В чём заключаются преимущества полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными диодами?
Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.
решение вопроса
Связанных вопросов не найдено
Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
- Все категории
- экономические 43,679
- гуманитарные 33,657
- юридические 17,917
- школьный раздел 612,713
- разное 16,911
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
- Обратная связь
- Правила сайта
Вакуумный диод: принцип действия и особенности конструкции
Сегодня мы окружены электроникой: компьютерами, телефонами, телевизорами, микроволновками, холодильниками и многими другими устройствами, которые облегчают нам жизнь. Но знаете ли вы, что электроника начиналась с простого устройства, которое называется вакуумным диодом? В этой статье мы расскажем вам, что такое вакуумный диод, как он устроен, как он работает и зачем он нужен.
Что такое вакуумный диод?
Вакуумный диод — это электронная лампа, которая состоит из двух электродов: катода и анода. Катод — это отрицательно заряженный электрод, который нагревается до высокой температуры и испускает электроны. Анод — это положительно заряженный электрод, который притягивает электроны от катода. Оба электрода находятся в стеклянном или металлическом баллоне, из которого выкачан воздух, то есть создан вакуум. Поэтому такой диод называется вакуумным.
Вакуумный диод обладает интересным свойством: он пропускает электрический ток только в одном направлении — от катода к аноду. Если подать на анод положительное напряжение относительно катода, то ток будет течь через диод. Если же подать на анод отрицательное напряжение, то ток течь не будет. Таким образом, вакуумный диод выполняет функцию выпрямителя, то есть преобразует переменный ток в постоянный. Это свойство вакуумного диода используется для выпрямления переменного тока и детектирования сигналов высокой частоты.
История вакуумного диода
Вакуумный диод был изобретён в начале XX века. Его предшественником была лампа накаливания, которую изобрёл Томас Эдисон в 1879 году. Эдисон заметил, что если в лампе накаливания поместить третий электрод, то он будет притягивать электроны от накалённой нити. Это явление он назвал эффектом Эдисона и запатентовал в 1883 году, но не нашёл ему практического применения.
Первым, кто использовал эффект Эдисона для создания вакуумного диода, был английский учёный Джон Флеминг, который работал в компании Маркони по развитию радиосвязи. Флеминг искал способ преобразовать высокочастотные радиосигналы в низкочастотные звуковые сигналы, которые можно было бы услышать в наушниках. Он обнаружил, что вакуумный диод может выполнять эту функцию, так как он пропускает ток только при положительных импульсах напряжения, а при отрицательных импульсах ток не течёт. Таким образом, вакуумный диод детектирует радиосигналы и превращает их в звуковые сигналы. Флеминг запатентовал своё изобретение в 1904 году и назвал его вентилем Флеминга.
В 1906 году американский учёный Ли де Форест добавил к вакуумному диоду третий электрод, который называется сеткой. Сетка расположена между катодом и анодом и служит для управления током, который течёт через диод. Таким образом, де Форест создал первый триод, который не только выпрямлял и детектировал радиосигналы, но и усиливал их. Триод стал основой для развития радио, телевидения, телефонии и других областей электроники.
Устройство вакуумного диода
Вакуумный диод состоит из двух основных частей: баллона и электродов. Баллон — это стеклянный или металлический корпус, в котором находятся электроды. Баллон имеет герметичное отверстие, через которое подаётся напряжение на электроды. Баллон также имеет ножки, которые служат для крепления диода к цоколю или плате.
Электроды — это проводящие элементы, которые образуют электрическую цепь внутри баллона. Электроды бывают двух типов: катод и анод. Катод — это электрод, который нагревается до высокой температуры и испускает электроны. Катод может быть изготовлен из разных материалов, таких как вольфрам, торий, оксид бария или оксид стронция. Катод может быть непосредственно нагреваемым или косвенно нагреваемым. Непосредственно нагреваемый катод имеет нить, которая подключается к источнику постоянного тока и нагревается за счёт прохождения тока. Косвенно нагреваемый катод имеет нить, которая подключается к источнику переменного тока и нагревается за счёт индукции тока в катоде.
Анод — это электрод, который притягивает электроны от катода. Анод может быть изготовлен из разных материалов, таких как медь, железо, никель или сталь. Анод может иметь разную форму, такую как пластина, цилиндр, конус или сетка. Анод подключается к положительному полюсу источника напряжения, который обеспечивает разность потенциалов между катодом и анодом.
Принцип работы вакуумного диода
Принцип работы вакуумного диода основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия — это явление, при котором нагретый электрод испускает электроны в окружающее пространство. Это происходит потому, что при нагревании электродов электроны получают дополнительную энергию и могут преодолеть силу притяжения к атомам электрода. Чем выше температура электрода, тем больше электронов он испускает.
Когда вакуумный диод подключён к источнику напряжения, то между катодом и анодом возникает электрическое поле. Это поле воздействует на электроны, которые испускаются катодом, и ускоряет их в сторону анода. Таким образом, вакуумный диод пропускает электрический ток от катода к аноду. Этот ток называется анодным током.
Если же поменять полярность источника напряжения, то анод станет отрицательным, а катод положительным. В этом случае электрическое поле будет препятствовать движению электронов от катода к аноду. Электроны будут отталкиваться от анода и возвращаться к катоду. Таким образом, вакуумный диод не пропускает электрический ток от анода к катоду. Этот ток называется обратным током.
Сравнение вакуумных диодов с полупроводниковыми диодами
Вакуумные диоды и полупроводниковые диоды имеют общее свойство: они пропускают ток только в одном направлении. Однако они имеют и много различий, которые определяют их преимущества и недостатки:
— Вакуумные диоды требуют нагрева катода, чтобы испускать электроны, а полупроводниковые диоды не требуют нагрева, так как они основаны на переходе между двумя типами полупроводников: p-типа и n-типа.
— Вакуумные диоды имеют большее сопротивление динамическое, чем полупроводниковые диоды, то есть они хуже пропускают переменный ток. Это связано с тем, что вакуумные диоды имеют большее расстояние между электродами, чем полупроводниковые диоды, и электроны теряют часть своей энергии при прохождении через вакуум.
— Вакуумные диоды имеют большее напряжение насыщения, чем полупроводниковые диоды, то есть они могут работать при более высоких напряжениях. Это связано с тем, что вакуумные диоды имеют большую площадь анода, чем полупроводниковые диоды, и могут принимать больше электронов от катода.
— Вакуумные диоды имеют больший размер, массу и стоимость, чем полупроводниковые диоды, так как они требуют более сложной конструкции, материалов и технологии. Полупроводниковые диоды могут быть изготовлены в микроскопических размерах и интегрированы в электронные схемы.
Заключение
Вакуумный диод — это электронное устройство, которое пропускает ток только в одном направлении. Вакуумный диод состоит из двух электродов: катода и анода, которые находятся в вакууме. Вакуумный диод работает на основе термоэлектронной эмиссии, то есть испускания электронов нагретым катодом.
Вакуумный диод имеет вольт-амперную характеристику, которая показывает, как меняется ток в зависимости от напряжения. Вакуумный диод бывает разных типов и моделей, в зависимости от его конструкции, назначения и характеристик. Вакуумный диод имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с полупроводниковым диодом.
Вакуумный диод был изобретён в начале XX века и стал первым элементом электроники. Вакуумный диод лёг в основу развития радио, телевидения, телефонии и других областей электроники. Вакуумный диод сыграл важную роль в истории науки и техники. Сегодня вакуумный диод уступил место полупроводниковым диодам, но он всё ещё используется в некоторых специализированных областях, таких как микроволновая техника, лазерная техника и аудиотехника.
13. Достоинства и недостатки
Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами — малые размеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапазоне температур от -70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.
Достоинства перехода Шоттки:
— отсутствие обратного тока;
— переход Шоттки может работать на СВЧ;
— высокое быстродействие при переключении из прямого состояния в обратное и наоборот.
Недостаток диода Шоттки — стоимость. В качестве металла обычно применяют золото.
Делись добром 😉
- Введение
- 1. Назначение и область применения
- 2. Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов
- — выпрямительные диоды;
- Выпрямительные диоды
- 3. Общий принцип действия
- 4. Конструкция полупроводниковых диодов
- 6. Выпрямительные диоды
- 7. Стабилитроны, варикапы, светодиоды и фотодиоды
- 8. Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды
- 9. Диод Есаки (туннельный диод) и его модификации
- 10. Эффекты полупроводника
- 11. Переход Шоттки
- 12. Изготовление
- 13. Достоинства и недостатки
- 14. Перспективы развития
- Заключение
Похожие главы из других работ:
Анализатор информационных признаков речевых сигналов. Блок выделения огибающей речевого сигнала
1.2 Достоинства цифровой обработки сигналов
В настоящее время ЦОС все более широко используется в различных радиотехнических устройствах с целью повышения их эффективности. Требуемые алгоритмы ЦОС могут быть реализованы либо на однопроцессорных вычислителях (программным путем).
Домашние и офисные сети Home Lan — стандарты и оборудование (Home lan и интеллектуальный дом)
Достоинства «умного дома»
Имидж и престиж Иногда этот аспект является определяющим. Ведь нет ничего плохого в том, что человек хочет и имеет возможность сделать что-то на самом передовом уровне на основе поддержки собственного имиджа. Главное, что действительно будет.
Квадратурная амплитудная модуляция
Достоинства алгоритма.
Алгоритм квадратурной амплитудной модуляции является относительно простым в реализации и в то же время достаточно эффективным алгоритмом линейного кодирования xDSL-сигналов.
Классификация технических средств и систем радиосвязи. Достоинства и недостатки радиосвязи
3. Достоинства и недостатки радиосвязи
Радиосвязь — одно из самых простых и надежных средств связи. Рации полезны и удобны, их можно использовать там, где недоступен ни один другой вид связи, системы радиосвязи недороги по цене.
Применение цифровых фотокамер для осуществления регулярной видеосъемки в образовательных учреждениях
1.3 Недостатки и достоинства при видеосъемке на цифровые фотокамеры
За все в жизни надо платить. В том числе и за качественную кино-картинку за небольшие деньги. Конечно, и в этой бочке меда, есть своя ложка дегтя. При съемке видео на устройство.
Проектирование системы видеонаблюдения и система контроля и управления доступом офисного здания
7. Анализ эффективности спроектированных системы контроля и управления доступом и системы видеонаблюдения, достоинства и недостатки проекта
защита видеонаблюдение информация доступ Спроектированная система контроля и управления доступом практически полностью блокирует возможность проникновения на объект не допущенным лицам.
Проектирование управляющей ИМС для импульсных источников питания по типу TDA16846
1.1.2 Особенности и достоинства микросхемы
Микросхема проектируемая по типу TDA16846 имеет следующие особенности и преимущества по сравнению с имеющимися на сегодняшний день схемами подобного типа: а) линейное изменение тока потребления при работе в схеме с коррекцией коэффициента.
Радиоприемник «АБАВА РП-8330»
6. Особенности радиоприемника, его достоинства и недостатки
Данный радиоприемник предназначен для работы в диапазонах ДВ и СВ. Как уже было сказано выше, в СССР большинство радиостанций осуществляли свое вещание именно в этих диапазонах. Но со временем ситуация изменилась.
Разработка устройства по обнаружению скрытых видеокамер и фотокамер
2.4 Достоинства и недостатки устройства
После разработки и практического применения мною были выявлены достоинства и недостатки.
Связь с подвижными объектами: системы радиальной связи
5.Радиальные системы. Сравнение БЗО и МЗО. Достоинства и недостатки
Системы с большой зоной обслуживания основаны на использовании одной центральной радиостанции, обслуживающей зону большого радиуса (от 50 до 100 км).
Технологии глобальных сетей
2.6 Достоинства ISDN
Прежде чем переходить к описанию общих достоинств ISDN, хотелось бы привести несколько частных примеров. Например, многие руководители имеют специальную кнопку на своих телефонах.
Установки катодного распыления, триодная схема
Достоинства и недостатки метода
Таким образом, катодное распыление характеризуется следующими преимуществами: процесс распыления газовой фазы безынерционен.
Утечка речевой информации по волоконно-оптическим линиям
Достоинства:
+ Высокая пропускная способность. Она обусловлена большой частотой несущей (порядка 1 ТГц) + Очень малое затухание. Линии вплоть до 100 км могут обойтись без регенерации сигнала.
Утечка речевой информации по волоконно-оптическим линиям
Достоинства
· FIBERTEST обеспечивает круглосуточный, автоматический, непрерывный контроль основных параметров подключенных ОВ: длина, полное затухание.
Цифровые транспортные сети SDH
1.3 Достоинства сетей SDH
Сети SDH обладают многими отличительными особенностями: — Гибкая иерархическая схема мультиплексирования цифровых потоков разных скоростей позволяет вводить в магистральный канал и выводить из него пользовательскую информацию любого.
В чем заключается преимущество полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными диодами
Диод — полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь.
Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор p-n- переходом. Рабочий элемент- кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси Для создания в нём p-n-переходов в одну из его поверхностей вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия вглубь монокристалла германия у поверхности германия образуется область р-типа. Остальная часть германия по-прежнему остаётся n- типа. Между этими двумя областями возникает р-n-переход. Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. устройство и схематическое изображение полупроводникового диода :
VD
Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность; недостатком — зависимость их параметров от температуры.
Вольт — амперная характеристика диода (при большом напряжении сила тока достигает наибольшей величины- ток насыщения) имеет нелинейный характер, поэтому свойства диода оцениваются крутизной характеристики:
Свойства p-n-пеpехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний, называемого полупроводниковым триодом или транзистором.
В полупроводниковом триоде две p-области кристалла разделяются узкой n-областью. Такой триод условно обозначают p-n-p. Можно делать и n-p-n триод, т.е. разделять две n-области кристалла узкой p-областью (рис.).
Триод p—n—p типа состоит из трех областей, крайние из которых обладают дырочной проводимостью, а средняя -электронной. К этим трем областям триода делаются самостоятельные контакты э, б и к, что позволяет подавать разные напряжения на левый p-n-пеpеход между контактами э и б и на правый n-p-пеpеход между контактами б и к.
Если на правый переход подать обратное напряжение, то он будет заперт и через него будет протекать очень малый обратный ток. Подадим теперь прямое напряжение на левый p-n-пеpеход, тогда через него начнёт проходить значительный прямой ток.
Одна из областей триода, например левая, содержит обычно в сотни раз большее количество примеси p-типа, чем количество n-пpимеси в n-области. Поэтому прямой ток через p-n-пеpеход будет состоять почти исключительно из дырок, движущихся слева направо. Попав в n-область триода, дырки, совершающие тепловое движение, диффундируют по направлению к n-p-переходу, но частично успевают претерпеть рекомбинацию со свободными электронами n-области. Но если n-область узка и свободных электронов в ней не слишком много (не ярко выраженный проводник n-типа), то большинство дырок достигнет второго перехода и, попав в него, переместится его полем в правую p-область. У хороших триодов поток дырок, проникающих в правую p-область, составляет 99% и более от потока, проникающего слева в n-область.
Если при отсутствии напряжения между точками з и б обратный ток в n-p-переходе очень мал, то после появления напряжения на зажимах з и б этот ток почти так же велик, как прямой ток в левом переходе. Таким способом можно управлять силой тока в правом (запертом) n-p-переходе с помощью левого p-n-перехода. Запирая левый переход, мы прекращаем ток через правый переход; открывая левый переход, получаем ток в правом переходе. Изменяя величину прямого напряжения на левом переходе, мы будем изменять тем самым силу тока в правом переходе. На этом и основано применение p-n-p-триода в качестве усилителя.
При работе триода (рис) к правому переходу подключается сопротивление нагрузки R и с помощью батареи Б подаётся обратное напряжение (десятки вольт), запирающее переход. При этом через переход протекает очень малый обратный ток, а всё напряжение батареи Б прикладывается к n-p-переходу. На нагрузке же напряжение равно нулю. Если подать теперь на левый переход небольшое прямое напряжение, то через него начнёт протекать небольшой прямой ток. Почти такой же ток начнёт протекать и через правый переход, создавая падения напряжения на сопротивлении нагрузки R. Напряжение на правом n-p-переходе при этом уменьшается, так как теперь часть напряжения батареи падает на сопротивлении нагрузки.
При увеличении прямого напряжения на левом переходе увеличивается ток через правый переход и растёт напряжение на сопротивлении нагрузки R. Когда левый p-n-переход открыт, ток через правый n-p-переход делается настолько большим, что значительная часть напряжения батареи Б падает на сопротивлении нагрузки R.
Таким образом, подавая на левый переход прямое напряжение, равное долям вольта, можно получить большой ток через нагрузку, причём напряжение на ней составит значительную часть напряжения батареи Б, т.е. десятки вольт. Меняя напряжение, подводимое к левому переходу, на сотые доли вольта, мы изменяем напряжение на нагрузке на десятки вольт. таким способом получают усиление по напряжению.
Усиления по току при данной схеме включения триода не получается, так как ток, идущий через правый переход, даже немного меньше тока, идущего через левый переход. Но вследствие усиления по напряжению здесь происходит усиление мощности. В конечном счете усиление по мощности происходит за счёт энергии источника Б.
Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника.
Переход, включаемый в проходном направлении (на рисунках — левый), называется эмиттерным, а переход, включаемый в запирающем направлении (на рисунках — правый) — коллекторным. Средняя область называется базой, левая — эмиттером, а правая — коллектором. Толщина базы составляет лишь несколько сотых или тысячных долей миллиметра.
Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.
Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами — те же, как и у полупроводниковых диодов — отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях.
Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его запаковывают в специальный “футляр”).
Основные материалы из которых изготовляют триоды — кремний и германий.
Полевые МДП транзисторы.
Полевым транзистором (ПТ) называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление током осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением на управляющем электроде.
В последние годы большое место в электронике заняли приборы, использующие явления в приповерхностном слое полупроводника. Основным элементом таких приборов является структура Металл-Диэллектрик-Полупроводник /МДП/. В качестве диэлектрической прослойки между металлом и полупроводником часто используют слой оксида, например диоксид кремния. Такие структуры носят название МОП-структур. Металлический электрод обычно наносят на диэлектрик вакуумным распылением. Этот электрод называется затвором.
ПТ являются униполярными полупроводниковыми приборами, так как их работа основана на дрейфе носителей заряда одного знака в продольном электрическом поле через управляемый канал n- или p-типа. Управление током через канал осуществляется поперечным электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах. Поэтому такие транзисторы называются полевыми.
Полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода в зависимости от канала делятся на ПТ с каналом p-типа и n-типа. Канал p-типа обладает дырочной проводимостью, а n-типа – электронной.
Если на затвор подать некоторое напряжение смещения относительно полупроводника , то у поверхности полупроводника возникает область объемного заряда, знак которой противоположен знаку заряда на затворе. В этой области концентрация носителей тока может существенно отличаться от их объемной концентрации.
Заряжение приповерхностной области полупроводника приводит к появлению разности потенциалов между нею и объемом полупроводника и, следовательно, к искривлению энергетических зон. При отрицательном заряде на затворе, энергетические зоны изгибаются вверх, так как при перемещении электрона из объема на поверхность его энергия увеличивается. Если затвор заряжен положительно то зоны изгибаются вниз.
Hа рисунке показана зонная структура n-полупроводника при отрицательном заряде на затворе и приведены обозначения основных величин, характеризующих поверхность; разность потенциалов между поверхностью и объемом полупроводника; изгиб зон у поверхности; середина запрещенной зоны. Из рисунка видно, что в объеме полупроводника расстояние от дна зоны проводимости до уровня Ферми меньше расстояния от уровня Ферми до потолка валентной зоны. Поэтому равновесная концентрация электронов больше концентрации дырок: как и должно быть у n-полупроводников. В поверхностном слое объемного заряда происходит искривление зон и расстояния от дна зоны проводимости до уровня Ферми по мере перемещения к поверхности непрерывно увеличивается, а расстояние до уровня Ферми до потолка валентной зоны непрерывно уменьшается.
Часто изгиб зон у поверхности выражают в единицах kT и обозначают Ys. Тогда при формировании приповерхностной области полупроводника могут встретиться три важных случая: обеднение, инверсия и обогащение этой области носителями заряда. Эти случаи для полупроводников n- и p-типа представлены на рис.
Обедненная область появляется в том случае, когда заряд затвора по знаку совпадает со знаком основных носителей тока. Вызванный таким зарядом изгиб зон приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике n-типа и до вершины валентной зоны в полупроводнике p-типа. Увеличение этого расстояния сопровождается обеднением приповерхностной области основными носителями. При высокой плотности заряда затвора, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей, по мере приближения к поверхности расстояние от уровня Ферми до потолка валентной зоны в полупроводнике n-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны проводимости. Вследствие этого, концентрация не основных носителей заряда /дырок/ у поверхности полупроводника становится выше концентрации основных носителей и тип проводимости этой области изменяется, хотя и электронов и дырок здесь мало, почти как в собственном полупроводнике. У самой поверхности, однако, не основных носителей может быть столько же или даже больше, чем основных в объеме полупроводника. Такие хорошо проводящие слои у поверхности с типом проводимости, противоположным объемному, называют инверсионными. К инверсионному слою вглубь от поверхности примыкает слой обеднения.
Если знак заряда затвора противоположен знаку заряда основных носителей тока в полупроводнике, то под его влиянием происходит притяжение к поверхности основных носителей и обогащение ими приповерхностного слоя. Такие слои называются обогащенными.
В интегральной электронике МДП-структуры широко используются для создания транзисторов и на их основе различных интегральных микроcхем. На рис. схематически показана структура МДП-транзистора с изолированным затвором. Транзистор состоит из кристалла кремния /например n-типа/, у поверхности которого диффузией /или ионной имплантацией/ в окна в оксиде формируются р-области, как показано на рис. Одну из этих областей называют истоком, другую — стоком. Сверху на них наносят омические контакты. Промежуток между областями покрывают пленкой металла, изолированной от поверхности кристалла слоем оксида. Этот электрод транзистора называют затвором. Hа границе между р- и n-областями возникают два р-n-перехода — истоковый и стоковый, которые на рисунке. показаны штриховкой.
Hа рис. приведена схема включения транзистора в цепь: к истоку подсоединяют плюс, к стоку — минус источника напряжения, к затвору — минус источника. Для простоты рассмотрения будем считать, что контактная разность потенциалов, заряд в оксиде и поверхностные состояния отсутствуют. Тогда свойства поверхностной области, в отсутствие напряжения на затворе, ничем не отличаются от свойств полупроводников в объеме. Сопротивление между стоком и истоком очень велико, так как стоковый р-n-переход оказывается под обратным смещением. Подача на затвор отрицательного смещения сначала приводит к образованию под затвором обедненной области, а при некотором напряжении называемом пороговым, — к образованию инверсионной области, соединяющей p-области истока и стока проводящим каналом. При напряжениях на затворе выше канал становится шире, а сопротивление сток-исток — меньше. Рассматриваемая структура является, таким образом, управляемым резистором.
Однако сопротивление канала определяется только напряжением на затворе лишь при небольших напряжениях на стоке. С увеличением носители из канала уходят в стоковую область, обедненный слой у стокового n-p-перехода расширяется и канал сужается. Зависимость тока от напряжения на стоке становится нелинейной.
При сужении канала число свободных носителей тока под затвором уменьшается по мере приближения к стоку. Чтобы ток в канале был одним и тем же в любом его сечении, электрическое поле вдоль канала должно быть, в таком случае, неоднородным, его напряженность должна расти по мере приближения к стоку. Кроме того, возникновение градиента концентрации свободных носителей тока вдоль канала приводит к возникновению диффузионной компоненты плотности тока.
При некотором напряжении на стоке канал у стока перекрывается, при еще большем смещении канал укорачивается к истоку. Перекрытие канала однако не приводит к исчезновению тока стока, поскольку в обедненном слое, перекрывшем канал, электрическое поле тянет дырки вдоль поверхности. Когда носители тока из канала вследствие диффузии попадают в эту область, они подхватываются полем и перебрасываются к стоку. Таким образом, по мере увеличения напряжения на стоке чисто дрейфовый механизм движения носителей тока вдоль канала сменяется диффузионно-дрейфовым.
Механизм протекания тока в МДП-транзисторе при сомкнутом канале имеет некоторые общие черты с протеканием тока в обратно-смещенном n-p-переходе. Напомним, что в n-p-переходе неосновные носители тока попадают в область пространственного заряда перехода вследствие диффузии и затем подхватываются его полем.
Как показывают теория и эксперимент, после перекрытия канала ток стока практически насыщается. Значение тока насыщения зависит от напряжения на затворе чем выше, тем шире канал и тем больше ток насыщения. Это типично транзисторный эффект — напряжением на затворе (во входной цепи) можно управлять током стока (током в выходной цепи). Характерной особенностью МДП-транзисторов является то, что его входом служит конденсатор, образованный металлическим затвором, изолированным от полупроводника.
На границе раздела полупроводник — диэлектрик в запрещенной зоне полупроводника существуют энергетические состояния, называемые поверхностными или, точнее, состояниями граници раздела. Волновые функции электронов в этих состояниях локализованы вблизи поверхности раздела в областях порядка постоянной решетки. Причина возникновения рассматриваемых состояний состоит в неидеальности граници раздела полупроводник — диэллектрик (оксид). На реальных границах раздела всегда имеется некоторое количество оборванных связей и нарушается стехиометрия состава оксидной пленки диэллектрика. Плотность и характер состояний граници раздела существенно зависят от технологии создания диэллектрической пленки.
Наличие поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэллектрик отрицательно сказывается на параметрах МДП-транзистора, так как часть заряда, наведенного под затвором в полупроводнике, захватывается на эти состояния. Успех в создании полевых транзисторов рассматриваемого типа был достигнут после отработки технологии создания пленки на поверхности кремния с малой плотностью состояний границы раздела.
В самом оксиде кремния всегда существует положительный «встроенный» заряд, природа которого до сих пор до конца не выяснена. Значение этого заряда зависит от технологии изготовления оксида и часто оказывается настолько большим, что если в качестве подложки используется кремний р-типа проводимости, то у его поверхности образуется инверсионный слой уже при нулевом смещении на затворе. Такие транзисторы называются транзисторами со ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ. Канал в них сохраняется даже при подаче на затвор некоторого отрицательного смещения. В отличие от них в транзисторах, изготовленных на n-подложке, в которой для образования инверсионного слоя требуется слишком большой заряд оксида, канал возникает только при подаче на затвор напряжения, превышающего некоторое пороговое напряжение. По знаку это смещение на затворе должно быть отрицательным для транзисторов с n-подложкой и положительным в случае p-подложки.
Входное сопротивление полевых транзисторов на низких частотах является чисто емкостным. Входная емкость образуется затвором и не перекрытой частью канала со стороны истока. Так как для заряда этой емкости ток должен протекать через не перекрытую часть канала с сопротивлением, то собственная постоянная времени транзистора равна. Это время, однако, очень мало, и в интегральных схемах, применяемых, например, в цифровой вычислительной технике, длительность переходных процессов определяется не им, а паразитными емкостями схемы и входными емкостями других транзисторов, подключенных к выходу данного. Вследствие этого при изготовлении таких схем стремятся сделать входную емкость как можно меньшей за счет уменьшения длинны канала и строгого совмещения границ затвора с границами стока и истока.
При больших напряжениях на стоке МДП-транзистора область объемного заряда от стоковой области может распространиться настолько сильно, что канал вообще исчезнет. Тогда к стоку устремятся носители из сильно легированной истоковой области, точно так же как при «проколе» базы биполярного транзистора.
«Твердотельная электроника» Г.И.Епифанов, Ю.А.Мома.
“ Электроника и Микросхемотехника” В.А. Скаржепа, А.Н. Луценко.