Транзистор с управляющим pn переходом: Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET

Содержание

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET

Полевой транзистор – транзистор, в котором сила проходящего через него тока регулируется внешним электрическим полем, т.е напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током.

Поскольку у полевого транзистора нет управляющего тока, то у него очень высокое входное сопротивление, достигающее сотен ГигаОм и даже ТерраОм (против сотен КилоОм у биполярного транзистора).

Еще полевые транзисторы иногда называют униполярными, поскольку носителями электрического заряда в нем выступают только электроны или только дырки. В работе же биполярного транзистора, как следует из названия, участвует одновременно два типа носителей заряда – электроны и дырки.

Классификация полевых транзисторов

Полевые транзисторы (FET: Field-Effect-Transistors) разделяются на два типа –

полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET: Junction-FET) и полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET: Metal-Oxid-Semiconductor-FET).

Каждый из типов может быть как с N–каналом, так и с P-каналом. У транзисторов с N-каналом в роли носителей электрического заряда выступают электроны. У транзисторов с P-каналом – дырки. В этой статье речь пойдет о полевом транзисторе с управляющим PN-переходом JFET c N-каналом. Принцип работы транзистора P-типа аналогичен, только меняется полярность источников напряжения.

Устройство полевого транзистора JFET с N-каналом

Как показано на рисунке ниже, область полупроводника N-типа формирует канал между зонами P-типа. Электроды, подключаемые к концам N-канала, называются сток и

исток. Полупроводники P-типа электрически соединяются между собой (закорачиваются), и представляют собой один электрод – затвор.

Вблизи стока и истока находятся области повышенного легирования N+. T. e. зоны с повышенной концентрацией электронов. Это улучшает проводимость канала. Кроме этого, наличие областей N+ ослабляет эффект появления паразитических PN-переходов в случае присоединения проводников из трехвалентного алюминия.

Имена электродов сток и исток носят условный характер. Если взять отдельный полевой транзистор, не подключенный к какой-либо схеме, то не будет иметь значения какая ножка корпуса сток, а какая исток. Имя электрода будет зависеть от его расположения в электрической цепи.

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

1. Напряжение на затворе Uзи = 0

Подключим источник положительного напряжения к стоку, землю к истоку. Затвор также подсоединим к земле (Uзи = 0). Начнем постепенно повышать напряжение на стоке Uси. Пока Uси низкое, ширина канала максимальна. В таком состоянии полевой транзистор ведет себя как обычный проводник. Чем больше напряжение между стоком и истоком Uси, тем больше ток через канал между стоком и истоком Iси.

Это состояние еще называют омическая область.

При повышении Uси, в полупроводнике N-типа в зонах PN-перехода постепенно снижается количество свободных электронов – появляется обедненный слой. Этот слой растет несимметрично – больше со стороны стока, поскольку туда подключен источник напряжения. В результате канал сужается настолько, что при дальнейшем повышении Uси, Iси будет расти очень незначительно. Это состояние называют

режим насыщения.

2. Напряжение на затворе Uзи

Когда транзистор находится в режиме насыщения, канал относительно узкий. Достаточно подать небольшое отрицательное напряжение на затвор Uзи, для того чтобы еще сильнее сузить канал и значительно уменьшить ток Iси (для транзистора с P-каналом на затвор подается положительное напряжение ). Если продолжить понижать Uзи, канал будет сужаться, пока полностью не закроется, и ток Iси не прекратится. Значение Uзи, при котором ток Iси останавливается, называется напряжение отсечки (Uотс).

Для усиления сигнала полевой транзистор JFET используют в режиме насыщения, так как в этом состоянии вследствие небольших изменений Uзи сильно меняется Iси. Параметр усилительной способности JFET – это крутизна стоко-затворной характеристики (Mutual Transconductance). Обозначается g

m или S, и измеряется в mA/V (милиАмпер/Вольт).

Преимущества и недостатки полевого транзистора JFET

Высокое входное сопротивление

Одно из важнейших свойств полевых транзисторов, как уже упоминалось выше, это очень высокое входное сопротивление Rвх (Rin). Причем у полевых транзисторов с изолированным затвором MOSFET, Rin в среднем еще на несколько порядков выше, чем у JFET. Благодаря этому, полевые транзисторы практически не потребляют ток у источников сигнала, который надо усилить.

Например, цифровая схема микроконтроллера генерирует сигнал, управляющий работой электромотора. Такого рода схема обычно располагает очень малым током на выходе, что явно недостаточно для двигателя. Здесь потребуется усилитель, потребляющий крайне мало тока на входе, и выдающий на выходе сигнал такой же формы и частоты как на выходе у микроконтроллера, только уже с большим выходным током. Здесь как раз и подойдет усилитель, основанный на JFET транзисторе с высоким входным сопротивлением.

Низкий коэффициент усиления по напряжению

Значительным недостатком JFET по сравнению с биполярным транзистором является очень низкий коэффициент усиления по напряжению. Если построить усилитель на основе одного прибора JFET, можно добиться Vout/Vin в лучшем случае около 20. При аналогичном использовании биполярного транзистора с высокой β (коэффициент усиления биполярного транзистора – ток коллектора/ток базы) можно достигнуть Vout/Vin в несколько сотен.

Поэтому для качественных усилителей нередко используются совместно оба типа транзисторов. Например, благодаря очень высокому Rin полевого транзистора, добиваются большого усиления сигнала по току. А уже потом, с помощью биполярного транзистора усиливают сигнал по напряжению.

О других преимуществах и недостатках полевых транзисторов, вы можете почитать здесь

Как проверить полевой транзистор мультиметром. Часть 1. Транзистор с управляющим p-n переходом. – Интернет-журнал “Электрон” Выпуск №4

Продолжаем рубрику проверки электрорадиоэлементов, и сегодня я представляю первую статью по проверке полевых транзисторов тестером или как сейчас принято говорить – мультиметром.

Перед началом проверки полевых транзисторов рассмотрим, какие бывают виды полевых транзисторов.

На рисунке 1 вы видите классификацию полевых транзисторов.

Из этого рисунку видно, что полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с управляющим p-n переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

В зарубежной литературе полевой транзистор с управляющим p-n переходом обозначается как

JFET(junction gate field-effect transistor), а транзистор с изолированным затвором – MOSFET (Metall-Oxid-Semiconductor FET).

Сегодня я вам расскажу, как проверить полевой транзистор с управляющим p-n переходом, а в следующем выпуске журнал перейдем к проверке MOSFET транзистора, так что не забываем подписываться на журнал. Форма подписки после статьи.

Для начала кратко рассмотрим структуру транзистора и принцип его работы.

Полевые транзисторы бывают n-канальные и p-канальные. В виду того, что широкое распространение получили n-канальные полевые транзисторы, на их примере и рассмотрим принцип работы полевого транзисторы с управляющим p-n переходом.

Итак, транзистор состоит из n-полупроводника с внедренными в него высоколегированными n-областями с большой концентрацией носителей заряда – электронов. Сам полупроводник находится на подложке p-типа, которая соединена с еще одной p-областью.

Вместе эти области называются затвором (gate). Таким образом, каждая высоколегированная n-область создает с p-подложкой свой p-n переход.

Та часть n-полупроводника, которая находится между p-областями (затворами) называется каналом (в частности каналом n-типа).

Если к высоколегированным n-областям подключить источник напряжение, то в канале создастся электрическое поле, под воздействием этого поля электроны из n-области, к которой подключен «минус» источника будут перемещаться в n-область, к которой подключен «плюс» источника напряжения. Таким образом, через канал потечет электрический ток. Величина этого тока будет напрямую зависеть от электропроводности канала, которая в свою очередь зависит от площади поперечного сечения канала. Нетрудно догадаться, что площадь поперечного сечения канала зависит от ширины p-n переходов.

Та область, от которой движутся носители заряда, а в случае n-канала это электроны, называется

истоком (source), а к которой движутся – стоком (drain).

Если на затвор относительно истока подать отрицательное напряжение, то p-n переход, образованный между затвором и истоком будет смещаться в обратном направлении, при этом ширина запирающего слоя будет увеличиваться, тем самым сужая размеры канала и уменьшая электропроводность.

Таким образом, изменяя напряжение между затвором и истоком, мы можем управлять током через канал полевого транзистора.

На этом об устройстве полевого транзистора все, далее в подробности углубляться я не буду, так как этого будет достаточно, что бы понять, как проверить полевой транзистор с управляющим p-n переходом.

Исходя из вышеизложенного можно составить эквивалентную схему полевого транзистора с управляющим p-n переходом, как мы делали при проверке биполярного транзистора.

При составлении схемы будем руководствоваться следующими принципами:

1. В транзисторе имеются два p-n перехода, первый между затвором и истоком, второй между затвором и стоком.

2. Канал между истоком и стоком при отсутствии отрицательного запирающего напряжения на затворе не закрыт и электропроводен, то есть имеет определенное значение сопротивления.

3. Теперь p-n переходы обозначим диодами, а электропроводность канала резистором.

Составляем эквивалентную схему полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Теперь зная эквивалентную схему полевого транзистора с управляющим p-n переходом можно построить алгоритм или схему проверки полевого транзистора.

Проверка полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа.

1. Проверка сопротивления канала (на рис. R)

Для проверки сопротивления канала с помощью мультиметра необходимо на приборе установить режим измерения сопротивления, предел измерения 2000 Ом.

Измерить сопротивление между истоком и стоком транзистора при разной полярности подключения щупов мультиметра.

Значения сопротивления канала при разной полярности подключения щупов должны быть примерно одинаковыми.

2. Проверка p-n перехода исток-затвор (на рис. VD1).

Включаем мультиметр в режим проверки диодов. Красный (плюсовой ) щуп мультиметра подключаем на затвор (имеет p-проводимость), а черный на исток. Мультиметр должен показать падение напряжения на открытом p-n переходе, которое должно быть в пределах 600-700 мВ.

Меняем полярность подключения щупов (красный на исток, черный на затвор), мультиметр, в случае исправности транзистора показывает бесконечность (на дисплее «1»), то есть переход включен в обратном направлении и закрыт.

3. Проверка p-n перехода сток-затвор (на рис. VD2).

Так же проверяем исправность p-n перехода сток-затвор. То есть включаем мультиметр в режим проверки диодов. Красный (плюсовой ) щуп мультиметра подключаем на затвор (имеет p-проводимость), а черный на сток. Мультиметр должен показать падение напряжения на открытом p-n переходе затвор-сток, которое должно быть в пределах 600-700 мВ.

Меняем полярность подключения щупов (красный на сток, черный на затвор), мультиметр, в случае исправности транзистора показывает бесконечность (на дисплее «1»), то есть переход включен в обратном направлении и закрыт.

Если все три условия выполнились, то считается, что полевой транзистор исправен.

Проверка полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом p-типа.

Проверка полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом p-типа осуществляется по вышеизложенному алгоритму, за исключением того, что при проверке p-n переходов полярность подключения щупов мультиметра меняется на противоположную.

Для наглядности и простоты понимания процесса я записал для вас видео как проверить полевой транзистор с управляющим p-n переходом, где я проверяю транзистор с каналом p-типа.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом. Полевой транзистор с затвором Шоттки. Параметры полевых транзисторов. Дополнительные возможности МТ 4.21

4. Полевые транзисторы

4.1.Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Обычная структура полевого n-канального транзистора с управляющим p-n-переходом представлена на рис.

15 .

Рис.15. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

S – sourse – исток, D – drain – сток,

G – gate – затвор, B – bulk – подложка,

d – толщина эпитаксиальной пленки,

x_G – глубина залегания управляющего p-n перехода затвора.

Используя исходные данные, следует подобрать толщину эпитаксиальной пленки и глубину залегания p-n-перехода так, чтобы напряжение отсечки было в пределах (-2 – 4) В.

4.2.Полевой транзистор с затвором Шоттки

Полевые транзисторы с затворами в виде контакта металл-полупроводник( затвор Шоттки, ПТШ) устроены аналогично ПТУП, но вместо управляющего p-n-перехода выполняется контакт Шоттки с заданной высотой барьера Фв. Расстояния между краями контакта Шоттки и металлургическими границами n+ областей истока и стока не менее 0.1мкм, рис.15.

Рис. 16. Полевой транзистор с затвором Шоттки

В программе Micro Tec высота барьера на контакте задается электростатическим потенциалом в полупроводнике ФВ со стороны металла, рис. 16 . Величина этого потенциала будет равна ,так что при ФM=0,7 В и EF= 0.3 эВ ФВ= - 0.4 В

Рис. 17. Высота барьера со стороны металла и электростатический

потенциал на контакте Шоттки.

Основным материалом ПТШ служит GaAs, для замены Si на GaAs следует присоединить к проекту папку директив Material properties и установить соответствующие значения, как показано на рис. 18.

Рис. 18. Папка с параметрами арсенида галлия

4.3. МОП транзистор

Рис. 19. представляет структуру полевого транзистора с изолированным затвором.

Рис. 19. Структура МОП транзистора.

Обозначения электродов те же, что и на рис. 15.

d – толщина подзатворного диэлектрика

В подложке выполняется область подлегирования акцепторами на глубину YCh. Глубиной залегания считается точка, в которой NA(YCh) = NAB, NA0 -концентрация акцепторов на поверхности при Y=0.

YSD – глубинa залегания переходов истока и стока. L– длина канала, расстояние между металлургическими границами переходов истока и стока.

Размеры областей выбрать так, чтобы длины выводов истока и стока были не менее 0.1 мкм. Зазоры между металлами стока – истока и затвора также должны оставаться не менее 0.1 мкм.

5. Параметры полевых транзисторов

5.1.Пороговое напряжение и напряжение отсечки

В режиме слабой инверсии, когда преобладает диффузионный ток в канале, он совершенно аналогичен диффузионному току в базе биполярного транзистора, тогда ток стока

b-ширина, W-толщина канала. Пренебрегая рекомбинацией в канале

, где L -длина канала

,можно считать .

, или приблизительно

Толщина канала Напряженность поля , где C -емкость ОПЗ. Окончательно и

Логарифмический наклон . До наступления инверсии поэтому slip-наклон в подпороговой области, напряжение, за которое ток уменьшается в 10 раз , – коэффициент влияния подложки.

Чем больше и толще окисел под затвором, тем больше slip- напряжение S.

Пороговым напряжением следует считать точку перегиба, в которой экспоненциальный наклон подпороговой области переходит в квадратичную зависимость тока стока от напряжения на затворе. Аналогичным образом определяется и напряжение отсечки ПТУП, и напряжение закрывания, отсечки МОП транзистора напряжением на подложке.

Рис.20 . Передаточная характеристика МОП транзистора в логарифмическом масштабе.

Вблизи порогового напряжения около 1 В ток стока резко уменьшается от единиц до сотых долей мкА.

Все начальные участки токов стока вблизи открывания каналов имеют экспоненциальные “хвосты” с описанным выше механизмом.

Напряжение запирания по подложке , пороговое напряжение Un и напряжение на затворе UG связаны между собой

– линейный коэффициент влияния подложки. Приблизительность этого соотношения обусловлена зависимостью от напряжений на электродах транзистора.

5.2. Влияние подложки

Линейный коэффициент влияния подложки следует определить как смещение сток-затворной характеристики напряжением на подложке при постоянном токе стока. Напряжения на подложке следует взять UB=0 и

UB= – 1 Bнапряжение на стоке UD = 1 B .

Коэффициент подложки , который не зависит от режима транзистора и используется в более точной модели, следует пересчитать

Потенциал инверсии , концентрацию акцепторов под затвором NABследует определить из профиля распределения концентрации примесей, в средине канала Ndop = NAB.

5.3. Удельная крутизна

Условные обозначения полевых транзисторов

В электронике полевым транзистором называется электронный компонент, в котором ток проходящий через канал регулируется электрическим полем, образующимся в результате подачи напряжения между его истоком и затвором. Основным отличием полевого транзистора от транзистора биполярного является то, что выходное и входное сопротивление у него существенно выше.

Плевые транзисторы нередко именуют униполярными, поскольку основным принципом их действия является перемещение при помощи поля носителей зарядов одного и того же типа. Конструктивно эти приборы представляют собой изготовленные из полупроводниковых материалов пластинки одного типа проводимости, на противоположных сторонах которых способом диффузии создается область другого типа проводимости. На их границах образуется обладающий большим сопротивлением p–n-переход.

В полевых транзисторах существуют области полупроводника которые называют каналами. Их поперечное сечение, а вместе с ним и ток носителей заряда изменяются под воздействием электрического поля.

Структура полевого транзистора
с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа

В случае, если между p-областью и n-областью приложить некоторое напряжение U_зи., как показано на рисунке выше, то p–n-переход окажется включенным в обратном направлении, следовательно его толщина увеличится, а толщины канала уменьшается. При этом принято p-область называть затвором полевого транзистора, или же его управляющим электродом. Если к этому каналу подключить еще один источник напряжения U_cи., то через него начнёт протекать ток в направлении от нижнего к верхнему участку n-области. Часть этой области, от которой основные носители зарядов начинают свое движение, называется истоком, а та часть, по направлению к которой они перемещаются – стоком.

Что касается величины тока, который протекает через канал, то определяющим для нее является сопротивление. Оно, в свою очередь, напрямую зависит от толщины канала. Таким образом, если изменяется величина приложенного к каналу напряжения, то вслед за этим происходит изменение величины тока.

В тех случаях, когда для производства этого электронного компонента в качестве основы берут полупроводник p-типа, то получается полевой транзистор, имеющий канал р-типа и управляющий p–n-переход. Канал в нем образуется n-областью.

Структура и схема подключения МДП-транзистора
с индуцированным каналом

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Помимо тех полевых транзисторов, которые имеют в своей конструкции управляющий затвор, имеются и такие, у которых он изолирован. В электронике для обозначения таких транзисторов используют аббревиатуры МОП (металл-оксид-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Соответственно, такие приборы называют МОП-транзисторами или МДП-транзисторами.

Для МДП–транзистора характерно то, что в нем между истоком и стоком располагается n-область, представляющая собой подложку. Поэтому образуется два p–n-перехода, которые включены навстречу друг другу. При этом вне зависимости от того, какую именно полярность имеет питающее напряжение, один из этих переходов всегда закрыт, так что в в направлении «исток-сток» ток равен нулю.

Если на затвор подается отрицательное напряжение, то ток в цепи начинает течь. Дело в том, что на расположенные в подложке электроны действует электрическое поле, и они начинают передвигаться вглубь нее.

Существует некоторое пороговое значение напряжения, при котором количество дырок, расположенных у самой поверхности подложки, становится существенно больше, чем электронов. В результате этого происходит так называемая инверсия типа электроповодности: она обретает p-тип. В результате этого между стоком и истоком получается канал, связывающий их. Его толщина зависит от того, какое именно значение имеет приложенное напряжение. Если изменять его, то можно регулировать и толщину канала, поскольку сопротивление участка, располагающегося между истоком и стоком, также будет изменяться.

Обозначения полевых транзисторов на схеме

Анализ и расчет статических параметров транзистора в схеме с общим затвором

1.Введение

Данная курсовая работа посвящена рассмотрению статических параметров одного из самых распространенных и самых универсальных усилительных приборов – полевого транзистора (ПТ).

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный трехполюсник, поэтому включение его в схему можно осуществить шестью различными способами. Однако практический интерес представляют лишь те способы включения, которые позволяют получить усиление по мощности. Таких схем три:

1) схема с общим истоком и входом па затвор;

2) схема с общим стоком и входом на затвор;

3) схема с общим затвором и входом на исток.

Входное и выходное сопротивления, а также функции прямой и обратной передач усилительного каскада на полевом транзисторе будут, зависеть от выбранной схемы включения. Поэтому одна из схем должна быть принята за типовую, тогда параметры двух остальных схем могут быть, рассчитаны из параметров типовой схемы с помощью соответствующих преобразований.

Основными преимуществами полевого транзистора являются его большое входное сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке цифровых интегральных схем.

2.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОАХ.

Полевыми транзисторами называют такие транзисторы, в которых ток создается носителями заряда одной полярности и ток в канале управляется электрическим полем. В транзисторе с p-каналом ток проводят дырки, а в транзисторе с n-каналом – электроны.

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей протекающим через проводящий канал, и управляемым электрическим полем.

Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда, называют униполярным, так как его работа основана на использовании только основных носителей заряда – либо электронов, либо дырок. Поэтому в полевых транзисторах, отсутствуют процессы, изменения (накопления и рассасывания) объемного заряда неосновных носителей, оказывающие заметное влияние на быстродействие биполярных транзисторов. Основным способом движения носителей заряда, образующих ток полевого транзистора, является их дрейф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток полевого транзистора, называют каналом.

Полевой транзистор – полупроводниковый усилительный прибор, которым управляет не ток (как биполярным транзистором), а напряжение (электрическое поле, отсюда и название – полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала, в результате изменяется выходной ток транзистора. Управление же электрическим полем предполагает отсутствие статического входного тока, что позволяет уменьшить мощность, требуемую для управления транзистором.

Токопроводящие каналы могут быть приповерхностными (транзисторы с изолированным затвором) и объемными (транзисторы с управляющим р-п-переходом). Приповерхностный канал представляет собой либо обогащенный слой, образующийся за счет донорных примесей в полупроводнике, либо инверсный слой, возникающий под действием внешнего поля. Такой полевой транзистор имеет классическую структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуру), в которой роль диэлектрика, как правило, играет оксид (например, двуокись кремния SiO2). Поэтому полевой транзистор с такой структурой часто называют МДП- или МОП-транзистором (металл-оксид-полупроводник).

Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (З), два других электрода – истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, а стоком – тот, через который эти носители уходят из канала. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входа и выхода, различают три схемы включения полевого транзистора:

– с общим истоком (ОИ),

– с общим затвором (ОЗ),

– с общим стоком (ОС).

Наибольшее распространение на практике нашла схема с ОИ.

3.Принцип работы полевого транзистора с p-n-переходом.

В полевом транзисторе с объемным каналом площадь поперечного сечения канала меняется за счет изменения площади обедненного слоя обратно включенного р-n-перехода. На (рис. 1) показан полевой транзистор с управляющим р-п-переходом, включенный по схеме с ОИ. При ее анализе все напряжения будем рассматривать с учетом их знаков.

На p-n-переход (затвор – исток) подается обратное напряжение Uзи. При его уменьшении глубина d обедненного слоя (заштрихованная область на рис.1 – область объемного заряда) возрастает, а токопроводящее сечение b канала сужается. При этом увеличивается сопротивление канала, а следовательно, снижается выходной ток Iс транзистора. Поскольку напряжение Uзи прикладывается к p-n-переходу в обратном направлении, ток Iз ничтожно мал и практически не зависит от управляющего напряжения.

Рис.1 Полевой транзистор с управляющим р-n-псреходом.

Для полевых транзисторов входная характеристика (зависимость Iз от Uзи при фиксированном значении Uси) не имеет практического применения и при расчетах используют только передаточные и выходные ВАХ. На (рис.2) приведены выходные и передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом для схемы включения с ОИ. Эти характеристики, подобно характеристикам биполярного транзистора, имеют нелинейный характер, а, следовательно, полевой транзиcтoр, как и биполярный, является управляемым нелинейным элементом цепи. Однако при сравнении их выходных характеристик очевидны существенные различия.

а) б)

Рис.2 Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом (схема ОИ):

а – выходные,

б – передаточные.:

На начальном участке изменения выходного напряжения полевого транзистора крутизна его ВАХ с изменением входного сигнала не остается постоянной. Как видно из рис.2 а) с уменьшением Uзи крутизна ВАХ уменьшается, а следовательно, возрастает выходное сопротивление транзистора. Это указывает на зависимость выходного сопротивления полевого транзистора от управляющего напряжения на этом участке ВАХ.

Изменение выходного тока Iс полевого транзистора при изменении Uси происходит до определенного значения выходного напряжения, равного напряжению насыщения Uси нас. (проекция на ось абсцисс точки пересечения штриховой кривой ОА с соответствующей ВАХ транзистора). Это напряжение равно

( 1 )

где Uзи отс.- управляющее напряжение, при котором Ic = 0 (режим отсечки), а Uзи – управляющее напряжение, соответствующее рассматриваемой ВАХ транзистора.

При дальнейшем возрастании выходного напряжения ток Iс остается неизменным вплоть до пробивного напряжения Uси проб.

Физику происходящих при этом процессов в полевом транзисторе можно объяснить следующим образом.

Как уже отмечалось, при входном напряжении Uзи = Uзи отс., соответствующем обратному напряжению на р-п-переходе (затвор – исток), при котором токопроводящий канал транзистора будет полностью перекрыт, выходной ток Iс транзистора будет равен нулю (см. рис. 2б). При Uзи > Uзи отс. в токопроводящем канале появляется проток шириной b и по нему от стока к истоку начинает протекать ток Iс, создающий на сопротивлении канала падение напряжения. Это напряжение, складываясь с напряжением Uзи, по мере приближения к стоку, приводит к увеличению напряжения на обратно смещенном р-n-переходе, т.е. к сужению канала при приближении к истоку, как это показано на (рис.1). Рост тока Ic приводит к увеличению падения напряжения на канале и к уменьшению его ширины, в результате уменьшается ток Iс, протекающий между стоком и истоком.

Однако уменьшение тока стока приводит к уменьшению падения напряжения на канале и к уменьшению фактического (суммарного) напряжения на обратно смещенном p-n-переходе, что увеличивает ширину b канала, а следовательно, и ток Iс. В результате, в структуре полевого транзистора, приведенного на (рис.1), устанавливается динамическое равновесие и при Uси > Uси нас. ток стока поддерживается на уровне насыщения Iс нас.

Как видно из рис. 2 а с уменьшением напряжения Uзи пробивное напряжение транзистора Uси проб. уменьшается. При этом всегда выполняется равенство

Uси. проб = Uси проб (при Uзи = 0) + Uзи ( 2 )

Если Uзи = Uзи отс., транзистор заперт (режим отсечки) и Iс = 0. В случае открытого транзистора для любого значения выходного тока Iс будет соблюдаться равенство

Uзи – Uси нас. = Uзи отс. = -Uзс нас., ( 3 )

где Uзи нас. – напряжение между стоком и затвором в режиме насыщения транзистора.

Из сравнения приведенных на рис.2 ВАХ видно, что полярности управляющего и выходного напряжений полевого транзистора с управляющим р-n-переходом не совпадают.

4.Основные параметры ПТ.

Основными параметрами, характеризующими полевой транзистор как нелинейный элемент, являются:

-коэффициент усиления по напряжению

при Ic=const ( 4 )

-крутизна (определяется по передаточной характеристике)

при Uси=const; ( 5 )-дифференциальное выходное (внутреннее Ri) сопротивление

при Uзи=const; ( 6 )

-дифференциальное сопротивление участка затвор – сток

( 7 )

Это сопротивление учитывает обратную связь между выходом и входом полевого транзистора.

Входное сопротивление r вх полевого транзистора очень велико (несколько мегаом), поскольку значение тока затвора Iз очень мало.

Значение параметра Ri определяют при работе транзистора в режиме насыщения как котангенс угла наклона выходной характеристики. Так как для полевых транзисторов режиму насыщения соответствует пологая часть выходной характеристики, то в рабочей области этот угол мал и, следовательно, внутреннее сопротивление оказывается достаточно большим (сотни килоом).

Крутизна S передаточной характеристики отражает степень влияния входного напряжения на выходной ток, т. е. эффективность управляющего действия затвора, и составляет 1 … 5 мА/В. Первые три параметра связаны соотношением

( 8 )

5.Эквивалентные схемы полевых транзисторов.

Рассмотрим наиболее распространенные схемы замещения полевых транзисторов. На (рис.3 а) приведена схема замещения ПТ с управляющим p-n-переходом, а, на (рис.3б) – с изолированным затвором. В этих схемах принято, что вывод подложки электрически соединен с истоком. Такое включение наиболее часто используется при разработке схем на ПТ.

Следует отметить, что входное и выходное сопротивления ПТ носят явно выраженный емкостный характер. Активная составляющая входного тока для ПТ управляющим р-n-переходом обусловлена током обратно смещенного p-n-перехода и весьма мала.

а)

б)

Рис.3 Эквивалентные схемы полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (а) и изолированным затвором (б)

6.Отличительные особенности полевого транзистора.

Из принципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности:

-в установившемся режиме работы входной ток полевого транзистора стремится к пулю (т. е. rвх стремится к бесконечности),

-инерционность полевого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами перезаряда его входной и выходной емкостей.

Казалось бы, что отсутствие процессов изменения объемного заряда неосновных носителей дает преимущество полевому транзистору в быстродействии перед биполярным транзистором. Однако, следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений его входных и выходных емкостей. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе. Действительно, по постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю). При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяемый его входной емкостью, растет, что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что в общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор, как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.

Полевые транзисторы имеют преимущество перед биполярными транзисторами в большей температурной стабильности их характеристик. Это объясняется тем, что основная температурная нестабильность характеристик биполярного транзистора обусловлена сильной зависимостью количества неосновных носителей заряда в полупроводнике. Учитывая, что полевой транзистор работает с использованием только основных носителей зарядов, которые в меньшей степени подвержены температурному влиянию, в нем отсутствует положительная обратная связь по температуре, присущая биполярным транзисторам.

10 Полевые транзисторы – СтудИзба

3. Полевые транзисторы

( или униполярные, или канальные транзисторы)

Биполярные транзисторы управляются током, полевые транзисторы управляются напряжением. Различают следующие типы полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n переходом; полевые транзисторы с изолированным затвором.

3.1. Полевой транзистор с p-n переходом

Простейший полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой тонкую пластину полупроводникового материала (кремния) с одним p-n переходом в центральной части и с омическими контактами по краям. Его структура показана на рис. 43. Обозначение выводов: С-сток, З-затвор, И-исток. Обозначение на схеме представлено на рис. 44. Изображенный на рис.43 и 44 транзистор называется полевой транзистор с p-n переходом и каналом n-типа.

В зависимости от электропроводности полупроводника канал может быть n-типа или р-типа. Если подключить к каналу напряжение, то через пластину полупроводника между омическими контактами потечет ток. Ток через канал образуется за счет основных носителей. При n-канале – за счет электронов.

СОСТАВНОЙ ТРАНЗИСТОР НА ОСНОВЕ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N ПЕРЕХОДОМ

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в качестве активного элемента (трехполюсника) в различных аналоговых устройствах (операционных усилителях, усилителях мощности, драйверах линий связи и т.п.), допускающих работу в условиях воздействия проникающей радиации и низких температур.

В современной микроэлектронике находят применение так называемые отставные транзисторы (СТ), которые содержат несколько элементарных транзисторов, в том числе с разными принципами работы [1-9]. Такое схемотехническое решение рекомендуется использовать в том случае, когда элементарные транзисторы не позволяют самостоятельно обеспечить то или иное требуемое качество, например, большое усиление по току (схема Дарлингтона, схема Линна, схема Шиклая), более широкий частотный диапазон (каскодные СТ, СТ с компенсацией емкости коллектор-база), повышенное выходное сопротивление (каскодные СТ), улучшенный коэффициент ослабления входных синфазных сигналов (СТ со «следящим» питанием), повышенные рабочие напряжения (последовательное включение элементарных транзисторов), повышенный уровень максимального тока стока (параллельное включение нескольких элементарных транзисторов) и т.п. [7-9]. Данные схемотехнические приемы [1-9,11,12] являются основой современной микросхемотехники [7].

Для решения задач космического приборостроения (низкие температуры, проникающая радиация) перспективно использование полевых транзисторов с управляющим pn-переходом (JFet) [10], которые также обеспечивают низкий уровень шумов. Однако, в активном режиме, JFet обладают «не удобной» полярностью напряжений между затвором и истоком, которая противоположна по знаку напряжению между стоком и истоком. Указанные выше особенности JFet транзисторов не позволяют применять в аналоговой микроэлектронике известные схемотехнические решения СТ [7], которые эффективны для КМОП и биполярных транзисторов.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является составной транзистор (фиг. 1), представленный в патенте US 5065043, fig. 1A, fig. 2A, 1991 г. Он содержит затвор 1, исток 2 и сток 3 устройства, первый 4 полевой транзистор, затвор которого подключен к затвору 1 устройства, второй 5 полевой транзистор, сток которого соединен со стоком 3 устройства.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании составного транзистора (трехполюсника) на комплементарных (CJFet) транзисторах, который по своим стоко-затворным (U_GS) характеристикам подобен КМОП полевому транзистоу, т.е. имеет характерную зону закрытого состояния при напряжении затвор-исток не превышающем пороговое напряжение (Uп), а при напряжении U_GS на эквивалентном затворе 1 устройства, превышающем Uп, переходит в активный режим и может использоваться в задачах аналогового усиления сигналов при управлении по цепи затвора 1. При этом относительно эквивалентного вывода стока 3 устройства сигнал в заявляемом СТ не инвертируется.

Поставленная задача достигается тем, что в схеме составного транзистора-прототипа фиг. 1, содержащего затвор 1, исток 2 и сток 3 устройства, первый 4 полевой транзистор, затвор которого подключен к затвору 1 устройства, второй 5 полевой транзистор, сток которого соединен со стоком 3 устройства, предусмотрены новые элементы и связи между ними – первый 4 полевой транзистор и второй 5 полевой транзистор имеют разные типы каналов (p и n), сток первого 4 полевого транзистора соединен с истоком 2 устройства, его исток соединен с истоком второго 5 полевого транзистора, а затвор второго 5 полевого транзисторов соединен с истоком 2 устройства.

На чертеже фиг. 1 представлена схема составного транзистора-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – заявляемая схема СТ в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 показана схема составного транзистора в соответствии с п. 3 формулы изобретения. Здесь в схему введен второй 9 двухполюсник нагрузки, первый 4 полевой транзистор имеет n-канал, а второй 5 полевой транзистор – p-канал.

На чертеже фиг. 4 приведена заявляемая схема составного транзистора, которая также соответствует п. 3 формулы изобретения для случая, когда первый (4) полевой транзистор имеет p-канал, а второй (5) полевой транзистор – n-канал.

На чертеже фиг. 5 представлена схема составного транзистора в соответствии с п. 4 и п. 5 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 6 показана схема составного транзистора в соответствии с п. 6 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 7 приведен пример построения дифференциального каскада на основе двух составных транзисторов фиг. 6.

На чертеже фиг. 8 приведена схема заявляемого составного транзистора в соответствии с п. 7 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 9 показан статический режим составного транзистора фиг. 2 в среде компьютерного моделирования LTSpice при нулевом (относительно общей шины) напряжении U_0G на затворе 1 устройства (в соответствии с п. 1 формулы изобретения) и температуре окружающий среды 27°C.

На чертеже фиг. 10 представлены стоко-затворные характеристики составного транзистора фиг. 9 в среде LTSpice при t=27°C, t=-197°C и напряжениях питания Eп= ±5В.

На чертеже фиг. 11 показаны стоко-затворные характеристики составного транзистора фиг. 9 в среде LTSpice при t=27°C, t=-197°C, при напряжениях питания Eп= ±5В и четырех параллельно включенных JFet транзисторах в структуре J1 и J2.

На чертеже фиг. 12 приведен статический режим дифференциального каскада фиг. 7 на основе двух составных транзисторов фиг. 6 при смещении входов ДК (in.1, in.2) относительно общей шины на величину V5=4,5В и температуре -197 °C.

На чертеже фиг. 13 показана проходная характеристика дифференциального каскада фиг. 12 (I_вых.=f(U_вх)) при температуре -197°C.

На чертеже фиг. 14 представлены стоко-затворные характеристики составного транзистора фиг. 8 в среде LTSpice при t=27°C, t=-197°C и напряжениях питания Eп=±5В.

Составной транзистор на основе комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом фиг. 2, содержит затвор 1, исток 2 и сток 3 устройства, первый 4 полевой транзистор, затвор которого подключен к затвору 1 устройства, второй 5 полевой транзистор, сток которого соединен со стоком 3 устройства. Первый 4 полевой транзистор и второй 5 полевой транзистор имеют разные типы каналов. Сток первого 4 полевого транзистора соединен с истоком 2 устройства, его исток связан с истоком второго 5 полевого транзистора, а затвор второго 5 полевого транзисторов соединен с истоком 2 устройства. Таким образом, СТ фиг. 2 является трехполюсником, к выводам которого (затвору 1, истоку 2 и стоку 3 устройства) могут подключатся различные пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т.п.), которые совместно с СТ образуют конкретную электронную схему на основе заявляемого СТ.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, исток 2 устройства непосредственно связан с первой 6 шиной источника питания, а сток 3 устройства соединен со второй 7 шиной источника питания через первый 8 двухполюсник нагрузки.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, исток 2 устройства связан с первой 6 шиной источника питания через второй 9 двухполюсник нагрузки, причем первый 4 полевой транзистор имеет n-канал, а второй 5 полевой транзистор – p-канал.

На чертеже фиг. 4 представлена схема СТ, которая также соответствует п. 3 формулы изобретения для случая, когда первый 4 полевой транзистор имеет p-канал, а второй 5 полевой транзистор – n-канал.

На чертеже фиг. 5, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, затвор второго 5 полевого транзистора соединен с истоком 2 устройства через цепь согласования потенциалов 10.

На чертеже фиг. 5, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, цепь согласования потенциалов 10 содержит первый 11 дополнительный полевой транзистор и первый 12 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, причем затвор первого 11 дополнительного полевого транзистора соединен с истоком 2 устройства, его исток подключен к затвору второго 5 полевого транзистора и через первый 12 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 6 шиной источника питания, а сток первого 11 дополнительного полевого транзистора связан со второй 7 шиной источника питания.

На чертеже фиг. 6 в соответствии с п. 6 формулы изобретения, заявляемый СТ снабжен первым дополнительным затвором 13, который соединен с затвором первого 14 вспомогательного полевого транзистора, причем исток первого 14 вспомогательного полевого транзистора соединен с затвором 1 устройства и стоком второго 15 вспомогательного полевого транзистора, сток первого 14 вспомогательного полевого транзистора связан со второй 7 шиной источника питания, исток второго 15 вспомогательного полевого транзистора подключён к истоку второго 5 полевого транзистора, а его затвор соединен с затвором второго 5 полевого транзистора.

На чертеже фиг. 7, в качестве примера, приведена схема включения заявляемого СТ фиг. 6 по п. 6 формулы изобретения в структуре дифференциального каскада, усиливающего разность двух входных напряжений u_вх.13 и u_вх.13*, смещенных относительно общей шины на V5=4,5В.

На чертеже фиг. 8, показан составной транзистор в соответствии с п. 7 формулы изобретения, который снабжен вторым 15 дополнительным затвором. Этот затвор соединен с затвором третьего 16 вспомогательного полевого транзистора, исток которого соединен с истоком 2 устройства, а его сток связан с дополнительным 17 стоком устройства. В данной схеме включения СТ сток 3 устройства связан со второй 7 шиной источника питания через первый 8 двухполюсник нагрузки, а дополнительный сток 17 устройства связан с первой 6 шиной источника питания через второй 18 дополнительный двухполюсник нагрузки. В частных случаях в качестве двухполюсников нагрузки 8 и 18 могут использоваться входы токовых зеркал, обеспечивающие дальнейшее преобразования сигналов в схеме ДК фиг. 8.

Работу предлагаемого составного транзистора фиг. 2 поясняют его стоко-затворные характеристики, представленные на чертежах фиг. 10, фиг. 11. Данные графики показывают, что СТ фиг. 2 по своим стоко-затворным характеристикам подобен КМОП полевому транзистору с индуцированным каналом. Он имеет характерную зону закрытого состояния при напряжении на затворе U_0G, не превышающем пороговое напряжение (Uп), а при напряжении на эквивалентном затворе 1 устройства, превышающем Uп, переходит в активный режим. Таким образом, СТ фиг. 2 может использоваться в задачах аналогового усиления сигналов при управлении напряжением на эквивалентном затворе 1 устройства относительно общей шины. При этом относительно эквивалентного вывода стока 3 СТ (высокоинпедансного токового выхода) сигнал в заявляемом устройстве не инвертируется, что является его существенным преимуществом.

Введение второго 9 двухполюсника нагрузки (резистора) в схему включения заявляемого СТ фиг. 3 значительно расширяет его функциональные возможности. Схема СТ фиг. 3 работоспособна при сопротивлениях второго 9 двухполюсника нагрузки (резистора), не превышающих сумму сопротивлений истоков первого 4 и второго 5 полевых транзисторов.

Для управления величиной порогового напряжения Uп заявляемого СТ может использоваться цепь согласования потенциалов 10 (фиг. 5). При её применении можно изменять численные значения порогового напряжения Uп в широких пределах.

Введение в схему фиг. 6 первого 14 и второго 15 вспомогательных полевых транзисторов (в соответствии с п. 6 формулы изобретения) позволяет создавать на базе заявляемого СТ неинвертирующие преобразователи «входное напряжение-ток стока 3 устройства». При этом, управление СТ осуществляется по дополнительному затвору 13, имеющее высокой входное сопротивление.

Пример включения схемы СТ фиг. 6 в структуре дифференциального каскада на основе двух СТ фиг. 6 представлен на чертеже фиг. 7, а его характеристики приведены на чертеже фиг. 14.

Анализ статического режима СТ в схеме фиг. 9 показывает, что при нулевом напряжении U_0G на затворе 1 устройства (J1, фиг. 9), транзисторы J1 и J2 заперты. Увеличение управляющего входного напряжения U_0G на затворе 1 (J1) устройства (фиг. 10) выше порогового уровня Uп1≈1,8В приводит к переходу транзисторов J1 и J2 в активный режим, который может использоваться в различных усилительных схемах.

Воздействие криогенных температур несколько увеличивает пороговое напряжение (фиг. 10).

При параллельном включении четырех JFet транзисторов в структуре J1 и J2 фиг. 9 (или изменении ширины их каналов) пороговое напряжение Uп практически не изменяется (фиг. 11). Однако при этом возрастают максимальные токи СТ. Такое схемотехническое решение позволяет использовать заявляемое устройство при больших заданных токах нагрузки.

Существует более 20 других вариантов практического применения заявляемого СТ фиг. 2.

Так, на чертеже фиг. 8 представлен составной транзистор, соответствующий п. 7 формулы изобретения, в котором предусмотрены второй 15 дополнительный затвор (G*) и дополнительный сток 17 (D*) устройства. Структура СТ фиг. 8 позволяет управлять токами стоков I_D и I_D* и токами в первом 8 и втором 18 дополнительном двухполюсниках нагрузки не только путем изменения напряжения U_0G, но и за счет управления величиной U_0G* на дополнительном затворе 15, при этом обеспечивается высокие входные сопротивления.

По существу схема фиг. 8 является дифференциальным каскадом (ДК), усиливающим (относительно первого 8 и второго 18 дополнительного двухполюсников нагрузки), разность напряжений U_0G и U_0G*и подавляющим их синфазную составляющую. При этом, статический режим такого ДК (когда U_0G=U_0G*=0), устанавливается за счет геометрической размеров канала применяемых полевых транзисторов, то есть конструктивно-технологическим путем.

Графики фиг. 14 показывают, что рабочая точка по току (Q1) СТ фиг. 8 для JFet ОАО «Интеграл» (г. Минск) лежит в приделах нескольких сотен микроампер, а СТ фиг. 8 подобен КМОП транзистору со встроенным каналом, у которого ток стока не равен нулю при нулевом напряжении за затворе. В этой схеме ДК входное дифференциальное напряжение может принимать как положительное, так и отрицательное значение отновительно общей шины питания. При этом, каких-либо дополнительных устройств смещения статического режима ДК не требуется, что является его важным достоинством.

Компьютерное моделирование характеристик, рассмотренных СТ выполнялось в среде САПР LTSpice XVII (Analog Device, США) на моделях СJFet транзисторов (ОАО «Интеграл» (г. Минск), АО «НПП» Пульсар» (г. Москва), учитывающих влияние низких температур и проникающей радиации [10].

Таким образом, заявляемый СТ существенно расширяет представления разработчиков аналоговых CJFet микросхем о методах построения усилительных трехполюсников (составных транзисторов), которые, в отличие от известных JFet СТ, характеризуются новыми качествами и позволяют создавать нетрадиционные CJFet аналоговые микросхемы с улучшенными параметрами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5.065.043, 1991 г. прототип

2. Патент US 5.422.563, 1995 г.

3. Патент EP 0 854 570, 2001 г.

4. Патент US 4.291.316, 1980 г.

5. Патент US 4.422.563, 1995 г.

6. Патент US 5.008.565, 1991 г.

7. Схемотехника биполярно-полевых аналоговых микросхем. Часть 6. Составные схемы включения биполярных и полевых транзисторов / О.В. Дворников // Chip News #6(99) Аналоговая схемотехника, 2005г., С. 42-49. Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8, Fig. 12, Fig. 13, Fig. 14.

8. Основы микросхемотехники: учеб. пособие для студ. вузов / А.Г. Алексеенко. 3-е изд. М.: ЛБЗ; М.: Физматлит; М. : ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2002. 448с. Fig. 2.26, Fig. 2.27

9. Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем: монография / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский; под общ. ред. д.т.н. проф. Н.Н. Прокопенко; ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». – Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. – 208 с.

10. O. V. Dvornikov, V. L. Dziatlau, N. N. Prokopenko, K. O. Petrosiants, N. V. Kozhukhov and V. A. Tchekhovski. The accounting of the simultaneous exposure of the low temperatures and the penetrating radiation at the circuit simulation of the BiJFET analog interfaces of the sensors // 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Astana, Kazakhstan, 2017, pp. 1-6. DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998507

11. Патент RU 2519563, 2014 г.

12. Патент RU 2536672, 2014 г.

Биполярный переходной транзистор

Введение

Биполярный переходной транзистор определение

А биполярный переходной транзистор или BJT – трехконтактный электронное устройство, усиливающее ток. Это устройство, управляемое током. В биполярном соединении транзистор, электрический ток проводится обоими свободными электронами и дырки.

В отличие от нормальный пн переходной диод, транзистор имеет два p-n переходы.

Типы Биполярные переходные транзисторы (БЮТ)

транзисторы с биполярным переходом образованы сэндвичем либо n-тип или р-типа полупроводник слой между парами полупроводников противоположной полярности слои.

Биполярный соединение Транзисторы делятся на два типа в зависимости от их строительство: Их

НПН транзистор
PNP транзистор

NPN транзистор

Когда один полупроводниковый слой p-типа зажат между двумя полупроводниковые слои n-типа, транзистор называется npn транзистор

Транзистор PNP

Когда один полупроводниковый слой n-типа зажат между двумя полупроводниковые слои p-типа, транзистор называется pnp транзистор.

Оба Транзисторы PNP и NPN состоят из трех выводов: они эмиттер, база и коллектор.

Терминалы БЮТ

Эмитент:

As название предполагает, секция эмиттера обеспечивает заряд перевозчики. Секция эмиттера сильно легирована, поэтому может вводят в базу большое количество носителей заряда.В размер излучателя всегда больше базы.

База:

средний слой называется базовым. База транзистора очень тонкий по сравнению с эмиттером и коллектором. Это очень слегка допированный.

Коллектор:

Функция коллектора – собирать носители заряда.это умеренно легированный. Это уровень легирования коллектора. Раздел находится между эмиттером и базой. Размер коллектор всегда больше эмиттера и базы. В площадь коллектора в транзисторе значительно больше, чем область излучателя. Это потому, что коллекторный регион должен обрабатывают большую мощность, чем эмиттер, и большую площадь поверхности требуется для отвода тепла.

В транзистор усиление достигается за счет пропускания входного тока от область низкого сопротивления к области высокого сопротивления.

Приложения биполярного транзистора

различные области применения биполярных переходных транзисторов включают в себя:

Телевизоры
мобильный телефоны
Компьютеры
Радио передатчики
Аудио усилители

Режимы работы БЮТ

BJT операция режимы

Транзистор может работать в трех режимах:

Режим отключения
Насыщенность режим
Активный режим

В чтобы транзистор работал в одной из этих областей, у нас есть для подачи постоянного напряжения на npn или pnp транзистор.На основе полярность приложенного постоянного напряжения, транзистор работает в любом из этих регионов.

Применение постоянное напряжение на транзисторе – это не что иное, как смещение транзистор.

Режим отсечки

В режим отсечки, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) обратные пристрастный.Другими словами, если предположить, что два p-n переходы как два p-n переходные диоды, оба диода имеют обратное смещение в режим отсечки. Мы знаем, что в условиях обратного смещения ток протекает через устройство. Следовательно, ток не течет через транзистор. Следовательно, транзистор выключен. состояние и действует как открытый переключатель.

режим отсечки транзистора используется в режиме переключения для выключения приложения.

Насыщенность режим

В режим насыщения, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) вперед пристрастный. Другими словами, если мы предположим два p-n перехода как два диода с p-n переходом, оба диода смещены в прямом направлении в режиме насыщения. Мы знаем, что в условиях прямого смещения через устройство протекает ток.Следовательно, электрический ток протекает через транзистор.

В насыщенность режим, бесплатно электроны (носители заряда) текут от эмиттера к базе а также от коллектора к базе. В результате огромное течение потечет к базе транзистора.

Следовательно, в транзистор в режиме насыщения будет во включенном состоянии и будет работать как замкнутый переключатель.

насыщенность режим транзистора используется в режиме переключения для включить приложение.

От приведенное выше обсуждение, мы можем сказать, что, управляя транзистор в области насыщения и отсечки, мы можем использовать транзистор в качестве переключателя ВКЛ / ВЫКЛ.

Активный режим

В активный режим, один переход (эмиттер к базе) вперед смещен и другой переход (коллектор к базе) обратный пристрастный.Другими словами, если мы примем два p-n перехода как два p-n-переходные диоды, один диод будет смещен в прямом направлении и другой диод будет иметь обратное смещение.

активный режим работы используется для усиления Текущий.

От Из приведенного выше обсуждения можно сказать, что транзистор работает как переключатель ВКЛ / ВЫКЛ в режимах насыщения и отсечки, в то время как он работает как усилитель тока в активном режиме.

Транзистор – диоды с p-n переходом – носители, тип, ток и большинство

Полезные электрические свойства возникают на границе, где материал типа p упирается в материал типа n в том же полупроводниковом кристалле.Результат называется переходным диодом p-n , , диодом (или просто переходным диодом). Переходной диод можно рассматривать как односторонний клапан для электричества; он будет переносить ток в одном направлении намного легче, чем в противоположном. Понимание транзистора – особенно того типа, который называется биполярным переходным транзистором или BJT – начинается со знакомства с переходным диодом p-n . По сути, BJT представляет собой пару последовательно соединенных диодов p-n внутри монокристалла.

В полупроводниках типа p или n есть два типа носителей заряда, которые переносят ток: основные носители и неосновные носители. Электроны являются основными носителями в материале типа n из-за дополнительных электронов, отданных пятивалентными примесными атомами, а дырки являются основными носителями в полупроводниках типа p . Неосновные носители – это относительно небольшое количество противоположно заряженных носителей, электроны в типе p и дырки в полупроводнике типа n , которые нельзя полностью исключить.Тепло, ионизирующее излучение и непреднамеренные примеси в исходном собственном кристалле создают неосновные носители. Практические диоды ведут себя неидеально, потому что неосновные носители допускают небольшой обратный ток, то есть струйку зарядов, протекающих обратно через диод, тогда как идеальный диод будет полностью блокировать ток в этом направлении. Ток утечки возникает как в транзисторах, так и в диодах, и эти токи могут иметь важные последствия для рабочих характеристик схемы.

Если напряжение подается на диод с переходом pn с полярностью, которая заставляет область p диода быть более положительной, чем область n , основные несущие в обеих областях p и n будут толкались друг к другу, встречаясь на границе. Поляризованный таким образом диод называется смещенным в прямом направлении. Диод с прямым смещением ведет себя неплохо. Если полярность напряжения меняется на противоположную, в результате чего материал типа n становится более положительным, чем материал типа p , два типа основных носителей будут отодвинуты друг от друга.Это состояние называется обратным смещением или обратным смещением. Небольшая утечка тока через диод с обратным смещением является результатом движения неосновных носителей заряда в противоположном направлении по сравнению с основными.

Существует очень тонкий объем на границе раздела полупроводниковых материалов типа n и материала типа p , называемый областью обеднения. В области обеднения электроны стремятся заполнить соседние дырки, истощая кристалл носителями. Когда основные носители из каждой области подталкиваются друг к другу, пары дырка-электрон непрерывно аннигилируют друг друга.Поскольку каждая дырка заполняется электроном, новая дырка и новый электрон будут инжектироваться в кристалл в омических соединениях с кристаллом (то есть в тех местах, где приложены металлические контакты). Таким образом, ток может продолжать течь через диод, пока цепь находится под напряжением.

Если напряжение обратного смещения на диоде превысит критический порог, диод внезапно перейдет в режим сильной проводимости, когда электрическое поле в обедненной области между материалами n и p будет настолько сильным, что электроны оторвутся от их связывающие роли.Это состояние называется пробоем Зенера. Обычно транзисторы работают при достаточно низких напряжениях, чтобы не произошло такого пробоя. Если ток пробоя не ограничен внешней схемой, транзистор или диод могут легко выйти из строя при приложении избыточных напряжений или напряжений с неправильной полярностью.

Биполярный переходной транзистор (BJT) | Semiconductor Theory

Биполярный переходной транзистор (BJT) | Теория полупроводников

NPN (и PNP) транзисторов.

Транзистор NPN можно грубо описать как состоящий из слоя полупроводника P-типа, зажатого между двумя частями Полупроводник N-типа. (Транзистор PNP имеет противоположное расположение). В этом разделе мы опишем принципы работы транзистора NPN. (PNP имеет тот же принцип работы, за исключением того, что роль носителей заряда меняется, а приложенные напряжения имеют противоположные полярность).

Термин биполярный относится к тому факту, что в этом типе транзистора ток проходит через два типа основных носителей заряда (т.е.е. электроны и дырки).

На рисунке ниже показана схема NPN-транзистора вместе с обозначением цепи. Три разные области транзистора называются эмиттер, база и коллектор. Очень важно отметить, что диаграмма не отражает фактические сравнительные размеры каждой области / слоя. внутри транзистора. Фактически, разница в размерах, а также разница в уровнях легирования между каждой областью, имеют решающее значение для функция устройства.

Прямое смещение базы эмиттерного перехода.

Если внешнее напряжение применяется для прямого смещения перехода база-эмиттер, то, как и ожидалось, через него будет протекать ток. Однако эмиттер намного более легированный, чем базовая область. Следовательно, ток, который течет в базе (Ib) (и через переход базы-эмиттера) ограничивается меньшим легированием базовой области.

Коллекторный переход базы с обратным смещением.

Можно видеть, что приложенная полярность вызывает обратное смещение коллекторного перехода базы. Базовый ток все еще течет из-за смещения базы в прямом направлении. эмиттерный переход. Он состоит из дырок, текущих в базе, и электронов, текущих в эмиттере, которые рекомбинируют на стыке. Однако большой количество электронов из эмиттера, перемещаются через базу положительным напряжением коллектора, прежде чем они получат возможность встретиться а затем соедините с отверстиями.Это связано с очень низкой плотностью отверстий в области основания и тем фактом, что оно очень тонкое. Конечный результат состоит в том, что большое количество электронов, которые вводятся в эмиттер, “перемещаются” через базу положительным напряжением коллектора, прежде чем они смогут встретиться с отверстием и воссоединиться с ним. Это вызывает протекание большого тока между коллектором и эмиттером.

Работа транзистора.

Выше мы описали функцию транзистора с точки зрения факторов, влияющих на поведение мобильных носителей заряда в базе, эмиттере и коллекторские регионы.Теперь мы рассмотрим обзор работы транзистора с точки зрения обычного протекания тока.

Напряжение база-эмиттер Vbe заставляет ток (Ib) течь в базу транзистора. Этот ток обеспечивает напряжение между коллектором и эмиттер (Vce), чтобы произвести ток (Ic,), который течет в коллектор. Из-за разных уровней легирования (как описано выше) и большего потенциала от Vce ток коллектора Ic намного больше, чем ток базы Ib.
В соответствии с действующим законом Кирхгофа ток, текущий из эмиттера (Ie) будет суммой базового и коллекционного тока (т.е. Ie = Ib + Ic).
В конечном итоге в транзисторе с правильным смещением небольшой базовый ток Ib вызывает протекание гораздо большего тока коллектора Ic.
(Мы можем думать о Иб как об эффективном контроле сопротивления, «испытываемого» Все)

Сохраняя Vce постоянным, тогда, если Ib увеличивается, Ic увеличивается (до максимального значения, достигаемого, когда транзистор «полностью проводящий» (т.е.е. когда это оказывает незначительное сопротивление Vce)). Если Ib уменьшается, то Ic уменьшается (до тех пор, пока Ib в конечном итоге не уменьшит Ic до нуля).

Это приводит к двум применениям транзистора.

Транзистор как коммутирующее устройство .
Базовый ток можно переключить с нуля на значение, при котором транзистор полностью проводит ток. Это вызовет сопротивление “замеченный” Vce для перехода от фактически разомкнутой цепи к замкнутой.т.е. транзистор будет действовать как переключатель (управляемый Ib и управление Ic).
Транзистор как усилитель сигнала .
Если базовый ток установлен на среднюю точку рабочего диапазона, изменение базового тока вызовет пропорциональное изменение ток коллектора, при условии, что базовый ток не приближается к своим верхним и нижним рабочим пределам. Если выйти за пределы этого диапазона, то изменение Ic больше не будет пропорционально изменению Ib.В конце концов мы могли бы достичь точки, когда транзистор был переключен. полностью включен или выключен, как описано выше, поэтому дальнейшие изменения в Ib не могут привести к дальнейшим изменениям в Ic.

Транзистор PNP.

На приведенных ниже схемах показано устройство смещения и обозначение схемы для транзистора PNP.

1948: Концепция переходного транзистора | Кремниевый двигатель

После того, как в декабре 1947 года Бардин и Браттейн изобрели точечный транзистор (Milestone 1947), физик Bell Labs Уильям Шокли начал месяц интенсивной теоретической деятельности.23 января 1948 года он задумал совершенно другой транзистор, основанный на pn-переходе, открытом Расселом Олем в 1940 году. (1940 Milestone) Частично подстрекаемый профессиональной ревностью, так как он возмущался тем, что не участвовал в открытии точечного контакта, Шокли также признал, что его хрупкую механическую конфигурацию было бы трудно производить в больших объемах с достаточной надежностью.

Шокли также не согласился с объяснением Бардина того, как работает их транзистор. Он утверждал, что положительно заряженные дырки также могут проникать через объемный германий, а не только струйкой по поверхностному слою.Это явление, получившее название «инжекция неосновных носителей», имело решающее значение для работы его переходного транзистора, трехслойного сэндвича из полупроводников n-типа и p-типа, разделенных p-n-переходами. Так сегодня работают все «биполярные» переходные транзисторы.

16 февраля 1948 года физик Джон Шайв добился действия транзистора в полоске германия с точечными контактами на противоположных сторонах, а не рядом друг с другом, продемонстрировав, что отверстия действительно проходили через германий. В июне Шокли подал заявку на патент на переходной транзистор и опубликовал свою подробную теорию его работы в 1949 году.Тем не менее, прошло еще два года, прежде чем ученые и инженеры Bell Labs разработали процессы, которые позволили производить его соединительный транзистор в промышленных масштабах (Milestone 1951).

Шокли, Уильям. Лабораторная тетрадь Bell Labs № 20455 (январь 1948 г.), стр. 128-32, 23.
Shockley, W. “Элемент схемы, использующий полупроводниковый материал”, U.S. Patent 2569347 (подана 26 июня 1948 г., выдана 25 сентября 1951 г.).
Шокли, Уильям. “Теория P-N переходов в полупроводниках и транзисторах с P-N переходом”, Bell System Technical Journal Vol. 28 № 3 (июль 1949 г.) стр. 435-89.
Шокли, Уильям. Электроны и отверстия в полупроводниках с приложениями к транзисторной электронике . (Нью-Йорк: Ван Ностранд 1950).

Шокли, Уильям.«Транзисторная технология вызывает новую физику», Нобелевская лекция. Нобелевские лекции, Физика 1942-1962 (Амстердам: издательство Elsevier, 1964).
Шокли, Уильям. «Путь к концепции переходного транзистора», IEEE Transactions on Electron Devices , Vol. ED-23, № 7 (июль 1976 г.), стр. 597-620.
Холоняк, Ник. Инженер-электрик, устная история, проведенная в 1993 году Фредериком Небекером, Центр истории IEEE, Университет Рутгерса, Нью-Брансуик, Нью-Джерси, США.
Риордан, М. и Ходдесон, Л. Кристальный огонь: рождение информационной эры . (Нью-Йорк: У. В. Нортон, 1997), стр. 142-55.

Интервью Лилиан Ходдсон с Уильямом Шокли 10 сентября 1974 г., Библиотека и архив Нильса Бора, Американский институт физики, Колледж-Парк, Мэриленд 20740.

Биполярный транзистор

BJT – конструкция, типы и методы соединения

Это название обозначает устройство, имеющее передаточные резисторы.Поскольку мы видели, что полупроводник обеспечивает меньшее сопротивление течению тока в одном направлении и высокое сопротивление в другом направлении, мы называем устройство из полупроводников транзистором.
Есть в основном два типа транзисторов:

Контактное лицо
Переходный транзистор

Переходные транзисторы используются чаще, чем точечные транзисторы. Их отдают предпочтение из-за их прочности и небольшого размера. Переходные транзисторы делятся на два типа

PNP
НПН

Каждый имеет 3 электрода, называемых эмиттером, базой и коллектором.Они изготавливаются из полупроводников типа P и N. В зависимости от типа.

ТРАНЗИСТОР

Транзистор был изобретен Уильямом Шокли в 1947 году. Транзистор состоит из двух PN-переходов. Переходы формируются путем размещения полупроводниковых слоев P-типа или N-типа между парой противоположных типов. Существует два типа транзисторов: один называется транзистором PNP, а другой – транзистором NPN.

Транзистор PNP состоит из двух полупроводников P-типа, разделенных тонкой секцией N-типа, как показано на рисунке (a).Точно так же транзистор NPN состоит из двух полупроводников N-типа, разделенных тонкой секцией P-типа, как показано на рисунке (а). символы, используемые для транзисторов PNP и NPN, также показаны на диаграммах.

По сути, транзистор состоит из трех частей, известных как эмиттер, база и коллектор. Часть с одной стороны является эмиттером, а часть с противоположной стороны – коллектором. Средняя часть называется базой и образует два перехода между эмиттером и коллектором.

ЭМИТТЕР

Часть на одной стороне транзистора, которая питает носители заряда (т.е.е. электроны или дырки) к двум другим частям. Эмиттер представляет собой сильно легированную область. Эмиттер всегда смещен в прямом направлении относительно базы, так что он может обеспечивать большое количество основных несущих. В обоих транзисторах PNP и NPN эмиттерный базовый переход всегда должен быть смещен в прямом направлении. Эмиттер PNP-транзистора подает дырочные заряды на его стыки с базой. Точно так же эмиттер PNP-транзистора подает свободные электроны к его стыку с базой.

КОЛЛЕКТОР

Часть на другой стороне транзистора (т.е.е. сторона, противоположная эмиттеру), которая собирает носители заряда (то есть электроны или дырки). Коллектор всегда больше, чем эмиттер и база транзистора. Уровень легирования коллектора находится между сильным легированием эмиттера и легким легированием базы. В обоих транзисторах PNP и NPN коллектор-база всегда должна иметь обратное смещение. Его функция заключается в удалении носителей заряда из соединения с базой. Коллектор транзистора PNP принимает дырочные заряды, которые текут в выходной цепи.Точно так же коллектор NPN-транзистора принимает электроны.

ОСНОВАНИЕ

Среднее зелье, которое образует два PN перехода между эмиттером и коллектором, называется базой. База транзистора тонкая по сравнению с эмиттером и представляет собой слаболегированный участок. Функция базы – управлять потоком носителей заряда. Эмиттерные переходы смещены в прямом направлении, что позволяет использовать эмиттерную цепь с низким сопротивлением. Коллекторный переход базы имеет обратное смещение и показывает высокое сопротивление в цепи коллектора.

КОНСТРУКЦИЯ ТРАНЗИСТОРА

Методы, используемые для изготовления транзисторов, приведены ниже:

Выросший перекресток
Сплав из сплава или плавленого сплава
Диффузное соединение
Эпитаксиальный переход
Точечный контактный переход

Grown Junction

Это соединение подготовлено с использованием техники Чохральского или плавающей зоны. Аппарат, используемый для техники Чохральского, показан на рисунке ниже.Он состоит из графитового тигля, кварцевого контейнера, вращающегося тянущего стержня и катушек индукционного нагрева, размещенных вокруг графитового тигля. Графитовый тигель содержит расплавленный полупроводниковый материал.

Прежде всего, одиночная затравка полупроводника погружается в расплавленный полупроводник. Затем он постепенно извлекается, при этом стержень, удерживающий посевной материал, медленно вращается. PN-переходы выращивают, сначала добавляя примеси P-типа в расплав, а затем меняя его на N-тип.

Сплав из сплава или плавленого сплава

Метод сплавных соединений позволяет получать PN-переходы с высокими значениями пикового напряжения и тока (PIV).Такие переходы имеют большую емкость из-за большой площади перехода. В технике соединения сплава небольшая точка алюминия помещается на кремниевую воду N-типа, как показано на рисунке (d). Его нагревают до температуры около 150С. При этой температуре алюминий плавится и растворяет часть кремния. Затем его температура понижается, и кремний повторно замерзает, образуя монокристалл с PN-переходом, как показано на рисунке.

Диффузное соединение

Этот метод дает нам точный контроль концентрации примесей для изготовления PN перехода.Кремниевая пластина N-типа, называемая подложкой (или основанием), подвергается воздействию газообразной примеси P-типа, как показано на рисунке (e). Затем пластина нагревается до достаточно высокой температуры, при которой примеси медленно диффундируют в поверхность воды. После диффузии части поверхности защищаются, а остальные вытравливаются, как показано на рисунке.

Эпитаксиальный переход

Этот переход отличается от диффузного перехода только в одном аспекте: переход создается не на подложке, а на эпитаксиальном слое, выращенном над подложкой.Эпитаксиальные переходы обладают преимуществом низкого сопротивления.

Точечный контактный переход

Он состоит из полупроводниковой пластины N-типа (кремния или германия), одна сторона которой припаяна к металлическому основанию, а другая сторона имеет пружину из фосфористой бронзы (или вольфрама) (называемую усами Кошки), прижатую к ней, как показано на Рисунок (f). Вся сборка заключена в керамическую или стеклянную оболочку для придания ей механической прочности.

PN-переход образуется при пропускании большого тока (около 200 мА) длительностью от 1 до 100 миллисекунд.Переход образуется в точке контакта из-за плавления поверхности кремния и диффузии материала нитевидных кристаллов на поверхность в этой точке, как показано на рисунке (f).

Точечный переход имеет очень низкое значение емкости. По этой причине такие переходы очень удобны для работы на частотах до 10 ГГц.

Режимы работы BJT

Биполярный транзистор имеет два перехода. Каждый переход может иметь прямое или обратное смещение независимо.Таким образом, есть четыре режима работы:

Передняя Активная
Отрезать
Насыщенность
Реверс активен

ПЕРЕДНЯЯ АКТИВНОСТЬ

В этом режиме работы переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база – в обратном направлении. Транзистор ведет себя как источник. Благодаря управляемым характеристикам источника BJT может использоваться как усилитель и в аналоговых схемах.

ОТРЕЗАТЬ

Когда оба перехода смещены в обратном направлении, это называется режимом отсечки.В этой ситуации ток почти равен нулю, и транзистор ведет себя как разомкнутый ключ.

НАСЫЩЕННОСТЬ

В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, большой ток коллектора течет с небольшим напряжением через переход коллектор-база. Транзистор ведет себя как замкнутый переключатель.

ОБРАТНЫЙ АКТИВ

Это противоположно прямому активному режиму, потому что в этом базовом переходе эмиттера имеется обратное смещение, а базовое соединение коллектора смещено в прямом направлении. Это называется инвертированным режимом.Он не подходит для усиления.
Однако обратный активный режим находит применение в цифровых схемах и некоторых аналоговых схемах переключения.

Ионно-биполярные переходные транзисторы | PNAS

Abstract

Динамическое управление химической микросредой необходимо для непрерывного развития во многих областях наук о жизни. Такой контроль может быть достигнут с помощью активных химических цепей для доставки ионов и биомолекул. В качестве основы для такой схемы мы сообщаем о твердотельном ионно-биполярном переходном транзисторе (IBJT) на основе проводящих полимеров и тонких пленок анионо- и катион-селективных мембран.IBJT является ионным аналогом обычного полупроводникового BJT и производится с использованием стандартных технологий микротехнологии. Приведены характеристики транзистора и модель, описывающая принцип работы, в которой ток анионной базы усиливает ток катионного коллектора. При использовании IBJT в качестве элемента биоэлектронной схемы для доставки нейромедиатора ацетилхолина продемонстрирована его эффективность в модулировании передачи сигналов нервных клеток.

Многочисленные биохимические, биомедицинские и клинические применения требуют технологии, позволяющей осуществлять пространственно-временную доставку ионов и биомолекул.Чтобы получить динамический контроль над клеточными микросредами, требуется доставка вещества в сложных схемах с высоким разрешением, где каждая точка доставки имеет индивидуальную адресацию. По аналогии со схемами адресации в дисплеях с активной матрицей (1, 2), адресуемость в активных химических цепях может быть достигнута путем введения функциональности транзистора в каждую точку доставки. Транзисторы обычно представляют собой устройства с тремя выводами, в которых ток между первым и вторым выводами регулируется электрическим сигналом, подаваемым на третий.Полупроводниковый твердотельный транзистор (3) является ключевым компонентом, который обеспечивает усиление, адресацию и обработку электронных сигналов в схемах. Точно так же транзистор, основанный на переносе ионов, а не электронов, обеспечил бы такую же функциональность возможной в химических цепях, например, для адресной доставки заряженных ионов и биомолекул. На сегодняшний день опубликовано мало сообщений об активном контроле ионного транспорта, подобном транзистору (4–8). Принцип работы большинства этих устройств заключается в модуляции поверхностного заряда в наноканалах и нанопористых мембранах.Однако эти устройства обычно трудны в изготовлении, их трудно интегрировать в схемы и они плохо работают при высоких концентрациях ионов, необходимых для создания физиологически релевантных условий.

Транзисторы с биполярным переходом (BJT) (3) представляют собой основной класс транзисторов со своей собственной номенклатурой: входные, выходные и управляющие клеммы обозначаются соответственно эмиттером, коллектором и базой. pnp -BJT можно рассматривать как два pn -переходов, разделяющих узкую базовую область, где эмиттер и коллектор легированы p , а база – n .Селективные для анионов и катионов мембраны (9) являются ионными эквивалентами полупроводников, легированных n и p соответственно. Эти мембраны содержат фиксированные ионные группы, компенсированные подвижными ионами противоположного заряда (противоионами). Подвижные ионы с одинаковым зарядом (коионы) электростатически отталкиваются, когда концентрация окружающего электролита намного ниже, чем у фиксированных зарядов (исключение Доннана) (9). Биполярная мембрана (БМ) представляет собой сэндвич из анион- и катион-селективной мембраны (10).BM демонстрируют некоторые сходства с биполярными полупроводниковыми диодами с переходом pn , такими как выпрямление тока. Введение нейтрального промежуточного мембранного слоя, разделяющего две заряженные мембраны, поддерживает высокий коэффициент выпрямления тока (10, 11). BM, разделяющий два электролита, смещается в прямом направлении, когда положительное напряжение прикладывается к электролиту, контактирующему с катион-селективной стороной (рис. 1 A ). Это вызывает накопление подвижных ионов между двумя заряженными мембранами, что приводит к высокому ионному току через BM.При обратном смещении область между мембранами обеднена подвижными ионами, и ионный ток значительно ниже (11).

Рис. 1.

Архитектура IBJT. ( A ) Основная структура устройства BM, включая нейтральный промежуточный мембранный слой. При обратном и прямом смещении подвижные ионы извлекаются из промежуточного слоя или накапливаются в нем соответственно. Это приводит к выпрямлению ионного тока. ( B ) IBJT смещен в соответствии с конфигурацией с общим эмиттером.PEDOT: электроды PSS с водными электролитами генерируют ионные токи внутри устройства. Эмиттер и коллектор (катион-селективный, L × W = 1,5 × 0,2 мм) встречаются с основанием (анион-селективным), определяющим переход. ( C ) Вертикальное сечение по конфигурации эмиттер-коллектор (не в масштабе). Эмиттер и коллектор (PSS толщиной ~ 250 нм) нанесены на поверхность подложки из ПЭТ. Сшитый гель ПЭГ (называемый переходом) используется в отверстии изолирующего слоя SU-8 толщиной 10 мкм.Основа (толщиной ∼20 мкм) контактирует с гелем и покрывается герметизирующим слоем PDMS. I _C – это поток катионов (M ⁺) от эмиттера к коллектору, в то время как I _B, в устойчивом состоянии, в основном состоит из мигрирующих анионов (A ^–). от базы до эмиттера. ( D ) Вид сверху вниз на IBJT. Эмиттер и коллектор разделены по горизонтали на 100 мкм, а основание покрывает всю площадь перехода.( E ) Предлагаемое обозначение схемы pnp -IBJT.

Вдохновленные сходством переходов pn и BM, мы разработали твердотельный ионный транзистор с биполярным переходом (IBJT). Его использование в качестве элемента цепи для доставки нейротрансмиттеров было продемонстрировано его динамическим контролем физиологического микроокружения нервных клеток посредством доставки ацетилхолина (ACh). На основе теории переноса ионов через селективные мембраны предлагается модель работы и сравнивается с характеристиками.

Результаты и обсуждение

Материалы и архитектура устройства.

IBJT состоит из двух BM, эмиттер-база и коллектор-база, с одной и той же базовой областью, разделяющей нейтральный промежуточный слой (рис. 1 B и C ). Обе области эмиттера и коллектора являются катион-селективными, а основная область – анион-селективной. Таким образом, конфигурация электронного эквивалентна pnp -BJT. Устройство IBJT изготовлено из тонкой пленки проводящего полимера (12, 13) поли (3,4-этилендиокситиофена) (14) с добавлением полианиона поли (стиролсульфоната) (PEDOT: PSS), нанесенного на пластиковую (ПЭТ) фольгу. .Узорчатый PEDOT: электроды PSS (15) вместе с водными электролитами служат терминалами подачи ионов в соответствии с электрохимической реакцией PEDOT ⁺: PSS ^– + M ⁺ (водн.) + E ^– ⇔ PEDOT ⁰ + M ⁺: PSS ^–. Катион-селективные области эмиттера и коллектора содержат сверхокисленный (16) PEDOT: PSS. Поверх рисунка ПЭДОТ: ПСС наносится изолирующая пленка СУ-8 с отверстиями, расположенными на электродах и на стыке (рис.1 D ). Затем эмиттер и коллектор соединяются переходом, состоящим из нейтрального сшитого слоя геля полиэтиленгликоля (ПЭГ) (рис. 1 C и D ). Аниоселективная мембрана Fumatech FAB наносится поверх геля PEG, определяя основу. Наконец, стопка герметизируется слоем полидиметилсилоксана (PDMS).

Режимы работы и уравнения переноса.

На протяжении всей работы используется конфигурация транзистора с общим эмиттером (рис.1 В ). При работе в режиме отсечки диоды эмиттер-база (E-B) и коллектор-база (C-B) имеют обратное смещение. Концентрация ионов в основной части перехода ( c _J) тогда мала, и, следовательно, ток между эмиттером и коллектором ( I _C) невелик. После изменения напряжения смещения только диода E-B транзистор работает в активном режиме. По мере увеличения c _J возрастают как I _C, так и падение резистивного потенциала вдоль эмиттера (Δ V _E).Это приводит к уменьшению падения потенциала на переходе E-B до тех пор, пока базовый ток ( I _B) не сравняется с током утечки E-B (установившееся состояние). Поскольку Δ В _E является резистивным и по величине равно напряжению эмиттер-база ( В _EB), току эмиттера ( I _E) и, следовательно, I I _C должны линейно зависеть от V _EB: I _C = R _E · ( V _{9 _T), где В _T – пороговое напряжение.}

Уравнения переноса заряда для BJT обычно выражаются в предположении одномерной модели, и здесь используется аналогичный подход. Если предположить, что V _EB только модулирует c _J и что c _J изменяется только в направлении от эмиттера к коллектору, модельная система может быть упрощена до EJC. куча. Этот пакет может быть смоделирован с использованием теории переноса, разработанной для мембран, селективных по отношению к катионам и электролитам (17) ( SI Text ).Линейный градиент диффузии создается от эмиттера к коллектору в объеме перехода (рис. 2), и результирующий I _C пропорционален. На границе J-C формируется область пространственного заряда с низким c _J и высоким электрическим полем (18, 19). В режиме отсечки общее c _J низкое, и полное падение потенциала происходит через переход. И наоборот, в активном режиме c _J высокое, и падение потенциала более равномерно распределено по E-J-C.Когда В _EB приближается к В _EC/2, работа транзистора переходит в так называемый режим насыщения. В этом режиме работы происходит накопление ионов в области перехода, что приводит к нарушению селективности мембраны, вызывая высокое значение I _B.

Рис. 2.
Схематическое изображение концентраций ионов и электрических потенциалов вдоль эмиттера-коллектора в активном и отсечном режимах.Концентрация солей электролитов ( c ₀) ниже, чем концентрация отрицательных фиксированных зарядов в мембранах ( X _N). В эмиттере и коллекторе концентрация подвижных катионов ( c _P) высокая, а концентрация подвижных анионов ( c _N) низкая. В режиме отсечки концентрация соли в переходе ( c _J) мала, и поэтому падение потенциала () в основном происходит в этой области.В активном режиме c _J выше, и падение потенциала делится на эмиттер (Δ V _E), коллектор и переход.
IBJT Характеристика.
Водные 0,1 M электролиты NaCl использовались для всех конфигураций электродов, и кривая переноса была получена путем измерения I _C, поддерживая V _EC = 10 V и сканировав V _EB вперед и назад между -0.От 5 до 4,5 В при скорости сканирования 2,5 мВ / с (рис. 3 A ). Порог начала I _C происходит при V _T = 0,7 В, после чего I _C увеличивается линейно по сравнению с V _{EB 904. Интересно, что при такой скорости сканирования присутствовал лишь небольшой гистерезис. Утечка I _B, в основном из-за анионов, выходящих через эмиттер, увеличивается по мере того, как c _J становится выше.Кроме того, вольт-амперные характеристики были получены путем нарастания В _EC для различных фиксированных значений В _EB (рис. 3 B ). При поддержании В _EC/2> В _EB транзистор работает в активном режиме. Как и предполагалось, I _C является постоянным по отношению к V _EC и полностью модулируется V _EB.При В _EC = 10 В, соотношение включения-выключения I _C между В _EB = 4 В и 0 В равно 100. Коэффициент усиления при В _EB = 4 В составляет: г = I _C/ I _B = 10.}
Рис. 3.
Характеристики IBJT. ( A ) Передаточная кривая показывает линейную зависимость между I _C и V _EB, с лишь незначительным гистерезисом. I _B выше при прямом сканировании из-за инжекции ионов в переход. ( B ) Выходные характеристики IBJT показывают насыщение ионного тока в активном режиме. На этих сканированиях избегают режима насыщения (серая область). ( C ) Количество анионного заряда в переходе ( Q _J) по сравнению с различными V _EB. Линейная аппроксимация данных отображается красным цветом.( D ) Переходный процесс переключения для скачка напряжения в В _EB. Подъем и падение I _C коррелируют с положительным и отрицательным I _B соответственно. ( E ) Характеристика зависимости тока от напряжения для цепи диода эмиттер-база ( В _EC отключено). Наблюдается ожидаемое выпрямление ионного тока.
Ожидается, что количество анионного заряда в переходе ( Q _J) будет линейно зависеть от I _C, которое, как было установлено, линейно зависит от V _EB (см. рис.3 А ). Чтобы проверить это, IBJT сначала работал при В _EC = 10 В для различных фиксированных значений В _EB в установившемся режиме. V _EC и V _EB были затем переключены на 0 В и -2 В, соответственно, одновременно с записью I _B для оценки К _Дж. Мы обнаружили линейную зависимость между Q _J и V _EB (рис.3 С ). Q _J при В _EB = 4 В соответствует концентрации 0,6 М NaCl на эмиттере, разумной концентрации для функциональных селективных мембран (9). Переходные процессы включения-выключения были измерены путем приложения ступенчатого напряжения к В _EB, поддерживая В _EC = 10 В (рис. 3 D ). При включении I _C быстро поднимается после начальной задержки и достигает устойчивого состояния.Когда V _EB выключен, ионы покидают переход, за которым следует быстрое уменьшение I _C по мере истощения перехода. Время нарастания 90% для I _C составляет 12 с, а время спада на 10% составляет 5 с (см. Рис. 3 D ). Диод E-B характеризовался отдельно отключением В _EC и сканированием В _EB от -5 В до 5 В (5 мВ / с) (рис.3 E ). Мы измеряем коэффициент выпрямления тока (| I _B (5 В) / I _B (-5 В) |), равный 39; что хорошо согласуется с ранее сообщенными ректификационными характеристиками БМ (20). Никакой выраженной диссоциации воды с усилением поля не наблюдалось, так как I _B остается низким при обратном смещении для исследуемой здесь области напряжения.
В приведенных выше характеристиках IBJT показывает хорошие характеристики при высоких концентрациях соли, что позволяет применять его в биологических условиях в физиологических условиях.Функциональность IBJT заключается в ионной селективности материалов, которая менее чувствительна к высокой концентрации соли, чем поверхностные эффекты, используемые в наножидкостных транзисторах и диодах (5–8, 21). Использование свойств объемного материала, а не поверхностных эффектов позволяет создавать устройства с характеристиками в десятки и сотни микрометров, обеспечивая стандартное параллельное микротехнологии. Однако вполне вероятно, что производительность IBJT может выиграть от миниатюризации, например, ожидается увеличение скорости переключения.Полимеры могут быть легко нанесены на наноразмерный рисунок (22) при условии, что материал имеет непрерывную фазу. На данный момент неясно, работает ли IBJT при этих размерах.
IBJT как активный элемент управления доставкой ACh.
Недавно мы продемонстрировали использование органических проводящих материалов в качестве коммуникационного интерфейса для преобразования электронных сигналов в точную доставку химических посредников, таких как ионы (например, Na ⁺, K ⁺, Ca ²⁺) и нейротрансмиттеров. (е.г., АЧ) (23–25). Чтобы генерировать сложные паттерны передачи сигналов с высоким разрешением, типичные для передачи сигналов нейронных клеток, требуются системы доставки с матричной адресацией. Этого можно было бы достичь, если бы ионные транзисторы активно контролировали выброс из каждой точки доставки. Чтобы проверить, можно ли использовать IBJT в качестве адресуемой точки доставки для модуляции нейрональной передачи сигналов, водный раствор ACh помещали на эмиттерный электрод, тогда как клетки нейробластомы человека SH-SY5Y культивировали на коллекторном электроде (рис.4 А ). Поскольку клетки SH-SY5Y экспрессируют рецепторы ACh, они быстро реагируют на стимуляцию ACh открытием мембраносвязанных ионных каналов, что способствует притоку Ca ²⁺ (26). Изменения внутриклеточной концентрации Ca ²⁺, [Ca ²⁺] _и можно отслеживать в режиме реального времени с помощью флуоресцентной микроскопии. Сохранение IBJT в выключенном состоянии ( В, , _{, , ЕС, ,} = 10 В и В, , _{, , EB ,} = -1 В), [Ca ²⁺], _и базовых значений.Местная доставка ACh была инициирована подачей В _EB = 4 В на IBJT. Когда клетки, расположенные на выходе из коллектора, подвергались воздействию ACh, наблюдалось немедленное увеличение [Ca ²⁺] _i (фиг. 4 B ). Доставка ACh была прекращена переключением IBJT в выключенное состояние, что привело к быстрому снижению локальной концентрации ACh из-за диффузии в клеточную среду. Когда [Ca ²⁺] _i снизился и вернулся на более низкий уровень, клетки были повторно подвергнуты воздействию ACh, приложив V _EB = 4 В, и снова Ca ²⁺-ответ был вызван.В контрольных экспериментах, когда процедура повторялась с использованием NaCl (0,1 М) в качестве эмиттерного электролита, не наблюдалось внутриклеточного ответа Ca ²⁺, тогда как быстрый ответ был инициирован путем ручного добавления ACh к клеткам.
Рис. 4.
IBJT как адресуемая точка доставки для модуляции передачи сигналов нервных клеток. ( A ) Схематическое изображение IBJT в схеме. Клетки SH-SY5Y культивировали на коллекторном электроде, а ACh помещали на эмиттерный электрод.При включении устройства ACh мигрирует по цепи E-C и высвобождается в ячейки. ( B ) Внутриклеточная запись Ca ²⁺ стимулированных ACh клеток SH-SY5Y. Включение / выключение V _EB регулирует доставку ACh, которая затем модулирует клеточный ответ Ca ²⁺.
На основе этого первого доказательного эксперимента доставки ACh к холинергическим клеткам, использование IBJT может быть расширено за счет включения огромного количества положительно заряженных биомолекул, действующих на различные клеточные рецепторы, к любому типу клеток или тканей. in vitro.Путем подключения большого количества IBJT в химический контур может быть получена адресная матрица доставки, которая обеспечивает новый интерфейс для биологических систем. Генерация контролируемых, сложных сигнальных паттернов с высоким разрешением будет иметь первостепенное значение для улучшения нашего понимания в таких областях, как межклеточная коммуникация в нейронных сетях.
Выводы
Несмотря на фундаментальные различия между селективными мембранами и полупроводниками, биполярные транзисторы на основе этих материалов демонстрируют поразительно много общего.Аналогия выпрямления тока между биполярными мембранами и полупроводниковыми pn -переходами хорошо известна. В этой работе мы расширяем аналогию на транзисторы и показываем, как твердотельный ионный транзистор с биполярным переходом, pnp -IBJT, может быть сконструирован аналогично его полупроводниковому аналогу pnp . На следующем этапе мы стремимся создать дополнительную версию, то есть npn -IBJT, для модуляции транспорта анионов. Это открывает возможность для адресных систем доставки как для положительно, так и для отрицательно заряженных ионов и биомолекул, а также для дополнительных ионных цепей.Принимая во внимание, что мы продемонстрировали использование IBJT для модуляции передачи сигналов нейронных клеток, мы предполагаем, что IBJT будет иметь большое влияние как ключевой компонент для усиления, адресации и обработки химических сигналов в сложных цепях доставки лекарств (27), лабораторная работа. -а-чип (28), сенсор (29) и электрохимия (30, 31).
Материалы и методы
Производство.
Поверхность PEDOT: PSS (AGFA-Gevaert Orgacon ™ F-350), нанесенная на подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТ), очищали с использованием средства для удаления 1112A (Shipley), затем промывали ацетоном и деионизированной водой.Фоторезист Shipley 1805 был нанесен на поверхность PEDOT: PSS после предварительной обработки плазмой O ₂ и праймером (гексаметилдисилазан). PEDOT: PSS формировали с использованием ступени плазменного травления O ₂ / CF ₄. Образцы избыточного окисления PEDOT: PSS были получены путем воздействия на незапечатанные области PEDOT: PSS раствором гипохлорита натрия (1% (об. / Об.), 50 с). Слой SU-8 2010 (MicroChem) был нанесен поверх конфигурации электрода. Смесь поли (этиленгликольдиакрилата) ( M _n 575, Sigma) и 2% (мас. / Мас.) 1-гидроксициклогексилфенилкетона (Sigma) помещали в отверстие в SU-8 дифференциальным методом. смачивание и фотополимеризация (30 с, VL-208 BL 32 Вт, 365 нм) в атмосфере N ₂.Полоску мембраны Fumatech FAB размером примерно 0,8 × 5 мм разрезали и ламинировали на устройстве путем нагревания снизу (нагревательная плита 110 ° C, 5 с). Пакет герметизировали смесью ПДМС (10À1 Sylgard 186) и отверждали при 80 ° C в течение 1 ч.
Характеристика.
Перед использованием устройства замачивали в деионизированной воде на 24 часа. Напряжения подавались с помощью измерителя источника Keithley 2602, управляемого через LabVIEW (частота дискретизации 5 Гц), и водные 0,1 М электролиты NaCl использовались на протяжении всей характеристики.Все устройства неоднократно включались и выключались, обычно около пяти раз, до достижения стабильной производительности. Каждый тип характеризации был повторен на разных устройствах не менее трех раз, представлены репрезентативные записи.
Клеточное культивирование.
Клетки SH-SY5Y нейробластомы человека (номер АТСС: CRL-2266) размножали в соответствии с инструкциями поставщика. При 80% конфлюэнтности клетки пересевали в соотношении 1-5. За один-два дня до экспериментов клетки засевали в свежую среду на коллекторном электроде, предварительно покрытом бычьим фибронектином (5 мкг / см ²) (Sigma), тогда как воду помещали на эмиттерный и основной электроды, чтобы обеспечить гидратацию полимера. .
Внутриклеточный Ca
²⁺ Записи.
Клетки загружали мембранопроницаемым Ca ²⁺ -чувствительным красителем FURA-2 AM. ACh (80 мкл, 10 мМ в 0,1 М NaCl, Fluka) применяли в качестве эмиттерного электролита и NaCl (80 мкл 0,1 М, Sigma) в качестве основного электролита. Клетки контролировали с помощью вертикального Nikon Eclipse 80i с эпифлуоресцентным объективом 40 × /0,80. Возбуждение на длинах волн 340 и 380 нм достигалось с помощью осветителя DeltaRAM и монохроматора DeltaRAM-V с компьютерным контроллером затвора SC500.Эмиссия (510 нм) регистрировалась каждые 13 с с помощью камеры Photometrics Coolsnap CCD. Данные были проанализированы с использованием программного обеспечения PTI ImageMaster3. Каждую серию экспериментов повторяли минимум три раза; представлена одна репрезентативная запись.
Благодарности
Авторы выражают признательность профессору Роберту Форххаймеру, доктору Эдвину Ягеру и доктору Даниэлю Саймону из Университета Линчёпинга, а также доктору Матсу Сандбергу из Acreo AB за плодотворные обсуждения. Исследование финансировалось Шведским фондом стратегических исследований (Центр стратегических исследований OBOE в области органической биоэлектроники), Фондом Кнута и Алисы Валленберг, Шведской королевской академией наук и Фондом Оннесйо.
Сноски
¹ Кому следует направлять корреспонденцию. Электронная почта: magbe {at} itn.liu.se.
Вклад авторов: K.T., K.C.L., A.R.-D. и M.B. спланированное исследование; К. и K.C.L. проведенное исследование; К. и K.C.L. проанализированные данные; и К.Т., К.С.Л., А.Р.-Д. и М.Б. написал газету.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.