Полевой транзистор принцип работы: Мощные полевые транзисторы-принцип работы, применение

Мощные полевые транзисторы-принцип работы, применение

Существует два главных основополагающих типа полевых (униполярных, управляемых напряжением) транзисторов, являющихся активными полупроводниковыми элементами, обладающими высокой мощностью – это n-канальные иp-канальные.

Первые из них применяются более часто и отличаются наибольшим диапазоном токов и напряжений. Кроме этих моделей производятся полевые транзисторы, управляемые сигналом логического уровня, они обладают ограничением по току и защелкой по напряжению.

Определение полевого транзистора

Транзистор полевого типа считается полупроводниковым прибором, в конструкции которого регулировка осуществляется измерением проводимости проводящего канала, благодаря использованию поперечного электрического поля.

Другими словами, он является источником тока, который управляется Uз-и. От параметра напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала. Помимо p–n – канальных транзисторов существует их разновидность с затвором из металла, который изолирован от канала кремниевым диэлектриком.

Это МДП-транзисторы (металл – диэлектрик, (окисел) – проводник). Транзисторы с использованием окисела называются МОП-транзисторы.

Параметры, характеризующие полевой транзистор

1. Ширина канала – расстояние между p-n-переходами W.
2. Напряжение отсечки — напряжение на затворе при исчезновении каналов.
3. Напряжение насыщения – с него начинается формирование пологой части ВАХ.
4. Стоко-затворная ВАХ (вольт-амперная характеристика).

Рис. №1. Стоко-затворная ВАХ n-канального транзистора с

I_c= I_cmax (I – Uзи / U₀)² , здесь I_cmax стока.

5. Крутизна определяется по формуле S = dI_c / dUзи(мА/В),что является следствием увеличенияU рабочего стока, при этом крутизна полевого транзистора становится меньше.
6. Внутреннее сопротивление транзистора (дифференциальное сопротивление) r_cсоставляет в пологой части характеристики несколько МОм.
7. Лавинный пробой p-n-переходов возможен после повышения напряжения области стока и истока, что считается причиной ограничения применения полевого транзистора относительноUc.
8. Коэффициент усиления относительно напряжения µ_u= sr_спри уменьшении величины тока стока коэффициент µ_uповышается.
9. Инерционность полевого транзистора обуславливается временем,отводимым на заряд барьерной емкости переходов затвора.
10. Полевой транзистор обладает граничной частотой для улучшения своих качественных частотных свойств.

Проводимость транзистора

Существует две разновидности проводимости – электронная и дырочная, это означает, что в основе работы лежит использование электронов и дырок. Транзистор с электронной проводимостью относится к n-канальным устройствам, p-канальные транзисторы обладают дырочной проводимостью.

Отличие полевых униполярных транзисторов от биполярных заключается в наличии значительно высокого значения величины входного сопротивления. Потребление электроэнергии полевыми транзисторами отличается значительной экономией.

Небольшие габаритные размеры МОП-транзисторах позволяет занимать очень малую площадь в конструкции интегральной схемы, в противоположность биполярным аналогам. Благодаря этому достигается значительно уплотненная компоновка элементов в интегральных схемах. Технология производства интегральной схемы на МОП-транзисторах затрачивает намного меньшее количество операций, чем технология производства ИС с применением биполярного транзистора.

Структура полевого транзистора

Основополагающий принцип работы, на котором осуществляется действие полевого транзистора с использованием управляющего p-n-перехода основывается на изменении проводимости канала, которая возможна благодаря изменению поперечного сечения.

Сток и исток включают напряжение полярности, при котором главные носители заряда (ими являются электроны в канале n-типа) движутся от истока к стоку. В свою очередь, между затвором и истоком включается отрицательное напряжение, управляющее запиранием p – n–переходом.

Рис. №2. Структуры (а) полевых транзисторов с управляющим p—n-перехода и (б) структура транзистора с изолированным затвором.

При большем значении напряжения расширяется запирающий активный слой и канал становится уже. С уменьшением поперечного размера канала происходит увеличение сопротивления и уменьшение величины тока между стоком и истоком. Это действие позволяет управлять протеканием тока. При невысоком значении напряжения затвор  — исток происходит перекрытие канала запирающим слоем, что снижает проводимость канала. Ширина канала варьируется от нулевого значения  до отрицательных величин, иначе говоря, p-n-переходы затвора сдвигаются в обратном направлении, сопротивление увеличивается.

Напряжение на затворе после исчезновения канала и смыкании  p-n-перехода, определяется, как напряжение отсечки U

0– это величина считается одной из основополагающих для всех  разновидностей полевых транзисторов.

Рис. №3. Структура полевого транзистора. Канал, расположенный между электродами стоком и истоком сформирован из слабообогащенного полупроводника n-типа.

 

Сфера использования полевых транзисторов

Полевой транзистор является устройством, рассчитанным на большую мощность, характерным в конструкции регуляторов, конвертеров, драйверов, электродвигателей, реле и мощных биполярных транзисторов. Они применяются в конструкции зарядных устройств, автоэлектроники, устройствах управления температурным режимом, широкополосных и малошумящих усилителях в схемах зарядочувствительных предусилителей и прочее.  Для полевых транзисторов характерно наличие высокого входного сопротивления.

Управление полевым транзистором производится непосредственно от микросхемы, без применения добавочных усиливающих каскадов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Похожее

Полевой транзистор — это… Что такое Полевой транзистор?

Полевой транзистор (англ. field-effect transistor, FET) — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия

перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

История создания полевых транзисторов

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 29 мая 2012.

Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов — полевых транзисторов с барьером Шоттки — была предложена и реализована Мидом (англ.)русск. в 1966 году. Затем в 1977 году ученый Джеймс МакКаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем.

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом, или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Рис. 1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком (Source). Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком (Drain). Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (Gate).

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U_ЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U_ЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и статические характеристики передачи (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.  В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки U_ЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта в зависимости от напряжения U_ЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

 — Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO₂ и толстый слой нитрида Si₃N₄. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO₂ электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO₂ предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния.^[1]

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности.^[2][3]

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы (англ.)). В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера.^[4]

Области применения полевых транзисторов

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, так как обладают малыми нелинейными и динамическими искажениями.

См. также

Ссылки

Примечания

1. ↑ Дьяконов В. П. Intel. Новейшие информационные технологии. Достижения и люди. М.: СОЛОН-Пресс.- 2004.- 416 с.
2. ↑ Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник. В. В. Бачурин, В. Я. Ваксембург, В. П. Дьяконов и др.; Под ред. В. П. Дьяконова.- М.: Радио и связь, 1994.- 280 с.
3. ↑ Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю.; Под ред. проф. В. П. Дьяконова.- М.: СОЛОН-Р, 2002.- 512 с.
4. ↑ Semiconductor Physical Electronics (Second Edition). Sheng S. Li.- Springer, 2006.- 708 p. ISBN 0-387-28893-7 ISBN 978-0387-28893-2

Полевой транзистор: строение, принцип действия, применение | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Среди значительного количества полу­проводниковых приборов, которые исполь­зуются для усиления и генерирования элект­ромагнитных сигналов, видное место зани­мают полевые транзисторы.

Полевой транзистор имеет основу — стер­жень или небольшую пластинку из полупро­водникового вещества, к которой прива­рены два электрода — исток (И) и сток (С). На боковой поверхности стержня, который имеет проводимость, например n-типа, со­здается зона проводимости p-типа (рис. 8.26). К полупроводнику p-типа приварен элект­род З, имеющий название затвор.

Между полупроводниками с разными ти­пами проводимости получается кольцевой p-n-переход, с помощью которого осущест­вляется регулирование силы тока на участ­ке исток—сток. Участок внутри кольцевого p-n-перехода называется каналом.

Основа полевого транзистора может иметь проводимость и p-типа. На рис. 8.27 пока­заны схематические изображения полевых транзисторов с основой n-типа (а) и p-ти­па (б).

Если к транзистору (исток—сток) подать постоянное напряжение, то сила тока в цепи будет постоянной, поскольку она за­висит лишь от сопротивления канала тран­зистора. Ширину этого канала (поперечное сечение), а значит, и сопротивление можно регулировать напряжением, приложенным между истоком и затвором.

Рис. 8.26. Структура полевого транзис­тора

Рис. 8.27. Схематические изображения полевых транзисторов

Если p-n-переход (исток—затвор) подклю­чен в прямом направлении, то ширина ка­нала возрастает и сила тока в цепи исток—сток увеличивается. А если p-n-переход под­ключен в обратном направлении, то ши­рина канала уменьшается, что ведет к уменьшению силы тока в транзисторе. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 8.28. Схема усилителя на полевом транзисторе

Если к p-n-переходу приложить перемен­ное напряжение, то ширина канала будет изменяться в соответствии с колебаниями этого напряжения и можно получить коле­бание силы тока в цепи исток—сток. Таким способом можно усиливать колебания, ру­ководящие шириной канала транзистора.

Принципиальная схема усилителя элект­рических колебаний на полевом транзисторе изображена на рис. 8.28. Напряжение сиг­нала, подающееся на p-n-переход затвор—исток, может быть усилено во много раз и снимется из резистора нагрузки R. В отли­чие от биполярных транзисторов, в основ­ном использующихся для усиления силы тока, полевые транзисторы успешно исполь­зуются для усиления напряжения.

Объединение свойств биполярных и поле­вых транзисторов позволяет создавать разно­образнейшие устройства современной элект­роники, являющейся одной из основ научно-технического прогресса.

На этой странице материал по темам:

• Полевой транзистор кратко лекция

• Полевой транзистор n типа принцип работы

• Полевые транзисторы.принцип действия,применения

• Краткое содержание темы полевые транзисторы

• Полевой транзистор принцип работы

Вопросы по этому материалу:

• Какова структура полевого транзистора?

• Объясните в общих чертах принцип действия полевого транзистора.

  

• Как условно обозначают полевые транзисторы на схемах?

• Для чего в основном используются полевые транзисторы?

Мощные полевые транзисторы — принцип работы, применение | Электронщик

Существует два главных основополагающих типа полевых (униполярных, управляемых напряжением) транзисторов, являющихся активными полупроводниковыми элементами, обладающими высокой мощностью – это n-канальные иp-канальные.

Первые из них применяются более часто и отличаются наибольшим диапазоном токов и напряжений. Кроме этих моделей производятся полевые транзисторы, управляемые сигналом логического уровня, они обладают ограничением по току и защелкой по напряжению.

Определение полевого транзистора

Транзистор полевого типа считается полупроводниковым прибором, в конструкции которого регулировка осуществляется измерением проводимости проводящего канала, благодаря использованию поперечного электрического поля.

Другими словами, он является источником тока, который управляется Uз-и. От параметра напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала. Помимо p–n – канальных транзисторов существует их разновидность с затвором из металла, который изолирован от канала кремниевым диэлектриком. Это МДП-транзисторы (металл – диэлектрик, (окисел) – проводник). Транзисторы с использованием окисела называются МОП-транзисторы.

Параметры, характеризующие полевой транзистор

• Ширина канала – расстояние между p-n-переходами W.
• Напряжение отсечки — напряжение на затворе при исчезновении каналов.
• Напряжение насыщения – с него начинается формирование пологой части ВАХ.
• Стоко-затворная ВАХ (вольт-амперная характеристика).

Рис. №1. Стоко-затворная ВАХ n-канального транзистора с

Ic= Icmax (I – Uзи / U0)2 , здесь Icmax стока.

• Крутизна определяется по формуле S = dIc / dUзи(мА/В),что является следствием увеличенияU рабочего стока, при этом крутизна полевого транзистора становится меньше.
• Внутреннее сопротивление транзистора (дифференциальное сопротивление) rcсоставляет в пологой части характеристики несколько МОм.
• Лавинный пробой p-n-переходов возможен после повышения напряжения области стока и истока, что считается причиной ограничения применения полевого транзистора относительноUc.
• Коэффициент усиления относительно напряжения µu= srспри уменьшении величины тока стока коэффициент µuповышается.
• Инерционность полевого транзистора обуславливается временем,отводимым на заряд барьерной емкости переходов затвора.
• Полевой транзистор обладает граничной частотой для улучшения своих качественных частотных свойств.

Проводимость транзистора

Существует две разновидности проводимости – электронная и дырочная, это означает, что в основе работы лежит использование электронов и дырок. Транзистор с электронной проводимостью относится к n-канальным устройствам, p-канальные транзисторы обладают дырочной проводимостью.

Отличие полевых униполярных транзисторов от биполярных заключается в наличии значительно высокого значения величины входного сопротивления. Потребление электроэнергии полевыми транзисторами отличается значительной экономией.

Небольшие габаритные размеры МОП-транзисторах позволяет занимать очень малую площадь в конструкции интегральной схемы, в противоположность биполярным аналогам. Благодаря этому достигается значительно уплотненная компоновка элементов в интегральных схемах. Технология производства интегральной схемы на МОП-транзисторах затрачивает намного меньшее количество операций, чем технология производства ИС с применением биполярного транзистора.

Структура полевого транзистора

Основополагающий принцип работы, на котором осуществляется действие полевого транзистора с использованием управляющего p-n-перехода основывается на изменении проводимости канала, которая возможна благодаря изменению поперечного сечения. Сток и исток включают напряжение полярности, при котором главные носители заряда (ими являются электроны в канале n-типа) движутся от истока к стоку. В свою очередь, между затвором и истоком включается отрицательное напряжение, управляющее запиранием p – n–переходом.

Рис. №2. Структуры (а) полевых транзисторов с управляющим p-n-перехода и (б) структура транзистора с изолированным затвором.

При большем значении напряжения расширяется запирающий активный слой и канал становится уже. С уменьшением поперечного размера канала происходит увеличение сопротивления и уменьшение величины тока между стоком и истоком. Это действие позволяет управлять протеканием тока. При невысоком значении напряжения затвор  — исток происходит перекрытие канала запирающим слоем, что снижает проводимость канала. Ширина канала варьируется от нулевого значения  до отрицательных величин, иначе говоря, p-n-переходы затвора сдвигаются в обратном направлении, сопротивление увеличивается.

Напряжение на затворе после исчезновения канала и смыкании  p-n-перехода, определяется, как напряжение отсечки U0– это величина считается одной из основополагающих для всех  разновидностей полевых транзисторов.

Рис. №3. Структура полевого транзистора. Канал, расположенный между электродами стоком и истоком сформирован из слабообогащенного полупроводника n-типа.

Сфера использования полевых транзисторов

Полевой транзистор является устройством, рассчитанным на большую мощность, характерным в конструкции регуляторов, конвертеров, драйверов, электродвигателей, реле и мощных биполярных транзисторов. Они применяются в конструкции зарядных устройств, автоэлектроники, устройствах управления температурным режимом, широкополосных и малошумящих усилителях в схемах зарядочувствительных предусилителей и прочее.  Для полевых транзисторов характерно наличие высокого входного сопротивления. Управление полевым транзистором производится непосредственно от микросхемы, без применения добавочных усиливающих каскадов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы — это полупроводниковые приборы, которые ста­новятся все более популярными в современной электронике. Их рабо­та основана на использовании полупроводникового токонесущего канала, сопротивление которого управляется электрическим полем.Тем самым обеспечивается управление величиной тока, протекающего по каналу.

Полевые транзисторы называют также униполярными транзисторами, поскольку перенос заряда в них осуществляется только основными носителями. Ток этих носителей протекает в полупроводнике только одного типа — или n-типа, или p-типа. В отличие от полевого работа обычного транзистора основана на переносе как неосновных, так и основных носи­телей заряда. Это связано с тем, что ток в них протекает через прямосмещенный переход база-эмиттер (основные носители) и обратносмещенный переход база-коллектор (неосновные носители). Поэтому обычные транзисторы называют биполярными транзисторами.

У полевого транзистора три электрода: исток s (source), затвор g (gate) и сток d (drain). Эти электроды соответствуют эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора.

Полевые транзисторы малы по размерам и имеют очень высокое входное сопротивление.Они менее чувствительны к изменениям температуры по сравнению с биполярными транзисторами и поэтому менее склонны к тепловому пробою. Следует также отметить простоту разработки схем на основе полевых транзисторов, в которых используется меньше компонентов, чем в аналогичных схемах на биполярных транзисторах.

Полевые транзисторы просты в изготовлении и лучше подходят для использования в интегральных схемах, чем их собратья — биполярные транзисторы.

Существуют два типа полевых транзисторов: транзисторы с управляющим pn-переходом и транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор).

Транзистор с управляющим pn-переходом

 

Рассмотрим канал из полупроводника n-типа (канал n-типа), к которо­му приложено постоянное напряжение V_DD(рис. 26.1(а)). По каналу от тока к истоку будет протекать ток, называемый током стока I_d. Если теперь внутри п-канала путем диффузии создать область      р-типа, называемую затвором (рис. 26.1(б)), то образуется рп-переход. Точно так же, как в случае обычного рп-перехода, в области перехода формируется слой, обедненный основными носителями заряда. Видно, что обедненный слой ограничивает протекание тока по каналу, уменьшая эффективную шири­ну последнего. Другими словами, он увеличивает сопротивление канала. Ширину обедненного слоя можно увеличить, т. е. еще больше ограничить протекание тока, если подать на переход напряжение V_GS, которое сме­стит переход в обратном направлении (рис. 26.1(б)). Изменяя величину напряжения обратного смещения на затворе, можно управлять величи­ной тока стока I_D. На рис. 26.2 показано поперечное сечение структуры полевого транзистора рассматриваемого типа.

Рис. 26.1. Принцип работы полевого транзистора с управляющим рп-переходом.

Рис. 26.2.   Поперечное сечение структуры

полевого транзистора с управляющим рп-переходом.

Рис. 26.3. Условные обозначения транзисторов

с управляющим рп-переходом.

Применяются также полевые транзисторы с каналом p-типа, питае­мые от источника отрицательного напряжения – V_DD. Условные обозна­чения обоих типов транзисторов с управляющим pn-переходом приведены на рис. 26.3.

 

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп-переходом в схеме с общим истоком показано на рис. 26.4. Они ана­логичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти ха­рактеристики показывают зависимость выходного тока I_D от выходного напряжения V_DS(напряжения между стоком и истоком) для заданных Значений напряжения на затворе V_GS(напряжения между затвором и истоком).

Диапазон изменения смещающего напряжения затвор-исток доволь­но велик (несколько вольт) в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно.

Видно, что при увеличении (по абсолютной величине) напряжения на затворе ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся обедненный слой перехода затвор-канал не пере­кроет весь канал, останавливая протекание тока. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в состоянии отсечки.

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику для V_GS= 0 (рис. 26.4). При уве­личении напряжения V_DS(от нулевого значения) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигает точки Р, после которой величина тока практически не изменяется. Напряжение в точке Р называется напря­жением отсечки. При этом напряжении обедненный слой, связанный с обратносмещенным переходом затвор-канал, почти полностью перекры­вает канал. Однако протекание тока I_Dв этой точке не прекращается, поскольку благодаря этому току как раз и создается обедненный слой. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои точки отсеч­ки: P₁, P₂ и т. д. Если соединить эти точки друг с другом линией, то правее ее лежит область отсечки, являющаяся рабочей областью полевого транзистора.

 

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного усилителя ЗЧ на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме через резистор утечки R₁ отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор R₃ обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затво­ра.

 

Рис. 26.4. Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп-переходом.

 

Рис. 26.5. УЗЧ на п-канальном полевом транзисторе с управляющим рп-переходом.

Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. R₂ – нагрузочный резистор, который может иметь очень большое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязыва­ющий конденсатор С₂ в цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R₃. Следует отметить, что раз­делительный конденсатор С₁ может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) благодаря высокому входному сопротивлению полевого транзистора.

При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызы­вая, в свою очередь, изменение выходного напряжения на стоке транзи­стора. Во время положительного полупериода входного сигнала напря­жение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор-исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток I_Dполевого транзистора. Увеличение I_D приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И на­оборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует по­ложительный полупериод выходного сигнала. Таким образом, входной и выходной сигналы усилителя с общим истоком находятся в противофазе.

Одно из преимуществ полевого транзистора – очень малый ток утечки затвора, величина которого не превышает нескольких пикоампер (10^-12 A). Поэтому в схеме усилителя па рис. 26.5 затвор находится практически при нулевом потенциале. Ток полевого транзистора протекает от стока к истоку и обычно отождествляется с током стока I_D (который, очевидно, равен току истока I_S).

Рассмотрим схему на рис. 26.5. Полагая I_D = 0,2 мА, вычисляем потенциал истока:           V_S = 0,2 мА · 5 кОм = 1 В. Это величина напряжения обратного смещения управляющего    pn-перехода.

Падение напряжения на резисторе R₂ = 0,2 мА · 30 кОм = 6 В.

Потенциал стока V_D = 15 – 6 = 9 В.

Линия нагрузки

Линию нагрузки можно начертить точно так же, как для биполярного транзистора. На рис. 26.6 показана линия нагрузки для схемы па же. 26.5.

Если I_D = 0, то V_DS= V_DD = 15 В. Это точка Х на линии нагрузки.

Если V_DS= 0, то почти все напряжение V_DDисточника питания па­дает на резисторе R₂. Следовательно, I_D = V_DD / R₂= 15 В / 30 кОм = 0,5 мА. Это точка Y на линии нагрузки. Рабочая точка Q выбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области отсечки.

Выбранная рабочая точка Q (точка покоя) на рис. 26.6 определяется величинами:               I_D = 0,2 мА, V_GS= — 1 В, V_DS= 9 В.

МОП-транзистор

В полевом транзисторе этого типа роль затвора играет металлический электрод, электрически изолированный от полупроводника тонкой пленкой диэлектрика, в данном случае оксида. Отсюда и название транзистора «МОП» — сокращение от «металл-оксид-полупроводник».

Канал п-типа в МОП-транзисторе формируется за счет притяже­ния электронов из подложки р-типа диэлектрическим слоем затвора (рис. 26.7). Ширину канала можно изменять, подавая на затвор электрический потенциал. Подача положительного (относительно подложки)

 

Рис. 26.6. Линия нагрузки усилителя на полевом транзисторе (рис. 26.5).

Рис. 26.7. Поперечное сечение МОП-транзистора.

потенциала приводит к расширению канала п-типа и увеличению тока через этот канал, подача отрицательного потенциала вызывает сужение канала и уменьшение тока. Для МОП-транзистора с каналом р-типа си­туация изменяется на обратную.

Существует два типа МОП-транзисторов: транзисторы, работающие в режиме обогащения, и транзисторы, работающие в режиме обедне­ния. Транзистор, работающий в режиме обогащения, находится в состоянии отсечки тока (нормально выключен), когда напряжение смеще­ния V_GS= 0.

 

Рис. 26.8. Выходные характеристики МОП-транзистора с каналом п-типа, ра­ботающего в режиме обогащения, и условное обозначение этого транзистора.

 

Рис. 26.9. Выходные характеристики МОП-транзистора с каналом n-типа, ра­ботающего в режиме обеднения, и условное обозначение этого транзистора.

Протекание тока начинается только при подаче напряже­ния смещения на затвор. Выходные характеристики п-канального МОП-транзистора с каналом п-типа, работающего в режиме обогащения, и его условное обозначение показаны на рис. 26.8.

МОП-транзистор, работающий в режиме обеднения, проводит ток, ко­гда напряжение смещения на затворе отсутствует (нормально включен). Для МОП-транзистора с каналом    n-типа ток стока увеличивается при подаче на затвор положительного напряжения и уменьшается при подаче отрицательного напряжения (рис. 26.9).

Условное обозначение МОП-транзистора с каналом р-типа показано на рис. 26.10. Заметим, что прерывающаяся жирная линия указывает на МОП-транзистор, работающий в режиме обогащения (нормально выключен).

                                

Рис. 26.10. Условное обозначение МОП-транзистора с каналом         р-типа.

 

Рис. 26.11. Усилитель на МОП-транзисторе с каналом р-типа, рабо­тающий в режиме обеднения.

Сплошная линия используется для обозначения МОП-транзистора, работающего в режиме обеднения (нормально включен). Вывод подлож­ки обозначается буквой «Ь», обычно он соединяется с выводом истока. На рис. 26.11 схема типичного усилителя с общим истоком на МОП-транзисторе с каналом р-типа, работающего в режиме обеднения. Ис­пользуется источник питания с отрицательным напряжением. Положи­тельное напряжение смещения между затвором и истоком V_GSсоздается обычным образом с помощью резистора R₃ в цепи истока.

В этом видео рассказывается о типах полевых транзисторов:

Добавить комментарий

Эффект поля. физические принципы работы полевых транзисторов. вольт-амперная характеристика (вах). проводимость канала. барьеры шотки в качестве областей истока и стока. Пробой в транзисторах

Рассмотрим схематически возникновение эффекта поля. Для этого возьмем образец полупроводника в виде тонкой пластинки, вдоль которой течет ток через омические контакты. К поверхности пластинки через слой диэлектрика (или чаще через слой окисла) можно дополнительно приложить внешнее электрическое поле от металлического электрода. Возникает структура «металлдиэлектрик-полупроводник» («металл-окисел-полупроводник»). Эту структуру можно рассматривать как конденсатор, к обкладкам которого приложено внешнее напряжение. За счет этого напряжения на обкладках конденсатора возникает заряд, что приводит к изменению концентрации носителей на поверхности полупроводника.

Если концентрация носителей заряда в рассматриваемом образце мала, а толщина образца тоже достаточно мала, то индуцированное внешним электрическим полем изменение концентрации может существенно изменить ток вдоль пластинки. Это явление называется эффектом поля. Оно определяет принцип работы униполярных или полевых транзисторов. В отличие от биполярных транзисторов действие полевых транзисторов зависит от изменения тока основных носителей заряда.

Полевой транзистор это усилительный полупроводниковый прибор с тремя контактами, которые называются исток, сток и затвор. Исток и сток контакты к тонкому проводящему слою полупроводника каналу, изготовленному на поверхности высокоомной подложки. Поток основных носителей заряда через проводящую область (канал) управляется поперечным электрическим полем. Это поле создается напряжением, подаваемым на внешний электрод (затвор). Ток в полевом транзисторе протекает истоком и стоком, через соединяющий их канал. Значение тока зависит от напряжения на затворе. Исток это электрод, от которого двигаются основные

носители заряда, сток это электрод, к которому двигаются основные носители.

По типу проводимости канала различают полевые транзисторы

с каналами n −   и

p − типа, по устройству полевые транзисторы с

управляющим

p − n − переходом и  с  изолированным затвором со

структурой «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДПтранзисторы). Наиболее широко применяются кремниевые полевые транзисторы. Для их изготовления используют высокоомную подложку, на поверхности которой создается слой окисла SiO2  толщиной 10-6÷10-5  см. Диоксид кремния служит диэлектриком. В этом случае приборы имеют структуру «металл-окисел-полупроводник», и их

называют МОП-транзисторы.

Полевые транзисторы могут иметь встроенный канал, создаваемый в процессе изготовления транзистора (изолированный затвор обедненного типа). Иногда используют индуцированный канал, наведенный внешним напряжением на затворе (с изолированным затвором обогащенного типа).

Рассмотрим подробнее три режима работы МОП-транзистора,

отличающиеся характером явлений на поверхности полупроводника: а) обогащение; б) обеднение; в) инверсия. За материал подложки принимаем полупроводник

p − типа.

Режим обогащения

(Uз

< 0) . Контактная разность потенциалов

между металлом и полупроводником равна нулю. В этом случае возникает электрическое поле, направленное от полупроводника к затвору. Такое поле смещает основные носители по направлению к границе раздела «окисел-полупроводник». В результате на границе возникает обогащенный слой с избыточной концентрацией дырок.

Данное явление можно описать и по-другому. При Uз < 0

потенциал

на поверхности полупроводника уменьшается. Это означает, что зона проводимости, валентная зона, а также уровень, определяющий собственную проводимость, изгибаются вверх. В результате валентная зона приближается к уровню Ферми и концентрация дырок в поверхностном слое становится больше, чем в объеме.

Режим обеднения

(Uз

> 0) . В этом случае возникает электрическое поле, вектор напряженности которого направлен от затвора к полупроводнику. Это поле выталкивает дырки с границы раздела

«окисел-полупроводник» в глубь кристалла. Как следствие этого, в непосредственной близости от границы возникает зона, обедненная дырками. Получается, что в этом случае энергетические уровни в окрестности раздела изгибаются вниз, валентная зона удаляется от

уровня Ферми, и наблюдается обеднение.

Режим инверсии

(Uз

>> 0) . Если к затвору приложить достаточно большое положительное напряжение, то это приведет к увеличению толщины обедненного слоя и к росту поверхностного электрического потенциала. Данное явление является следствием того, что энергетические уровни сильно изгибаются вниз. Изгиб оказывается таким, что в малой окрестности границы раздела «окиселполупроводник» уровень, соответствующий середине запрещенной зоны, падает ниже уровня Ферми. При этом поверхностный потенциал превышает потенциал Ферми. Изгиб энергетических уровней приводит к тому, что уровень Ферми и дно зоны проводимости сближаются.

В результате большое число электронов вытесняется из полупроводника на его поверхность, образуя заряженный слой. В пределах этого слоя электроны становятся основными носителями, а полупроводник меняет тип проводимости с

p −   на

n − тип. Из-за инверсии электропроводности данный слой называют инверсионным

слоем или каналом

n − типа.

Инверсия может быть слабой, тогда инверсионный канал не образуется, или сильной, тогда образуется инверсионный канал. За счет изгиба энергетических зон малым изменениям толщины обедненного слоя соответствуют такие приращения потенциала, которые сопровождаются большими приращениями концентраций электронов в инверсионном слое. Таким образом, МОП-структура проявляет емкостные свойства.

Удобно считать, что при инверсии в непосредственной близости

от поверхности полупроводника возникает сильно асимметричный

p − n +  − переход, или, канал

n − типа. Именно свойства этого канала

определяют характеристики МОП-транзистора. Отметим, что МОПприборы чаще всего работают в режиме сильной инверсии.

Наиболее простая модель МОП-структуры получается в режиме малого сигнала. В этом случае емкость МОП-конденсатора пропорциональна амплитуде переменной составляющей сигнала. Эквивалентную схему МОП-структуры можно представить в виде последовательного соединения двух конденсаторов. Емкость первого из них

С0 ,  величина  постоянная,  обусловлена  окисным  слоем.  Второй

конденсатор имеет  емкость

Сs ,  которая зависит от  напряжения,

приложенного к слою разделенного пространственного заряда толщиной W . Таким образом, емкость МОП-конденсатора выражается формулой:

C =      C0Cs   ,

C0 + Cs

εап

где

Cs =  W

.           (13.1)

Величина

ε ап

представляет собой  абсолютную диэлектрическую проницаемость полупроводника.

На  рис.  13.1  представлены  вольт-фарадные  характеристики

МОП-транзистора при низких (5…100 Гц) и высоких частотах (около

1 МГц).

Рис. 13.1. Отношение C

C0 как функция напряжения, приложенного к затвору в

режиме малого сигнала на низких (1) и высоких (2) частотах

Если выполняется условие сильной инверсии, то имеет место

неравенство

Сs >> C0

и поэтому можно считать, что

C = C0 . На низких частотах изменение числа актов генерации-рекомбинации неосновных  носителей  (электронов  в  подложке

нально амплитуде малого сигнала.

p − типа)  пропорциоНа высоких частотах условия обеднения и обогащения остаются теми же, что и на низких частотах. Прежними оказываются также условия инверсионного режима, при котором дифференциальная емкость обусловлена генерацией электронов, создающих инверсионную область. Однако переменный высокочастотный сигнал может привести к появлению слоя толщиной W , в пределах которого сигнал изменяет свою полярность.

Итак, вольт-фарадные характеристики МОП-структуры в режиме малого сигнала зависят от частоты. Положение границы между областями высоких и низких частот зависит от тех факторов, которые определяют скорость процессов генерации-рекомбинации. К их числу относится и изменение температуры.

Пороговое напряжение напряжение на затворе, при котором

начинается режим сильной инверсии. Связь между пороговым напряжением

Uпор , напряжением на затворе Uз

и плотностью подвижного заряда Qn

заряда, который выталкивается на поверхность

за счет приложенного напряжения, выражается так:

Qn = C0 (Uз − Uпор ) .          (13.2)

Понятие порогового напряжения является одним из основных в

теории МОП-приборов.

Рассмотрим полевой транзистор с управляющим

p − n − переходом.  Такой  прибор  имеет  меньшее входное  сопротивление по сравнению с МОП-транзистором. Входное сопротивление цепи затвора полевого транзистора очень большое, порядка 109÷1012   Ом.

Существуют полевые транзисторы с управляющим

p − n − переходом и каналом либо

p − , либо

n − типа. В этих структурах используются явления в объеме полупроводника.

На рис. 13.2 показана структура и условное графическое изображение полевого транзистора с управляющим переходом и каналом

p − типа, соединяющим области истока и стока.

Рис. 13.2. Полевой транзистор с управляющим

p − n − переходом и каналом p − типа: (а) физическая структура; (б) условное графическое обозначение

Электрод истока заземлен; режим цепи стока выбран таким образом, что происходит дрейфовое движение основных носителей в

p − канале от истока к стоку. К электроду затвора относительно истока приложено некоторое напряжение смещения

U > 0 . При этом

p − n − переходы       смещены        в          обратном        направлении  и          толщина

обедненного слоя  W возрастает, а толщина канала сокращается,

что ведет к соответствующему изменению проводимости. Поэтому данный  прибор  можно  рассматривать  как  переменный  резистор,

управляемый напряжением

приведены на рис. 13.3.

Uз . ВАХ данного полевого транзистора

Рис. 13.3. Семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим

p − n − переходом

При фиксированном напряжении затвора Uз

ток стока Ic

возрастает до тех пор, пока напряжение стока Uc

не достигнет значения, выше которого ток стока остается постоянным. Это означает, что канал переходит в режим отсечки. Чем больше модуль напряжения стока, тем меньшим становится влияние напряжения, поданного на

p − n − переход. Как следствие возрастает толщина канала.

При

Uз > Uc

канал перекрывается. Ток стока остается постоянным,

так как все носители, инжектированные в проводящую область, достигают стока, не испытывая рекомбинации.

Реальному транзистору свойственны ограничения, связанные с лавинным пробоем за счет токов утечки затвора, тепловым пробоем из-за выделения теплоты в канале, а также с пробоем под действием процессов генерации-рекомбинации, обусловленных поверхностными явлениями.

Отметим также полевой транзистор с управляющим переходом

«металл-полупроводник». Он похож по принципу действия на полевой транзистор с управляющим

p − n − переходом. Однако здесь затвором служит не

p − n − переход, а выпрямляющий контакт «металл-полупроводник». Такие полевые транзисторы создают на основе сложных полупроводниковых соединений типа AIII-ВV, в которых высокая подвижность электронов позволяет свести к минимуму последовательное сопротивление и увеличить граничную частоту.

Материал взят из книги Основы полупроводниковой техники и ее применение  в  автотранспортном  комплексе (Ткачева Т.М.)

Полевые транзисторы, принцип их работы

1. Полевые транзисторы, принцип их работы

Наряду с биполярными транзисторами нашли применение полевые транзисторы. В отличие от биполярного транзистора, где происходит токовое управление потоком рабочих носителей заряда, в полевом транзисторе управление потоком осуществляется электрическим полем, что и дало наименование прибору. Такие транзисторы также называются униполярными, поскольку в них рабочие носители заряда одного типа переносятся по каналу, формируемому в n  или  p полупроводнике. По способу формирования канала эти приборы подразделяются на транзисторы с p-n переходом, со встроенным каналом и индуцируемым каналом. Два последних типа относятся к МДП-транзисторам.

Преимуществом полевых транзисторов является весьма малый уровень мощности, который потребляется для управления потоком, поскольку ток входной цепи практически равен нулю. Однако эти транзисторы уступают биполярным по уровню выходной мощности.

Рисунок 1.13. Структура полевого транзистора

с p-n переходом

Структура транзистора с p-n переходом схематически представлена на рис. 1.13. На этом рисунке показано включение этого транзистора по схеме с общим истоком, аналогичной схеме ОЭ включения биполярного транзистора. Канал протекания рабочих носителей заряда (в рассматриваемом случае электронов), формируемый в полупроводнике n-типа, заключен между двумя p-n переходами. Канал с двух сторон снабжен двумя электродами: истоком, от которого рабочие носители заряда начинают движение, и стоком, где это движение заканчивается. Третий электрод, затвор, соединен с p-слоями. Между истоком и стоком приложено напряжение U, обеспечивающее перенос носителей заряда между этими электродами. Управляющим (входным) напряжением является U. На затвор подается “минус” относительно истока, что обусловливает пребывание p-n перехода в закрытом состоянии и, следовательно, малую величину тока в цепи затвора.  При увеличении отрицательного значения напряжения U происходит увеличение ширины p-n перехода за счет уменьшения  ширины n-канала (см. рис. 1.14,а), а, следовательно, увеличение его сопротивления. Таким образом, управление потоком рабочих носителей заряда в полевом транзисторе осуществляется за счет изменения сопротивления канала при изменении напряжения затвор-исток.

Рисунок 1.14. Сужение канала полевого транзистора

с p-n переходом  при приложении напряжений: а — U,  б — U  

Напряжение U положительной полярности также изменяет ширину канала за счет изменения ширины p-n перехода. Однако, оно распределено по длине канала: потенциал стока относительно затвора выше, чем у истока, а поэтому ширина канала уменьшается по мере приближения к стоку, что иллюстрируется рис. 1.14,б. Очевидно, степень уменьшения ширины канала, а, следовательно, его сопротивление будет увеличиваться при увеличении напряжения U. Этим  объясняется ход выходной, стоковой характеристики, приведенной на рис.1.15. При малых значениях напряжения U обусловленное этим напряжением уменьшение ширины канала не существенно, и ток стока I резко увеличивается с ростом U. При больших значениях напряжения U ток носителей заряда находится под влиянием двух противодействующих факторов. Первый фактор, который действует при малых напряжениях U, это увеличение скорости переноса носителей заряда от истока к стоку при увеличении напряжения сток – исток. Второй фактор – увеличение сопротивления канала, значимость которого возрастает при увеличении напряжения U. В результате действия обоих факторов величина тока стока лишь немного растет при увеличении напряжения U, в приборе устанавливается режим насыщения, ограничивающийся сверху пробивным напряжением. Режимы пробоя на рис. 1.15 (а также на рис. 1.17) не указаны. Увеличение отрицательного напряжения U увеличивает сопротивление канала, что обусловливает смещение вольтамперной характеристики в область малых значений тока I. При этом также уменьшается величина напряжения пробоя.

           Рисунок 1.15. Стоковая характеристика полевого

                           транзистора с p-n переходом

Обычно для  полевых транзисторов приводят лишь выходную характеристику и только в некоторых случаях следующую из нее передаточную характеристику: зависимости величины тока стока от напряжения  U, построенные для ряда фиксированных значений напряжения  Uси. Входные характеристики (зависимости  I от  U при фиксированном значении  Uси) не имеют практического значения.          

Наименование МДП-транзисторы (“металл – диэлектрик – проводник”) связано с конструктивными особенностями этих приборов. Они отражены на рис.1.16, на котором приведена схема конструкции транзистора с встроенным n-каналом. На поверхности подложки, которая выполнена из полупроводника типа p, создается канал  n -типа с областями истока и стока. Полупроводник покрыт окисной пленкой, на которую наносится металлическая пленка, выполняющая функцию затвора. Таким образом, канал оказывается изолированным от затвора диэлектрической, окисной пленкой.

В общем случае МДП-транзистор имеет четыре электрода. Четвертый электрод соединен с подложкой. Схема включения такого транзистора показана на рис. 1.16.

Влияние напряжения сток-исток на величину сопротивления канала, а поэтому и на ход вольтамперной характеристики МДП-транзистора аналогичны соответствующим зависимостям в транзисторе с p-n переходом. Это схематически представлено на рис. 1.16 постепенным сужением канала при приближении к стоку. Управление потоком рабочих носителей заряда в канале осуществляется изменением напряжения U, которое может быть как положительным, так и отрицательным. При положительном напряжении электрическим полем из подложки в канал притягиваются дополнительные электроны, в результате чего ширина канала увеличивается,  его сопротивление уменьшается, а ток стока – увеличивается. При отрицательном напряжении U,  наоборот, происходит выталкивание электронов из канала в подложку, и тем самым увеличивается сопротивление канала, и уменьшается ток стока. Режим, соответствующий положительному напряжению затвор – исток, получил наименование обогащения, а соответствующий отрицательному напряжению – обеднения.

Рисунок 1.16. Структура МДП-транзистора

с встроенным n-каналом

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом специально канал не создается. Он формируется (индуцируется) на поверхности подложки при положительном напряжении затвор- исток, когда электрическое поле затвора вытягивает из подложки электроны, рабочие носители заряда. Эти заряды под действием напряжения U переносятся к стоку, обусловливая ток стока. Очевидно, в таком транзисторе возможен только режим обогащения. При нулевом напряжении U ток стока отсутствует.

Стоковые характеристики полевых транзисторов с встроенным и индуцированным каналами приведены на рис. 1.17. Их сравнение позволяет выявить отмеченные различия в принципах работы этих типов приборов.

Рисунок 1.17. Стоковые характеристики МДП-транзистора:

а – со встроенным каналом, б – с индуцированным каналом

Рисунок 1.18. Схемные обозначения полевых транзисторов:

1 — транзистор с p-n переходом: с n-каналом,

                        2 —  транзистор с p-n переходом и с p-каналом,

                        3 — МДП-транзистор с встроенным n-каналом,

                       4 —  МДП-транзистор с встроенным p- каналом,

                       5 —  МДП-транзистор с индуцированным n-каналом,

                      6 — МДП-транзистор с индуцированным  p- каналом

Принципы работы МДП-транзисторов были рассмотрены на примере приборов с n-каналом. Аналогичным образом функционируют и транзисторы с  p-каналом, в которых рабочими носителями заряда являются дырки, а подложка выполнена из полупроводникового материала n-типа. В таких приборах направление токов и полярность напряжений будут противоположны тем, которые имеются у приборов с n-каналом.

Как видно из рис. 1.15 и 1.17, на стоковых характеристиках полевых транзисторов вне зависимости от их типа можно выделить две области: линейную и насыщения. В линейной области вплоть до перегиба эти характеристики представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения затвор-исток. В области насыщения ток стока практически не зависит от напряжения сток-исток. Именно эта область на стоковых характеристиках является рабочей при использовании полевых транзисторов в усилительных схемах.

На рис. 1.18 приведены схемные обозначения полевых транзисторов всех трех видов как с n-, так и с p-каналами.

2. Параметры полевых транзисторов

Основными параметрами, характеризующими полевой транзистор, как усилительный прибор, являются:

— коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение изменение напряжения сток – исток к вызвавшему его изменению напряжения затвор – исток при постоянном значении тока стока:

Кu =,

— крутизна (передаточной характеристики) определяется как отношение изменения тока стока к вызывающему его изменению напряжения затвор – исток при постоянном значении напряжения сток – исток:

S = ,

— дифференциальное выходное (внутреннее ri) сопротивление определяется как отношение изменения напряжения сток – исток к соответствующему изменению тока затвора при постоянном значении напряжения затвор – исток:

rвых = ri = .

Величины этих параметров связаны соотношением  Кu = S ri.

Крутизна передаточной характеристики показывает степень влияния входного напряжения на выходной ток, т.е. эффективность управления, и ее величина находится в пределах 1 – 5 mA/В. Величина выходного сопротивления прибора, режим работы которого соответствует пологому участку стоковой характеристики, весьма велика и составляет сотни килоОм. В связи с незначительной величиной тока затвора входное сопротивление полевых транзисторов очень велико (108 – 109 Ом).

Рисунок 1.18. Схема замещения полевого транзистора

с индуцированным затвором

Входное и выходное сопротивления полевых транзисторов, в отличие от биполярных, имеют существенную емкостную компоненту. Это учитывается схемой замещения для переменных составляющих токов и напряжений. Наиболее распространенная схема замещения полевого транзистора с изолированным затвором приведена на рис. 1.18, в которой отражено наличие трех межэлектронных емкостей: Сзи – затвор – исток,  Сси – сток – исток, Сзс – затвор – сток. Первые две обусловлены, в основном, барьерной емкостью закрытого p-n- перехода, примыкающего как к истоку, так и к стоку. Поэтому их величины, составляющие 10 – 40 пФ, в три – пять раз превышают величину емкости сток – исток. Наличие в схеме источника тока Suвх отражает зависимость выходного тока от входного напряжения. Зависимость выходного тока от напряжения сток – исток учитывается сопротивлением ri.

Графеновые полевые транзисторы для биологических и химических датчиков

Датчики

GFET, в которых используется материал 2D-канала, имеют несколько преимуществ по сравнению с объемными полупроводниковыми приборами (включая кремний). Для большинства полупроводниковых транзисторных датчиков локальные изменения электрического поля на поверхности канала мало влияют на глубину канала устройства, ограничивая чувствительность отклика. С GFET канал графена имеет толщину всего в один атом, что означает, что весь канал находится на поверхности и напрямую подвергается воздействию окружающей среды.Любая молекула, прикрепленная к поверхности канала, влияет на перенос электронов через всю глубину устройства. Кремний или другие объемные полупроводники, близкие к атомарной тонкости, неэффективны, поскольку при такой толщине поверхностные дефекты доминируют над характеристиками материала. Двумерные материалы, такие как графен, не имеют оборванных связей на поверхности, которые могли бы образовывать дефекты. В результате графен обладает высокой проводимостью и чувствителен к поверхностным воздействиям. Кроме того, поскольку материал не имеет оборванных связей, он устраняет неспецифическое связывание и, следовательно, ложные срабатывания, что было проблемой с другими датчиками на основе полевых транзисторов.При правильной функционализации GFET-транзисторы обеспечивают высокочувствительное, высокоселективное, прямое, без этикеток обнаружение целевых аналитов с полностью электронным контролем и считыванием устройств.

Полевые транзисторы на основе графена имеют явные преимущества при изготовлении по сравнению с устройствами, изготовленными из одномерных материалов, таких как углеродные нанотрубки (УНТ) и нанопроволоки. Подобно графену, одностенные УНТ также обладают высокой проводимостью (с правильной хиральностью) и практически имеют всю поверхность. Графен может быть получен в виде однородных пленок с однородными характеристиками материала.В настоящее время невозможно изготавливать одномерные материалы с такой же консистенцией. Кроме того, массивы высокопроизводительных устройств с однородным откликом невозможно создать с использованием случайно распределенных нанопроволок или нанотрубок, поскольку количество и ориентация одномерных объектов варьируются в зависимости от распределения. Эта неоднородность положения, часто усугубляемая неоднородностью размеров между одномерными объектами, создает большой разброс характеристик отклика между устройствами. 2D-материалы обеспечивают согласованность между устройствами.Кроме того, однородные графеновые пленки размером с пластину могут быть сформированы путем химического осаждения из газовой фазы, и эти пленки можно использовать для фотолитографических технологий изготовления, разработанных для процессов изготовления интегральных схем, разработанных в полупроводниковой промышленности.

Производство GFET

GFET-транзисторы

изготавливаются на кремниевых пластинах, чтобы воспользоваться преимуществами традиционных, недорогих и высоконадежных процессов литографии, осаждения и интеграции, применяемых в промышленности интегральных схем.Для этих устройств графеновые пленки формировались методом химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении. ⁸ Подложку для осаждения медной фольги загружали в печь и нагревали до 1000 ° C в восстановительной среде аргон / водород для удаления любого естественного оксида с поверхности меди. В газовый поток был добавлен небольшой поток метана. Образование графена начинается с нескольких мест зарождения, за которыми следует рост кристаллов графена с одним атомным слоем до тех пор, пока домены не встретятся, полностью покрывая поверхность меди.Метан разрушается на поверхности меди, и адсорбированные атомы углерода перемещаются по поверхности, пока не встретятся с кристаллами графена и не присоединятся к ним. Сплошной однослойный графен (SLG) был сформирован после короткого времени роста от 5 до 30 минут, в основном в зависимости от соотношения газовых потоков.

Металлические электроды были нанесены на кремниевую пластину термическим напылением и литографически сформированы. Тонкий слой титана или хрома необходим для адгезии к поверхности SiO ₂ .Золото или палладий обеспечивают электронный контакт с графеном. Пленка графена переносилась с подложки для осаждения меди и накладывалась на пластину после формирования электродов. Для выполнения переноса полиметилметакрилат (PMMA, Prod. No. 182230, 445746 и 182265) был нанесен центрифугированием на графеновую поверхность медной подложки. Медь была отделена от ПММА / графена механическим разделением с помощью водного электролиза. Пленку графена помещали на поверхность пластины, пластину запекали для обеспечения адгезии графена к пластине и электродам, а ПММА удаляли ацетоном.Дополнительная фотолитография использовалась для формирования рисунка графена в каналы полевого транзистора между электродами, а кислородная плазма была эффективна для удаления незащищенного графена. Минимизация металлических примесей в графеновых пленках имеет решающее значение для интеграции в производственные мощности IC. Для этого необходимо избегать процессов травления медной подложки.

Функционализация GFET

За последние несколько лет был разработан ряд хорошо контролируемых процедур химической функционализации, совместимых с GFET.Графеновые полевые транзисторы были оснащены белками, химическими соединениями и молекулами ДНК для создания сенсоров для различных приложений.

В случае функционализации белка неспецифическое связывание белка нежелательно, поскольку обычно подразумевает потерю контроля над функциональной структурой белка. ⁹ А.Т. Группа Чарли Джонсона из Пенсильванского университета продемонстрировала различные химические соединения, подходящие для использования в графеновых устройствах. Они могут быть основаны на соединениях диазония, которые образуют ковалентную связь с поверхностью графена ¹⁰ , или на бифункциональных соединениях пирена, которые взаимодействуют с графеном посредством π – π-стэкинг-взаимодействия. ^10,11 Связывание с белком может осуществляться через амидную связь, которая разрешена в подходящих аминогруппах на внешней стороне белка ¹¹ , или через связь Ni-нитрилотриуксусной кислоты с гистидиновой меткой на рекомбинантном белке. ¹² В каждом случае контроль параметров химии насадки (например, концентрация, температура, время) позволяет выполнять функционализацию при сохранении качественных свойств графенового устройства, которые способствуют высокой чувствительности (в частности, высокая подвижность несущей и хорошие шумовые характеристики).

Применения в биосенсорах и химических датчиках

Исключительные электронные и тепловые свойства графена

и высокое отношение поверхности к объему делают его особенно подходящим для таких приложений, как биосенсоры, газовые сенсоры ^13,14 , ^15,16 и высокопроизводительные транзисторы. ^17–19 Устройства на основе графена могут позволить использовать быстрые высокочувствительные датчики для диагностики в местах оказания медицинской помощи и обнаружения химических веществ и могут заменить другие методологии, которые являются дорогостоящими, низкочувствительными и трудоемкими.

A.T. Группа Чарли Джонсона продемонстрировала датчик GFET для обнаружения небольших молекул при концентрациях пг / мл. ¹⁴ GFET были функционализированы с помощью рассчитанного с помощью вычислений водорастворимого варианта человеческого μ-опиоидного рецептора (рецептор, связанный с G-белком) с использованием тетрафторбората 4-карбоксибензолдиазония, который продуцировал участки карбоновой кислоты на графене, которые в дальнейшем активировались и стабилизировались с помощью Гидрохлорид 1-этил-3- [3-диметиламинопропил] карбодиимида ( Prod.№ 03449 и Прод. № E7750) / сульфо-N-гидроксисукцинимид (EDC / sNHS). ²⁰ Электронные измерения тока исток-сток в зависимости от напряжения на затворе после каждого шага процедуры функционализации показали воспроизводимые сдвиги в проводимости. Об обнаружении налтрексона, нацеленного на μ-опиоидный рецептор (антагонист опиоидных рецепторов, Prod. № 1453504), сообщалось при концентрациях всего 10 пг / мл с высокой специфичностью14. Вместо этого в исследованиях использовался сконструированный одноцепочечный вариабельный фрагмент (scFv). полных антител в качестве рецепторных молекул на других сенсорах FET на основе углерода показали увеличение предела обнаружения в 1000 раз. ²¹ scFv представляет собой сконструированный гибридный белок, содержащий вариабельные области антитела, которые специфичны к антигену и сохраняют специфичность исходного антитела, несмотря на удаление константных областей, составляющих большую часть антитела. Повышенная чувствительность датчиков полевых транзисторов, функционализированных с помощью scFv, может быть объяснена более близкой близостью связанной биомаркерной мишени к каналу GFET, что приводит к более сильным электростатическим взаимодействиям и большему электрическому сигналу. ²¹

Химическое зондирование пара, или «носовое» зондирование пара, — еще одно приложение, в котором используются полевые транзисторы. Для этого GFET были функционализированы одноцепочечной ДНК для обнаружения различных химических паров. Химические сенсоры на основе GFET показали быстрое время отклика, быстрое восстановление до исходного уровня при комнатной температуре и различение между несколькими аналогичными анализируемыми парами паров: например, диметилметилфосфонатом (DMMP, Prod. No. D169102) и пропионовой кислотой ( Prod. No. 402907). ¹⁶

Выводы и перспективы на будущее

Исключительные электронные свойства графена по-прежнему остаются многообещающими для приложений зондирования. Датчики на основе GFET для биологических и химических приложений обеспечат быстрое, чувствительное, специфическое, недорогое и полностью электронное считывание. Кроме того, датчики GFET могут быть мультиплексированы, что позволяет быстро тестировать несколько целей (от десятков до тысяч) с высокой чувствительностью на одном чипе небольшого размера. Сенсорная технология GFET может подорвать рынки здравоохранения, открытия лекарств и обнаружения химических веществ.

Графеновый полевой транзистор как молекулярно-специфический зонд нуклеотидных оснований ДНК

1

Сун, У. В., Харихаран, М. и Снайдер, М. П. Секвенирование с высокой пропускной способностью для биологии и медицины. Мол. Syst. Биол. 9 , 640 (2013).

Артикул Google Scholar

2

McGinn, S. & Gut, I. G. Секвенирование ДНК, охватывающее поколения. N. Biotechnol. 30 , 366–372 (2013).

CAS Статья Google Scholar

3

Traversi, F. et al. Обнаружение транслокации ДНК через нанопоры с помощью графеновых нанолент. Nat. Nanotechnol. 8 , 939–945 (2013).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

4

Мин, С. К., Ким, В. Ю., Чо, Ю. и Ким, К. С. Быстрое секвенирование ДНК с помощью наноканального устройства на основе графена. Nat. Nanotechnol. 6 , 2011, 162–165.

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

5

Авдошенко С.М. и др. Динамические и электронные транспортные свойства транслокации ДНК через нанопоры графена. Nano Lett. 13 , 1969–1976 (2013).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

6

Фридман, К.Дж., Ан, С. В. и Ким, М. Дж. Обнаружение длинной и короткой ДНК с использованием нанопор с графитовыми многогранными краями. САУ Нано 7 , 5008–5016 (2013).

CAS Статья Google Scholar

7

Уэллс, Д. Б., Белкин, М., Комер, Дж. И Аксиментьев, А. Оценка нанопор графена для секвенирования ДНК. Nano Lett. 12 , 4117–4123 (2012).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

8

Гуо, Ю.-Д., Ян, X.-H. & Сяо, Ю. Вычислительное исследование обнаружения ДНК с использованием нанопор на основе одноэлектронного транзистора. J. Phys. Chem. С 116 , 21609–21614 (2012).

CAS Статья Google Scholar

9

Connelly, L. S. et al. Система поддержки графеновых нанопор для одновременного получения изображений AFM с высоким разрешением и измерения проводимости. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 6 , 5290–5296 (2014).

CAS Статья Google Scholar

10

Haque, F., Li, J., Wu, H.-C., Liang, X.-J. И Го П. Твердотельные и биологические нанопоры для определения одного химического вещества и секвенирования ДНК в реальном времени. Нано сегодня 8 , 56–74 (2013).

CAS Статья Google Scholar

11

Puster, M., Rodrguez-Manzo, J. A., Balan, A. & Drndi, M.К чувствительным устройствам из графеновых нанолент и нанопор за счет предотвращения повреждений, вызванных электронным пучком. САУ Нано 7 , 11283–11289 (2013).

CAS Статья Google Scholar

12

Rajan, A.C. et al. Двумерная молекулярная электронная спектроскопия для снятия молекулярных отпечатков пальцев, секвенирования ДНК и распознавания раковой ДНК. САУ Нано 8 , 1827–1833 (2014).

CAS Статья Google Scholar

13

Ли, Дж.-H., Choi, Y.-K., Kim, H.-J., Scheicher, R.H. & Cho, J.-H. Физисорбция азотистых оснований ДНК на H-Bn и графене: DFT-расчеты с поправкой на VDW. J. Phys. Chem. С 117 , 13435–13441 (2013).

CAS Статья Google Scholar

14

Гаутам, С., Шайхер, Р. Х., Ахуджа, Р., Пандей, Р. и Карна, С. П. Физическая сорбция азотистых оснований на графене: расчеты функционала плотности. Phys. Ред.В 76 , 033401 (2007).

ADS Статья Google Scholar

15

Ле Д., Кара А., Шредер Э., Хилдгаард П. и Рахман Т. С. Физическая сорбция азотистых оснований на графене: сравнительное исследование Ван-дер-Ваальса. J. Phys. Конденс. Дело 24 , 424210 (2012).

ADS Статья Google Scholar

16

Ахмед Т.и другие. Электронные отпечатки оснований ДНК на графене. Nano Lett. 12 , 927–931 (2012).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

17

Шедин Ф. и др. Обнаружение отдельных молекул газа, адсорбированных на графене. Nat. Матер. 6 , 652–655 (2007).

ADS Статья Google Scholar

18

Велинг, Т.O. et al. Молекулярное легирование графена. Nano Lett. 8 , 173–177 (2008).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

19

Лю Г., Румянцев С., Шур М. С., Баландин А. А. Происхождение 1 / f-шума в многослойных графеновых слоях: зависимость поверхности от объема. Заявл. Phys. Lett. 102 , 093111 (2013).

ADS Статья Google Scholar

20

Гесс, Л.H. et al. Матрицы графеновых транзисторов для регистрации потенциалов действия от электрогенных ячеек. Adv. Матер. 23 , 5045–5049 (2011).

CAS Статья Google Scholar

21

Jiang, S. et al. Электрическое обнаружение оксида азота в биологических системах в режиме реального времени с субнаномолярной чувствительностью. Nat. Commun. 5 , 2225 (2013).

Артикул Google Scholar

22

Some, S.и другие. Высокочувствительный и селективный датчик газа с использованием гидрофильных и гидрофобных графенов. Sci. Отчетность 3 , 1868 (2013).

Артикул Google Scholar

23

Kuila, T. et al. Химическая функционализация графена и ее применения. Прог. Матер. Sci. 57 , 1061–1105 (2012).

CAS Статья Google Scholar

24

Велинг, Т.О., Лихтенштейн, А. И., Кацнельсон, М. И. Первопринципные исследования адсорбции воды на графене: роль подложки. Заявл. Phys. Lett. 93 , 202110 (2008).

ADS Статья Google Scholar

25

Li, Z. et al. Влияние переносимых по воздуху загрязнителей на смачиваемость нанесенного графена и графита. Nat. Матер. 12 , 925–931 (2013).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

26

Монти, О.Л. А. Понимание межфазной электронной структуры и переноса заряда: электростатическая перспектива. J. Phys. Chem. Lett. 3 , 2342–2351 (2012).

CAS Статья Google Scholar

27

Пиана С. и Билич А. Природа адсорбции азотистых оснований на поверхности золота [111]. J. Phys. Chem. B 110 , 23467–23471 (2006).

CAS Статья Google Scholar

28

Сюй, Г.и другие. Малошумящие субмикронные канальные графеновые наноленты. Заявл. Phys. Lett. 97 , 073107 (2010).

ADS Статья Google Scholar

29

Xu, G. et al. Повышенная флуктуация проводимости за счет эффекта квантового ограничения в графеновых нанолентах. Nano Lett. 10 , 4590–4594 (2010).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

30

Ян, Ю.И Мурали Р. Влияние размерного эффекта на транспорт графеновых нанолент. IEEE Elec. Dev. Lett. 31 , 237–239 (2010).

ADS Статья Google Scholar

31

Chen, J.-H. и другие. Рассеяние на заряженных примесях в графене. Nat. Phys. 4 , 377 (2008).

CAS Статья Google Scholar

32

Болотин, К.и другие. Сверхвысокая подвижность электронов в подвешенном графене. Solid State Commun. 146 , 351–355 (2008).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

33

Дин, К. Р. и др. Подложки из нитрида бора для высококачественной графеновой электроники. Nat. Nanotechnol. 5 , 722–726 (2010).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

34

Баландин, А.А. Низкочастотный 1 / f-шум в графеновых устройствах. Nat. Nanotechnol. 8 , 549555 (2013).

Артикул Google Scholar

35

Басу, Д., Гилберт, М. Дж., Регистр, Л. Ф., Банерджи, С. К. и Макдональд, А. Х. Влияние шероховатости кромок на электронный транспорт в полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник с каналом из графеновых нанолент. Заявл. Phys. Lett. 92 , 042114 (2008).

ADS Статья Google Scholar

36

Hüfner, S. Фотоэлектронная спектроскопия Springer (2003).

37

Кастро Нето, А. Х., Гвинея, Ф., Перес, Н. М. Р., Новоселов, К. С. и Гейм, А. К. Электронные свойства графена. Ред. Мод. Phys. 81 , 109–162 (2009).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

38

Дикон Р.С., Чуанг, К.-К., Николас, Р.Дж., Новоселов, К.С. и Гейм, А.К. Циклотронное резонансное исследование скорости электронов и дырок в монослоях графена. Phys. Ред. B 76 , 081406 (2007).

ADS Статья Google Scholar

39

Stöhr, J. & Outka, D. A. Определение ориентации молекул на поверхности по угловой зависимости спектров тонкой структуры ближнего рентгеновского поглощения. Phys.Ред. B 36 , 7891–7905 (1987).

ADS Статья Google Scholar

40

Ли В. и др. Гибридизация подложки и рябь графена, подтвержденная спектроскопией тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей вблизи края. J. Phys. Chem. Lett. 1 , 1247–1253 (2010).

CAS Статья Google Scholar

41

Браун, С., Salaneck, W. R. & Fahlman, M. Выравнивание уровней энергии на границах органических / металлических и органических / органических. Adv. Матер. 21 , 1450–1472 (2009).

CAS Статья Google Scholar

42

Cervenka, J. et al. Полевой транзистор с графеном как зонд электронной структуры и переноса заряда на границах раздела органическая молекула-графен. Наноразмер 7 , 1471–1478 (2014).

ADS Статья Google Scholar

43

Ли, С.K. et al. Метод обратного переноса с использованием полимеров с различными функциональными группами для контролируемого легирования графена. ACS Nano 8 , 7968–7975 (2014).

CAS Статья Google Scholar

44

Джасиен, П. Г. и Фицджеральд, Г. Молекулярные дипольные моменты и поляризуемости из расчетов функционала локальной плотности: приложение к парам оснований ДНК. J. Chem. Phys. 93 , 2554–2560 (1990).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

45

Берланд, К., Чакарова-Кк, С. Д., Купер, В. Р., Лангрет, Д. К. и Шредер, Э. Исследование функции плотности аденина на графене ван-дер-Ваальсом с использованием функции плотности аденина на графене: одномолекулярная адсорбция и связывание через слой. J. Phys. Конденс. Дело 23 , 135001 (2011).

ADS Статья Google Scholar

46

Тао, Н.Дж. И Ши, З. Монослой гуанина и аденина на графите в растворе NaCl: сравнительное исследование СТМ и АСМ. J. Phys. Chem. 98 , 1464–1471 (1994).

CAS Статья Google Scholar

47

Sowerby, S. J. и Petersen, G. B. Сканирующая туннельная микроскопия монослоев урацила, самоорганизующихся на границе твердое тело | жидкость. J. Electroanal. Chem. 433 , 85–90 (1997).

CAS Статья Google Scholar

48

Песня, H.S. et al. Причина относительно низкой транспортной подвижности графена, выращенного методом химического осаждения из газовой фазы. Sci. Отчетность 2 , 337 (2012).

CAS Статья Google Scholar

49

Батзилл, М. Наука о поверхности графена: границы раздела металлов, синтез CVD, наноленты, химические модификации и дефекты. Surf. Sci. Реп. 67 , 83–115 (2012).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

50

Кумар, Б.и другие. Роль внешних дефектов в химическом зондировании графеновых полевых транзисторов. Nano Lett. 13 , 1962–1968 (2013).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

51

Ся, Ф., Перебейнос, В., Лин, Ю., Ву, Ю. и Авурис, П. Истоки и пределы сопротивления металлграфеновых переходов. Nat. Nanotechnol. 6 , 2011, 179–184.

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

52

Ли, Э.Дж. Х., Баласубраманян, К., Вейц, Р. Т., Бургхард, М., Керн, К. Контактные и краевые эффекты в графеновых устройствах. Nat. Nanotechnol. 3 , 486–490 (2008).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

53

Каверзин А.А., Майоров А.С., Шитов А. и Хорселл Д.В. Примеси как источник шума 1/ f в графене. Phys. Ред. B 85 , 075435 (2012).

ADS Статья Google Scholar

54

Левеск, П.L. et al. Зондирование переноса заряда на поверхностях с использованием графеновых транзисторов. Nano Lett. 11 , 132–137 (2011).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

55

Шанкла, М., Аксиментьев, А. Конформационные переходы и непрерывный транспорт одноцепочечной ДНК по нанопорам на заряженном графене. Nat. Commun. 5 , 5171 (2014).

CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google Scholar

56

Коуи, Б.C.C., Tadich, A. & Thomsen, L. Текущие характеристики пучка мягкого рентгеновского излучения широкого диапазона (

0 эв) на австралийском синхротроне. AIP Conf. Proc. 1234 , 307–310 (2010).

ADS Статья Google Scholar

Датчики на ионоселективных полевых транзисторах (FET) с модуляцией сильного поля с чувствительностью выше идеальной чувствительности по Нернсту

1.

Duffus, J.H. «Тяжелые металлы» — бессмысленный термин? (Технический отчет ИЮПАК). Чистая и прикладная химия 74 , 793–807 (2002).

Артикул CAS Google Scholar

2.

Шукла Г. С. и Сингхал Р. Л. Современное состояние биологических эффектов токсичных металлов в окружающей среде: свинца, кадмия и марганца. Канадский журнал физиологии и фармакологии 62 , 1015–1031 (1984).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

3.

Фанг, Х. Х., Сюй, Л.-К. И Чан, К.-Й. Воздействие токсичных металлов и химикатов на биопленку и биокоррозию. Water Research 36 , 4709–4716 (2002).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

4.

Всемирная организация здравоохранения, Десять химических веществ, вызывающих серьезную озабоченность в области общественного здравоохранения, http://www.who.int/ipcs/assessment/public_health/chemicals_phc/en/ (2017).

5.

Settle, D. M. & Patterson, C.C. Свинец в альбакоре: справочник по загрязнению свинцом у американцев. Наука 207 , 1167–1176 (1980).

ADS Статья PubMed CAS Google Scholar

6.

Колборн П. и Торнтон И. Загрязнение сельскохозяйственных почв свинцом. Европейский журнал почвоведения 29 , 513–526 (1978).

Артикул CAS Google Scholar

7.

Pocock, S. и др. . Влияние свинца в водопроводной воде, жесткости воды, алкоголя и сигарет на концентрацию свинца в крови. Журнал эпидемиологии и общественного здравоохранения 37 , 1–7 (1983).

Артикул PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

8.

Финкельштейн, Ю., Марковиц, М. Э. и Розен, Дж. Ф. Нейротоксичность, вызванная низким уровнем свинца у детей: обновленная информация о влиянии на центральную нервную систему. Обзоры исследований мозга 27 , 168–176 (1998).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

9.

Линь, Ю.-П. И Валентин, Р. Л. Восстановление оксида свинца (PbO2) и высвобождение Pb (II) в смесях природного органического вещества, свободного хлора и монохлорамина. Экология и технологии 43 , 3872–3877 (2009).

ADS Статья CAS Google Scholar

10.

Сантос, А.С.Д., Колаччопо, С., Даль Бо, К.М. и Сантос, Н.А.Г.Д. Профессиональное воздействие свинца, функциональные тесты почек и артериальное давление. Американский журнал промышленной медицины 26 , 635–643 (1994).

Артикул PubMed Google Scholar

11.

Хуан М.-Р., Рао, X.-W., Li, X.-G. И Дин, Ю.-Б. Свинцовые ионоселективные электроды на основе полифенилендиамина как уникальных твердых ионофоров. Таланта 85 , 1575–1584 (2011).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

12.

Рабинович М. Б. Токсикокинетика костного свинца. Перспективы гигиены окружающей среды 91 , 33 (1991).

Артикул PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

13.

Пайл, С. М. и др. . Сравнение AAS, ICP-AES, PSA и XRF при определении свинца и кадмия в почве. Наука об окружающей среде и технологии 30 , 204–213 (1995).

ADS Статья Google Scholar

14.

Ли К.-С., Ким С.К. и Ким М. Ионно-чувствительный полевой транзистор для биологического зондирования. Датчики 9 , 7111–7131 (2009).

Артикул PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

15.

Цю, З., Шу, Дж. И Тан, Д. Фотоэлектрохимическая аптасенсорная платформа для аптасенсинга, опосредованная ближним инфракрасным и ультрафиолетовым светом, для онкологических биомаркеров на основе микростержней с повышающим преобразованием Core-Shell NaYF4: Yb, Tm @ TiO2. Аналитическая химия 90 , 1021–1028, https://doi.org/10.1021/acs.analchem.7b04479 (2018).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

16.

Шу, Дж., Цю, З., Львов, С., Чжан, К. и Тан, Д.Плазмонное усиление связи с дефектным TiO2 – x: режим для чувствительного фотоэлектрохимического биосенсинга. Аналитическая химия 90 , 2425–2429, https://doi.org/10.1021/acs.analchem.7b05296 (2018).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

17.

Цай, Г., Ю., З., Рен, Р. и Танг, Д. Экситон-плазмонное взаимодействие между AuNP / наногибридами графена и квантовыми точками CdS / TiO2 для фотоэлектрохимической аптасенсии простат-специфического антигена. Датчики ACS 3 , 632–639, https://doi.org/10.1021/acssensors.7b00899 (2018).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

18.

Zhou, Q., Lin, Y., Zhang, K., Li, M. & Tang, D. На основе восстановленного оксида графена / наногибридов BiFeO3 фотоэлектрохимическая сенсорная система для обнаружения простат-специфического антигена соединение с магнитно-микрофлюидным устройством. Биосенсоры и биоэлектроника 101 , 146–152, https: // doi.org / 10.1016 / j.bios.2017.10.027 (2018).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

19.

Zhang, B., Lu, L., Hu, Q., Huang, F. & Lin, Z. Фотоэлектрохимический ДНКзимный датчик на основе наноцветов ZnO для обнаружения Pb2 +. Биосенсоры и биоэлектроника 56 , 243–249, https://doi.org/10.1016/j.bios.2014.01.026 (2014).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

20.

Ши, Ж.-Дж. и др. . Сверхчувствительный фотоэлектрохимический аптасенсор для обнаружения ионов свинца, основанный на сенсибилизирующем эффекте КТ CdTe на нанокомпозиты MoS2-CdS: Mn за счет образования G-квадруплексной структуры. Таланта 183 , 237–244, https://doi.org/10.1016/j.talanta.2018.02.087 (2018).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

21.

Янг Д. и др. . Биосенсоры на основе аптамеров для обнаружения иона свинца (ii): обзор. Аналитические методы 9 , 1976–1990, https://doi.org/10.1039/C7AY00477J (2017).

Артикул CAS Google Scholar

22.

Xu, S. et al. . Новый биосенсор с повышающим преобразованием и резонансным флуоресцентным переносом энергии (FRET) для чувствительного обнаружения ионов свинца в сыворотке крови человека. Nanoscale 6 , 12573–12579, https://doi.org/10.1039/C4NR03092C (2014).

ADS Статья PubMed CAS Google Scholar

23.

Ambacher, О. и др. . Двумерные электронные газы, индуцированные спонтанными и пьезоэлектрическими поляризационными зарядами в гетероструктурах AlGaN / GaN с N- и Ga-гранями. Журнал прикладной физики 85 , 3222–3233 (1999).

ADS Статья CAS Google Scholar

24.

Чу, С.-Х. и др. . За пределами длины Дебая в растворе с высокой ионной силой: прямое обнаружение белка с помощью полевых транзисторов (FET) в сыворотке крови человека.Научные отчеты 7 (2017).

25.

Бергвельд П. Разработка, эксплуатация и применение ионно-чувствительного полевого транзистора в качестве инструмента электрофизиологии. Протоколы IEEE по биомедицинской инженерии, 342–351 (1972).

26.

Го, Дж. И Алам, М. In Micro / Nano Symposium (UGIM), 2010 18-й двухлетний университет / правительство / промышленность. 1–3 (IEEE).

27.

Li, P., Liu, B., Zhang, D., Sun, Ye & Liu, J. Графеновые полевые транзисторы с настраиваемой чувствительностью для высокопроизводительного измерения Hg (II). Письма по прикладной физике 109 , 153101 (2016).

ADS Статья CAS Google Scholar

28.

Guidelli, E.J., Guerra, E.M. & Mulato, M. Пленки смешанных оксидов V2O5 / WO3 в качестве датчика pH-EGFET: последовательное повторное использование и анализ объема изготовления. ECS Journal of Solid State Science and Technology 1 , N39 – N44 (2012).

Артикул CAS Google Scholar

29.

Huang, Y.-C., Tsai, F.-S. И Ван, С.-Дж. Получение массивов нанопроволок TiO2 методом гидротермального выращивания и их характеристики измерения pH. Японский журнал прикладной физики 53 , 06JG02 (2014).

Артикул CAS Google Scholar

30.

Das, A. et al. . Высокочувствительные полевые транзисторы с удлиненным затвором из тонкопленочного оксида палладия в качестве датчика pH. Датчики и исполнительные механизмы B: Химическая промышленность 205 , 199–205 (2014).

Артикул CAS Google Scholar

31.

Spijkman, M. et al. . За пределами Нернста с ионно-чувствительными полевыми транзисторами ZnO с двумя затворами. Письма по прикладной физике 98 , 043502 (2011).

ADS Статья CAS Google Scholar

32.

Лю, К.-К., Боккиккио, Д., Овермайер, П. А. и Нойман, М. Р. Миниатюрный pH-электрод из палладия-оксида палладия. Наука 207 , 188–189 (1980).

ADS Статья PubMed CAS Google Scholar

33.

Yao, P.-C., Chiang, J.-L. И Ли, М.-К. Применение золь-гель пленки TiO 2 для ионно-чувствительного полевого транзистора H + с расширенным затвором. Науки о твердом теле 28 , 47–54 (2014).

Артикул CAS Google Scholar

34.

Hsieh, C.-H., Huang, I.-Y. И Ву, С.-Й. В «Датчики», 2010 г., IEEE. 358–361 (IEEE).

35.

Bouazizi, A., Maaref, H., Nyamsi Hendji, A., Jaffrezic-Renault, N. & Chevalier, Y. Химически модифицированные ISFET с тонкими полимерными мембранами, работающие в дифференциальном режиме. Датчики и материалы 9 , 149–162 (1997).

CAS Google Scholar

36.

Melzer, K. et al. . Селективное обнаружение ионов с помощью полевых транзисторов из углеродных нанотрубок с мембранно-функционализированными электролитно-управляемыми углеродными нанотрубками. Аналитик 139 , 4947–4954 (2014).

ADS Статья PubMed CAS Google Scholar

37.

Ким, Х.-Дж., Хаммел, Дж. У., Саддут, К. А. и Биррелл, С. Дж. Оценка фосфатных ионоселективных мембран и электродов на основе кобальта для определения питательных веществ в почве. Транзакции ASABE 50 , 415–425 (2007).

Артикул CAS Google Scholar

38.

Йошизава Н., Сато Т. и Хашизуме Т. Фундаментальное исследование полевых транзисторов с открытым затвором на основе InP для применения в жидкостных химических датчиках. Японский журнал прикладной физики 48 , 0 (2009).

ADS Статья CAS Google Scholar

39.

Михали, К. и Ваум, Н. В последних достижениях в области пластификаторов (InTech, 2012).

40.

Cao, A. et al. .Ионофорсодержащие силопреновые мембраны: прямое сравнение обычных ионоселективных электродов и полевых транзисторов на основе кремниевых нанопроволок. Аналитическая химия 87 , 1173–1179 (2014).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

41.

Эрен, Х., Узун, Х., Андак, М. и Билир, С. Потенциометрический мониторинг кобальта в образце пива с помощью твердого контактного ионоселективного электрода. Журнал анализа пищевых продуктов и лекарств 22 , 413–417 (2014).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

42.

Lin, J.-L. И Сюй, Х.-Й. Исследование натриево-селективных электродов и дифференциальных структур с анодированным оксидом индия и олова. Датчики 10 , 1798–1809 (2010).

Артикул PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

43.

Некоэй, М., Замани, Х. А. и Мохаммадхоссиени, М.Ионоселективный сенсор с ПВХ мембраной эрбия (III) на основе 4- (2-тиазолилазо) резорцинала. Аналитические письма 42 , 284–297 (2009).

Артикул CAS Google Scholar

44.

Май, П. Т. и Хоа, П. Т. Изготовление твердого контактного ионоселективного электрода для ртути (II) с использованием проводящей полимерной мембраны. Операции с материалами 56 , 1428–1430 (2015).

Артикул CAS Google Scholar

45.

Холмс, Д. Л. и Стеллваген, Н. С. Зависимость подвижности ДНК от электрического поля в агарозных гелях: повторное исследование. Электрофорез 11 , 5–15 (1990).

Артикул PubMed CAS Google Scholar

46.

Li, B. et al. . Влияние напряженности электрического поля, ионной силы и расстояния миграции на подвижность и диффузию при электрофорезе поверхности ДНК. Электрофорез 27 , 1312–1321 (2006).

MathSciNet Статья PubMed CAS Google Scholar

47.

Джеймсон, Э. и Альварес-Тостадо, К. Исследование белков сыворотки крови с помощью электрофореза. Журнал физической химии 43 , 1165–1172 (1939).

Артикул CAS Google Scholar

Полевые датчики — от измерения pH до биочувствительности: повышение чувствительности с использованием стрептавидин-биотина в качестве модельной системы

Датчики на полевых транзисторах

(полевые транзисторы) за последние два десятилетия привлекают все большее внимание для биомолекулярного зондирования из-за их потенциала для сверхвысокой чувствительности, работы без этикеток, снижения затрат и миниатюризации.В то время как коммерческое применение полевых транзисторов для измерения pH было реализовано, их коммерческое применение в биомолекулярном измерении (так называемых BioFET) затруднено из-за плохого понимания того, как оптимизировать конструкцию устройства для обеспечения высокой воспроизводимости работы и высокой чувствительности. Частично эти проблемы проистекают из очень междисциплинарного характера проблем, встречающихся в этой области, в которой требуются знания кинетики биомолекулярного связывания, химии поверхности, физики двойного электрического слоя и электротехники.В этой работе был проведен количественный анализ и критический обзор, сравнив литературные данные FET-сенсора для определения pH с данными для определения связывания биомолекулярного стрептавидина с поверхностно-связанными системами биотина. Цель состоит в том, чтобы обеспечить первое систематическое количественное сравнение результатов BioFET для одного биомолекулярного аналита, в частности, стрептавидина, который является наиболее часто используемым модельным белком в экспериментах по биосенсорству и часто используется в качестве первоначального подтверждения концепции для новых конструкций биосенсоров. .Этот новый количественный и сравнительный анализ поведения поверхностного потенциала ряда устройств продемонстрировал резкий контраст между тенденциями, наблюдаемыми при измерении pH и тенденциями измерения биомолекул. Подробно обсуждаются возможные объяснения, и показано, что оптимизация химии поверхности является жизненно важным компонентом повышения чувствительности. Факторы, которые могут повлиять на реакцию, но которые не всегда полностью оценивались, исследуются, и даются практические предложения о том, как улучшить экспериментальный план.

Эта статья в открытом доступе

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй снова?

Проверка принципа работы биосенсора на нано-полевом транзисторе с удлиненным затворным электродом

1.

Schöning, M.J. & Poghossian, A. Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (Bio-FETs). Аналитик 127 , 1137–1151 (2002).

Артикул Google Scholar

2.

Стар, А., Гарбриэль, Дж. П., Брэдли, К. и Грунер, Г. Электронное определение связывания специфических белков с использованием устройств на полевых транзисторах с нанотрубками. Nano Lett. 3 , 459–463 (2003).

CAS Статья Google Scholar

3.

Ли, К.-С., Ким, С.К. И Ким, М. Ионно-чувствительный полевой транзистор для биологического зондирования. Датчики 9 , 7111–7131 (2009).

CAS Статья Google Scholar

4.

Пачаури В. и Ингебрандт С. Биологически чувствительные полевые транзисторы: от ISFET до NanoFET. Очерки Biochem. 60 , 81–90 (2016).

Артикул Google Scholar

5.

Кайсти, М. Принципы обнаружения биологических и химических датчиков на полевых транзисторах. Biosens. Биоэлектрон. 98 , 437–448. (2017).

CAS Статья Google Scholar

6.

Lowe, B.M., Sun, K., Zeimpekis, I., Skylaris, C. & Green, N.G. Датчики полевого эффекта — от измерения pH до биочувствительности: повышение чувствительности с использованием стреп-тавидин-биотина в качестве модельной системы. Аналитик 142 , 4173–4200 (2017).

CAS Статья Google Scholar

7.

Ву, К. и Чен, В. Биосенсоры на полевых транзисторах для биомедицинских приложений: последние достижения и перспективы на будущее. Датчики 19 , 4214 (2019).

CAS Статья Google Scholar

8.

Парк, С., Ким, М., Ким, Д., Кан, С.Х., Ли, К.Х. & Jeong, Y. Регулирование межфазного заряда слоев, блокирующих белок в транзисторном биосенсоре для прямого измерения в сыворотке. Biosens. Биоэлектрон. 147 , 111737 (2020).

CAS Статья Google Scholar

9.

Batista, P.D. & Mulato, M. Полевой транзистор ZnO с расширенным затвором в качестве датчиков pH. Заявл. Phys. Lett. 87 , 143508 (2005).

Артикул Google Scholar

10.

Года, Т. и Мияхара, Ю. Биосенсор белков без этикеток и реагентов с использованием модифицированного аптамером полевого транзистора с расширенным затвором. Biosens. Биоэлектрон. 45 , 89–94 (2013).

CAS Статья Google Scholar

11.

Das, A., Ko, DH, Chen, C.-H., Chang, L.-B., Lai, C.-S., Chu, F.-C., Chow, L . & Лин, Р.-М., Высокочувствительные полевые транзисторы с удлиненным затвором из тонкопленочного оксида палладия в качестве датчика pH. Сенсорные приводы, B. 205 , 199–205 (2014).

CAS Статья Google Scholar

12.

Гуань В., Дуань Х. и Рид Р.А. Высокоспецифичное и чувствительное неферментативное определение мочевой кислоты в сыворотке и моче с помощью полевых транзисторных датчиков с расширенным затвором. Biosens. Биоэлектрон. 51 , 225–231 (2014).

CAS Статья Google Scholar

13.

Минамики, Т., Минами, Т., Курита, Р., Нива, О., Вакида, С., Фукуда, К., Кумаки, Д. и Токито, С. Иммуносенсор без маркировки для IgG на основе органического полевого транзистора с расширенным затвором. Материалы 7 , 6843–6852 (2014).

Артикул Google Scholar

14.

Чин, Ю.Л., Чоу, Дж.-К., Сан, Т.-П., Ляо, Х.-К., Чунг, В.-Й. И Сюн, С.-К. Новый датчик pH с дискретным затвором ISFET SnO2 / Al со стандартным процессом CMOS. Сенсорные приводы, B. 75 , 36–42 (2001).

CAS Статья Google Scholar

15.

Инь, Л. Исследование тонкой пленки оксида индия и олова для ISFET с разделительным затвором. Mater. Chem. Phys. 70 , 12–16 (2001).

CAS Статья Google Scholar

16.

Нгуен Т.Н.Т., Сеол Ю.Г., Ли Н.Э. Органический полевой транзистор с расширенной структурой затвора из оксида индия и олова для селективного измерения pH. Org. Электрон. 12 , 1815–1821 (2011).

CAS Статья Google Scholar

17.

Редди, Б., Дорвел, Б.Р., Го, Дж., Наир, П.Р., Элибол, О.Х., Credo, G.M. Дэниэлс, Дж. С., Чоу, E.K.C., Су, X., Варма, М., Алам, М.А. и Башир, Р. Диэлектрические датчики на основе диэлектрических Al2O3 и нанопластин High-k для улучшенного определения pH. Biomed. Микроустройства 13 , 335–344 (2011).

CAS Статья Google Scholar

18.

Sun, K., Zeimpekis, I., Hu, C., Ditshego, NMJ, Thomas, O., Planque, MRR, Chong, HMH, Morgan, H. & Ashburn, P. Влияние подпорогового наклона на чувствительность датчики на основе нанолент. Нанотехнологии 27 , 285501 (2016).

CAS Статья Google Scholar

19.

Minot, E.D., Janssens, A.M. & Heller, I. Биосенсоры из углеродных нанотрубок: критическая роль электрода сравнения. Заявл.Phys. Lett. 91 , 093507 (2007).

Артикул Google Scholar

20.

Seo, Y.-T., Lee, K.-N., Jang, K.J., Lee, M.-H., Lee, H.S., Seong, W.K. И Ким, Ю.-К. Детектирование отрицательных ионов в воздухе с помощью нано-полевого транзистора (nanoFET). Micro Nano Sys. Lett. 2 , 7 (2014).

Артикул Google Scholar

21.

Ли, К.-N., Seo, Y.-T., Kim, Y.-K., Yoon, S., Lee, M.-H. И Сон, W.K. Обнаружение ионов в воздухе с помощью полевого нанотранзистора (nanoFET). Microelectron. Англ. 158 , 75–79 (2016).

CAS Статья Google Scholar

22.

Ли, К.-Н., Со, Й.-Т., Юн, С., Ли, М.-Х., Ким, Ю.-К. И Сон, W.K. Эксперимент по химическому стробированию полевого нанополевого транзисторного датчика, использующего обнаружение отрицательных ионов в воздухе. Сенсорные приводы, B 236 , 654–658 (2016).

CAS Статья Google Scholar

23.

Кан, Х.-Л., Юн, Су., Хонг, Д.-К., Ким, В.-Х., Сон, В.К. И Ли, К.-Н. ВАХ гистерезисных характеристик датчика на полевом нанополевом транзисторе (nanoFET) с плавающим металлическим электродом затвора, Microelectron. Англ. 213 , 35–40. (2019).

CAS Статья Google Scholar

Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором
Далее: Схемы силовых полевых МОП-транзисторов Up: Транзисторные схемы Предыдущая статья: Усилитель общего стока с полевым транзистором

Полевой транзистор с изолированным затвором, также известный как металлооксидный полупроводник. полевой транзистор (MOSFET), похож на JFET, но имеет еще больший резистивный входной импеданс из-за тонкого слоя диоксид кремния, который используется для изоляции ворот от полупроводниковый канал.Этот изолирующий слой образует емкостную связь между затвором и корпус транзистора. Как следствие, отсутствие внутреннего подключения постоянного тока к воротам делает устройство более универсально, чем JFET, но это также означает, что изоляционный материал конденсатора может быть легко поврежден внутренний разряд статического заряда, возникающего при нормальном обращении.

MOSFET широко используется в крупных цифровых интегральных схемах. где его высокий входной импеданс может привести к очень низкому энергопотреблению на компонент.Многие из этих схем имеют соединения биполярных транзисторов с внешние клеммы, тем самым делая устройства менее восприимчивыми к повреждать.

MOSFET бывает четырех основных типов: N-канальный, P-канальный, обедненный. и улучшение. Конфигурация N-канального обедненного МОП-транзистора показана на рисунок 5.19a. Его работа аналогична N-канальному JFET, описанному ранее: отрицательное напряжение, приложенное к затвору, создает область с истощенным зарядом в материале N-типа рядом с воротами, тем самым уменьшая площадь канал проводимости между стоком и истоком.Однако механизм формирования обедненной области таков. отличается от JFET. Поскольку затвор сделан отрицательным по отношению к источнику, более положительным носители из материала P-типа втягиваются в N-канал, где они сочетаются с бесплатными отрицательными зарядами и устраняют их. Это действие увеличивает область истощения по направлению к воротам, уменьшая площадь N-канала и тем самым снижая проводимость между стоком и истоком. Для отрицательных приложенных напряжений затвор-исток наблюдаемый эффект очень похож на JFET, а также имеет примерно такой же размер.

Рисунок 5.19: a) Тип истощения или истощения-увеличения MOSFET и b) MOSFET улучшенного типа.

Однако, поскольку затвор полевого МОП-транзистора изолирован от канала, положительный Напряжения затвор-исток также могут применяться без потери полевого транзистора. эффект. В зависимости от деталей конструкции, применение положительного Напряжение затвор-исток для полевого МОП-транзистора обедненного типа может оттолкнуть меньшинство положительные носители в обедненной части N-канала обратно в материал P-типа, как описано ниже, тем самым увеличивая канал и снижение сопротивления.Если устройство демонстрирует такое поведение, это называется усиление-истощение MOSFET.

Строго расширенный MOSFET является результатом конфигурации, показанной на рисунок 5.19b. Ниже некоторого порога положительного напряжения затвор-исток подключение канал из материала типа N между стоком и истоком полностью заблокирован областью истощения, создаваемой PN-переходом. Поскольку напряжение затвор-исток становится более положительным, меньшинство положительные носители отталкиваются обратно в материал P-типа, оставляя бесплатные отрицательные заряды позади.Эффект заключается в сокращении области истощения и увеличении проводимость между стоком и истоком.

---

Далее: Цепи силовых полевых МОП-транзисторов Up: Транзисторные схемы Предыдущая статья: Усилитель общего стока с полевым транзистором

Дуг Гингрич
Вт 13 июля 16:55:15 EDT 1999

FET: определение, символ, работа, характеристики, типы и применение

Здравствуйте, друзья! Надеюсь, вы все счастливы, здоровы и довольны.В последнее время мы обсуждали транзисторы, от основного определения до типов и характеристик транзисторов, мы рассмотрели все это. Если у вас есть краткое представление о транзисторах, вы должны знать о полевом транзисторе или, возможно, слышали или читали о нем где-то, это один из самых ранних известных типов транзисторов, который является нашей темой для обсуждения сегодня. Полевые транзисторы

были созданы, чтобы скрыть недостаток ранее известных транзисторов, которые занимали большое пространство и производили много шума. Другой серьезной проблемой была низкая надежность предыдущих версий.Итак, давайте начнем с полевых транзисторов.

Определение полевого транзистора

Давайте сначала определим полевой транзистор,

• «Полевой транзистор — это униполярный транзистор, сделанный из полупроводникового материала, который использует электрическое поле для управления током».

История полевых транзисторов

• Чтобы узнать, как полевые транзисторы развивались на протяжении веков, позвольте нам совершить небольшое путешествие в историю, в те дни, когда у нас не было большого количества ресурсов для материализации наших концепций.
• Первая попытка создать полевой транзистор была предпринята Юлиусом Эдгаром в 1925 году, и, к сожалению, он потерпел неудачу, но ему посчастливилось запатентовать эту концепцию.
• В 1934 году Оскар Хайль попытал счастья, но безуспешно.
• В 1945 году полевой транзистор Junction стал первым полевым транзистором, созданным Генрихом Велкером.
• В последующие годы было предпринято несколько попыток, и были введены различные типы материалов для изготовления полевых транзисторов и родственных им типов.Все эти успешные и неудачные попытки привели к созданию современного полевого транзистора.

Униполярность полевого транзистора

Униполярность полевого транзистора означает, что транзистор использует для работы отверстия или электроны, в зависимости от типа материала, который предполагается для изготовления, в отличие от транзисторов с биполярным переходом, в которых используются как электроны, так и электроны. отверстия для их функционирования.

Символ полевого транзистора_ FET

• На следующем рисунке показан символ полевого транзистора.
• На рисунке можно увидеть три клеммы, а именно затвор, исток и сток, обозначенные буквами D, G и S.

• Направление стрелки отражает направление электрического поля.
• Символ немного отличается для двух разных типов полевых транзисторов полевых транзисторов, они могут быть полевыми транзисторами с N каналом или полевыми транзисторами с каналом P, вы узнаете символы различных полевых транзисторов в соответствующих разделах этой статьи.

Почему полевые транзисторы названы так, или что означает полевой транзистор?

Теперь вы, должно быть, думаете о том, как полевой транзистор получил свое название? Что это значит под полевым транзистором? За этим стоит несколько предположений, одно, которое я счел подходящим, — это то, что слабый электрический сигнал, проходящий через электрод, генерирует большее электрическое поле и через другие части транзистора, поэтому они называются полевым эффектом. транзисторы.Если вам известна какая-либо другая причина, по которой мы называем их полевыми транзисторами, кроме этой, вы можете сообщить мне об этом в разделе комментариев ниже, я с нетерпением жду вашего ответа!

BJT vs FET

Часто полевой транзистор сравнивают с BJT, давайте сделаем краткий обзор их особенностей в этом разделе. Это некоторые из существенных различий между ними;

• BJT немного шумит, чем FET.
• BJT имеет более высокое выходное сопротивление, чем полевой транзистор.
• BJT управляется током, а полевой транзистор — устройством, управляемым напряжением.
• BJT имеет более низкое входное сопротивление, чем полевой транзистор.

Работа полевого транзистора на полевом транзисторе

Основная конструкция полевого транзистора на полевом транзисторе

В отличие от других типов транзисторов, полевые транзисторы не состоят из типичного коллектора, эмиттера и базы, хотя количество компонентов одинаковы, но названия и функции каждого компонента совершенно разные.Чтобы понять принцип работы полевого транзистора, давайте сначала обсудим его основные компоненты один за другим.

Источник

• Источник обозначен символом S. Он действует как электрод полевого транзистора, через который носители заряда входят в канал при приложении напряжения.
• Как следует из названия, источник полевого транзистора работает как источник носителей заряда.

Gate

• Он представлен буквой G, где бы вы ни увидели G, сразу предполагайте, что это полевой транзистор, в случае транзисторов.История полевого транзистора начинается с подачи напряжения на затвор, которое передается на другие компоненты.

Сток

• Сток обозначен символом D. Сток — это электрод полевого транзистора, который обеспечивает канал для носителей заряда, помогая им покинуть цепь.

Работа полевого транзистора

• Поскольку у вас есть краткое представление об основных компонентах полевого транзистора и их функциях, мы собираемся обсудить работу полевого транзистора.
• Ток всегда течет от источника S в сторону стока D.
• Напряжение подается на клеммы затвора и истока, что создает токопроводящий канал между источником S и затвором G.
• Электроны или дырки текут из источника S в сток D в форме потока через канал.
• Есть несколько других вещей, связанных с работой и функционированием полевых транзисторов в зависимости от их типов, которые мы собираемся обсудить в соответствующих разделах.Итак, следите за обновлениями!
• Здесь возникает простой вопрос, который часто остается без ответа, почему полевые транзисторы FET называются устройствами, управляемыми напряжением?
• Полевые транзисторы называются устройствами с управляемым напряжением, потому что ток в стоке, представленный как ID, зависит от напряжения на затворе G, в отличие от биполярного переходного транзистора, который является устройством с регулируемым током.
• Напряжение затвора очень важно для прохождения тока по направлению к стоку.
• Есть два явления, которые влияют на него: одно — это истощение канала, а другое — улучшенное состояние канала. Давайте обсудим их по порядку.
• Истощение канала: Рассмотрим полевой транзистор с N каналом, в нем большая часть электронов используется в качестве носителей заряда. Сделав затвор более отрицательным, мы оттолкнем электроны от затвора, и эти электроны будут насыщать канал, увеличивая его сопротивление. Это делает область затвора тоньше из-за минимального движения электронов, но считается, что канал проводимости истощен из-за повышенного сопротивления.

• Снова рассмотрите n канальный полевой транзистор, теперь подумайте сами, что произойдет, если вы сделаете затвор G полевого транзистора более положительным? Электроны устремились бы к воротам! Это сделало бы область затвора толще из-за большего трафика, но на параллельных линиях канал проводимости был бы улучшен из-за меньшего сопротивления.

Типы полевых транзисторов

Мы можем разделить полевые транзисторы на следующие типы в зависимости от их структуры;

• Переход Полевой транзистор JFET
• Металлооксидный полевой транзистор MOSFET

Полевой транзистор JFET с переходом

• Полевой транзистор с переходом — один из простейших типов полевых транзисторов.
• Они униполярны по функции и работают либо с электронами, либо с дырками, то же самое, что характерно для простых полевых транзисторов.
• Соединительный полевой транзистор имеет очень высокий уровень входного сопротивления.
• В отличие от полевого транзистора с биполярным переходом, он по сравнению с ним производит небольшой шум или работает как-то тихо.
• Структура полевого транзистора Junction основывается на его типе, как правило, JFET состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа и одного полупроводникового материала p-типа и наоборот.
• Обозначение соединительного полевого транзистора следующее:

Типы JFET

Есть еще два типа полевых транзисторов с переходом

• N-канальные полевые транзисторы
• Полевые транзисторы с каналом P

Теперь мы подробно обсудим эти два типа переходных полевых транзисторов — JFET.

Полевые транзисторы с N каналом

Конструкция полевого транзистора с N каналом

Давайте сначала обсудим конструкцию полевого транзистора с N каналом.

• В качестве подложки используется полоса полупроводникового материала n-типа, в основном силикон. .
• Затем стержень рассеивается с помощью двух силиконовых стержней p-типа, которые меньше по размеру, чем силиконовый стержень n-типа, на двух крайних концах стержня подложки. Только представьте, что вы кладете и приклеиваете два небольших блока на крайних правых и крайних левых сторонах большего блока, сделанного из дерева или любого материала, который вы можете склеить!
• Теперь мы закончили диффузию материалов p-типа в нашу подложку n-типа, оставшаяся область проводит ток и обозначена как Channel.Эти каналы отвечают за проводящее действие полевых транзисторов при приложении напряжения.
• После того, как мы закончили формирование канала, мы теперь увидим, как основные части, такие как Gate, Source и Drain, формируются из этих рассеянных полупроводниковых блоков.
• Две диффузные кремниевые планки p-типа, которые теперь сформировали PN-переход с материалом n-типа, теперь соединены вместе, чтобы сформировать затвор.
• Два конца канала, который был сформирован ранее после процесса диффузии, металлизируются для преобразования в исток и сток.
• Полевые транзисторы с N каналом подразумевают, что в качестве основных носителей заряда электроны. Они более эффективны, чем полевые транзисторы с p-переходом, поскольку электроны движутся быстрее дырок.

Полевые транзисторы с P-переходом

Конструкция полевого транзистора с P-каналом

• Тот же процесс повторяется для создания полевого транзистора с p-переходом.
• Подложка из материала p-типа берется в виде большой пластины или стержня и затем рассеивается двумя меньшими стержнями n-типа.
• Канал, образованный после диффузии, затем металлизируется с обоих концов, образуя исток и сток.
• PN-переход, образованный двумя полупроводниковыми материалами n-типа, затем соединяется, образуя затвор.
• Так устроены полевые транзисторы с p-переходом.
• Полевые транзисторы с p-переходом подразумевают дырки в качестве основных носителей заряда, поскольку они униполярны.

Работа переходного полевого транзистора

• Переходный полевой транзистор всегда работает в режиме обратного смещения, поэтому они имеют очень высокий входной импеданс.
• В случае полевого транзистора с переходным эффектом ток затвора равен нулю, что обозначается как; IG = 0
• Входное напряжение, представленное VGS, является регулирующим фактором для выходного тока, представленного идентификатором.

• Вы, должно быть, думаете, как мы контролируем ширину канала, по которому проходит ток? Ответ прост: мы изменяем ширину PN перехода с обеих сторон канала, что увеличивает сопротивление протеканию тока.

Поскольку мы уже знаем, что переходной полевой транзистор работает только в условиях обратного смещения, давайте теперь обсудим несколько сценариев, чтобы узнать, как генерируется выходной сигнал при различных обстоятельствах.

Условие нулевого смещения соединительного полевого транзистора

• Когда на затвор не подается внешнее напряжение VGS, результирующее напряжение на стоке будет равно нулю, что можно записать как VGS = VDS = 0
• Области истощения будут иметь ту же толщину, что и раньше, потому что напряжение еще не приложено.
• В этом состоянии смещения нуля возникает ток стока, позвольте мне рассказать вам, как это сделать! Носители заряда в отсутствие разности потенциалов начинают перемещаться от истока к стоку, создавая ток стока, противоположный обычному течению тока.
• Таким образом, в состоянии смещения нуля в соединительном полевом транзисторе присутствует только ток стока.

Состояние обратного смещения переходного полевого транзистора

Сценарий приложения малого обратного напряжения

• При наличии потенциала или небольшого напряжения напряжение затвор-исток VGS, от которого зависит идентификатор тока стока, зависит от При применении малого обратного потенциала ширина обедненной области увеличивается.
• Из-за увеличения ширины обедненных областей с обеих сторон канал испытывает трудности с прохождением тока.
• Эта трудность канала для проведения тока приводит к падению напряжения.
• Ширина области истощения увеличивается больше к выводу стока, это можно рассматривать как случайность, но в науке ничего не существует в рамках рассуждений и логики, область истощения увеличивается больше в направлении стока, потому что падение напряжения выше на стороне стока .
• Имеется меньшее значение ID тока стока из-за сжатия проводящего канала.

Сценарий приложения большого обратного напряжения

• В этом случае мы применяем более высокое отрицательное напряжение, которое является нашим напряжением от затвора к источнику, представленное VGS
• Области истощения обоих соответствующих PN-переходов продолжают увеличиваться в ширину.
• В конце концов, обе области истощения встречаются или, можно сказать, касаются друг друга.
• Вот вам вопрос, что произойдет, если обе области истощения встретятся или растворились бы друг в друге? В конечном итоге они заблокируют прохождение тока!
• Точка, в которой конкретное напряжение полностью блокирует канал проводимости, называется напряжением отсечки или иногда отсечкой.

Металлооксидные полевые транзисторы MOSFET_.

Второй тип полевых транзисторов — это полевые металлооксидные полевые транзисторы MOSFET.

Металлооксидные полевые транзисторы — один из наиболее распространенных типов транзисторов, которые широко используются.

Характеристики полевого МОП-транзистора

• МОП-транзистор потребляет меньше энергии, чем другие транзисторы.
• Они исключительно масштабируемы и, если вспомнить закон Мура, являются лучшим его практическим проявлением.
МОП-транзисторы
• имеют высокую скорость переключения, поэтому они используются для генерации последовательностей импульсов. Вы знаете, что такое последовательность импульсов? Последовательность импульсов представляет собой прямоугольную форму асимметричных волн, которые являются периодическими, но несинусоидальными по своей природе.
Полевые транзисторы из оксида металла
• считаются идеальными для цифровых, аналоговых и линейных схем.
• Иногда металлооксидные полевые транзисторы — МОП-транзисторы также называют IGFET, полевые транзисторы с изолированным затвором.

Базовая структура полевого МОП-транзистора

• Давайте теперь обсудим базовую структуру полевого транзистора на основе оксида металла MOSFET.
• Металлооксидный полевой транзистор MOSFET состоит из четырех компонентов, в отличие от JFET.
• Компоненты полевого МОП-транзистора включают исток S, сток D, корпус B и затвор G.
• Затвор разделен корпусом транзистора через изоляционный материал
MOSFET
• очень похож на JFET, но основное отличие заключается в изоляции затворного электрода от канала проводимости, P-канала или N-канала, с помощью тонкого слоя в основном SiO2 или стекла.
• Изоляция вывода затвора слоем оксида металла помогает увеличить входное сопротивление.Изоляция может увеличить значение входного сопротивления до Мегаомов.
• Для более детального обзора MOSFET, его конструкции, работы и приложений вы можете обратиться к подробной статье, представленной на нашем веб-сайте.

Обозначение металлооксидного полевого транзистора MOSFE T

• Следующий символ используется для обозначения полевого МОП-транзистора.

• Стрелка указывает направление тока, и я уже знаю, что вы это знаете!
• Теперь вы, должно быть, думаете, почему символическое представление показывает только три терминала, пожалуйста, не ищите четвертый! Потому что источник всегда прикреплен к терминалу тела и представлен как один терминал.
• Таким образом, вы можете увидеть только три терминала с именами Gate G, Drain D и Source S.

Типы полевых МОП-транзисторов

Ниже приведены четыре широко известных типа полевых МОП-транзисторов;

• N-канальный режим расширения MOSFET
• МОП-транзистор в режиме расширения P-канала
• MOSFET с N-канальным режимом истощения
• P-Channel Depletion mode MOSFET

Подробный обзор всех этих типов MOSFET можно найти в нашей статье о MOSFET.

Характеристики полевого транзистора

• Текущее напряжение, ВАХ полевого транзистора нанесены на график между приложенным напряжением VDS и ID тока стока.
• График для изучения характеристической кривой полевого транзистора_ FET построен между изменяющимися значениями тока утечки, представленными ID по оси y, с изменяющимися значениями VDS по оси x.

На графике показаны следующие регионы;

• Омическая область
• Область отсечения
• Насыщенность или активная область
• Область поломки

Для лучшего понимания обратитесь к графику.

Теперь мы подробно остановимся на каждом из регионов.

Омическая область

• Это крайняя левая часть графика, которая представляет значение ID тока стока, когда приложенное напряжение транзистора между истоком и затвором равно нулю, то есть VGS = 0
• Проводящий канал небольшой, но в данном случае не узкий.
• Области истощения на соответствующих сторонах равны по размеру и еще не начали расширяться.
• Наш полевой транзистор действует как резистор с регулируемым напряжением на данном этапе ВАХ.

Область отсечения

• Это вторая область нашего графика, представленная фиолетовыми линиями.
• Эта область отсечки также называется областью отсечки, потому что напряжение VGS, которое контролирует ток транзистора, ужасно велико, чтобы заставить схему работать как разомкнутый переключатель.
• В области отсечки токопроводящий канал почти закрыт из-за увеличенной толщины областей истощения с обеих сторон.

Область насыщения

• Область насыщения также называется активной областью графика.
• В этой области полевой транзистор играет роль хорошего проводника.
• Величина приложенного напряжения VGS, напряжение между затвором и истоком управляет транзистором.
• VDS Напряжение истока-истока оказывает минимальное влияние на текущий ID транзистора в этот самый момент.

Область пробоя

• Это последняя и конечная область характеристической кривой полевого транзистора, вы можете наблюдать эту область в крайнем правом углу.
• Напряжение между истоком и стоком, представленное VDS, в этот момент очень высокое.
• Напряжение достаточно высокое, чтобы токопроводящий канал был разорван, и максимальный ток прошел через канал в сток.

Применение полевых транзисторов

• Полевые транзисторы произвели революцию в электронном мире, существует бесконечный список применений полевых транзисторов, мы собираемся обсудить несколько важных из них в этом разделе.
• Полевые транзисторы Полевые транзисторы часто используются в интегральных схемах из-за их меньшего размера и компактности.
Полевые транзисторы
• используются в операционных усилителях в качестве резисторов с переменным напряжением (VR).
• Они также используются в регуляторах тембра для работы микшера на ТВ и FM.
Полевые транзисторы
• также используются в логических вентилях.
Полевые транзисторы
• также широко используются в производстве цифровых переключателей.

Теперь мы обсудим некоторые из наиболее продвинутых приложений полевых транзисторов,

FET как буферный усилитель

• Перво-наперво, давайте сначала обсудим, что делает буфер? Буфер гарантирует, что цифровой или аналоговый сигнал успешно передан предыдущей волне.
• Буфер напряжения помогает усилить ток без нарушения фактического уровня напряжения.
• Итак, поскольку вы хорошо знаете функцию буфера, мы обсудим, как полевой транзистор действует на буферный усилитель.
• Буферный усилитель отделяет предыдущий каскад сигнала от следующего, предстоящего, сток полевого транзистора работает для этой цели.
• Наконец, вы, должно быть, думаете, какое характерное свойство помогает полевому транзистору в достижении этого, у меня есть ответ на этот ваш вопрос! Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс делают полевой транзистор отличным буферным усилителем.

FET как аналоговый переключатель

• В последнее время мы обсуждали использование полевых транзисторов в аналоговых и цифровых переключателях, а сейчас мы обсудим их использование в аналоговых переключателях.
• Мы уже обсуждали это ранее в нашей характеристической кривой и сценариях работы полевого транзистора, когда выходное напряжение равно входному напряжению, заставляя полевой транзистор работать как переключатель.

• Когда VGS, который представляет собой напряжение затвора истока, как вы уже знаете, отсутствует, полевой транзистор работает как небольшое сопротивление, хотя присутствует небольшой ток стока, но его значение почти незначительно.
• Математическое выражение можно записать как

VOUT = {RDS / (RD + RDS (ON)} * Vin

• Если вы помните, область отсечки кривой ВАХ нашего полевого транзистора, когда к области истока затвора прикладывается максимальное отрицательное напряжение, и в конечном итоге полевой транзистор_ FET начинает действовать как очень высокое сопротивление.
• Это сопротивление находится в диапазоне мегаомов.
• В этом случае выходное напряжение Vout почти равно входному напряжению, которое было VGS.

FET в качестве генератора фазового сдвига

• Полевые транзисторы идеально подходят для использования в качестве генераторов фазового сдвига.
• Генераторы с фазовым сдвигом используются для генерации сигналов с широким диапазоном частот.
Полевые транзисторы
• могут использоваться как для усиления, так и для работы в контуре обратной связи, поэтому они отлично подходят для работы в качестве генераторов с фазовым сдвигом.
• Полевой транзистор_ Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, поэтому при использовании в качестве генераторов фазового сдвига эффект нагрузки значительно меньше.
• В большинстве случаев для этой цели используются N-канальные полевые транзисторы.

• Полевые транзисторы можно наблюдать как генераторы сдвига фазы в устройствах GPS, музыкальных инструментах и ​​многих других местах, где модулируются звуковые сигналы, например, синтез голоса.

Полевой транзистор как каскодный усилитель

• Код регистра слов образован от фразы «Каскад на катод».
• Каскодные схемы состоят из двух компонентов: первый — это усилитель крутизны, а второй — буферный усилитель.
• Каскодные усилители обычно изготавливаются с использованием полевых транзисторов из-за их высокого входного сопротивления.
• Мы используем каскодные усилители из-за того, что они обладают низкой входной емкостью, в противном случае обычно используемые обычные усилители имеют более высокое значение входной емкости, чем каскодные усилители.
• Хотя коэффициент усиления по напряжению одинаков для обоих усилителей, что снова является беспроигрышной ситуацией для
• Каскодные усилители на полевых транзисторах.

Полевой транзистор в мультиплексоре

• Давайте сначала обсудим функцию мультиплексора, мультиплексор собирает разные сигналы от разных источников для представления в виде единого выходного сигнала. Представьте себе целый год упорной работы, а конечный результат после экзамена отображается в единой карточке!
Полевые транзисторы
• Junction используются для построения схемы мультиплексора.
• Каждый полевой транзистор действует как SPST.
• Если вы не знаете о SPST, позвольте мне сказать вам, что это однополюсный однопозиционный переключатель, который генерирует один выход из одного входа.
• SPST используется как двухпозиционный переключатель в цепях.

Рассмотрим принципиальную схему, приведенную ниже;

• Все входные сигналы блокируются, когда управляющие сигналы становятся более отрицательными, чем напряжение источника затвора VGS.
• Это условие блокирует все входные сигналы.
• Установив любое из управляющих напряжений V1, V2 или V3 на ноль, мы можем получить единственную желаемую выходную волну.
• Считайте, что если повернуть V2 в ноль, мы получим треугольный сигнал.
• Если мы повернем V3 к нулю, вы сами сможете определить из принципиальной схемы волновой сигнал, который вы получите, Go! Прокрутите вверх!
• Вот как полевые транзисторы используются в мультиплексорах.

FET как малошумящий входной усилитель

• Как вы определяете шум? Звук, неприятный для ушей, или при разговоре о помехах, вызывающих ненужную турбулентность на желаемом выходе, делая его скудным или слабым.
• Шум возникает во многих механических и электрических приборах, но иногда для некоторых вещей это терпимо, а иногда нет!
• Только представьте себе мешающий шум, когда вы транслируете видео или аудио, громкий сигнал, который размывает музыку во время солнечного пляжного дня на вашем радио, никому это не нужно! Поэтому для малошумящего усиления используются полевые транзисторы.
• Шум не имеет ничего общего с мощностью сигнала, поэтому он всегда присутствует, даже когда вы закончили прямую трансляцию!
• Шумоподавление является недостатком многих электронных устройств, но яркой стороной является то, что наши полевые транзисторы создают немного меньше шума, особенно если они используются в передней части приемника сигнала.
• Полевые транзисторы тоже немного шумят, но у меня есть решение для этого, MOSFET используются там, где недопустим даже небольшой шум, не волнуйтесь, мы поговорим о MOSFET в нашей следующей статье!
• Итак, наконец, мы можем сказать, что, если мы используем полевой транзистор_ FET на входе, будет меньшее усиление нежелательного сигнала на нашем сгенерированном выходе.

FET как ограничитель тока

• Junction Field Effect Transistors можно использовать для создания цепи ограничения тока.
• По этой характеристике и расположению изготавливаются диоды постоянного тока и регуляторы тока, давайте обсудим процесс, но сначала обратимся к принципиальной схеме для лучшего понимания.

  No related posts.