Подбор полевых транзисторов по параметрам: Как подобрать транзистор для замены?

Таблица сравнения полевых транзисторов

Не смотря на планы купить отдельную повышающую плату для питания стола, решил все же заменить транзистор нагрева стола на Ramps. Вообще, поводом к этому стала переломленная нога предохранителя. Раз уж все равно разбирать бутерброд и паять, то почему бы не перепаять еще и транзистор? Но о самой работе и результатах расскажу позже.

Прежде чем что-то менять, надо сначала это что-то выбрать. Про замену транзистора написано много постов и не только тут, но вот беда – никто так и не соизволил (а если и сделал, то я этого не нашел) расписать более подробную инфу про транзисторы и их ключевые характеристики. Все сводится к ‘вот этот точно работает, ставь его’ и к мерилкам ‘экспертностью’ в комментах без раскрытия темы.

В этом посте хочу поделиться со всеми, кто в теме не шарит, но интересуется, нарытой мной информацией и материалами. Что-то найдено тут, что-то на других ресурсах, а что-то узнал от специалистов в местных магазинах радиотоваров.

Начнем с характеристик полевых транзисторов. Их так много, что с ходу в тему не влететь, черт ногу сломит, некоторые из них еще и меняются в температурных диапазонах, а что-то приведено в даташитах в виде графиков. Для нас же, важны следующие:

Максимальный ток Стока, ld (А) – это максимальный продолжительный ток, с которым может работать транзистор. Чем больше, тем лучше.

Напряжение Сток-Исток, Vdss (В) – максимальное напряжение, которое может проходить через транзистор. Этот момент зависит от того, каким напряжением питаете стол через Ramps. Если 24В, то транзистор на 25, чтобы с запасом. Этого хватит, сильно много не надо.

Пороговое напряжение открытия транзистора, Vgs(th) min/max (В) – напряжение, при котором транзистор начинает работать и пропускать ток. Чем меньше значение, тем лучше. В данной характеристике важным моментом является обозначение ‘(th)’, ибо есть похожая характеристика.

Максимальное напряжение Затвор-Исток, Vgs (В) – напряжение полного раскрытия транзистора.

Сопротивление Сток-Исток Rds(Ом) – сопротивление при открытом канале. Чем оно меньше, тем лучше.

Теперь посмотрим как это все связано друг с другом и как работает. Ардуино подает на дроссель Vgs(th) и тем самым открывает ‘дверь’ транзистора. От степени открытия этой двери зависит текущий ток ld, который она может пропустить. Максимальный ток ld будет достигнут, когда значение напряжения на дросселе достигнет Vgs. Иллюстрируется это следующим графиком:

Тут можно видеть, что, чем выше напряжение Vgs, тем больше ток ld. Но реальность такова, что без дополнительных доработок у нас Vgs будет на уровне максимум 5В и ток будет соответствующий. Поэтому, чем больше максимальный ток транзистора, тем больше его мы можем получить себе в перспективе с наших 5В. Чем меньше

Vgs(th), тем раньше мы начнем ток получать. А чем меньше Vgs, тем ближе мы будем к максимальному току транзистора с нашим напряжением в 5В. Сопротивление Rds так же должно быть минимальным, чем оно меньше, тем меньше наши потери тока на пути к столу и меньше нагрев транзистора.

Кроме сопротивления Rds есть еще одна связь с температурой транзистора. Греется он в работе. Чем больше открыт дроссель, чем больший ток он пропускает и чем дольше работает, тем сильнее разогревается сам. Соответственно, больший ток ld при меньшем напряжении на затворе Vgs позволяет, меньше, реже и на меньшее время открываться транзистору, быстрее нагревая стол и меньше нагреваясь самому. Утепление самого стола позволяет транзистору меньше напрягаться с его подогревом.

Мной были просмотрены местные темы про замену транзистора на рампсе и темы на других сайтах, в результате свел все в одну гуглотаблицу с расписанием указанных выше характеристик.

Электронный вариант таблицы с возможностью оставлять комментарии тут:

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1vytRAPAFucIo5Fq3LOEikMxhKLOYDs3fuzYW6Lwr1MY/edit?usp=sharing

Если будут еще варианты, пишите мне, дополню таблицу, так же пишите, на какие еще характеристики стоит обратить внимание при подборе транзистора для наших целей.

Подобрать транзистор по некоторым параметрам можно тут:

http://paratran.com/1ExtendedSearchFET.php

Тут можно почитать про их характеристики:

http://electricalschool.info/electronica/1696-parametry-polevykh-tranzistorov-chto.html

А тут найти даташит по названию:

http://www.radioradar.net/datasheet_search//index.html

Приборы, которыми можно заменить транзистор

Сразу оговоримся, что речь пойдет о подборе аналогов N-канальных, “logic-level”, полевых транзисторов которые можно встретить в цепях питания на материнских платах и видеокартах. Logic-level, в данном случае, означает, что речь идет о приборах которые управляются, т.е. способны полностью открывать переход Drain to Source, при приложении с затвору относительно небольшого, до 5 вольт, напряжения.

Как может выглядеть полевый транзистор

Рис.1 Корпус типа D²PAK, так же известен как TO-263-3. Встречается в основном на пожилых платах, на современных используется редко.

Рис.2 Корпус типа DPAK, так же известен как TO-252-3. Наиболее часто используется, представляет собой уменьшенный D²PAK.

Рис.3 Корпус типа SO-8. Встречается на материнских платах и видеокартах, чаще на последних. Внутри может скрываться один или два полевых транзистора.

Рис.4 SuperSO-8, оно же – TDSON-8. Отличается от SO-8 тем, что 4 вывода соединены с подложкой транзистора, что облегчает температурный режим. Характерен для продуктов фирмы Infineon. Легко заменяется на аналог в корпусе SO-8

Рис.5 IPAK. Другое название – TO-251-3. По сути – полный аналог DPAK, но с полноценной второй ногой. Такой тип транзисторов очень любит использовать фирма Интел на ряде своих плат

Рис.A Первый вариант, один N-канальный транзистор.

Рис.B Второй, два N-канальных транзистора.

Рис.C Третий, N-канальный плюс P-канальный транзисторы в одном флаконе.

Рис.D Корпус типа LFPAK или SOT669. Частный случай корпуса SO-8 с одним N-канальным транзистором, где ножки с 5″ой по 8″ю заменены на теплоотводный фланец. На данный момент замечен только на видеокартах.

Как правило на место прибора в корпусе D²PAK без проблем ставиться аналогичный но в корпусе DPAK.

При определенной сноровке можно на посадочное место под DPAK “раскорячить” D²PAK, хотя выглядеть будет не эстетично.

LFPAK естественно без проблем меняется на SO-8 с одним N-канальным транзистором, и наоборот.

В остальных случаях необходимо подбирать прибор в полностью аналогичном корпусе.

Где может использоваться полевый транзистор

Выше мы договорись что рассматриваем только подсистему питания, посему вариантов немного:

• Импульсный преобразователь напряжения.
• Линейный стабилизатор напряжения.
• Ключ в цепях коммутации напряжения.

Система маркировки полевых транзисторов

Рассмотрим оную на примере. Пускай, у нас есть 20N03. Это означает, что он рассчитан на напряжение (Vds) ~30V и ток (Id) ~20A. Буковка N означает, что это N-канальный транзистор. Но из любого правила есть исключения, так, например, фирма Infineon указывает в маркировке полевика Rds, а не максимальный ток.

IPP15 N03 Vds=30V Rds=12.6mΩ Id=42A TO220
IPB15 N03 L – Infineon OptiMOS N-channel MOSFET Vds=30V Rds=12.6mΩ Id=42A TO263(D²PAK)
SPI80 N03 S2L-05 – Infineon OptiMOS N-channel MOSFET Vds=30V Rds=5.2mΩ Id=80A TO262
NTD40 N03 R – On Semi Power MOSFET 45 Amps, 25 Volts Rds=12.6mΩ

STD10 PF06 – ST STripFET™ II Power P-channel MOSFET 60V 0.18Ω 10A IPAK/DPAK

Итак, в случае маркировки XXYZZ мы можем утверждать, что XX – или Rds, или Id Y – тип канала ZZ – Vds

Основные характеристики N-канального полевого транзистора

В общем различных параметров важных, и не очень, у полевых транзисторов много. Мы подойдем к вопросу с прикладной точки зрения и ограничимся рассмотрением необходимых нам практически параметров.

• Vds – Drain to Source Voltage – максимальное напряжение сток-исток.
• Vgs – Gate to Source Voltage – максимальное напряжение затвор-исток.
• Id – Drain Current – максимальный ток стока.
• Vgs(th) – Gate to Source Threshold Voltage – пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться переход сток-исток.
• Rds(on) – Drain to Source On Resistance – сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии.
• Q(tot) – Total Gate Charge – полный заряд затвора.

Хочу обратить внимание что параметр Rds(on) может указываться при разных напряжениях затвор-исток, как правило это 10 и 4.5 вольта, это важная особенность которую нужно обязательно учитывать.

Степень критичности параметров в разных применениях

• Vds, Vgs – параметры всегда учитываемые, т.к. если если их превысить транзистор выходит из строя. Должен быть больше либо равен аналогичному параметру заменяемого прибора. В случае работы в импульсном преобразователе не стоит использовать приборы с запасом по рабочему напряжению более чем в 2-2.5 раза, т.к. приборы с большим рабочим напряжением, как правило, имеют худшие скоростные характеристики.

• Id – параметр важный только в импульсном преобразователе, т.к. в остальных случаях ток крайне редко превышает 10% от номинального даже не слишком мощных приборов. Должен быть больше либо равен аналогичному параметру заменяемого прибора в случае с импульсным преобразователем, и быть не меньше 10 ампер в остальных случаях.

• Vgs(th) – имеет, некоторое, значение при работе в линейном стабилизаторе, т.к. только там транзистор работает в активном, а не ключевом, режиме. Хотя практически logic-level полевых транзисторов которые могут не подойти по этому параметру не выпускается. Данный параметр критичен для линейных стабилизаторов, где в качестве управляющего элемента используется TL431 с питанием от +5В (к примеру, такая схема часто используется в линейных стабилизаторах напряжения на видеокартах)

• Rds(on) – от этого параметра прямо-пропорционально зависит нагрев транзистора работающего в ключевом режиме, при прохождении тока через открытый канал. В данном случае чем меньше – тем лучше . ВНИМАНИЕ не следует забывать что защита от токовой перегрузки и КЗ ШИМ серий HIP63** и некоторых других исползует Rds(on) нижнего ключей (те что с дросселя на землю) в качестве датчика тока-зачителное его изменение изменит ток защиты и либо защита по току-будет работать раньше чем надо-результат просадки питания на пиках нагрузки-либо ток КЗ столь велик что убьет ключи раньше чем мама отключит БП снятием PW-ON поэтому строго говоря надо еще и Risen у шимки поменять(но это никто обычно не делает!)

• Q(tot) – влияет на время перезаряда затвора, и соотвественно способно затягивать открытия и закрытия транзистора. Опять же чем меньше – тем лучше .

Документ от Fairchild Selection of MOSFETs in Switch Mode DC-DC Converters – рекомендации по подбору (а значит и замене) MOSFETs.

• 284496 просмотров

За изобретение этого компонента учёные-физики получили Нобелевскую премию, благодаря чему была совершена революция в появлении интегральных схем и компьютеров. Транзисторы используют для управления током в электрической цепи. Они могут усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Для увеличения выходного тока и напряжения эти приборы применяют в области цифровой связи, в процессорах, цифровой технике. Используют полевые (униполярные) и биполярные приборы.

Транзисторы различаются по частоте (низко- и высокочастотные), по мощности, по материалам (германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые, получаемые путём соединени галлия и мышьяка). В матрицах дисплеев на данный момент используют приборы на основе прозрачных полупроводников, предполагается в скором времени применять полупроводниковые полимеры.

У радиолюбителей иногда возникают трудности с заменой зарубежных, в частности японских, транзисторов. В бытовой технике используется большое количество различных приборов полупроводникового типа. Больше всего производят биполярных транзисторов (обратной и прямой проводимости). Их выпускает электронная промышленность в странах Северной Америки, Европы и Япония. На корпусах приборов можно встретить маркировку, одинаковую для Японии и Южной Кореи.

В зависимости от сложности предстоящего ремонта аппаратуры, можно рассмотреть общие подходы к замене транзисторов. В первом случае на корпусе транзистора есть маркировка, по которой определяется его тип, и этот прибор можно приобрести по небольшой цене на обычном рынке радиоприборов. В более сложном случае тип прибора легко определить, но трудно приобрести в силу дороговизны или отсутствия на отечественном рынке. В сложных случаях не возможно определить тип прибора или отсутствует инструкция по его эксплуатации.

Трудность заключается в том, что зачастую приходится заменять мощные импульсные транзисторы зарубежного производства отечественными аналогами, которые не всегда соответствуют всем необходимым параметрам. Например, трудно подобрать прибор в компактных корпусах и корпусах, сделанных из пластмассы, пластика. Но с лёгкостью можно подобрать отечественную замену приборам типа ТО-3 в металлическом корпусе. Важно учитывать размеры прибора, они должны совпадать.

Правильная замена прибора происходит при соблюдении соответствия изоляции двух вариантов (поломанного и купленного), способ соединения коллектора с пластиной корпуса, которая отводит тепло.

Если прибор, требующий замены, снабжён корпусом, обеспечивающим изоляцию, а его аналог имеет лишь в креплении пластиковую втулку, то устанавливаем для защиты прокладку из фторопласта или слюды. Фторопластом делают первичную обмотку высоковольтных проводов благодаря высокой способности к изоляции тока. Может понадобиться изолировать винт крепления, если нет изоляции втулки. Важно помнить при замене прибора, что транзисторы в металлическом корпусе лучше выполняют теплоотвод, чем их аналоги в пластмассовом корпусе.

При замене прибора вначале определитесь, какие параметры наиболее важны для данной техники, и руководствуйтесь ими в выборе заменителя. Для этого нужно иметь конкретные представления о схемах и параметрах включении транзистора. В ремонте чаще всего приходится заменять приборы для бытовой техники, видеомагнитофонов, телевизоров (выходные каскады импульсных блоков питания).

Для бытовой техники лучше всего подходят высокочастотные транзисторы . По указаниям на приборе можно определить, как изолирован корпус, насколько шумно работает прибор, где его использовать (например, для средств связи применяют тип G). Но в приборах со встроенными резисторами, диодами и прочими модификациями маркировка может отличаться от общепринятой. Так фирмы NEC и TOSHIBA имеют собственные обозначения высоко- и низкочастотных транзисторов.

Поломка полупроводникового прибора может произойти из-за перегрузок, колебаний напряжения в сети. Поэтому нужно искать замену с защитными резисторами, диодами, учитывать уровень сопротивления. Чтобы корпус не перегревался и не произошла повторная поломка, нужен быстродействующий прибор.

Когда заменяем транзистор, нужно учесть коэффициент передачи по току, рабочее напряжение на коллекторе прибора. Желательно, чтобы замена не была худшего качества, чем оригинал. Или включить параллельно несколько приборов меньшей мощности, но одного типа. При ошибке в установке аналога может происходить перегревание системы.

Полевые транзисторы заменить труднее, нежели биполярные. Их разновидностей меньше, а параметры значительно различаются. Выделяют два основных типа: с изолированным затвором и с р-n переходом. На этих приборах базируется вся современная цифровая техника. Их изготавливают на кристаллах кремния и применяют для построения схем процессора, памяти, логики. Однако кремниевые транзисторы обычно не работают при напряжениях выше 1 000 вольт.

В данной статье я хочу описать, на какие критерии нужно обращать внимание при подборе замены транзисторам . Надеюсь, статья будет полезной для начинающих радиолюбителей. Постараюсь информацию изложить очень кратко, но достаточно для правильного подбора транзистора при отсутствии аналогичного.

Биполярные транзисторы.

Предлагаю оценку и подбор аналога для замены транзистора начинать с анализа схемы – частота, напряжение, ток. Начнем подбор по быстродействию транзистора, то есть рабочей частоте транзистора. При этом граничная fгр. МГц (эта та на которой его коэффициент усиления равен единице) частота транзистора должна быть больше реальной частоты на которой работает устройство, желательно, во много раз. После подбора по частоте, производим выбор по допустимой мощности, иными словами ток коллектора транзистора должен превышать максимальный ток в первичной цепи. Далее подбираем транзистор по допустимому напряжению эмиттер-коллектор, которое также должно превышать максимальное прикладываемое к транзистору напряжение в любой момент времени. Коэффициент усиления: известно, что ток коллектора у биполярного транзистора с током базы связан через параметр h31. Проще говоря, ток коллектора больше тока базы в h31. Из этого можно сделать вывод, что лучше применять транзисторы значение этого параметра у которых как можно больше. Это позволит повысить КПД за счет снижения затрат на управление транзисторами, да и потом, транзистор с большим значением этого параметра проще ввести в режим насыщения. Далее чтобы меньше мощности потерять на транзисторе (при этом он будет меньше греться), нужно чтобы его напряжение насыщения (напряжение коллектор-эмиттер в открытом состоянии) было как можно меньше, ведь мощность выделяемая на транзисторе, равна произведению тока, протекающего через него, и падению напряжения на нем и еще, максимальная мощность рассеяния коллектора (приводится в справочнике) должна быть не меньше реально выделяемой, иначе транзистор не справится (мгновенно выйдет из строя). В статье «Транзисторы для импульсных блоков питания телевизоров. Замена» я уже описывал приемы замены транзисторов .

Полевые транзисторы.

Преимуществ перед биполярными у них много, а самое главное, цена ниже. Наиболее важные преимущества полевых транзисторов, на мой взгляд следующие:

1. Он управляется не током, а напряжением (электрическим полем), это значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.
2. В полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.
3. Повышенная теплоустойчивость. Рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведет, согласно закону Ома, к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока.

Термоустойчивость полевого транзистора помогает разработчику при параллельном соединении приборов для увеличения нагрузочной способности. Можно включать параллельно достаточно большое число полевиков без выравнивающих резисторов в силовых цепях и при этом не опасаться рассиметрирования токов, что очень опасно для биполярных транзисторов. Однако параллельное соединение полевых транзисторов тоже имеет свои особенности.

Что касается подбора транзисторов для замены , то порядок примерно тот же самый, т е быстродействие затем мощность. Напряжение исток-сток также выбирается из тех же соображений, что и для биполярных, максимальный ток стока также выбирается с запасом, здесь это выбрать гораздо проще, т к полевые транзисторы имеют довольно большие допустимые токи стока и их разнообразие очень большое, чего не скажешь про биполярные — биполярные транзисторы с током коллектора больше 20 А, это уже редкость. Полевые транзисторы не имеют напряжения насыщения, у них есть аналогичный параметр — сопротивление открытого канала, у транзисторов с допустимым напряжением до 150 В оно составляет десятки миллиом, у более высоковольтных — омы. Чем меньше значение этого сопротивления, тем ближе параметры транзистора к идеальным и тем меньше потери. Мощность потерь (рассеяния) в открытом состоянии определяется как квадрат тока умноженный на сопротивление открытого канала. Естественно, чем меньше будет это значение, тем меньше будет транзистор греться. Аналог параметра h31 у полевого транзистора это крутизна характеристики. Этот параметр связывает между собой ток стока и напряжение на затворе, иными словами ток стока определяется как произведение напряжения на затворе и крутизны характеристики транзистора. Как правило ключевые транзисторы имеют большую крутизну характеристики. Еще у этого вида транзисторов есть так называемое порговое напряжение на затворе — это минимальное значения управляющего напряжения достаточное для введения транзистора в абсолютно открытый режим (насыщение). При подборе необходимо учитывать, чтобы минимальное напряжение на затворе не было ниже порогового, иначе вся мощность будет выделяться на транзисторе а не на нагрузке, т к он не полностью открыт. Такой режим работы, как правило, транзисторы не выдерживают — после включения выгорают с небольшой (или большой) задержкой. Параметр мощность рассеяния коллектора для биполярного транзистора имеет аналогичный для полевого — мощность рассеяния стока. Параметры абсолютно идентичны.

Активней пользуйтесь справочниками и интернетом, информации по параметрам транзисторов сейчас достаточно.

6 советов по выбору полевого транзистора – Промышленные новости – Новости

1. Тип канала

Первый шаг в выборе хорошего устройства на полевом транзисторе – решить, использовать ли N-канальное или P-канальное поле. транзистор с эффектом. В типичном приложении питания, когда полевой транзистор заземлен, а нагрузка подключена к магистральному напряжению, полевой транзистор представляет собой низковольтный боковой переключатель. В низковольтном боковом переключателе следует использовать N-канальный полевой транзистор из-за соображений напряжения, необходимого для включения или выключения устройства. Когда полевой транзистор подключен к шине и земле нагрузки, следует использовать переключатель на стороне высокого напряжения. В этой топологии обычно используются P-канальные полевые транзисторы, что также связано с учетом управления напряжением.

2. Номинальное напряжение

Определите требуемое номинальное напряжение или максимальное напряжение, которое может выдержать устройство. Чем больше номинальное напряжение, тем выше стоимость устройства. Согласно практическому опыту, номинальное напряжение должно быть больше, чем напряжение магистральной линии или напряжение шины. Это обеспечит достаточную защиту, чтобы полевые транзисторы не вышли из строя.

При выборе полевого транзистора важно определить максимальное напряжение, которое можно выдержать от стока до истока, т. е. максимальное значение VDS. Важно знать, что максимальное напряжение, которое может выдержать полевой транзистор, зависит от температуры. Мы должны проверить диапазон изменения напряжения во всем диапазоне рабочих температур. Номинальное напряжение должно иметь достаточный запас, чтобы покрыть этот диапазон изменений, чтобы гарантировать, что цепь не выйдет из строя. Другие факторы безопасности, которые следует учитывать, включают переходные процессы напряжения, вызванные переключающей электроникой (например, двигателями или трансформаторами). Номинальное напряжение варьируется от приложения к приложению; обычно 20 В для портативных устройств, от 20 до 30 В для источников питания ПЛИС и от 450 до 600 В для приложений от 85 до 220 В переменного тока.

3. Номинальный ток

Номинальный ток должен быть максимальным током, который нагрузка может выдержать во всех случаях. Как и в случае с напряжением, убедитесь, что выбранный полевой транзистор может выдержать этот номинальный ток, даже если система генерирует пиковые токи. В настоящее время рассматриваются два случая: непрерывный режим и пики импульсов. В режиме непрерывной проводимости полевой транзистор находится в устойчивом состоянии, когда через устройство непрерывно проходит ток. Импульсный выброс возникает, когда через устройство протекает большой пусковой ток (или пиковый ток). Как только максимальный ток в этих условиях определен, остается только непосредственно выбрать устройство, способное выдержать этот максимальный ток.

4. Потери проводимости

На практике полевой транзистор не является идеальным устройством, поскольку в процессе проводимости будут потери электроэнергии, которые называются потерями проводимости. Полевой транзистор во “включенном” состоянии подобен переменному сопротивлению, по РДС (ВКЛ) прибора определяется и при изменении температуры, и при значительных изменениях. Рассеиваемая мощность устройства может быть рассчитана с помощью Iload2×RDS (ON), а поскольку сопротивление в открытом состоянии зависит от температуры, рассеиваемая мощность также будет пропорционально изменяться. Чем выше напряжение VGS, подаваемое на полевой транзистор, тем меньше будет RDS(ON); и наоборот, тем выше будет RDS (ON). Обратите внимание, что сопротивление RDS (ON) будет немного увеличиваться с ростом тока. Различные варианты электрических параметров сопротивления RDS (ON) можно найти в техническом паспорте, предоставленном производителем.

5. Тепловыделение системы

Необходимо рассмотреть два различных сценария, а именно наихудший случай и реальный случай. Рекомендуется использовать расчет для наихудшего случая, так как он обеспечивает больший запас прочности и гарантирует, что система не выйдет из строя. Есть также некоторые измерения, которые следует отметить в листе данных FET; температура перехода устройства равна максимальной температуре окружающей среды плюс произведение теплового сопротивления и рассеиваемой мощности (температура перехода = максимальная температура окружающей среды + [тепловое сопротивление x рассеиваемая мощность]). Согласно этому уравнению может быть решена максимальная рассеиваемая мощность системы, которая по определению равна I2 × RDS (ON). Мы уже хотим передать максимальный ток устройства, можно рассчитать RDS(ON) при разных температурах. Кроме того, на плате и ее полевом транзисторе следует сделать отвод тепла.

Лавинный пробой – это когда обратное напряжение на полупроводниковом приборе превышает максимальное значение и образуется сильное электрическое поле для увеличения тока в приборе. Увеличение размера пластины улучшит лавинную устойчивость и, в конечном итоге, повысит надежность устройства. Таким образом, выбор упаковки большего размера может эффективно предотвратить сход лавины.

6. Производительность переключения

Существует множество параметров, влияющих на эффективность переключения, но наиболее важными из них являются емкость затвор/сток, затвор/исток и сток/исток. Эти емкости вызывают потери при переключении в устройстве, поскольку они должны заряжаться на каждом переключателе. При этом снижается скорость переключения полевого транзистора и снижается КПД устройства. Для расчета общих потерь устройства при переключении рассчитываются потери при включении (Eon) и потери при выключении (Eoff). Полная мощность переключателя FET может быть выражена следующим уравнением: Psw=(Eon+Eoff)×частота переключения. И заряд затвора (Qgd) оказывает наибольшее влияние на эффективность переключения.

Исследование влияния некоторых параметров канала на характеристики полевого транзистора с туннельными углеродными нанотрубками

Введение

В то время как технология на основе кремния обнаружит свои ограничения, некоторые новые устройства исследуются, чтобы найти подходящую замену кремнию . Предполагается, что полевые транзисторы с углеродными нанотрубками (CNTFET) в будущем заменят кремний [1]. Углеродные нанотрубки были исследованы на Sumio Iijima в 1991 г. [2]. Углеродные нанотрубки обладают такими свойствами, как способность выдерживать большие токи, баллистический перенос, механическая стабильность и динамическая нагрузка, что делает их подходящими материалами для замены кремния в качестве канала полевых транзисторов. Баллистический перенос в CNTFET p-типа с квазиплоской геометрией затвора и более высокими токами включения в MOSFET был подтвержден экспериментально [3, 4]. Цилиндрическая углеродная нанотрубка с затвором по всему периметру (GAA) приводит к увеличению миниатюризации, а также обеспечивает электростатический контроль затвора [5]. В канале CNTFET происходит накопление заряда, что приводит к увеличению тока покоя и снижению я _НА / И _ВЫКЛ. соотношение. Чтобы преодолеть эту проблему, предлагается туннельное устройство с управлением воротами (T-CNTFET). Крутой обратный подпороговый наклон и лучше контролируемый ток покоя были получены с помощью T-CNTFET. В T-CNTFET увеличение разности потенциалов между затвором и контактом стока приводит к сильному изгибу зон вблизи контакта стока [6]. T-CNTFET был смоделирован путем самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шредингера [3]. Как видно из [3], для подавления амбиполярного поведения CNTFET и улучшения характеристик этого устройства в CNTFET применено асимметричное легирование двойным гало. Кроме того, для этой цели представлены УНТПТ с градиентным каналом двойного гало, как в [7]. Передача считается баллистической как в [3], так и в [7]. В данной работе исследуется влияние изменения параметра канала на характеристики T-CNTFET при условии, что остальные параметры канала остаются постоянными. Исследуемые параметры канала включают длину канала ( L ), диаметр канала и толщина оксида затвора. Наконец, ток включения (Ion), ток туннелирования, отношение тока включения/выключения ( I _НА / И _OFF ), и подпороговое колебание (SS) были характеристиками, изученными в этом исследовании.

Структура устройства

На рис. 1 показана иллюстрация структуры T-CNTFET. УНТ состоит из зигзага (16, 0) радиусом 0,63 нм и длиной L  = 15 нм. Коаксиальный затвор расположен вокруг области канала нанотрубки. Диэлектрический слой HfO ₂ имеет толщину 2 нм, а относительная диэлектрическая проницаемость составляет ε . _r  = 16. HfO ₂ отделяет ворота от УНТ 2 нм. T-CNTFET включен в области истока, легированного p, и стока, легированного n, длиной 30 нм, которые были легированы 2 нм ^-1 легирования.

Рис. 1

Схематический вид в разрезе коаксиального T-CNTFET

Изображение полного размера

Вычислительный метод

Предлагаемое устройство моделируется путем самосогласованного решения уравнений яда и Шредингера в рамках формализма NEGF. Наносистема моделируется методом NEGF вне равновесия. Электростатический потенциал определяется уравнением Пуассона для вычисления гамильтониана системы [3]. Углеродная нанотрубка коаксиально закрыта, поэтому симметричные характеристики цилиндрических координат создают потенциал, а заряд вокруг нанотрубки постоянен. Следовательно, уравнение Пуассона представляет собой двумерную задачу вдоль трубы ( 9{2} \varvec{U}(\varvec{r},\varvec{Z}_{\varvec{j}} ) = – {\rho}(\varvec{r},\varvec{Z}_{\ varvec{j}} )/\varepsilon_{0} \varepsilon_{\varvec{r}} ,$$

(1)

где U _Дж ( r , z ), ε и \ ({\ text {p}} (\ varvec {r}, \ varvec {Z} _ {\ varvec {j}} ) \) представляют собой электростатический потенциал, постоянную диэлектрическую проницаемость и суммарное распределение плотности заряда, которые также включают плотность легирующей примеси соответственно. Запаздывающая функция Грина для устройства в матричной форме вычисляется как 9{ + }\), E , I и H — бесконечно малая положительная величина, энергия, единичная матрица и гамильтониан УНТ соответственно:

$$H_{q} = \ слева [ {\ begin {array} {* {20} c} {\ begin {array} {* {20} c} {U_ {1}} \\ {b_ {2q}} \\ 0 \\ \ end { массив} \begin{массив}{*{20}c} {b_{2q}} \\ {U_{2}} \\ t \\ \end{массив} \begin{массив}{*{20}c} 0 \\ t \\ {U_{3} } \\ \end{массив} \begin{массив}{*{20}c} 0 \\ 0 \\ {b_{2q} } \\ \end{массив} } & 0 \\ 0 & {\ begin {массив} {* {20} c} \ ddots & t & 0 \\ t & {U_ {n – 1}} & {b_ {2q}} \\ 0 & { b_{2q} } & {U_{n} } \\ \end{массив} } \\ \end{массив} } \right],$$

(3)

где б _{2 q} = 2 t cos (π q / n ), t ≈ 3 эВ и N — параметр прыжка ближайшего соседа и общее количество углеродных колец вдоль устройства соответственно. Диагональные элементы U _Дж , как и в [8], принимают за электростатический потенциал вне участка вдоль поверхности трубки. Матрицу собственной энергии можно интерпретировать как граничное условие уравнения Шрёдингера. В данной работе мы исследовали собственную энергию для полубесконечности, приводящую к граничным условиям, позволяющим рассматривать УНТ как соединенную своими концами с бесконечно длинными УНТ. Функция собственной энергии источника \(\sum\nolimits_{\text{S}} {}\) имеет все элементы, равные нулю, за исключением фактора (1, 1): 9{2} } }}{{2\left( {\mathbf{E}} – {\mathbf{U}}_{1} } \right)}}.$$

(4)

Дополнительно , \(\sum\nolimits_{\text{D}} {}\) имеет только свой ( N , N ) элемент, отличный от нуля, и задается уравнением, подобным E _q с U ₁ заменен на U _Н как в [8]. Двумерная решетка нанотрубок a ( 9{ – \infty } {\text{d}}E.{\text{sign}}\left[ {E – E_{N} \left(z \right)} \right] \{D_{\text{is }} \left( {E,z} \right)f({\text{sign}}\left[ {E – E_{N} \left( z \right)} \right](E – E_{\text {FS}} }} + D_{\text{iD}} \left( {E,z} \right)f({\text{sign}}[E – E_{N} \left( z \right)] \left( {E – E_{\text{FS}} } \right))\} ,$$

(5)

где e , sgn ( E ), E _{ФС, Д} , Д _{i S/D,} и ( E , z ) — заряд электрона, функция знака, уровень Ферми истока (стока), LDOS из-за контакта истока (стока), рассчитанные NEGF. метод соответственно. В этой статье мы использовали модель с одним пи для всех симуляций; проводимость и валентная зона нанотрубок считаются симметричными, поэтому уровень зарядовой нейтральности E _Н ( z ), лежит в середине запрещенной зоны. Потенциалы на электродах истока/стока и затвора предполагаются фиксированными в качестве граничных условий. Итерация между атомистическим квантовым уравнением переноса и уравнением электростатики продолжается до тех пор, пока не будет получено самосогласование, а затем формула Ландаура-Буттикера вычисляет ток исток-сток:

$$I = 2q/h\mathop \int \nolimits T\left( E \right)\left[ {F\left( {E – E_{\text{FS}} } \right) – \left( {E – E_{\text{FD}} } \right)} \right]{\text{d}}E.$$

(6)

В этой формуле T ( E ) равно коэффициент передачи [7].

Результаты и обсуждение

На рисунке 2 четко показано поведение T-CNTFET. Носители могут туннелировать от истока к стоку при условии, что полоса проводимости ( E _C ) в канале выше валентной зоны ( E _V ) источника. В условиях равновесия вся длина области канала действует как туннельный барьер. С другой стороны, когда E _C в канале ниже E _В в источнике высота туннельного барьера уменьшится со стороны источника-канала и за счет межзонного туннельного тока (приложено В _DS  > 0). Индуцированные фононами состояния могут создавать дополнительные туннельные пути носителей, которые приводят к более высокому туннельному току при рассеянии, как в [6]. Таким образом, предполагалось пропускание с неупругим рассеянием. На рис. 3 показано, что когда устройство включено, ток стока достигает максимума В . _ДС . Но увеличивая В _DS , наконец, приведет к туннелированию со стороны дренажного канала. Такое амбиполярное поведение ограничивает производительность устройства. Как В _GS , искривление полос на стороне источника будет увеличиваться больше и, следовательно, приведет к утончению туннельного барьера, а также повысит коэффициент пропускания r. Он эффективен при размахе менее 60 мВ/декада и приводит к существенному увеличению тока включения (рис. 4). С другой стороны, применяя отрицательное значение V _GS приводит к межполосному туннелированию на стороне дренажного канала и приводит к амбиполярной проводимости. Текущий минимум на В _ГС  =  В _DS /2 для симметричного легирования исток/сток. На рис. 4 показаны I . _ДС – В _GS характеристики для T-CNTFET при разных В _{значения DS} . Как видно из рис. 4, ток стока достигает насыщения при высоких значениях В _ДС для T-CNTFET.

Рис. 2

Цветной график числа электронов на единицу энергии вдоль оси УНТ для T-CNTFET; условия смещения В _GS  = -0,6 В и В _DS = 0,4 В

Увеличенное изображение

Рис. 3

Выходные характеристики структуры T-CNTFET при различных напряжениях на затворе

Увеличенное изображение

Рис. 4

Характеристики крутизны структуры T-CNTFET при В _DS  = 0,4 В и 50 мВ

Изображение полного размера

Амбиполярное поведение приводит к высокому току покоя, а также к подпороговому наклону и увеличению тока включения. Из-за роста тока покоя I _НА / И _ВЫКЛ. Коэффициент впоследствии уменьшается. Поэтому мы исследуем различные параметры канала, чтобы добиться улучшенных характеристик. Затем, подбирая некоторые параметры канала, мы улучшаем некоторые характеристики T-CNTFET. 9{2} + млн. $$

(7)

Та и ₀  = 0,425 нм — расстояние между углеродами, n и m — диаметр УНТ и нуль соответственно. Пороговое напряжение ( В _th ) описывается как напряжение, необходимое для включения транзистора. Пороговое напряжение собственного канала УНТ можно аппроксимировать полушириной запрещенной зоны, которая является обратной функцией диаметра:

$$V_{\text{th}} = \frac{{{\mathbf{Eg}}}}{{2{\mathbf{e}}}} = \frac{\sqrt 3 }{3}\ frac{{{\mathbf{a}}V_{\pi}}}{{3{\mathbf{e}}\varvec{D}_{{{\mathbf{CNT}}}}}} ,$$

(8)

где a  = 2,49 Å — расстояние между углеродом и углеродом, V _π  = 3,033 эВ — энергия связи углерода π – π в модели сильной связи, e — заряд единицы электрона, D _ЦНТ – диаметр УНТ [10]. В таблице 1 показано, что по мере увеличения диаметра УНТ пороговое напряжение снижается и приводит к большей проводимости. Пороговое напряжение определено для различных значений n , как показано в Таблице 1. Электронная промышленность ищет возможности большего уменьшения размеров полевых МОП-транзисторов. Длина канала MOSFET является мерой размера других его параметров. Окончательное предложение – добиться длины канала 10 нм и менее. В этой структуре коаксиальный затвор покрывает весь канал, поэтому определяется как один из параметров канала. Рисунок 5 исследуется с различным диаметром УНТ при постоянном значении L = 15 нм и толщина оксида = 2 нм, разная длина канала при постоянном диаметре канала ( n = 16) и толщина оксида = 2 нм, а также разная толщина оксида при фиксированном L = 15 нм и CNT (16, 0) для I _ДС – В _GS T-CNTFET. Как видно из рис. 5, ток включения и туннельный ток увеличиваются за счет увеличения диаметра УНТ при постоянном L  = 15 нм и толщина оксида = 2 нм. Ток включения и туннельный ток увеличиваются из-за того, что диаметр УНТ увеличивается, поэтому ширина запрещенной зоны уменьшается, что приводит к более высокой проводимости. Кроме того, на рис. 5 показано, что при постоянном диаметре УНТ и длине УНТ восстановление толщины оксида приводит к увеличению I _ПО и туннельный ток. Более тонкий оксид затвора приводит к уменьшению интерференции затвор-исток. Из-за этого уменьшения высота энергии барьера уменьшается как со стороны канала истока, так и со стороны канала стока, что приводит к снижению туннельных барьеров и я _НА . Окантовка затвор-сток может подавить амбиполярную проводимость, но ухудшает работу на высоких частотах из-за увеличения краевой емкости. Поскольку диаметр УНТ и толщина оксида затвора постоянны, I _ON и туннельный ток не меняются при уменьшении длины канала (для неупругого рассеяния транспорта). Для дальнейшего наблюдения мы исследовали I _ДС – В _{Рисунок GS} для диапазона длин каналов на рис. 6 отдельно. На рис. 6 видно, что для L = 15, 20 и 30 нм уменьшение длины канала не приводит к уменьшению I _НА но I _OFF увеличивается, поскольку прямое туннелирование от истока к стоку для короткой длины канала ( L _G ≤ 10 нм). Как видно из рис. 5, самые большие я _ON и туннельный ток наблюдаются с помощью T-CNTFET с УНТ (16, 0), L  = 15 нм, а толщина оксида = 1 нм. Кроме того, наименьший I _ON и туннельный ток видны прибором с УНТ (10, 0), L  = 10 нм, а толщина оксида = 2 нм.

Таблица 1 Пороговые напряжения для различных диаметров каналов CNTFET

Полноразмерная таблица

Рис.  5

Характеристики крутизны T-CNTFET с различными параметрами канала при В _DS = 0,4 В

Увеличенное изображение

Рис. 6

Характеристики крутизны T-CNTFET с различной длиной канала при В _DS = 0,4 В

Полноразмерное изображение

Для дальнейшего сравнения мы оценили I _ПО / И _ВЫКЛ. Отношение как функция I _ПО при В _DS  = 0,4 В. На рис. 7 показан I . _НА / И _OFF характеристики для T-CNTFET со всеми различными параметрами канала. Как видно из рис. 7, при уменьшении диаметра УНТ I _НА / И _ВЫКЛ. коэффициент увеличивается. Причина этого увеличения в том, что с уменьшением диаметра УНТ уменьшается ток покоя, что приводит к увеличению I _НА / И _ВЫКЛ. отношение, что приводит к увеличению I _НА / И _{OFF Коэффициент} для T-CNTFET с меньшим диаметром канала. Для УНТ (10, 0), (13, 0), (16, 0) и (19, 0), I _НА / И Отношение _OFF составляет >10 ⁶ , >10 ⁴ , >10 ³ и >10 ² соответственно. Кроме того, на рис. 7 показан диапазон толщины оксида, включающий 1, 1,5 и 2 нм при условии, что другие параметры являются постоянными. Соотношение ON/OFF-ток является постоянным и почти >10 ³ . Кроме того, он демонстрирует для L = 15, 20 и 30 нм, я _НА / И _OFF отношение почти постоянное, и >10 ³ что связано с фиксированным I _НА и И _OFF для различных длин каналов. Для дальнейшей оценки был исследован рис. 8. Как видно из рис. 8 из-за большого тока покоя L = 10 нм по сравнению с другой длиной канала, I _НА / И _OFF уменьшается и его значение >10 ² . Самый большой I _НА / И Соотношение _OFF наблюдается с помощью T-CNTFET с УНТ (10, 0), L = 15 нм и толщина оксида = 2 нм. Подпороговый размах (SS) определяется как изменение смещения затвора, необходимое для изменения подпорогового тока стока на одну декаду, как определяется: 9{ – 1} .$$

(9)

Рис. 7

я _НА / И _ВЫКЛ. Отношение как функция I _ON для T-CNTFET с другими параметрами канала

Полноразмерное изображение

Рис.  8

я _ПО / И _ВЫКЛ. Отношение как функция I _ON для T-CNTFET с различной длиной канала, n  = 16 и толщиной оксида = 2 нм

Изображение в натуральную величину

я _ДС и В _ГС описываются как ток сток-исток и напряжение затвор-исток соответственно [5, 11]. На рис. 9 показан подпороговый размах в зависимости от напряжения затвор-исток при изменении диаметра УНТ при условии, что другие параметры канала остаются постоянными. Как видно из рис. 9, по мере уменьшения диаметра канала энергия запрещенной зоны будет увеличиваться больше, делая туннельный барьер все более тихим, что приводит к уменьшению крутизны стока, а также увеличивается пороговое напряжение, что приводит к качание уменьшение/увеличение.

Рис. 9

Подпороговый размах в зависимости от напряжения затвор-исток при различных диаметрах каналов, L  = 15 нм и толщине оксида = 2 нм

Изображение в натуральную величину

Рис. Подпороговый размах в зависимости от напряжения затвор-исток при различной длине канала n = 16 и толщине оксида = 2 нм

Полноразмерное изображение

Рис. напряжение затвор-исток при различных диаметрах каналов, L  = 15 нм, а толщина оксида = 2 нм

Полноразмерное изображение

Это вызывает подпороговое колебание менее 60 мВ/декаду. Для УНТ (10, 0) и (13, 0) подпороговое колебание составляет 53 и 56 мВ/декаду соответственно. Кроме того, для УНТ (16, 0) и (19, 0) подпороговое качание достигается не менее чем на 60 мВ/декаду качания. Уменьшение толщины оксида не влияет на подпороговое колебание. На рис. 10 показано, что подпороговое колебание остается постоянным при изменении длины канала. Подпорог качания составляет 60 мВ/декаду для диапазона длин каналов 30, 20 и 15 нм соответственно. Для L = 10 нм не наблюдается подпорогового качания менее 60 мВ/декаду, что нежелательно. Причиной такого увеличения является большой ток покоя для канала длиной 10 нм. На рисунке 11 показано, что для различных значений толщины оксида, включая 2, 1,5 и 1 нм, SS достигает 62 мВ/декаду, что превышает общепринятые пределы в 60 мВ/декаду. Чтобы улучшить характеристики полевого транзистора с туннельными углеродными нанотрубками, мы выбираем некоторые параметры канала, а затем исследуем характеристики T-CNTFET относительно выбранных параметров и сравниваем их с T-CNTFET с параметрами по умолчанию. Как видно из рис. 12, уменьшение диаметра канала вызывает уменьшение при отсутствии тока. Для УНТ того же диаметра (10, 0) уменьшение толщины оксида приводит к уменьшению в обесточенном состоянии, что приводит к повышению я _НА / И _OFF коэффициент, почти >10 ⁷ . Кроме того, на рис. 13 сравнивается подпороговый размах Т-УНТФЭТ с УНТ (16, 0) и (10, 0) с различной толщиной оксида. Из рис. 13 видно, что Т-УНТФЭТ с УНТ (10 , 0) с толщиной оксида = 1 нм показывает уменьшенный подпороговый размах (18 мВ/декада) по сравнению с T-CNTFET с УНТ (10, 0) с толщиной оксида = 2 нм и T-CNTFET с УНТ (16, 0 ). Подпорог свинга снижен, а не [6]. Это связано с контролем напряжения затвора T-CNTFET (10, 0) с толщиной оксида = 1 нм по каналу.

Рис. 12

Сравнительные характеристики крутизны T-CNTFET для УНТ (10, 0), tox = 1 нм и (16, 0) и tox = 2 нм при В _DS  = 0,4 В

Изображение полного размера

Рис. 13

Подпороговый размах в зависимости от напряжения затвор-исток для УНТ (10, 0), tox = 1 нм и (16, 0), и tox = 2 нм при В _DS  = 0,4 В

Полноразмерное изображение

Заключение

Формализм NEGF был применен для моделирования электронных свойств структуры T-CNTFET с различными параметрами канала. Смоделированные характеристики сравнивались с характеристиками изменения одного из параметров канала, если другие параметры канала неизменны, и, наконец, обсуждались улучшенные характеристики. Моделирование показывает, что использование УНТ с большей шириной запрещенной зоны приводит к более низкому подпороговому колебанию и более высокому I _ПО / И _OFF – ток, при этом снижается ток включения и ток туннелирования. В этой статье наибольшее значение I _НА / И _{OFF Отношение} (>10 ⁷ ) и наименьшее подпороговое колебание (18 мВ/декада), наблюдаемое T-CNTFET с CNT (10, 0), толщиной оксида = 2 нм и CNT (10, 0), и толщина оксида = 1 нм соответственно. Наконец, результаты моделирования показывают, что изменение параметров канала существенно меняет характеристики устройств.

Ссылки

1. “>

   Пол Б.К., Шинобу Ф., Масаки О., Ли Т.: Моделирование и анализ характеристик схемы баллистического CNTFET. Дес. автомат. конф. 41 , 717–722 (2006)

   Google Scholar

2. Yong, Z.Z., Sheng, W., Lianmao, P.: Высокоэффективные нелегированные КМОП-устройства и интегральные схемы на основе углеродных нанотрубок. Дж. Чин. науч. Бык. 57 , 135–148 (2011)

   Google Scholar

3. Адесси, К., Авриллер, Р., Блазе, X., Боарнел, А., Казин, Х., Дойфус, П., и др.: Многомасштабное моделирование устройств с углеродными нанотрубками. CR Phys. E 10 , 305–319 (2009)

   Статья Google Scholar

4. Арефиниа, З.: Исследование характеристик и межзонного туннельного эффекта нового полевого транзистора из углеродных нанотрубок с двойным легированием гало. физ. Е 41 , 1767–1771 (2009 г.)

   Артикул Google Scholar

5. Седих-Зиабари, С.А., Сагафи, К., Фаез, Р., Моравей-Фарши, М.К.: Численное исследование температурной зависимости цилиндрического затвора со сплошным затвором Si-nano wire FET. Мод. физ. лат. B 25 , 2269–2278 (2011)

   Статья Google Scholar

6. Косватта, С.О., Никонов, О., Лундстрем, М.С.: Вычислительное исследование p-i-n Tunnel FET из углеродных нанотрубок. Представлено на конференции Electron Devices. Технический сборник IEDM, стр. 518–521 (2005)

7. Надери, А., Кешаварзи, П.: Новый полевой транзистор из углеродных нанотрубок с градиентным каналом с двойным гало. Как дела. Micro 51 , 668–679 (2012)

   Артикул Google Scholar