom Typ Triode/Tetrode/Pentode. Diese Geräte waren spannungsgesteuerte Stromregler, die ebenfalls Strom durch sie erlaubten, ohne dass eine Steuerspannung angelegt wurde. Eine Steuerspannung einer Polarität (Gitter negativ und Kathode positiv) würde die Leitfähigkeit durch die Röhre verringern, während eine Spannung der anderen Polarität (Gitter positiv und Kathode negativ) die Leitfähigkeit verbessern würde. Ich finde es merkwürdig, dass eines der später erfundenen Transistordesigns die gleichen grundlegenden Eigenschaften wie das allererste aktive (elektronische) Gerät aufweist.

SPICE-Simulation eines D-Typ-IGFET

Einige SPICE-Analysen werden das stromregelnde Verhalten von D-Typ-IGFETs demonstrieren. Zuerst ein Test mit Null-Eingangsspannung (Gate mit Source kurzgeschlossen) und die Stromversorgung von 0 auf 50 Volt gewobbelt. Die Grafik zeigt den Drainstrom:

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, bleibt der geregelte Strom über einen weiten Bereich von Versorgungsspannungen konstant auf einem geregelten Wert. In diesem Fall beträgt dieser geregelte Punkt 10 µA (1.000E-05 Ampere). Sehen wir uns nun an, was passiert, wenn wir eine negative Spannung an das Gate (in Bezug auf die Source) anlegen und die Stromversorgung über den gleichen Bereich von 0 bis 50 Volt durchstreichen:

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 überrascht nicht, dass der Drain-Strom jetzt auf einen niedrigeren Wert von 2,5 µA geregelt wird (von 10 µA bei Null-Eingangsspannung). Legen wir nun eine Eingangsspannung der anderen Polarität an, 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

Mit dem durch die kleine Steuerspannung verbesserten Transistor liegt der Drainstrom jetzt auf einem erhöhten Wert von 22,5 µA (2,250E-05 Ampere). Aus diesen drei Sätzen von Spannungs- und Stromwerten sollte ersichtlich sein, dass das Verhältnis von Drainstrom zu Gate-Source-Spannung genauso wie beim JFET nichtlinear ist. Bei einer Verarmungsspannung von 1/2 Volt beträgt der Drainstrom 2,5 µA; bei 0 Volt Eingang steigt der Drainstrom auf 10 µA; und bei einer Verstärkungsspannung von 1/2 Volt beträgt der Strom 22,5 µA. Um diese Nichtlinearität besser zu verstehen, können wir SPICE verwenden, um den Drain-Strom über einen Bereich von Eingangsspannungswerten aufzuzeichnen, wobei von einer negativen (erschöpfenden) Zahl zu einer positiven (erhöhenden) Zahl übergegangen wird, wobei die Versorgungsspannung von V1 bei . beibehalten wird ein konstanter Wert:

n-channel 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 kann diese inhärente Nichtlinearität des IGFET zu Verzerrungen in einer Verstärkerschaltung führen, da das Eingangssignal am Ausgang nicht mit 100-prozentiger Genauigkeit wiedergegeben wird. Beachten Sie auch, dass eine Gate-Source-Spannung von etwa 1 Volt in Verarmungsrichtung den Kanal abschnüren kann, so dass praktisch kein Drainstrom vorhanden ist. D-Typ-IGFETs haben wie JFETs eine bestimmte Abschnürspannung. Diese Bewertung variiert mit der genauen Einzigartigkeit des Transistors und ist möglicherweise nicht dieselbe wie in unserer Simulation hier.

Kennlinie von IGFET

Wenn wir eine Reihe von charakteristischen Kurven für den IGFET zeichnen, sehen wir ein Muster, das dem des JFET nicht unähnlich ist:

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate