Uitputtingstype IGFET's

Veldeffecttransistors met geïsoleerde poorten zijn unipolaire apparaten, net als JFET's:dat wil zeggen dat de gecontroleerde stroom geen PN-overgang hoeft te kruisen. Er is een PN-overgang in de transistor, maar het enige doel is om dat niet-geleidende uitputtingsgebied te bieden dat wordt gebruikt om de stroom door het kanaal te beperken.

Schematisch symbool en fysiek diagram

Hier is een diagram van een N-kanaals IGFET van het type "uitputting":

Merk op hoe de bron- en afvoerleidingen aansluiten op beide uiteinden van het N-kanaal en hoe de poortleiding wordt bevestigd aan een metalen plaat die door een dunne isolerende barrière van het kanaal is gescheiden. Die barrière is soms gemaakt van siliciumdioxide (de primaire chemische verbinding die in zand wordt gevonden), wat een zeer goede isolator is. Vanwege deze Metaal (poort) - Oxide (barrière) - Halfgeleider (kanaal) constructie, wordt de IGFET soms een MOSFET genoemd. Er zijn echter andere typen IGFET-constructies, en dus is "IGFET" de betere omschrijving voor deze algemene klasse van transistors.

Merk ook op hoe er vier verbindingen zijn met de IGFET. In de praktijk is de substraatleiding rechtstreeks verbonden met de bronleiding om de twee elektrisch gemeenschappelijk te maken. Meestal wordt deze verbinding intern gemaakt met de IGFET, waardoor de afzonderlijke substraatverbinding wordt geëlimineerd, wat resulteert in een apparaat met drie aansluitingen met een iets ander schematisch symbool:

Met de bron en het substraat gemeenschappelijk voor elkaar, worden de N- en P-lagen van de IGFET rechtstreeks met elkaar verbonden via de buitendraad. Deze aansluiting voorkomt dat er spanning over de PN-overgang wordt aangelegd. Als gevolg hiervan bestaat er een uitputtingsgebied tussen de twee materialen, maar het kan nooit worden uitgebreid of ingeklapt. JFET-bewerking is gebaseerd op de uitbreiding van het uitputtingsgebied van de PN-junctie, maar hier in de IGFET kan dat niet gebeuren, dus IGFET-bewerking moet gebaseerd zijn op een ander effect.

Inderdaad, want wanneer een stuurspanning wordt aangelegd tussen poort en bron, verandert de geleidbaarheid van het kanaal als gevolg van het feit dat het uitputtingsgebied dichter bij of verder weg van de poort komt. Met andere woorden, de effectieve breedte van het kanaal verandert net als bij de JFET, maar deze verandering in kanaalbreedte is het gevolg van verplaatsing van het uitputtingsgebied in plaats van uitbreiding van het uitputtingsgebied.

N-kanaals IGFET

In een N-kanaals IGFET heeft een controlerende spanning die positief (+) op de poort en negatief (-) op de bron wordt aangelegd, het effect van het afstoten van het uitputtingsgebied van de PN-overgang, het uitbreiden van het N-type kanaal en het verhogen van de geleidbaarheid:

Het omkeren van de polariteit van de stuurspanning heeft het tegenovergestelde effect, het trekt het uitputtingsgebied aan en vernauwt het kanaal, waardoor de geleidbaarheid van het kanaal wordt verminderd:

De geïsoleerde poort maakt het mogelijk om spanningen van elke polariteit te regelen zonder gevaar voor voorwaartse voorspanning van een junctie, zoals het probleem was met JFET's. Dit type IGFET, hoewel het een "uitputtingstype" wordt genoemd, heeft in feite het vermogen om zijn kanaal ofwel uitgeput (kanaalvernauwd) of verbeterd (kanaal uitgebreid) te hebben. De polariteit van de ingangsspanning bepaalt op welke manier het kanaal wordt beïnvloed.

Begrijpen welke polariteit welk effect heeft, is niet zo moeilijk als het lijkt. De sleutel is om het type halfgeleiderdoping te overwegen dat in het kanaal wordt gebruikt (N-kanaal of P-kanaal?), en dat type doping vervolgens te relateren aan de kant van de ingangsspanningsbron die met het kanaal is verbonden door middel van de bronkabel. Als de IGFET een N-kanaal is en de ingangsspanning is zo aangesloten dat de positieve (+) kant op de poort zit en de negatieve (-) kant op de bron, dan wordt het kanaal versterkt naarmate extra elektronen zich ophopen op de poort. kanaalzijde van de diëlektrische barrière. Denk aan:"negatief (-) correleert met het N-type, waardoor het kanaal wordt verbeterd met het juiste type ladingsdrager (elektronen) en het geleidend wordt." Omgekeerd, als de ingangsspanning andersom is aangesloten op een N-kanaals IGFET, zodat negatief (-) verbinding maakt met de poort terwijl positief (+) verbinding maakt met de bron, zullen vrije elektronen van het kanaal worden "beroofd" als de poortkanaalcondensator laadt op, waardoor het kanaal van meerderheidsladingsdragers wordt uitgeput en het minder geleidend wordt.

P-kanaal IGFET

Voor P-kanaal IGFET's volgen de polariteit van de ingangsspanning en kanaaleffecten dezelfde regel. Dat wil zeggen, er is precies de tegenovergestelde polariteit nodig als een N-kanaals IGFET om uit te putten of te verbeteren:

De juiste polariteiten illustreren met standaard IGFET-symbolen:

Wanneer er geen spanning wordt toegepast tussen gate en source, zal de IGFET stroom geleiden tussen source en drain, maar niet zoveel stroom als wanneer deze zou worden verbeterd door de juiste gate-spanning. Dit plaatst het uitputtingstype, of gewoon D-type, IGFET in een eigen categorie in de transistorwereld. Bipolaire junctietransistoren zijn normaal uitgeschakelde apparaten:zonder basisstroom blokkeren ze elke stroom die door de collector gaat. Junction-veldeffecttransistoren zijn normaal ingeschakelde apparaten:met nul toegepaste gate-to-source-spanning, laten ze een maximale afvoerstroom toe (in feite kun je een JFET overhalen tot grotere afvoerstromen door een zeer kleine voorwaartse voorspanning tussen poort en bron, maar dit mag in de praktijk nooit worden gedaan vanwege het risico op beschadiging van de kwetsbare PN-overgang). D-type IGFET's zijn echter normaal gesproken half-aan-apparaten:zonder gate-to-source-spanning ligt hun geleidingsniveau ergens tussen cutoff en volledige verzadiging. Ze tolereren ook toegepaste gate-source-spanningen van elke polariteit, waarbij de PN-junctie immuun is voor schade als gevolg van de isolerende barrière en vooral de directe verbinding tussen bron en substraat, waardoor elk spanningsverschil over de junctie wordt voorkomen.

Ironisch genoeg lijkt het geleidingsgedrag van een D-type IGFET opvallend veel op dat van een elektronenbuis van de triode/tetrode/pentode-variant. Deze apparaten waren spanningsgestuurde stroomregelaars die ook stroom door hen toestonden zonder dat er een regelspanning werd toegepast. Een regelspanning van één polariteit (net negatief en kathode positief) zou de geleidbaarheid door de buis verminderen, terwijl een spanning van de andere polariteit (net positief en kathode negatief) de geleidbaarheid zou verbeteren. Ik vind het merkwaardig dat een van de later uitgevonden transistorontwerpen dezelfde basiseigenschappen vertoont als het allereerste actieve (elektronische) apparaat.

SPICE-simulatie van D-type IGFET

Een paar SPICE-analyses zullen het stroomregulerende gedrag van D-type IGFET's demonstreren. Eerst een test met nul ingangsspanning (poort kortgesloten naar bron) en de voeding schommelde van 0 naar 50 volt. De grafiek toont de afvoerstroom:

n-kanaals igfet-karakteristiek 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

Zoals verwacht voor elke transistor, blijft de gecontroleerde stroom stabiel op een gereguleerde waarde over een breed bereik van voedingsspanningen. In dit geval is dat geregelde punt 10 µA (1.000E-05 Ampère). Laten we nu eens kijken wat er gebeurt als we een negatieve spanning op de poort toepassen (met verwijzing naar de bron) en de voeding over hetzelfde bereik van 0 tot 50 volt zwaaien:

n-kanaals igfet-karakteristiek 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

Het is niet verrassend dat de afvoerstroom nu wordt geregeld op een lagere waarde van 2,5 µA (lager dan 10 µA met nul ingangsspanning). Laten we nu een ingangsspanning van de andere polariteit toepassen om de IGFET te verbeteren:

n-kanaals igfet-karakteristiek 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

Met de transistor verbeterd door de kleine stuurspanning, is de afvoerstroom nu op een verhoogde waarde van 22,5 µA (2.250E-05 Ampère). Uit deze drie sets spannings- en stroomcijfers moet duidelijk zijn dat de relatie tussen afvoerstroom en poort-bronspanning niet-lineair is, net als bij de JFET. Met 1/2 volt uitputtende spanning is de afvoerstroom 2,5 A; bij 0 volt ingang gaat de afvoerstroom tot 10 µA; en met 1/2 volt versterkingsspanning is de stroom 22,5 A. Om een ​​beter begrip van deze niet-lineariteit te krijgen, kunnen we SPICE gebruiken om de afvoerstroom uit te zetten over een reeks ingangsspanningswaarden, van een negatief (uitputtend) cijfer naar een positief (verhogend) cijfer, waarbij de voedingsspanning van V1 op een constante waarde:

n-kanaal 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

Net als bij JFET's, heeft deze inherente niet-lineariteit van de IGFET het potentieel om vervorming in een versterkercircuit te veroorzaken, omdat het ingangssignaal niet met 100 procent nauwkeurigheid aan de uitgang zal worden gereproduceerd. Merk ook op dat een poort-bronspanning van ongeveer 1 volt in de uitputtingsrichting het kanaal kan afknijpen, zodat er vrijwel geen afvoerstroom is. D-type IGFET's, zoals JFET's, hebben een bepaalde afknijpspanning. Deze classificatie varieert met de precieze uniekheid van de transistor en is mogelijk niet hetzelfde als in onze simulatie hier.

Kromme van IGFET

Als we een reeks karakteristieke curven voor de IGFET uitzetten, zien we een patroon dat lijkt op dat van de JFET:

GERELATEERD WERKBLAD:

• Werkblad met geïsoleerde poort veldeffecttransistoren