Полевые транзисторы | Электротехника
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.
Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).
Транзистор с управляющим p—n-переходом. Его схематическое изображение приведено на рис. 1.21, а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 1.22, а, б (p— и n-типов соответственно). Стрелка указывает направление от слоя р к слою п (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора).
Рис. 1.22 Устройство транзистора
Рис. 1.23 Графическое изображение: а – канал р-типа; б – канал n-типа
Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэтому область р-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.
Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим
р-n-переходом и каналом n-типа. Если подать положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом р-типа: изи > 0, то оно сместит p—n-переход в обратном направлении.
При увеличении обратного напряжения на переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях).
Увеличение ширины перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение изи достаточно велико, то канал полностью перекрывается областью p—n-перехода (напряжение отсечки).
В рабочем режиме р—n-переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (iз ? 0
На ширину р—n-перехода и толщину канала прямое влияние также оказывает напряжение между истоком и стоком. Пусть uзи = 0 и подано положительное напряжение uис(рис. 1.24). Это напряжение окажется поданным и на промежуток затвор – сток, т.
е. окажется, что uзс = uис и р—n-переход находится под обратным напряжением.
Обратное напряжение в различных областях р—n-перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение примерно равно величине uис. Поэтому p—n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Можно считать, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.
При uис = Uзиотс канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 1.25). При дальнейшем увеличении напряжения uис эта область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться.
Рис. 1.24 Принцип действия транзистора
Рис. 1.25 Режим отсечки
Схемы включения транзистора.
Для полевого транзистора, как и для биполярного, существуют три схемы включения: схемы с общим затвором (03), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком (рис. 1.26).
Так как в рабочем режиме ic ? 0, то входные характеристики обычно не рассматриваются.
Выходные (стоковые) характеристики
где f – некоторая функция.
Выходные характеристики для транзистора с р—n-переходом и каналом n-типа приведены на рис. 1.27.
Обратимся к характеристике, соответствующей условию uзи = 0. В линейной области (uис < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.
При uис > 4 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт, расширяется. При этом сопротивление промежутка исток-сток увеличивается, а ток ic практически не изменяется. Это область насыщения. Ток стока в области насыщения uзи = 0 и при заданном напряжении исиназывают начальным током стока и обозначают через ic нач. Для рассматриваемых характеристик ic нач = 5 мА при иси = 10 В.
Рис. 1.26 Схема с общей базой
Рис. 1.27 Выходные характеристики
Параметрами, характеризующими свойства транзистора усиливать напряжение, являются:
1) Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):
2) Внутреннее дифференциальное сопротивление Rис диф
3) Коэффициент усиления
Можно заметить, что
Транзисторы с изолированным затвором.
Рис. 1.28 Устройство МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа
На рис. 1.28 показан принцип устройства транзистора со встроенным каналом.
Основанием (подложкой) служит кремниевая пластинка с электропроводностью p-типа. В ней созданы две области с электропроводностью n+-типа с повышенной проводимостью.
Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область – диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 – 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.
Если к затвору приложено нулевое напряжение, то при подаче между стоком и истоком напряжения через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p—n-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока, стока и кристалла.
Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 1.29). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком
n+-типа расположен только кристалл p-типа и на одном из p-n+-переходов получается обратное напряжение.
В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p-области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (еденицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая 
Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные.
По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП-транзисторы. Условное обозначение этих приборов на электрических схемах показано на рис. 1.30. Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора).
Рис. 1.30 Условные графические обозначения полевых транзисторов
с изолированным затвором: а – со встроенным р-каналом; б – со встроенным
n-каналом; в – с индуцированным p-каналом; г – с индуцированным n-каналом
Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p—канальные и n-канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием.
Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC-цепи затвора. Поскольку входная емкость Сзи у транзисторов с р—n-переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц – единиц мегагерц.
При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC-цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-n-переходом.
Полевой транзистор МОП (MOSFET) | Принцип работы и параметры
Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?
Как часто вы слышали название полевой транзистор МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Это все слова синонимы и относятся к одному и тому же радиоэлементу: полевому МОП-транзистору.
Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор. Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором.
Откуда пошло название “МОП”
Если “разрезать” МОП-транзистор, то можно увидеть вот такую картину.
С точки зрения еды на вашем столе, МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа – толстый кусок хлеба, диэлектрик – тонкий слой колбасы, слой металла – тонкая пластинку сыра. В результате у нас получается вот такой бутерброд.
А как будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр – металлическая пластинка, колбаса – диэлектрик, хлеб – полупроводник. Следовательно, получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП – Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором. А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать почти стекло, то и вместо названия “диэлектрик” взяли название “оксид, окисел”, и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места).
Далее по тексту МОП-транзистор условимся называть просто полевой транзистор. Так будет проще.
Строение полевого транзистора
Давайте еще раз рассмотрим структуру полевого транзистора.
Имеем “кирпич” полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому, их концентрация намного больше, чем электронов. Но электроны также есть и в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике – это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. “Кирпич” P-полупроводника носит название Подложки. От подложки выходит вывод с таким же названием: подложка.
[quads id=1]
Другие слои – это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.
Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод. Называется этот вывод Затвором.
Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.
Мы видим, что полевой транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор и Подложка), а реальный транзистор имеет только 3 вывода.
В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:
Поэтому, следует соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.
Виды полевых транзисторов
В семействе МОП полевых транзисторов в основном выделяют 4 вида:
1) N-канальный с индуцированным каналом
2) P-канальный с индуцированным каналом
3) N-канальный со встроенным каналом
4) P-канальный со встроенным каналом
Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала.
С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом – сплошной.
В современном мире полевой транзистор со встроенным каналом используется все реже и реже, поэтому, в наших статьям мы их не будем рассматривать. Будем изучать только N и P – канальные полевые транзисторы с индуцированным каналом.
Принцип работы полевого транзистора
Принцип работы почти такой же, как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом (JFET-транзисторе). Исток – это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток – это вывод, куда они притекают, а Затвор – это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.
Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движение электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:
Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения PN-переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка.
Она будет выглядеть вот так:
где
И-Исток
П-Подложка
С-Сток
Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.
Значит, в этой схеме
никакого движения электрического тока пока что не намечается.
Индуцирование канала в МОП-транзисторе
Если подать некоторое напряжение на Затвор, то в Подложке начнутся волшебные превращения. В ней будет индуцироваться канал. Индукция, индуцирование – это буквально означает “наведение”, “влияние”. Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через магнитное или электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: “через электрическое поле”.
Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:
На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить, и создали гениальный радиоэлемент.
Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле.
Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов, так как в данный момент подложка P-типа. А раз и на Затворе положительный потенциал, а дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
Картина будет выглядеть следующим образом.
Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому, электронам ничего другого не остается, как просто создать “вавилонское столпотворение” около слоя диэлектрика, что мы и видим на рисунке ниже.
Но смотрите, что произошло !? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.
Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Вы наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно, этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался “проводок”, по которому может бежать электрический ток.
Значит, если сейчас подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину.
Как вы видите, цепь стает замкнутой, и в цепи может спокойно течь электрический ток.
Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал, следовательно, тем меньше сопротивление канала! А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор! Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью источника питания Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, “играя” напряжением на затворе.
Ну гениальнее некуда!
Работа P-канального полевого транзистора
Выше мы разобрали N-канальный транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора. Честно говоря, P-канальные полевые транзисторы используются реже, чем N-канальные.
Принцип работы показан на рисунке ниже.
Режимы работы полевого транзистора
Работа полевого транзистора в режиме отсечки
Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный полевой транзистор с индуцированным каналом. Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.
Как мы уже с вами разобрали, Затвор служит для управлением ширины канала между Стоком и Истоком.
Для того, чтобы показать принцип работы, мы с вами соберем простейшую схему, которая будет управлять интенсивностью свечения лампы накаливания. Так как в данный момент нет никакого напряжения на Затворе полевого транзистора, следовательно, он будет находится в закрытом состоянии. То есть электрический ток через лампу накаливания течь не будет.
По идее, для того, чтобы управлять свечением лампы, нам достаточно менять напряжение на Затворе относительно Истока. Так как наш полевой транзистор является N-канальным, следовательно, на Затвор мы будем подавать положительное напряжение. Окончательная схема примет вот такой вид.
Вопрос в другом. Какое напряжение надо подать на Затвор, чтобы в цепи Сток-Исток побежал минимальный электрический ток?
Мой блок питания Bat2 выглядит следующим образом.
С помощью этого блока питания мы будем регулировать напряжение. Так как он стрелочный, более правильным будет измерение напряжения с помощью мультиметра.
Собираем все как по схеме и подаем на Затвор напряжение номиналом в 1 Вольт.
Лампочка не горит. На другом блоке питания (Bat1) есть встроенный амперметр, который показывает, что в цепи лампы накаливания электрический ток не течет, следовательно, транзистор не открылся. Ну ладно, будем добавлять напряжение.
И только уже при 3,5 Вольт амперметр на Bat1 показал, что в цепи лампы накаливания появился ток, хотя сама лампа при этом не горела.
Такого слабого тока ей просто недостаточно, чтобы накалить вольфрамовую нить. Режим, при котором в цепи Сток-Исток не протекает электрический ток, называется режимом отсечки.
Активный режим работы полевого транзистора
В нашем случае при напряжении около 3,5 Вольт наш транзистор начинает немного приоткрываться. Это значение у различных видов полевых транзисторов разное и колеблется в диапазоне от 0,5 и до 5 Вольт. В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage, в переводе с англ.
яз. – пороговое напряжение Затвора. Указывается как VGS(th), а в некоторых даташитах как VGS(to) .
Как вы видите в таблице, на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions). В условиях прописано, что открытие транзистора считается при токе в 250 мкА и при условии, что напряжение на Стоке-Истоке будет такое же как и напряжение на Затворе-Стоке.
С этого момента мы можем плавно регулировать ширину канала нашего полевого транзистора, увеличивая напряжение на Затворе. Если чуть-чуть добавить напряжение, то мы можем увидеть, что нить лампы накаливания начинает накаляться. Меняя напряжение туда-сюда, мы можем добиваться нужного нам свечения лампочки накаливания. Такой режим работы полевого транзистора называется активным режимом.
В этом режиме полевой транзистор может менять сопротивление индуцируемого канала в зависимости от напряжения на Затворе.
Для того, чтобы понять, как усиливает полевой транзистор, вам надо прочитать статью про принцип работы биполярного транзистора, где все это описано, иначе ничего не поймете. Читать по этой ссылке.
Активный режим работы транзистора чреват тем, что в этом режиме транзистор может очень сильно греться. Поэтому, всегда следует позаботиться об охлаждающем радиаторе, который бы рассеивал тепло от транзистора в окружающее пространство. Почему же греется транзистор? В чем дело? Да все оказывается до боли просто. Сопротивление Сток-Исток зависит от того, какое напряжение будет на Затворе. То есть схематически это можно показать вот так.
Если напряжения на Затворе нет или оно меньше, чем напряжение открытия транзистора, то сопротивление в этом случае будет бесконечно большое. Лампочка – это нагрузка, которая обладает каким-либо сопротивлением. Не спорю, что сопротивление нити горящей лампочки будет совсем другое, чем холодной, но пока пусть будет так, что лампочка – это какое-то постоянное сопротивление.
Перерисуем нашу схему вот так.
Получился типичный делитель напряжения. Как я уже говорил, если нет напряжения на Затворе, то сопротивление Сток-Истока будет бесконечно большим. Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке помноженной на силу тока через Сток-Истока: P=Ic Uси . Если выразить эту формулу через сопротивление, то получаем
P= I2C R
где R – это сопротивление канала Сток-Исток, Ом
IC – сила тока, проходящая через канал (ток Стока) , А
А что такое мощность, рассеиваемая на каком-либо радиоэлементе? Это и есть тепло.
Теперь представьте, что мы приоткрыли транзистор наполовину. Пусть в нашей цепи ток через лампу будет 1 Ампер, а сопротивление перехода Сток-Исток будет равно 10 Ом. Согласно формуле P= I2C R получим, что рассеиваемая мощность на транзисторе в этот момент будет 10 Ватт! Да это маленький, черт его возьми, нагреватель!
Режим насыщения полевого транзистора
Для того, чтобы полностью открыть полевой транзистор, нам достаточно подавать напряжение до тех пор, пока лампа не будет гореть во весь накал.
В моем случае это напряжение более чем 4,2 Вольта.
В режиме насыщение сопротивление канала Сток-Исток минимально и почти не оказывает сопротивление электрическому току. Лампа ест свои честные 20,4 Ватта (12х1,7=20,4).
На самой лампе мы видим ее мощность 21 Ватт. Спишем небольшую погрешность на наши приборы.
Самое интересное то, что транзистор в этом случае остается холодным и ни капли не греется, хотя через него проходит 1,7 Ампер! Для того, чтобы понять этот феномен, нам опять надо рассмотреть формулу P= I2C R . Если сопротивление Стока-Истока составляет какие-то сотые доли Ома в режиме насыщения, то с чего будет греться транзистор?
Поэтому, самые щадящие режимы для полевого МОП-транзистора – это когда канал полностью открыт или когда канал полностью закрыт. При закрытом транзисторе сопротивление канала будет бесконечно большое, а ток через это сопротивление будет бесконечно мал, так как в этой цепи будет работать закон Ома.
Подставляя эти значение в формулу P= I2C R, мы увидим, что мощность рассеивания на таком транзисторе будет равна практически нулю. В режиме насыщения у нас сопротивление будет достигать сотые доли Ома, а сила тока будет зависеть от нагрузку в цепи. Следовательно, в этом режиме транзистор также будет рассеивать какие-то сотые доли Ватта.
Ключевой режим работы полевого транзистора
В этом режиме полевой транзистор работает только в режиме отсечки и насыщения.
Давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1.
Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы. В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть-то? На Затворе то у нас полный ноль, поэтому, канал закрыт.
Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь.
Даже не надо ни о чем заморачиваться! Просто подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Для нашего транзистора это +-20 Вольт. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет ну очень маленькая (микроамперы).
Как вы видите, лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал такой же, как и на Истоке, то есть ноль, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, “захватив” по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой рабочий стол.
Но наблюдается также и интересный феномен, в отличие от ключа на биполярном транзисторе. Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!
Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого полевого транзистора.
Вот эта часть вам ничего не напоминает?
Так это же конденсатор! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться-то ему некуда, поэтому он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал с Затвора и “заткнуть” канал, нам опять же надо уравнять его с нулем. Сделать это достаточно просто, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет.
Как вы видели в опыте выше, если мы отключаем напряжение на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал так и останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах – Затвор должен всегда чем-то управляться и с чем-то соединяться. Ему нельзя висеть в воздухе.
А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе:
При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается
Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель), лампочка сразу тухнет:
Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал.
А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если я снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение ;-). Не забываем золотое правило делителя напряжения. Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше). Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.
Характеристики полевого МОП транзистора
Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.
Напряжение VGS – это напряжение между Затвором и Истоком. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт.
Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.
Максимальная сила тока ID , которая может течь через канал Сток-Исток.
Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!
Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.
RDS(on) – сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока. В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока = 25 Ампер).
Максимальная рассеиваемая мощность PD – это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло.
В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия – это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.
Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите на последних страницах.
Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:
Также есть интересная зависимость сопротивления канала полностью открытого транзистора от температуры кристалла:
Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.
Как проверить полевой транзистор
Для того, чтобы проверить полевой транзистор, мы должны определить, где какие у него выводы. У нас подопытным кроликом будет тот же самый транзистор: IRFZ44N.
Для этого вбиваем в любой поисковик название нашего транзистора и рядом прописываем слово “даташит”. Чаще всего на первой странице даташита мы можем увидеть цоколевку транзистора.
Хотя, интернет переполнен уже готовыми распиновками и иногда все-таки бывает проще набрать”распиновка (цоколевка) *название транзистора* “. Итак, я вбил ” IRFZ44N цоколевка” в Яндекс и нажал на вкладку “картинки”. Яндекс мне выдал уйму картинок с распиновкой этого транзистора:
Ну а дальше дело за малым.
Устройство и принцип работы в видео:
Проверка полевого транзистора с помощью мультиметра
Теперь, зная цоколевку и принцип работы транзистора, мы можем проверить его на работоспособность.
Первым делом мы без проблем можем проверить эквивалентный диод VD2 между Стоком и Истоком. В схемотехническом обозначении его тоже часто указывают.
Как проверить диод мультиметром, я писал еще в этой статье.
Но не спешите брать мультиметр в руки и прозванивать диод! Ведь первым делом надо снять с себя статическое напряжение. Это можно сделать, если задеть метализированный слой водонагревательных труб, либо коснуться заземляющего провода. При работе с радиоэлементами, чувствительными к статическому напряжению, желательно использовать антистатический браслет, один конец которого закрепляется к заземляющему проводнику, например, к батарее отопления, а другой конец в виде ремешка надевается на запястье.
Далее замыкаем все выводы транзистора каким-нибудь металлическим предметом. В моем случае это металлический пинцет. Для чего мы это делаем? А вдруг кто-то зарядил Затвор до нас или он уже где-то успел “хапнуть” потенциал на Затворе? Поэтому, чтобы все было честно, мы уравняем потенциал на Затворе до нуля с помощью этой нехитрой манипуляции.
Ну а теперь со спокойной совестью можно проверить диод, который образуется в полевом транзисторе между Стоком и Истоком. Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, его схемотехническое обозначение будет выглядеть вот так:
Беремся положительным (красным) щупом мультиметра за Исток, так-как там находится анод диода, а отрицательным (черным) – за Сток
(там у нас катод диода). На мультиметре должно высветиться падение напряжения на диоде 0,5-0,7 Вольт. В моем случае, как видите, 0,56 Вольт.
Далее меняем щупы местами. Мультиметр покажет единичку, что нам говорит о том, что диод в полевом транзисторе жив и здоров.
Проверяем сопротивление канала. Мы с вами уже знаем, что в N-канальном транзисторе ток у нас будет бежать от Стока к Истоку, следовательно, встаем красным положительным щупом на Сток, а отрицательным – на Исток, и меряем сопротивление. Оно должно быть ну о-о-о-очень большое. В моем случае даже на Мегаомах показывает единичку, что говорит о том, что сопротивление даже больше, чем 200 Мегаом.
Это очень хорошо.
Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, чтобы его приоткрыть, нам достаточно будет подать напряжение на Затвор, относительно Истока. Чаще всего в режиме прозвонки диодов на щупах мультиметра бывает напряжение в 3-4 Вольта. Все зависит от марки мультиметра. Этого напряжения будет вполне достаточно, чтобы подать его на Затвор и приоткрыть транзистор.
Так и сделаем. Ставим черный щуп на Исток, а красный на Затвор на доли секунды. На показания мультиметра не обращаем внимания, так как мы сейчас используем его в качестве источника питания, чтобы подать потенциал на Затвор. Этим простым действием мы приоткрыли наш транзистор.
Раз мы приоткрыли транзистор, значит, сопротивление Сток-Исток должно уменьшится. Проверяем, так ли это? Ставим мультиметр в режим измерения сопротивления и смотрим, уменьшилось ли сопротивление между Стоком-Истоком? Как видите, мультиметр показал значение в 2,45 КОм.
Это говорит о том, что наш полевой транзистор полностью работоспособен.
Конечно, бывает и такое, что малого напряжения на мультиметре не хватает, чтобы приоткрыть транзистор. Здесь можно прибегнуть к источникам питания, которые выдают более-менее нормальное напряжение, например, блок питания или батарейка Крона в 9 Вольт. Так как рядом не оказалось Кроны, то мы просто выставим напряжение в 10 Вольт. Напряжение на Затвор именно этого транзистора не должно превышать 20 Вольт, иначе произойдет пробой диэлектрика, и транзистор выйдет из строя.
Итак, выставляем 10 Вольт.
Подаем это напряжение на Затвор транзистора на доли секунды.
Теперь по идее сопротивление между Стоком и Истоком должно равняться нулю. Для чистоты эксперимента замеряем сопротивление щупов самого мультиметра. Эх, дешевые китайские щупы. 2,1 Ом).
А теперь и замеряем сопротивление самого перехода. Практически 0 Ом!
Хотя, если верить даташиту, должно быть 17,5 миллиОм. Теперь можно утверждать со 146% вероятностью, что наш транзистор полностью жив и здоров.
Как проверить полевой транзистор с помощью транзисторметра
На рабочем столе каждого электронщика должен быть этот замечательный китайский прибор, благо он стоит недорого. Про него я писал обзор здесь.
Здесь все просто, как дважды два. Вставляем транзистор в кроватку и нажимаем большую зеленую кнопку. В результате прибор сразу же определил, что это полевой МОП транзистор с каналом N-типа, определил расположение выводов транзистора, а также емкость затвора и пороговое напряжение открытия, о котором мы говорили выше в статье. Ну не прибор, а чудо!
Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами
Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим PN-переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим PN переходом – 250 Вольт.
Поэтому, самое важное правило при работе с такими транзисторами – это заземлить себя через антистатический браслет, или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов.
Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде бы спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.
Похожие статьи по теме “полевой транзистор”
Транзистор биполярный
Полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET-транзистор)
Транзисторметр Mega328
Читаем электрические схемы с транзистором
Мультивибратор на транзисторах
Сторожевое устройство на одном транзисторе
MOSFET транзисторы.
Устройство, принцип работы и разновидности.Полевой транзистор с изолированным затвором
На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n — переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).
Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел — полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO2).
Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик — полупроводник).
Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.
Что же это такое MOSFET ?
MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем).
Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.
Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.
Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов — IRFZ44N.
Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.
Принцип работы полевого транзистора.
Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.
Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.
Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см.
рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.
Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором
Основу МДП-транзистора составляет:
Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.
Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.
Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO2). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.
Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.
Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом (+) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.
В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.
Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.
Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.
Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе.
Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.
О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.
Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO2). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.
Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.
Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы.
На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET” или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.
Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому — напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.
Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы.
Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.
В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.
Главная » Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
Что такое полевой транзистор и как его проверить
Добрый день, друзья!
Недавно мы с вами начали плотнее знакомились с тем, как устроено компьютерное «железо». И познакомились одним из его «кирпичиков» — полупроводниковым диодом. Компьютер – это сложная система, состоящая из отдельных частей. Разбирая, как работают эти отдельные части (большие и малые), мы приобретаем знание.
Обретая знание, мы получаем шанс помочь своему железному другу-компьютеру, если он вдруг забарахлит.
Мы же ведь в ответе за тех, кого приручили, не правда ли?
Сегодня мы продолжим это интересное дело, и попробуем разобраться, как работает самый, пожалуй, главный «кирпичик» электроники – транзистор. Из всех видов транзисторов (их немало) мы ограничимся сейчас рассмотрением работы полевых транзисторов.
Почему транзистор – полевой?
Слово «транзистор» образовано от двух английских слов translate и resistor, то есть, иными словами, это преобразователь сопротивления.
Среди всего многообразия транзисторов есть и полевые, т.е. такие, которые управляются электрическим полем.
Электрическое поле создается напряжением. Таким образом, полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, управляемый напряжением.
В англоязычной литературе используется термин MOSFET (MOS Field Effect Transistor). Есть другие типы полупроводниковых транзисторов, в частности, биполярные, которые управляются током.
При этом на управление затрачивается и некоторая мощность, так как к входным электродам необходимо прикладывать некоторое напряжение.
Канал полевого транзистора может быть открыт только напряжением, без протекания тока через входные электроды (за исключением очень небольшого тока утечки). Т.е. мощность на управление не затрачивается. На практике, однако, полевые транзисторы используются большей частью не в статическом режиме, а переключаются с некоторой частотой.
Конструкция полевого транзистора обуславливает наличие в нем внутренней переходной емкости, через которую при переключении протекает некоторый ток, зависящий от частоты (чем больше частота, тем больше ток). Так что, строго говоря, некоторая мощность на управление все-таки затрачивается.
Где используются полевые транзисторы?
Настоящий уровень технологии позволяет сделать сопротивление открытого канала мощного полевого транзистора (ПТ) достаточно малым – в несколько сотых или тысячных долей Ома!
И это является большим преимуществом, так как при протекании тока даже в десяток ампер рассеиваемая на ПТ мощность не превысит десятых или сотых долей Ватта.
Таким образом, можно отказаться от громоздких радиаторов или сильно уменьшить их размеры.
ПТ широко используются в компьютерных блоках питания и низковольтных импульсных стабилизаторах на материнской плате компьютера.
Из всего многообразия типов ПТ для этих целей используются ПТ с индуцированным каналом.
Как работает полевой транзистор?
ПТ с индуцированным каналом содержит три электрода — исток (source), сток (drain), и затвор (gate).
Принцип работы ПТ наполовину понятен из графического обозначения и названия электродов.
Канал ПТ – это «водяная труба», в которую втекает «вода» (поток заряженных частиц, образующих электрический ток) через «источник» (исток).
«Вода» вытекает из другого конца «трубы» через «слив» (сток). Затвор – это «кран», который открывает или перекрывает поток. Чтобы «вода» пошла по «трубе», надо создать в ней «давление», т.
е. приложить напряжение между стоком и истоком.
Если напряжение не приложено («давления в системе нет»), тока в канале не будет.
Если приложено напряжение, то «открыть кран» можно подачей напряжения на затвор относительно истока.
Чем большее подано напряжение, тем сильнее открыт «кран», больше ток в канале «сток-исток» и меньше сопротивление канала.
В источниках питания ПТ используется в ключевом режиме, т.е. канал или полностью открыт, или полностью закрыт.
Честно сказать, принципы действия ПТ гораздо более сложны, он может работать не только в ключевом режиме. Его работа описывается многими заумными формулами, но мы не будем здесь все это описывать, а ограничимся этими простыми аналогиями.
Скажем только, что ПТ могут быть с n-каналом (при этом ток в канале создается отрицательно заряженными частицами) и p-каналом (ток создается положительно заряженными частицами).
На графическом изображении у ПТ с n-каналом стрелка направлена внутрь, у ПТ с p-каналом – наружу.
Собственно, «труба» — это кусочек полупроводника (чаще всего – кремния) с примесями химических элементов различного типа, что обуславливает наличие положительных или отрицательных зарядов в канале.
Теперь переходим к практике и поговорим о том,
Как проверить полевой транзистор?
В норме сопротивление между любыми выводами ПТ бесконечно велико.
И, если тестер показывает какое-то небольшое сопротивление, то ПТ, скорее всего, пробит и подлежит замене.
Во многих ПТ имеется встроенный диод между стоком и истоком для защиты канала от обратного напряжения (напряжения обратной полярности).
Таким образом, если поставить «+» тестера (красный щуп, соединенный с «красным» входом тестера) на исток, а «-» (черный щуп, соединенный с черным входом тестера) на сток, то канал будет «звониться», как обычный диод в прямом направлении.
Это справедливо для ПТ с n-каналом. Для ПТ с p-каналом полярность щупов будет обратной.
Как проверить диод с помощью цифрового тестера, описано в соответствующей статье. Т.е. на участке «сток — исток» будет падать напряжение 500-600 мВ.
Если поменять полярность щупов, к диоду будет приложено обратное напряжение, он будет закрыт и тестер это зафиксирует.
Однако исправность защитного диода еще не говорит об исправности транзистора в целом. Более того, если «прозванивать» ПТ, не выпаивая из схемы, то из-за параллельно подключенных цепей не всегда можно сделать однозначный вывод даже об исправности защитного диода.
В таких случаях можно выпаять транзистор, и, используя небольшую схему для тестирования, однозначно ответить на вопрос – исправен ли ПТ или нет.
В исходном состоянии кнопка S1 разомкнута, напряжение на затворе относительно стока равно нулю.
ПТ закрыт, и светодиод HL1 не светится.
При замыкании кнопки на резисторе R3 появляется падение напряжения (около 4 В), приложенное между истоком и затвором. ПТ открывается, и светодиод HL1 светится.
Эту схему можно собрать в виде модуля с разъемом для ПТ. Транзисторы в корпусе D2 pack (который предназначен для монтажа на печатную плату) в разъем не вставишь, но можно припаять к его электродам проводники, и уже их вставить в разъем. Для проверки ПТ с p-каналом полярность питания и светодиода нужно изменить на обратную.
Иногда полупроводниковые приборы выходят из строя бурно, с пиротехническими, дымовыми и световыми эффектами.
В этом случае на корпусе образуются дыры, он трескается или разлетается на куски. И можно сделать однозначный вывод об их неисправности, не прибегая к приборам.
В заключение скажем, что буквы MOS в аббревиатуре MOSFET расшифровываются как Metal — Oxide — Semiconductor (металл – оксид – полупроводник).
Такова структура ПТ – металлический затвор («кран») отделен от канала из полупроводника слоем диэлектрика (оксида кремния).
Надеюсь, с «трубами», «кранами» и прочей «сантехникой» вы сегодня разобрались.
Однако, теория, как известно, без практики мертва! Надо обязательно поэкспериментировать с полевиками, поковыряться, повозиться с их проверкой, пощупать, так сказать.
Принцип усиления сигналов в полевых транзисторах с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
Усиление электрических сигналов в МДП-транзисторах оказывается несколько более сложным процессом по сравнению с полевыми транзисторами с управляющим переходом. Однако все принципы (влияние слабого сигнала на мощный поток зарядов) остаются прежними. Рассмотрим для начала МДП-транзистор со встроенным каналом.
На рис. 2-1.6 показана схема, в которой на выводы стока и истока МДП-транзистора со встроенным каналом \(n\)-типа подано достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания плюсом к стоку и минусом к истоку.
В результате в полупроводниковой структуре возникает поток электронов от истока к стоку. Он протекает через достаточно узкую дорожку (канал) из полупроводника \(n\)-типа, встроенную в массивную подложку \(p\)-типа и соединяющую \(n\)-области стока и истока.
Рис. 2-1.6. Схема подачи напряжений на МДП-транзистор со встроенным каналом \(n\)-типа для обеспечения режима усиления
Очень близко к каналу (но не имея с ним электрического контакта) расположен металлический затвор. Если теперь мы приложим к затвору транзистора некоторое незначительное по величине и положительное относительно истока напряжение (рис. 2-1.6), то ситуация несколько изменяется. Положительный потенциал затвора будет создавать в полупроводниковой структуре приповерхностное электрическое поле, которое окажет влияние на величину проводимости канала. Поскольку поле положительное, в структуре возникает эффект подталкивания движения электронов от истока через канал к стоку, т.
е. ток через канал будет расти. Здесь уместно вспомнить, как при описании биполоярных транзисторов мы рассматривали аналогичный в чем-то эффект — подталкивание электронов разностью потенциалов на эмиттерно-базовом \(p\)-\(n\)-переходе увеличивало их поток, достигающий следующего за базой коллектора. Однако МДП-транзистор со встроенным каналом отличается от обычного биполярного транзистора тем, что ток в канале здесь существует уже при нулевом напряжении затвора. Более того, мы можем прикладывать к затвору не только положительное относительно истока напряжение, но и отрицательное (рис. 1.6). При этом отрицательное приповерхностное электрическое поле будет отталкивать электроны, препятствуя их прохождению через \(n\)-канал от истока к стоку, ток через канал будет падать и при достижении отрицательным напряжением на затворе некоторого уровня (напряжение отсечки) совсем прекратится.
Заметим, что поскольку затвор полностью изолирован от основной полупроводниковой структуры, ток через него почти не течет, что означает возможность использования рекордно маломощных источников сигнала для управления МДП-транзистором.
Таким образом, мы имеем очень слабый ток в цепи сток—затвор (обусловлен токами утечки и емкостной связью) и сильный управляемый ток в цепи сток—исток транзистора. Повышая напряжение на участке исток—затвор транзистора, мы будем увеличивать мощность потока электронов, при этом токи в цепях будут соответственно расти. Понижая это напряжение, мы будем уменьшать мощность потока электронов, а токи в цепях будут падать.
Мы описали работу полевого МДП-транзистора со встроенным каналом \(n\)-типа. Для \(p\)-канальных приборов все выглядит совершенно аналогично. Только здесь мы должны рассматривать не потоки электронов, а потоки положительных зарядов — дырок. При этом полярности всех внешних напряжений меняются на обратные. Других отличий нет.
Работа МДП-транзистора с индуцированным каналом очень похожа на работу МДП-транзистора со встроенным каналом. Главное отличие здесь в том, что в таком МДП-транзисторе нет физически встраиваемого участка с соответствующим типом проводимости, соединяющего области истока и стока.
Это значит, что при подаче на сток и исток данного транзистора некоторого внешнего напряжения потоки зарядов в структуре отсутствуют — ток в цепи не протекает.
Рассмотрим далее рис. 2-1.7. Он соответствует \(p\)-канальному МДП-транзистору с индуцированным каналом (подложка \(n\)-типа). Заметим, что мы преднамеренно стали рассматривать прибор именно такого типа проводимости. Дело в том, что \(n\)-канальные МДП-транзисторы с индуцированным каналом из-за ряда физических эффектов и технологических причин практически не используются.
Рис. 2-1.7. Схема подачи напряжений на МДП-транзистор с индуцированным каналом \(p\)-типа для обеспечения режима усиления
Как видно из рис. 2-1.7, мы прикладываем достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания минусом к стоку и плюсом к истоку. Если одновременно мы приложим к затвору транзистора некоторое отрицательное относительно истока напряжение, то происходит следующее.
Отрицательный потенциал затвора создает в полупроводнике приповерхностное электрическое поле, которое оказывает влияние на некоторую незначительную область подложки, лежащую непосредственно под затвором между областями стока и истока. Поскольку поле отрицательное, в структуре возникает эффект подталкивания движения положительных зарядов (дырок) от истока через подвергшуюся воздействию электрического поля область (индуцированный канал) к стоку, т.е. начинается протекание тока от истока к стоку. Все остальное происходит совершенно аналогично тому, как это было при рассмотрении МДП-транзисторов со встроенным каналом. Очевидно, однако, что поток зарядов в индуцированном канале может существовать только при одной определенной полярности напряжения на затворе, а не при разных, как для встроенного канала.
Итак, оказывается, что в МДП-транзисторе можно создать сильный электрический ток в цепи «сток — исток — внешний мощный источник питания» при сверхслабом токе в цепи «сток — затвор — маломощный источник сигнала».
Причем данное слабое воздействие на затвор оказывает управляющее действие на ток в сток-истоковой цепи. Если далее в стоковую или истоковую цепь транзистора (рис. 2-1.6, 2-1.7) включить некоторое сопротивление (нагрузку), то окажется, что ток и напряжение на нем повторяют форму входного сигнала на затворе транзистора, но мощность подаваемая на него, гораздо выше мощности входного сигнала, т.е. происходит усиление.
У МДП-транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на характеристики и параметры транзистора. Это обусловлено влиянием подложки на проводимость канала, т.е. подложка может выполнять функции затвора. Напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую полярность, чтобы \(p\)-\(n\)-переход исток—подложка был смещен в обратном направлении. При этом \(p\)-\(n\)-переход канал—подложка действует также, как затвор для транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом. Естественно, в транзисторах с внутренним соединением истока с подложкой данный эффект не может проявляться.
| < Предыдущая | Следующая > |
|---|
Следующий из рассматриваемых видов полевых транзисторов — транзисторы с изолированным затвором (МОП- или МДП-транзисторы) (Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor — MOSFET). Как видно из названия, в таких транзисторах область затвора не имеет непосредственного электрического контакта с основной полупроводниковой структурой, в которой расположен канал протекания потока зарядов. Сам затвор выполняется из металла и его воздействие на канал обусловлено только возможностью создания в полупроводнике некоторых электрических полей, образуемых вблизи затвора при приложении к нему внешних напряжений. Учитывая специфику конструкции затвора, такие транзисторы часто называют МДП- (металл—диэлектрик—полупроводник) или МОП- (металл—окисел—полупроводник) транзисторами. Существуют:
Рис. 2-1.2. Плоская одномерная модель МДП-транзистора с индуцированным каналом (а) и его схематические обозначения (б)
Рис. 2-1.3. Плоская одномерная модель МДП-транзистора со встроенным каналом (а) и его схематические обозначения (б)
Учитывая некоторые технологические особенности, первые иногда называют МДП-транзисторами обогащенного типа, а вторые — обедненного типа. Промышленностью также выпускаются МДП-транзисторы с двумя затворами. В них может быть либо один, либо два соединяемых последовательно канала, каждый из которых управляется отдельным затвором. Несмотря на конструктивные отличия, для МДП-транзисторов сохраняется вся та же терминология, которая была описана для полевых транзисторов с управляющими переходами. Схемные обозначения различных видов полевых транзисторов показаны на рис. 2-1.2,б, 2-1.3,б, 2-1.4. Некоторая особенность МДП-транзисторов заключается в наличии самостоятельной области подложки. Иногда вывод от этой области выполняется отдельно (рис. 2-1.4), что позволяет управлять через него некоторыми характеристиками прибора, но гораздо чаще он соединяется с истоком внутри корпуса транзистора. Это приводит к тому, что между выводами истока и стока как бы возникает диод, образованный \(p\)-\(n\)-переходом между подложкой и стоком. Часто такой диод изображают и на схемном обозначении транзистора, как показано на рис. 2-1.4.
Рис. 2-1.4. Некоторые дополнительные варианты схематического обозначения МДП-транзисторов
Важным свойством полевых транзисторов (и особенно, МДП-транзисторов) является их повышенная чувствительность к статическому электричеству.
|
Но не только вид затвора отличает МДП-транзисторы от полевых транзисторов с управляющими переходами. Дело в том, что в МДП-транзисторах нет четкой монолитной полупроводниковой структуры с одним типом проводимости, которая играла бы роль канала для протекания потока зарядов так же, как это происходит в полевых транзисторах с управляющим переходом. Здесь канал как бы спрятан внутри области полупроводника (подложки) с типом проводимости, противоположным тому, который необходим для протекания потока соответствующих данному транзистору зарядов (для \(n\)-канального транзистора это электроны, для \(p\)-канального — дырки). Возникновение такого потока по-прежнему обусловлено наличием некоторого внешнего потенциала, прикладываемого к областям стока и истока, но вторым условием является наличие в структуре самого канала — пути, по которому возможно протекание данного потока. МДП-транзисторы различаются по способу формирования этого канала.
2-1.2) — канал образуется в результате внешних электрических воздействий;
Так что при обращении с этими приборами часто требуются особые меры предосторожности (заземление оборудования и тела оператора, закорачивание выводов до момента окончания пайки и т.п.).Полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом
Добавлено 21 июля 2018 в 10:06
Сохранить или поделиться
Полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET) – это однополярные устройства, как и обычные полевые транзисторы (JFET): то есть управляемый ток не должен проходить через PN переход. В транзисторе имеется PN переход, но его единственное назначение – обеспечить непроводящую обедненную область, которая используется для ограничения тока через канал.
Ниже показана структура N-канального полевого транзистора с изолированным затвором со «встроенным» каналом:
N-канальный полевой транзистор с изолированным затвором со «встроенным» каналомОбратите внимание на то, что вывод стока соединяется с любым концом N-канала, и что вывод затвора прикреплен к металлической пластине, отделенной от канала тонким изолирующим барьером.
Этот барьер иногда выполняется из двуокиси кремния (основного химического соединения, находимого в песке), которая является очень хорошим изолятором. Из-за конструкции Метал (затвор) – Оксид (барьер) – Полупроводник (канал) полевые транзисторы с изолированным затвором иногда называют МОП транзисторами или MOSFET транзисторами (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Однако существуют и другие типы конструкции полевых транзисторов с изолированным затвором, поэтому аббревиатуры «IGFET» и «МДП» являются лучшим описанием для этого общего класса транзисторов.
Также обратите внимание на то, что у полевого транзистора с изолированным затвором имеется четыре вывода. На практике вывод подложки непосредственно соединен с истоком, чтобы сделать эти два вывода общими. Обычно это соединение выполняется внутри МДП транзистора, устраняя отдельное соединение подложки, в результате чего получается трехвыводное устройство с немного отличающимся условным обозначением.
Поскольку исток и подложка объединены, слои N и P МДП транзистора в конечном итоге напрямую связаны друг с другом через внешний провод. Это соединение предотвращает воздействие любого напряжения на PN переход. В результате между этими двумя материалами существует обедненная область, но она никогда не может быть расширена или сужена. Работа полевого транзистора основана на расширении обедненной области PN перехода, но здесь, в МДП транзисторе, этого быть не может, поэтому работа МДП транзистора должна основываться на другом эффекте.
Действительно, поскольку, когда управляющее напряжение подается между затвором и источником, проводимость канала изменяется в результате того, что обедненная область движется ближе или дальше от затвора. Другими словами, эффективная ширина канала изменяется так же, как и в полевом транзисторе, но это изменение ширины канала связано со смещением обедненной области, а не с ее расширением.
В N-канальном полевом транзисторе с изолированным затвором управляющее напряжение, прикладываемое плюсом к затвору и минусом к истоку, имеет эффект отталкивания обедненной области PN перехода, расширяющего канал N-типа и увеличивающего проводимость:
Канал расширяется для получения большей проводимостиИзменение полярности управляющего напряжения имеет противоположный эффект, притягивание обедненной области и сужение канала и, следовательно, уменьшение проводимости канала:
Канал сужается для получения меньшей проводимостиИзолированный затвор допускает использование управляющего напряжения любой полярности без опасности прямого смещения перехода, что было важно для обычных полевых транзисторов. Этот тип полевого транзистора с изолированным затвором, хотя его называют в англоязычной литературе «depletion-type» (тип с обеднением), фактически имеет возможность либо обеднения своего канала (канал сужается), либо его насыщения (канал расширяется). Полярность входного напряжения определяет, какое влияние будет оказываться на канал.
Понять то, какая полярность имеет какой эффект, не так сложно, как может показаться. Ключом является рассмотрение типа полупроводникового легирования, используемого в канале (N-канал или P-канал?), а затем связывание этого типа легирования с выводом источника входного напряжения, подключенного к каналу через вывод истока. Если МДП транзистор является N-канальным, и входное напряжение подключено так, что плюс находится на затворе, а минус – на истоке, канал будет увеличен, поскольку дополнительные электроны накапливаются на канальной стороне диэлектрического барьера. Подумайте, «минус источника соответствует N-типу, тем самым насыщая канал соответствующим типом носителей заряда (электронами) и делая его более проводящим». И наоборот, если входное напряжение подключено к N-канальному МДП транзистору другим способом (минус подключен к затвору, а плюс – к истоку), свободные электроны будут «отняты» от канала, так как конденсатор затвор-канал будет заряжаться, что приводит к истощению канала в плане основных носителей заряда и к уменьшению его проводимости.
Для P-канальных полевых транзисторов с изолированным затвором полярность входного напряжения и воздействия на канал следуют тому же правилу. То есть, требуется полярность, противоположная той, при которой N-канальный МДП транзистор либо истощается, либо насыщается:
Канал P-типа расширяется для получения большей проводимостиКанал P-типа сужается для получения меньшей проводимостиПокажем соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором:
Соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затворомКогда между затвором и истоком прикладывается нулевое напряжение, полевой транзистор с изолированным затвором будет проводить ток между истоком и стоком, но не такой большой, как если бы он был насыщен соответствующим напряжением затвора. Это помещает полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом (англ. «depletion-type» IGFET или просто D-type IGFET) в свою собственную категорию транзисторов.
Биполярные транзисторы являются нормально выключенными устройствами: при отсутствии тока базы они блокируют любой ток через коллектор. Полевые транзисторы являются нормально включенными устройствами: при прикладывании нулевого напряжения затвор-исток они обеспечивают максимальный ток стока (на самом деле, вы можете выжать из полевого транзистора бо́льшие токи стока, прикладывая небольшое напряжение прямого смещения между затвором и истоком, но на практике так никогда не стоит делать из-за риска повреждения его хрупкого PN перехода). Однако МДП транзисторы со встроенным каналом являются нормально наполовину включенными устройствами: без напряжения затвор-исток их уровень проводимости находится где-то между отсечкой и полным насыщением. Кроме того, они допускают прикладывание напряжений затвор-исток любой полярности, причем PN переход невосприимчив к повреждению из-за изолирующего барьера и, в частности, из-за прямого соединения между истоком и подложкой, предотвращающего любую разность потенциалов на переходе.
По иронии судьбы поведение проводимости МДП транзистора со встроенным каналом поразительно похоже на поведение проводимости электронной лампы из ряда триодов/тетродов/пентодов. Эти устройства были регуляторами тока, управляемыми напряжением, которые также пропускали через себя ток при прикладывании нулевого управляющего напряжения. Управляющее напряжение одной полярности (минус на сетке, и плюс на катоде) уменьшало бы проводимость через лампу, в то время как напряжение противоположной полярности (плюс на сетке, и минус на катоде) увеличивало бы проводимость. Интересно, что одна из более поздних конструкций транзистора демонстрирует те же основные свойства, что и самое первое активное (электронное) устройство.
Несколько анализов в SPICE продемонстрируют регулирующее ток поведение МДП транзисторов со встроенным каналом. Во-первых, тест с нулевым входным напряжением (затвор закорочен на исток) и с изменением напряжения питания от 0 до 50 вольт. На графике показан ток стока:
Тестовая схема 1n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 . model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end
model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .endКак и ожидалось для любого транзистора, управляемый ток остается постоянным на уровне стабилизации в широком диапазоне напряжений питания. В данном случае эта точка стабилизации составляет 10 мкА (1.000E-05). Теперь давайте посмотрим, что произойдет, когда мы приложим отрицательное напряжение к затвору (относительно истока) и будем изменять напряжение питания в том же диапазоне от 0 до 50 вольт:
Тестовая схема 2n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end Неудивительно, что ток стока теперь стабилизируется на более низком значении 2,5 мкА (по сравнению с 10 мкА при нулевом входном напряжении). Теперь давайте приложим входное напряжение другой полярности, чтобы насытить МДП транзистор:
Тестовая схема 3n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0. 5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end
5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .endПри насыщении транзистора с помощью небольшого управляющего напряжения ток стока теперь увеличивается до 22,5 мкА (2.250E-05). Из этих трех наборов значений напряжений и графиков тока должно быть очевидно, что отношение между током стока и напряжением затвор-исток нелинейно, как это было и с полевым транзистором. При истощающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 2,5 мкА; при 0 вольт на входе ток стока поднимается до 10 мкА; и при насыщающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 22,5 мкА. Чтобы лучше понять эту нелинейность, мы можем использовать SPICE для построения графика тока стока в зависимости от входного напряжения, изменяя напряжение от отрицательного (истощающего) значения до положительного (насыщающего) значения, поддерживая напряжение питания V1 на постоянном значении.
n-channel igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 . model mod1 nmos vto=-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i(vammeter) .end
model mod1 nmos vto=-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i(vammeter) .endПодобно тому, как это было с обычными полевыми транзисторами, эта присущая МДП транзисторам нелинейность может вызывать искажения в схеме усилителя, так как входной сигнал не будет воспроизводиться со 100-процентной точностью на выходе. Также обратите внимание, что напряжение затвор-исток примерно 1 вольт в направлении истощения может пережать канал, так что тока стока практически не будет. МДП транзисторы со встроенным каналом, как и обычные полевые транзисторы, имеют определенное напряжение отсечки. Этот параметр точно зависит от конкретного транзистора и может быть не таким, как в нашем моделировании.
Вычислив набор кривых характеристик МДП транзистора, мы увидим диаграмму, не похожую на диаграмму для обычного полевого транзистора:
Выходные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналомОригинал статьи:
Теги
IGFET / МДП транзистор (полевой транзистор с изолированным затвором)LTspiceMOSFET / МОП транзисторSPICEМоделированиеОбучениеПолевой транзисторЭлектроникаСохранить или поделиться
Проектирование логического элемента И с использованием транзисторов
Как многие из нас знают, интегральная схема или ИС — это комбинация множества небольших схем в небольшом корпусе, которые вместе выполняют командную задачу.
Подобно операционному усилителю или микросхеме таймера 555, она построена на основе комбинации многих транзисторов, триггеров, логических вентилей и других комбинационных цифровых схем. Точно так же триггер может быть построен с использованием комбинации логических вентилей, а сами логические вентили могут быть построены с использованием нескольких транзисторов.
— это основа многих цифровых электронных схем. От базовых триггеров до микроконтроллеров. Логические вентили образуют основной принцип хранения и обработки битов. Они устанавливают связь между каждым вводом и выводом системы с использованием логики артметики. Есть много разных типов логических вентилей, и каждый из них имеет разную логику, которая может использоваться для разных целей. Но основное внимание в этой статье будет уделено И вентилю , потому что позже мы будем строить вентиль И , используя схему БЮТ-транзистора .Интересно, правда? Давайте начнем.
Логический вентиль И представляет собой D-образный логический вентиль с двумя входами и одним единственным выходом, где D-образная форма между входом и выходом представляет собой логическую схему. Связь между входными и выходными значениями может быть объяснена с помощью приведенной ниже таблицы AND Gate Truth Table .
Выходные данные уравнения можно легко объяснить с помощью логического уравнения И логического элемента , которое составляет Q = A x B или Q = AB .Следовательно, для логического элемента И выход HIGH только тогда, когда оба входа HIGH .
Транзистор Транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами, который можно подключить к внешней цепи. Устройство можно использовать как переключатель, а также как усилитель для изменения значений или управления прохождением электрического сигнала.
Для , построенного логическим вентилем И с использованием транзистора , мы будем использовать биполярные транзисторы, которые можно разделить на два типа: PNP и NPN — Транзисторы с биполярным переходом .Символ схемы для каждого из них можно увидеть ниже.
Эта статья объяснит вам, как построить схему логического затвора на транзисторе. Логика логического элемента И уже объяснена выше, и для построения логического элемента И с использованием транзистора мы будем следовать той же таблице истинности, которая показана выше.
Принципиальная схема и необходимые компонентыСписок компонентов, необходимых для построения логического элемента И с использованием NPN-транзистора , представлен следующим образом:
- Два транзистора NPN.(Вы также можете использовать транзистор PNP, если он есть)
- Два резистора 10 кОм и один резистор 4-5 кОм.
- Один светодиод (светоизлучающий диод) для проверки выхода.
- Макетная плата.
- A + 5V Электропитание.
- Две кнопки PUSH.
- Провода соединительные.
Схема представляет собой входы A и B для логического элемента И и выход Q, который также имеет питание +5 В на коллекторе первого транзистора, который подключен последовательно ко второму транзистору, а светодиод подключен к эмиттеру. вывод второго транзистора.Входы A и B подключены к базовому выводу транзистора 1 и транзистора 2 соответственно, а выход Q идет к положительному выводу светодиода. На приведенной ниже диаграмме представлена объясненная выше схема для построения логического элемента И с использованием транзистора NPN.
В этом руководстве используются транзисторы BC547 NPN , которые были добавлены со всеми вышеупомянутыми компонентами в схему, как показано ниже.
Если у вас нет с собой кнопок, вы также можете использовать провода в качестве переключателя, добавляя или удаляя их, когда это необходимо (вместо нажатия переключателя).
То же самое можно увидеть на видео, где я использовал бы провода в качестве переключателя, подключенного к клемме базы для обоих транзисторов.
Та же схема, построенная с использованием вышеупомянутых аппаратных компонентов, будет выглядеть примерно так, как на изображении ниже.
Работа и затвор с использованием транзистораЗдесь мы будем использовать транзистор в качестве переключателя, и поэтому, когда напряжение подается через клемму коллектора NPN-транзистора, напряжение достигает эмиттерного перехода только тогда, когда базовый переход имеет подачу напряжения между 0 В и напряжением коллектора.
Точно так же в приведенной выше схеме будет светиться светодиод, т.е. на выходе будет 1 (высокий), только когда на обоих входах будет 1 (высокий), то есть когда есть напряжение на базовом выводе обоих транзисторов. Это означает, что будет прямолинейный путь тока от VCC (питание +5 В) к светодиоду и далее к земле.
Во всех остальных случаях выходной сигнал будет 0 (низкий), и светодиод будет выключен. Все это можно объяснить более подробно, разбираясь в каждом конкретном случае по отдельности.
Случай 1: Когда оба входа равны нулю — A = 0 & B = 0 .
Когда оба входа A и B равны 0, в этом случае вам не нужно нажимать какие-либо кнопки. Если вы не используете кнопки, отсоедините провода, соединенные с кнопками и клеммой базы обоих транзисторов. Итак, мы получили оба входа A и B как 0, и теперь нам нужно проверить выход, который также должен быть 0 в соответствии с таблицей истинности логического элемента AND.
Теперь, когда напряжение подается через вывод коллектора транзистора 1, эмиттер не получает никакого ввода, потому что значение на выводе базы равно 0. Точно так же эмиттер транзистора 1, который подключен к коллектору транзистора 2, подает питание. нет тока или напряжения, а также значение базовой клеммы транзистора 2 равно 0.
Итак, эмиттер транзистора 2 nd выдает значение 0, и в результате светодиод будет выключен.
Случай 2: Когда входы — A = 0 & B = 1 .
Во втором случае, когда входы A = 0 и B = 1, схема имеет первый вход как 0 (низкий), а второй вход как 1 (высокий) на базу транзистора 1 и 2 соответственно. Теперь, когда на коллектор первого транзистора подается напряжение 5 В, фазовый сдвиг транзистора не изменяется, так как на клемме базы 0 вход. Которая передает значение 0 на эмиттер, а эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора последовательно, поэтому значение 0 переходит в коллектор второго транзистора.
Итак, второй транзистор имеет высокое значение в базе, поэтому он позволит передать то же значение, полученное в коллекторе, на эмиттер. Но поскольку значение 0 на выводе коллектора второго транзистора, поэтому эмиттер также будет равен 0, и светодиод, подключенный к эмиттеру, не будет светиться.
Случай 3: Когда входы — A = 1 & B = 0 .
Здесь вход 1 (высокий) для первой базы транзистора и низкий для второй базы транзистора.Таким образом, путь тока начнется от источника питания 5 В на коллектор второго транзистора, проходящего через коллектор и эмиттер первого транзистора, поскольку значение клеммы базы для первого транзистора высокое.
Но во втором транзисторе значение клеммы базы равно 0, и поэтому ток не проходит от коллектора к эмиттеру второго транзистора, и в результате светодиод все равно будет выключен.
Случай 4: Когда оба входа — один — A = 1 & B = 1 .
Последний случай, и здесь оба входа должны иметь высокий уровень, которые подключены к клеммам базы обоих транзисторов. Это означает, что всякий раз, когда ток или напряжение проходят через коллектор обоих транзисторов, база достигает своего насыщения, а транзистор проводит.
Практически объясняя, когда питание +5 В подается на вывод коллектора транзистора 1, а также вывод базы насыщен, вывод эмиттера будет получать высокий выходной сигнал, поскольку транзистор смещен в прямом направлении.Этот высокий выходной сигнал эмиттера идет напрямую на коллектор 2 транзистора и через последовательное соединение. Теперь, аналогично на втором транзисторе, вход коллектора высокий, и в этом случае контакт базы также высокий, что означает, что второй транзистор также находится в состоянии насыщения, и высокий вход будет проходить от коллектора к эмиттеру. Этот высокий выходной сигнал эмиттера переходит на светодиод, который включает светодиод.
Следовательно, все четыре случая имеют те же входы и выходы, что и фактический логический элемент И.Таким образом, мы построили логический вентиль И с использованием транзистора . Надеюсь, вы поняли руководство и получили удовольствие от изучения чего-то нового. Полную работу установки можно найти в видео ниже. В нашем следующем руководстве мы также узнаем, как построить вентиль ИЛИ с использованием транзистора и вентиль НЕ с использованием транзистора . Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев ниже или воспользуйтесь нашим форумом, чтобы задать другие технические вопросы.
Цифровая логика— зачем логическому элементу И шесть транзисторов?
В абстракции цифрового дизайна на уровне логических вентилей предполагается, что входы мгновенно переключаются с логического ВЫСОКОГО уровня на логический НИЗКИЙ и наоборот.Это сделано для упрощения логического проектирования.
Однако в реальном мире переключение с одного логического уровня на другой занимает конечное время. Мы хотим, чтобы временной интервал между переключениями с одного логического уровня на другой был как можно меньше .
Также желательно, чтобы выход цифровой схемы не был чувствителен к изменениям на входе, если только вход не переключается с одного логического уровня на другой. Это называется помехоустойчивостью , и это дает цифровым схемам преимущество перед аналоговыми схемами.
При проектировании цифровых схем с использованием транзисторов в технологии CMOS используется транзистор NMOS в нисходящей сети, а транзистор PMOS — в подтягивающей сети. Это связано с тем, что NMOS хорошо передает низкие уровни напряжения, но плохо передает высокие уровни напряжения. PMOS хорошо передает высокие уровни напряжения, но плохо передает низкие уровни напряжения. Мы должны объединить эти 2 транзистора таким образом, чтобы мы могли использовать преимущества обоих типов транзисторов.Это делается с помощью NMOS в подтягивающей сети, поскольку он может эффективно пропускать низкие уровни напряжения, и PMOS в подтягивающей сети, поскольку он может эффективно пропускать высокие уровни напряжения.
Давайте посмотрим, что произойдет, если в подтягивающей сети используется транзистор PMOS, а в подтягивающей сети — транзистор NMOS. Пороговое напряжение для транзистора NMOS (IRF530) составляет 4 В, а для транзистора PMOS (IRF9530) — 3,3 В.
Плохой буфер : NMOS в подтягивающей сети, PMOS в опускающейся сетисмоделировать эту схему — Схема, созданная с помощью CircuitLab
Это характеристика развертки постоянного тока указанной схемы. Ось X представляет входное напряжение, которое находится в диапазоне от 0 В до 12 В.Ось Y представляет выходное напряжение.
Давайте посмотрим, что происходит, когда вход этой схемы переключается с логического НИЗКОГО на логический ВЫСОКИЙ. Как видно на приведенном ниже графике, это не очень хорошая характеристика переключения, поскольку выход не переключается между двумя логическими уровнями, вместо этого он изменяется в зависимости от входа, остается постоянным, а затем снова изменяется в зависимости от входа. Следовательно, эта транзисторная схема не подходит для цифровых схем.
Хороший инвертор : NMOS в подтягивающей сети, PMOS в подтягивающей сетисмоделировать эту схему
Это характеристика развертки постоянного тока указанной схемы. Ось X представляет входное напряжение, которое находится в диапазоне от 0 В до 12 В.Ось Y представляет выходное напряжение.
Давайте посмотрим, что происходит, когда вход этой схемы переключается с логического НИЗКОГО на логический ВЫСОКИЙ. Из приведенного ниже графика видно, что выходной сигнал не чувствителен к изменениям входного сигнала, имеет крутой наклон при переходе с ВЫСОКОГО уровня на НИЗКИЙ и снова нечувствителен к изменениям входного сигнала. Следовательно, он имеет хорошие характеристики переключения и подходит для цифровых схем. Выходной сигнал ВЫСОКИЙ для низкого входного напряжения и НИЗКИЙ для высокого входного напряжения, поскольку это инвертор.
Хороший неинвертирующий буфер: 2 хороший инверторов каскадносмоделировать эту схему
Это характеристика DC Sweep для вышеприведенной схемы. Ось X представляет входное напряжение, которое находится в диапазоне от 0 В до 12 В. Ось Y представляет выходное напряжение.
Давайте посмотрим, что происходит, когда вход этой схемы переключается с логического НИЗКОГО на логический ВЫСОКИЙ. Из графика видно, что выход переключается с НИЗКОГО на ВЫСОКИЙ, а наклон графика крутой, поэтому эта схема имеет хорошие характеристики переключения и подходит для цифровых схем.
Заключение
Теперь вы знаете, почему нельзя разработать цифровые схемы с NMOS в подтягивающей сети и PMOS в выпадающей сети. Схема затвора И, использующая 4 транзистора, использует PMOS в подтягивающей сети и NMOS в подтягивающей сети, поэтому она не будет работать эффективно по той же причине, что и буфер, использующий PMOS в выпадающем режиме и NMOS в подтягивающем. -up не работает эффективно.
Дальнейшее обучение:
Отличный бесплатный онлайн-курсMIT OCW по вычислительным структурам, который охватывает все темы от транзисторов CMOS до параллельной обработки.
Транзистор с плавающим затвором — обзор
10.2.6 Системный уровень RE
Целью процессов RE на уровне микросхемы и печатной платы является получение списка соединений микросхемы и платы во встроенной системе, который представляет функцию и взаимосвязи дизайна. Чтобы сделать конструкцию полностью функциональной, также должны быть извлечены коды операций системы и команды управления, которые определены микропрограммным обеспечением. Это называется RE на системном уровне.
Параллельно со встроенной системой, включающей ASIC и MCU / DSP, существуют проекты, основанные на FPGA, доля которых на рынке современных продуктов растет.Учитывая тот факт, что функциональные возможности оборудования и взаимосвязь (называемые списком соединений) заключены в двоичный файл конфигурации (называемый битовым потоком), процесс RE в FPGA полностью отличается от RE на уровне микросхемы ASIC, который в основном основан на геометрические характеристики компоновки микросхемы (см. раздел 10.2.2). Здесь RE FPGA также подразделяется на RE системного уровня, поскольку как микропрограммное обеспечение в MCU, DSP и т.д., так и информация списка соединений хранятся в устройствах NVM.
В этом разделе сначала представлены различные запоминающие устройства NVM, а затем обсуждаются методы RE, используемые для извлечения микропрограмм / списка соединений соответственно.
10.2.6.1 Представление информации о микропрограммном обеспечении / списке соединений
Информация о микропрограммном обеспечении и списке соединений может храниться через постоянную память (ROM), электрически стираемое программируемое ROM (EEPROM) или флэш-память. ПЗУ — это тип памяти, двоичные биты которой программируются в процессе производства. В настоящее время ПЗУ по-прежнему остается одним из самых популярных носителей информации из-за его низкой стоимости на ячейку, высокой плотности и высокой скорости доступа.С точки зрения физической реализации ПЗУ устройства ПЗУ обычно можно разделить на четыре типа [61], как показано на Рис. 10.15:
Рис. 10.15. Иллюстрации (A) ПЗУ для программирования активного слоя, (B) ПЗУ для программирования контактного слоя, (C) ПЗУ для программирования металлического слоя и (D) ПЗУ для программирования имплантатов.
- •
ПЗУ для программирования активного уровня: логическое состояние представлено наличием или отсутствием транзистора. Как показано на рис. 10.15A, транзистор изготавливается путем простого перекрытия поликремния над диффузионной областью.
- •
ПЗУ программирования контактного уровня: бит кодируется наличием или отсутствием переходного отверстия, которое соединяет вертикальную металлическую битовую линию с областью распространения, как показано на рис. 10.15B.
- •
ПЗУ для программирования с металлическим слоем: двоичная информация кодируется путем короткого замыкания транзистора или не так, как показано на рис. 10.15C.
- •
ПЗУ для программирования имплантатов: различное логическое состояние достигается за счет разных уровней легирования в зоне распространения (см. Рис.10.15D). Как правило, более высокие уровни легирования повышают порог напряжения включения / выключения, что отключает транзистор.
По сравнению с ПЗУ, EEPROM предоставляет пользователям возможность перепрограммировать свое содержимое. Как показано на рис. 10.16A, однобитовая ячейка EEPROM состоит из двух транзисторов: транзистора с плавающим затвором (FGT) и транзистора выбора (ST). FGT украшен двумя сложенными друг на друга воротами: контрольным затвором (CG) и плавающим затвором (FG). Логическое состояние битовой ячейки кодируется в FGT наличием или отсутствием электронов, хранящихся в FG.Будучи электрически изолированным, FG может удерживать электроны при отключении питания. Флэш-память (см. Рис. 10.16B) имеет почти такую же структуру, что и EEPROM, за исключением отсутствия ST, который не имеет отношения к логическому состоянию и позволяет только байтовую адресацию EEPROM.
Рисунок 10.16. Иллюстрации (A) EEPROM и (B) Flash.
Битовый поток FPGA — это, по сути, вектор битов, кодирующих информацию списка соединений в FPGA, который определяет использование аппаратных ресурсов, взаимосвязь и начальные состояния на самом низком уровне абстракции.Логические блоки сконфигурированы для представления базовых примитивов цифровых схем, таких как вентили и регистры комбинационной логики. Соединительные блоки и блоки переключателей сконфигурированы как соединения между различными логическими блоками. Другие аппаратные ресурсы, такие как буферы ввода-вывода, встроенная RAM и умножители, могут быть запрограммированы в соответствии с различными требованиями. Следовательно, всю информацию о списке соединений можно получить из файла битового потока.
10.2.6.2 ROM RE
Чтобы реконструировать содержимое ROM, можно воспользоваться преимуществами современной оптической и электронной микроскопии для наблюдения бинарных состояний каждой ячейки, как показано ниже:
- •
Программирование активного уровня ROM: Металлический слой и поли слой необходимо удалить, используя подходы отсрочки, описанные в разделе 10.4, так как они будут закрывать активный слой под ним.
- •
ПЗУ для программирования контактного слоя: гораздо проще перепроектировать ПЗУ такого типа, поскольку часто нет необходимости задерживать металлический слой и поли слой. В относительно старой технологии ПЗУ контактный слой хорошо виден, но в более современных технологиях все же требуется некоторая задержка, чтобы обнажить контактный слой перед наблюдением.
- •
ПЗУ для программирования металлических слоев: ПЗУ этого типа можно непосредственно наблюдать под микроскопом без необходимости выполнять какой-либо процесс отсрочки.
- •
ПЗУ для программирования имплантатов: ПЗУ этого типа изначально устойчиво к оптической микроскопии, поскольку различные логические состояния кажутся идентичными. Чтобы наблюдать влияние различных уровней легирования, необходимо использовать дополнительные методы кристаллографического травления с селективным добавлением примесей [62], чтобы разделить два логических состояния.
Обычно ПЗУ обеспечивает только ограниченную защиту от RE. Среди всех типов ПЗУ ПЗУ для программирования с металлическим слоем обеспечивает наихудшую защиту, поскольку металлический слой легко получить с небольшими усилиями, тогда как ПЗУ для программирования имплантатов обеспечивает наивысший доступный уровень защиты.
10.2.6.3 EEPROM / Flash RE
Поскольку EEPROM и флэш-память имеют схожие структуры и одинаковый механизм хранения логики (как обсуждалось ранее), их часто можно реконструировать с помощью одних и тех же процедур. Учитывая, что EEPROM / Flash представляют разные состояния электронами, а не геометрической разницей, рентгеновская технология не может использоваться для обнаружения содержимого. Кроме того, любая попытка задержать и измерить электроны в FG, например, SEM и TEM, изменит распределение электронов, тем самым нарушив содержимое внутри.
В течение довольно долгого времени технология EEPROM / Flash считалась наиболее надежной защитой памяти от RE. Недавно было предложено несколько методов [63–65], хотя и очень дорогих и требующих специального оборудования, для правильного извлечения содержимого в EEPROM / Flash. Обратите внимание, что оба следующих метода применяются с обратной стороны памяти, так как традиционная задержка с передней стороны и визуализация приведут к исчезновению зарядов в FG [63].
Процедура сканирующей зондовой микроскопии Кельвина. Процедура сканирующей зондовой микроскопии Кельвина (SKPM) [66] непосредственно исследует потенциал FG через туннельный оксидный слой толщиной 10 нм, который изолирует FG с каналом транзистора, как показано на рис. 10.16A. Таким образом, первым шагом является удаление кремния с обратной стороны памяти и оставление туннельного оксидного слоя неповрежденным, чтобы избежать зарядки / разрядки FG. Затем значение бита может быть считано при сканировании SKPM путем подачи постоянного напряжения на наконечник зонда. Как показано на рис.10.17A данные сканирования от SKPM показывают двумерные распределения разности потенциалов между наконечником и ячейкой памяти. Разность потенциалов между заряженным FG (ассоциированным с «0») и острием намного выше, чем между незаряженным FG (ассоциированным с «1») и острием, что приводит к более яркой области для бита «0» ( обведено черным кружком на рис. 10.17A).
Рисунок 10.17. (A) сканирование SKPM и (B) сканирование SCM с обратной стороны флэш-памяти [64].
Метод сканирующей емкостной микроскопии (СКМ). В отличие от процедуры SKPM, процедура SCM измеряет изменения емкости между зондом (с образцом в контактном режиме) и высокочувствительным емкостным датчиком SCM [67]. Учитывая тот факт, что дырки будут связаны в канале транзистора с существующими электронами в FG, датчик SCM обнаружит логические состояния, зондируя концентрацию носителей (дырок). Таким образом, задержка на тыльной стороне должна поддерживать толщину кремния от 50 до 300 нм, чтобы канал транзистора оставался неповрежденным.Затем битовая информация может быть считана, как показано на фиг. 10.17B. Сигнал SCM показывает, что заряженный FG (связанный с «0») имеет более темный сигнал (обведен черным), что соответствует высокой плотности дырок.
Сравнения между процедурой SKPM и процедурой SCM приведены в таблице 10.5. Обратите внимание, что с масштабированием технологии электроны, хранящиеся в FG, были уменьшены до менее чем 1000 электронов для 90-нм флэш-памяти NAND [64]. В этом случае процедура SKPM больше не может точно распознавать два логических состояния, тогда как SCM по-прежнему работает хорошо.
Таблица 10.5. Сравнение процедур SKPM и SCM
| Свойство | Процедура SKPM | Процедура SCM |
|---|---|---|
| Положение отслоения | Задняя сторона | Задняя сторона | Задняя сторона |
| Толщина 300 нм | ||
| Чувствительность | Низкая | Высокая |
| Измеряемые носители | Электроны | Отверстия |
| Измеряемый параметр | Потенциал | Режим|
| Приложение | Все EEPROM и некоторые Flash | Все EEPROM и Flash |
10.2.6.4 RE FPGA
FPGA RE включает в себя анализ файла битового потока конфигурации и преобразование файла битового потока в список соединений оборудования, который состоит из всех компонентов и соединений в RTL. Для достижения этой цели хакерам необходимо выполнить следующие шаги: получить доступ к файлу битового потока из флэш-памяти, расшифровать битовый поток (если он зашифрован) и, наконец, построить взаимосвязь между файлом битового потока и списком соединений.
Доступ к битовому потоку.ПЛИС на основе SRAM сохраняет состояния логических ячеек в SRAM, которая не может сохранять данные после потери питания. Следовательно, внешнее устройство NVM (обычно Flash) используется для хранения файла битового потока конфигурации и передачи файла битового потока при загрузке системы, чтобы инициировать SRAM в FPGA. Разделение между файлом битового потока и FPGA позволяет легко выгружать содержимое файла битового потока. Используя логический анализатор, можно легко прослушать данные JTAG и командные строки, чтобы зафиксировать обмен данными между FPGA и флэш-памятью во время запуска.
Расшифровка битового потока. Чтобы повысить уровень безопасности FPGA, большинство производителей FPGA шифруют файл битового потока перед сохранением его во флэш-памяти с помощью стандартов шифрования, таких как стандарт тройного шифрования данных (DES) и расширенный стандарт шифрования (AES) [68]. Теперь прослушанные зашифрованные потоки битов не будут давать никакой информации для RE, пока криптографический ключ остается скрытым внутри FPGA.
Процесс дешифрования битового потока в FPGA RE полностью зависит от способности злоумышленника обнаружить ключ.Обычно ключи хранятся во встроенном NVM путем программирования FPGA перед загрузкой зашифрованного потока битов в FPGA. Инвазивные и деструктивные атаки для определения криптографического ключа обычно невозможны, поскольку они запускают обнаружение несанкционированного доступа в FPGA для обнуления секретных ключей. Пока не существует публичного отчета об успешной инвазивной атаке на FPGA на основе SRAM.
Недавно появилось сообщение о том, что шифрование битового потока нескольких основных серий FPGA [69–71] уязвимо для атак по побочным каналам (SCA) [72].По сути, SCA — это неинвазивная атака, использующая взаимосвязь между физической информацией (мощность, время и электромагнитное излучение) и определенными аппаратными операциями в реализации FPGA. Зашифрованный файл битового потока с тройным DES от Xilinx VirtexII Pro FPGA был успешно взломан SCA впервые в [69]. Утечка информации о времени и потребляемой мощности собирается, когда зашифрованный поток битов расшифровывается выделенным аппаратным механизмом внутри FPGA. Анализируя собранную потребляемую мощность и временные характеристики, можно проверить гипотетическую структуру внутреннего модуля тройного DES.Наконец, подход «разделяй и властвуй» применяется для угадывания и проверки небольшой части ключа (например, шести битов для тройного DES), что снижает сложность вычислений. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет получен весь ключ. Более современные ПЛИС Xilinx (Virtex-4 и Virtex-5), в которых используется более совершенный модуль шифрования (AES-256), были взломаны в [70] более сложным типом анализа корреляционной мощности [73].
Аналогичным образом измеряется потребляемая мощность ПЛИС или электромагнитное излучение, пока блок дешифрования работает в ПЛИС.Совсем недавно криптографические ключи семейств Altera Stratix II и Stratix III FPGA также были обнаружены тем же SCA [71]. Тот факт, что все предыдущие атаки можно провести в течение нескольких часов, обнаруживает уязвимость шифрования битового потока.
Реверс битового потока. Перед преобразованием файла битового потока в соответствующий список соединений оборудования необходимо понять структуру битового потока, которая обычно документируется поставщиками FPGA и доступна в Интернете.Обычно файл битового потока состоит из четырех частей [74]: заголовка команды, полезной нагрузки конфигурации, нижнего колонтитула команды и последовательности запуска. В случае Xilinx FPGA полезная нагрузка конфигурации определяет точки конфигурации (такие как LUT, память, регистр и мультиплексор) и программируемые точки соединения (блок переключателей). Целью реверсирования потока битов является обнаружение взаимосвязи отображения между полезной нагрузкой конфигурации с точками конфигурации и программируемыми точками соединения.Однако эта взаимосвязь отображения является частной собственностью и недокументирована, что делает сам файл потока битов замаскированным дизайном для защиты списка соединений оборудования. В последнее десятилетие было предпринято несколько попыток добиться реверсирования битового потока.
- •
Частичное обращение битового потока. Этот вид обращения потока битов фокусируется только на извлечении некоторых определенных настраиваемых блоков в FPGA, таких как LUT, настраиваемый логический блок и умножитель из файла потока битов.[75] показывает возможность идентификации встроенных IP-ядер путем извлечения содержимого LUT в Xilinx Virtex-II FPGA.
- •
Обращение полного битового потока. [76] делает первую публичную попытку преобразовать файл битового потока в список соединений. Теоретико-множественный алгоритм и алгоритм взаимной корреляции [76] использовались для создания базы данных, связывающей биты потока битов с соответствующими ресурсами (точками конфигурации и программируемыми точками соединения) в FPGA.Затем база данных используется для создания желаемого списка соединений на основе любого заданного файла битового потока в ПЛИС Xilinx Virtex-II, Virtex-4 LXT и Virtex-5 LXT. Однако этот метод не может полностью создать список соединений, так как он полагается только на информацию из файла доступного языка проектирования Xilinx (XDL), созданного с помощью инструмента Xilinx EDA, который предоставляет информацию только об активных настраиваемых ресурсах. Отсутствие информации о статических, неиспользуемых конфигурируемых ресурсах в FPGA помещает ее на некоторое расстояние от полного разворота битового потока.В [77] XDLRC (отчет на языке дизайна Xilinx), более подробный файл, созданный с помощью инструмента Xilinx EDA, используется для улучшения создания базы данных сопоставления. В отличие от XDL, файл XDLRC может содержать всю доступную информацию об активных и статических настраиваемых ресурсах. Однако результаты тестирования в [77] указывают на новые проблемы, заключающиеся в том, что алгоритм взаимной корреляции не может полностью связать все ресурсы в FPGA с битами в файле битового потока. Следовательно, из-за отсутствия хорошо разработанной техники обращения битового потока встроенная система FPGA более устойчива к RE по сравнению с конструкциями ASIC и микроконтроллерами.
Логический элемент AND с использованием транзистора
Базовый элемент логического элемента AND
Логический элемент И дает высокий уровень на выходе только тогда, когда на всех входах высокий уровень, в противном случае он дает низкий уровень.
Рис.1: Символ выхода AND
| ВХОД 1 А | ВХОД 2 B | ВЫХОД A.B |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Использование транзистора для работы логического элемента И зависит от скорости переключения транзистора.Для работы логического элемента И мы используем транзистор в качестве переключателя.
Необходимые компоненты
Два транзистора BC547 NPN
Три резистора 10 кОм
резистор 1 кОм
резистор 4,7 кОм
Два тумблера
Светодиод общего назначения
Источник питания 5В
Некоторые перемычки
Макет
Мультиметр
Два входа и вентиль с использованием транзистора
BC547 используется здесь в общей конфигурации эмиттера.Этот транзистор имеет низкую мощность и низкую частоту. В конфигурации с общим эмиттером транзистор дает сдвиг фазы на 180 градусов. Из-за изменения фазового сдвига на 180 градусов он может давать высокий уровень на выходе, когда наш вход низкий, и наоборот. Смещение транзистора осуществляется таким образом, чтобы рабочая точка транзистора приближалась к началу координат на кривой передаточной характеристики транзистора.
Это вызывает немедленное переключение транзистора из состояния отсечки в состояние насыщения.Следовательно, когда мы прикладываем достаточное напряжение к базе транзистора, он немедленно достигает состояния насыщения, и транзистор начинает проводить. В этом проекте мы использовали биполярный транзистор NPN общего назначения BC547. Другой диапазон транзисторов BC (BC548, BC549) также здесь работает нормально. Используя RTL (резистивную транзисторную логику), мы разработали логический элемент И с помощью двух транзисторов и некоторого резистора.
Рис.2: Принципиальная схема транзистора на основе логического элемента AND
Как это работает
Транзисторы соединены последовательно, и их базы используются как входные.База обоих транзисторов действует как входы, а один из эмиттеров любого из транзисторов используется для получения выхода. Первоначально оба переключателя находятся в выключенном состоянии, поэтому ни одна из транзисторных баз не получает питания. Переход база-эмиттер и переход база-коллектор обоих транзисторов имеют напряжение ниже 0,65 В, что является практическим пороговым напряжением диода.
Оба перехода имеют обратное смещение, поэтому оба транзистора отключаются и переходят в состояние отсечки.Таким образом, транзисторы действуют как разомкнутый переключатель. Поскольку весь ток, идущий с коллектора через резистор R3, блокируется транзистором. Следовательно, на выходе мы получаем низкое напряжение, которое выключает светодиод.
В следующем случае, когда мы нажимаем переключатель 1, база первого транзистора получает положительное значение напряжения, но его эмиттер подключен к коллектору другого транзистора. Поскольку второй транзистор все еще находится в состоянии отсечки, эмиттер первого транзистора отключен.Переход база-эмиттер и переход база-коллектор обоих транзисторов имеют напряжение ниже порогового напряжения и снова достигают состояния отсечки. Весь ток снова блокируется транзистором, и мы получаем низкое напряжение на выходе, которое выключает светодиод.
Рис. 3: Принципиальная схема, показывающая работу логического элемента AND на основе транзистора
Аналогично, когда переключатель 1 разомкнут, а переключатель 2 замкнут, ток блокируется первым транзистором, и мы получаем низкий уровень на выходе.
Рис. 4: Принципиальная схема, показывающая работу транзистора на основе логического элемента AND
Когда мы нажимаем наш второй переключатель, соединение обоих транзисторов имеет напряжение, превышающее пороговое напряжение, поэтому оба перехода имеют прямое смещение. Следовательно, оба транзистора находятся в состоянии насыщения и действуют как короткое замыкание. Теперь ток проходит короткое замыкание и течет от коллектора первого транзистора к эмиттеру второго транзистора, который имеет высокий уровень на выходе.На выходе загорается наш светодиод.
Рис. 5: Принципиальная схема, показывающая работу транзистора на основе логического элемента AND
Можно сказать, что для логики И транзисторы соединены последовательно, и оба транзистора должны быть в проводящем состоянии, чтобы на выходе был высокий уровень. Если один из входов или оба входа имеют низкое значение, то на выходе мы получаем низкое значение, в противном случае — высокое.
Двухполюсные транзисторы с плавающим затвором и маломощным мемристивным режимом работы для аналоговых нейроморфных вычислений
Merolla, P.A. et al. Интегральная схема с миллионными импульсными нейронами с масштабируемой коммуникационной сетью и интерфейсом. Наука 345 , 668–673 (2014).
Артикул Google Scholar
Хаслер, Дж. И Марр, Б. Поиск дорожной карты для создания больших нейроморфных аппаратных систем. Фронт. Neurosci. 7 , 118 (2013).
Артикул Google Scholar
Бенджамин, Б.В. и др. Neurogrid: смешанная аналого-цифровая многокристальная система для крупномасштабного нейронного моделирования. Proc. IEEE 102 , 699–716 (2014).
Артикул Google Scholar
Фурбер, С. Б., Галлуппи, Ф., Темпл, С. и Плана, С. Проект SpiNNaker. Proc. IEEE 102 , 652–665 (2014).
Артикул Google Scholar
Indiveri, G. et al. Нейроморфные кремниевые нейронные цепи. Фронт. Neurosci. 5 , 73 (2011).
Google Scholar
Лихарев К.К. CrossNets: нейроморфные гибридные КМОП / наноэлектронные сети. Sci. Adv. Матер. 3 , 322–331 (2011).
Артикул Google Scholar
LeCun, Y., Bengio, Y. & Hinton, G.Глубокое обучение. Природа 521 , 436–444 (2015).
Артикул Google Scholar
Диорио К., Хаслер П., Минч А. и Мид К. Разработка нейроморфных систем: нейронные сети в кремнии Ch. 14 (Springer, 1998).
Диорио, К., Хаслер, П., Минч, А. и Мид, К. Однотранзисторный кремниевый синапс. IEEE Trans. Электрон. Dev. 43 , 1972–1980 (1996).
Артикул Google Scholar
Хаслер П., Минч Б. А. и Диорио С. Адаптивные схемы с использованием устройств с плавающим затвором на полевых транзисторах. В Труды 20-й юбилейной конференции по перспективным исследованиям в СБИС (ARVLSI ) 215–229 (IEEE, 1999).
Хаслер П., Диорио К., Минч Б. А. и Мид К. Обучающиеся синапсы с одним транзистором. В Труды 7-й Международной конференции по системам обработки нейронной информации (NIPS) 817–824 (ACM, 1994).
Хаслер П., Минч Б. А. и Диорио К. Усилитель с плавающим затвором с автоподстройкой нуля. IEEE Trans. Circ. Syst. II 48 , 74–82 (2001).
Артикул Google Scholar
Рамакришнан С., Хаслер П. и Гордон К. Синапсы с плавающими затворами с пластичностью спайков, зависящей от времени. В Труды Международного симпозиума IEEE по схемам и системам (ISCAS) 369–372 (IEEE, 2010).
Вонг, Х. С. П. и Салахуддин, С. Память открывает путь к лучшим вычислениям. Нат. Nanotechnol. 10 , 191–194 (2015).
Артикул Google Scholar
Waser, R. & Aono, M. Память с резистивной коммутацией на основе нанойоники. Нат. Матер. 6 , 833–840 (2007).
Артикул Google Scholar
Чуа Л. О. Мемристор — недостающий элемент схемы. IEEE Trans. Теория схем 18 , 507–519 (1971).
Артикул Google Scholar
Чуа, Л. О. и Канг, С. М. Мемристивные устройства и системы. Proc. IEEE 64 , 209–223 (1976).
MathSciNet Статья Google Scholar
Струков Д.Б., Снайдер, Г. С., Стюарт, Д. Р. и Уильямс, Р. С. Обнаружен пропавший мемристор. Nature 453 , 80–83 (2008).
Артикул Google Scholar
Jo, S.H. et al. Наноразмерное мемристорное устройство как синапс в нейроморфных системах. Nano Lett. 10 , 1297–1301 (2010).
Артикул Google Scholar
Ван З.и другие. Полностью мемристивные нейронные сети для классификации образов с обучением без учителя. Нат. Электрон. 1 , 137–145 (2018).
Артикул Google Scholar
Ся, К. и Ян, Дж. Дж. Мемристивные массивы перекладин для вычислений, вдохновленных мозгом. Нат. Матер. 18 , 309–323 (2019).
Артикул Google Scholar
Prezioso, M. et al. Обучение и работа интегрированной нейроморфной сети на основе металлооксидных мемристоров. Природа 521 , 61–64 (2015).
Артикул Google Scholar
Merrikh Bayat, F. et al. Реализация многослойной сети персептронов с очень однородными схемами пассивных мемристивных перекладин. Нат. Commun. 9 , 2331 (2018).
Артикул Google Scholar
Адам, Г. К., Хиат, А. и Продромакис, Т. Проблемы, препятствующие распространению мемристивного нейроморфного оборудования. Нат. Commun. 9 , 5267 (2018).
Артикул Google Scholar
Ниу, Д., Чен, Ю., Сюй, К., Се, Ю. Влияние изменений процесса на возникающий мемристор. В Труды 47-й конференции по автоматизации проектирования (DAC) 877–882 (IEEE, 2010).
Васер Р., Диттманн Р., Стайков Г. и Сот, К. Резистивная коммутирующая память на основе окислительно-восстановительного потенциала — наноионные механизмы, перспективы и проблемы. Adv. Матер. 21 , 2632–2663 (2009).
Артикул Google Scholar
Pouyan, P., Amat, E. & Rubio, A. Проблемы надежности в разработке мемристических воспоминаний. В Труды 5-го Европейского семинара по изменчивости CMOS (VARI) 1–6 (IEEE, 2014).
Indiveri, G. et al. Интеграция наноразмерных мемристорных синапсов в нейроморфные вычислительные архитектуры. Нанотехнологии 24 , 384010 (2013).
Артикул Google Scholar
Merrikh Bayat, F. et al. Высокопроизводительный нейровычислитель смешанных сигналов с наноразмерными массивами ячеек памяти с плавающим затвором. IEEE Trans. Neural Netw. Учить. Syst. 29 , 4782–4790 (2018).
Артикул Google Scholar
Merrikh Bayat, F. et al. Модернизация коммерческой памяти с плавающим затвором для аналоговых вычислительных приложений. В Труды Международного симпозиума IEEE по схемам и системам (ISCAS) 1921–1924 (IEEE, 2015).
Merrikh Bayat, F. et al. Высокоточная настройка на основе моделей ячеек флэш-памяти NOR для аналоговых вычислительных приложений. В Proceedings of the Device Research Conference (DRC) 1-2 (IEEE, 2016).
Guo, X. et al. Нечувствительный к температуре аналоговый вектор-матричный умножитель на основе ячеек флэш-памяти NOR 55 нм. В Proceedings of the IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC) 1–4 (IEEE, 2017).
Guo, X. et al. Быстрый, энергоэффективный, надежный и воспроизводимый нейроморфный классификатор смешанных сигналов на основе технологии встроенной флеш-памяти NOR. In Proceedings of the International Electron Devices Meeting (IEDM) 6.5.1–6.5.4 (IEEE, 2017).
Ziegler, M. et al. Мемристический режим работы транзисторов с плавающим затвором: двухполюсная MemFlash-ячейка. Заявл. Phys. Lett. 101 , 263504 (2012).
Артикул Google Scholar
Ziegler, M. & Kohlstedt, H. Мимическое синаптическое поведение с одним транзистором с плавающим затвором: синапс MemFlash. J. Appl. Phys. 114 , 194506 (2013).
Артикул Google Scholar
Himmel, N. et al. Мемристивное устройство на основе полевого транзистора SONOS обедненного типа. Полуконд. Sci. Technol. 32,6 , 06LT01 (2017).
Артикул Google Scholar
Winterfeld, H. et al. Технология и электрические характеристики клеток MemFlash для нейроморфных приложений. Дж.Прил. Phys. 51 , 324003 (2018).
Google Scholar
Ройзин Ю., Пихай Е. Мемристор на параллельных асимметричных транзисторах с общим плавающим затвором и диодом. Патент США 9,514,818 (2016).
Шарруш, С. М., Абдалла, Ю. С., Дессуки, А. А. и Эль-Бадави, Е. С. Работа усилителя на подпороговых полевых МОП-транзисторах. В Труды 4-го Международного семинара по тестированию дизайна (IDT) 1–6 (IEEE, 2009).
Чанг, Т., Джо, С. Х. и Лу, В. Переход от кратковременной памяти к долговременной памяти в мемристоре нанометрового масштаба. ACS Nano 5 , 7669–7676 (2011).
Артикул Google Scholar
Капорале Н. и Дэн Ю. Пластичность, зависящая от времени спайка: правило обучения Хебба. Annu. Rev. Neurosci. 31 , 25–46 (2008).
Артикул Google Scholar
Brivio, S. et al. Увеличенное время жизни памяти в нейронных сетях, использующих мемристивные синапсы с нелинейной динамикой проводимости. Нанотехнологии 30 , 015102 (2018).
Артикул Google Scholar
Hu, S. G. et al. Ассоциативная память реализуется реконфигурируемой мемристической нейронной сетью Хопфилда. Нат. Commun. 6 , 7522 (2015).
Артикул Google Scholar
Verleysen, M., Sirletti, B., Vandemeulebroecke, A. & Jespers, P. G.A. Память с адресацией по содержанию большой емкости и алгоритм ее обучения. IEEE Trans. Circ. Syst. 36 , 762–766 (1989).
Артикул Google Scholar
Танк Д. и Хопфилд Дж. Дж. Простые «нейронные» сети оптимизации: аналого-цифровой преобразователь, схема определения сигнала и схема линейного программирования. IEEE Trans.Circ. Syst. 33 , 533–541 (1986).
Артикул Google Scholar
Хопфилд, Дж. Дж. Нейроны с градуированной реакцией обладают коллективными вычислительными свойствами, как у нейронов с двумя состояниями. Proc. Natl Acad. Sci. США 81 , 3088–3092 (1984).
Артикул Google Scholar
Sandrini, J. et al. Влияние буферного слоя металла и термического отжига на ReRAM на основе HfOx.В Труды Международной конференции IEEE по науке об электротехнике (ICSEE) 1–5 (IEEE, 2016).
Ко, П. К., Ху, К. и Там, С. Модель Lucky-electronic для канальной инжекции горячих электронов в полевые МОП-транзисторы. IEEE Trans. Электрон Дев. 31 , 1116–1125 (1984).
Артикул Google Scholar
Чан, Т. Ю., Чен, Дж., Ко, П. К. и Ху, К. Влияние тока утечки стока, вызванного затвором, на масштабирование полевого МОП-транзистора.В Труды Международного собрания электронных устройств (IEDM) 718–721 (IEEE, 1987).
Зидан, М. А., Фахми, Х. А. Х., Хусейн, М. М. и Салама, К. Н. Мемристорная память: проблема скрытых путей и решения. Microelectron. J. 44 , 176–183 (2013).
Артикул Google Scholar
Транзистор
| Библиотека: | Электропроводка |
| Введено: | 2.7.0 |
| Внешний вид: |
Поведение
Транзистор имеет два входа, называемых затвором и истоком , и один выход, называемый стоком , . На схеме источник вход и сток выход соединены пластиной; Logisim рисует стрелку, чтобы указать направление потока от входа к выходу. Вход затвора соединен с пластиной, параллельной пластина, соединяющая исток и сток .Logisim поддерживает два типа транзисторы с немного другим поведением, описанным ниже; P-тип транзистор обозначен кружком, соединяющим вход затвора с его пластина, а у транзистора N-типа такой окружности нет.
В зависимости от значения , выход , значение в источнике может быть передано в сток ; или может не быть связи от источника , так что сток оставлен плавающим.Определение передачи или отключения зависит от типа транзистора: Транзистор P-типа (обозначен кружком в строке gate ) передает когда затвор равен 0, а транзистор N-типа (у которого нет такого круга) передает, когда вентиль равен 1. Поведение суммируется следующие таблицы.
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Или в обобщенном виде:
|
| |||||||||||||||||||
* Если источник — Z206, — сток; иначе сток — это Х.
Если атрибут Data Bits больше 1, вход вентиль все еще один бит, но его значение применяется одновременно к каждому из источник входных битов.
Транзистор N-типа ведет себя очень похоже на Контролируемый буфер. Основное отличие заключается в том, что транзистор предназначен для более простых схем.
Штифты (при условии, что компонент обращен на восток, линия ворот вверху / слева)
- Западный край (вход, разрядность соответствует атрибуту «Биты данных»)
- Источник компонента вход, который будет передавать на выход если запускается входом вентиль .
- Северный край (вход, разрядность 1)
- Элемент вентиль вход. Для транзисторов P-типа транзистор будет передавать, если значение ворот равно 0; для транзисторов N-типа, это запустит транзистор, если значение затвора равно 1.
- Восточный край (вывод, разрядность соответствует атрибуту Data Bits)
- Выход компонента, который соответствует входу источника если указано входом вентиль , или будет плавающим, если вентиль ввод — это отрицание того, что указывает отрицание.Если ворота плавающие или значение ошибки, тогда на выходе будет значение ошибки.
Атрибуты
Когда компонент выбран или добавляется,
Alt-0 — Alt-9 изменяет его атрибут Data Bits
а клавиши со стрелками изменяют его атрибут Facing
.
- Тип
- Определяет, является ли транзистор P-типом или N-типом.
- Облицовка
- Направление компонента (его выход относительно его входа).
- Расположение ворот
- Расположение ворот входа.
- Биты данных
- Разрядность входов и выходов компонента.
Поведение инструмента Poke
Нет.
Поведение инструмента текста
Нет.
Вернуться к библиотеке Ссылка
Биполярный вентиль XOR только с 2 транзисторами | Детали
Иногда я нахожу небольшую схему с 3 резисторами и 2 транзисторами, которая выполняет операцию исключающего ИЛИ.
Эти два взаимосвязанных транзистора используют очень необычную структуру, которая требует наименьшего теоретического количества переключающих элементов, но это зависит от уловки: входные импедансы имеют большое значение, а схема зависит от «жесткого» уровня 0, потому что схема ведет себя почти как «проходной» элемент …
Таким образом, вопрос: а это лучший способ? А как насчет скорости переключения или емкости?
XOR очень важен в процессорах, потому что от него зависят многие механизмы, например ALU.Влияет ли увеличение количества деталей на производительность? По-видимому, это довольно близко к идеалу, потому что оно рекламируется как решение в логике транзисторов с прямой связью:
Другая версия имеет только один транзистор, но 4 диода:
Это более или менее то, что делает Рори:
Другой вопрос: можно ли эту схему (без усиления, просто полагаясь на мощность входа) распространить на другие логические или последовательные функции?
Логический элемент XOR имеет гораздо более широкий диапазон реализаций в MOS и CMOS.Вы можете найти схемы, использующие 4, 6, 8, 9, 10 или 12 транзисторов, опять же с разной силой для входов и выходов. Например, логика проходного транзистора (передаточные вентили , ) делает это довольно простым:
Каждый проходной элемент представляет собой пару дополнительных транзисторов, поэтому в этом затворе используются 2 NMOS и 2 PMOS. Добавьте столько же, если хотите изолировать выходы с инверторами …
Да и не забудьте еще один инвертор на выходе. Вот почему вы найдете разные количества транзисторов.Если дизайнер не хочет разложить функцию на элементарные логические функции, и размер будет увеличиваться, в зависимости от того, как вы его разбиваете:
Это разложение приводит к «классическому» логическому элементу CMOS XOR:
, который снова набирает вес, когда входы буферизуются и инвертируются:
По этой причине XOR имеет репутацию «медленного и большого шлюза», и именно поэтому я исследую более умные топологии и их компромиссы.
Другая версия тоже неплохая:
Это интересно для моих #Yet Another (Discrete) Clock, потому что они почти подходят для полевых МОП-транзисторов. Вход B должен удвоить количество транзисторов из-за встроенных диодов, но это «всего лишь» 3 × BS170 и 3 × BS250. В этом случае вход B фактически работает как мультиплексор или передаточный вентиль … Это означает, что он может не подходить для сверхвысокой скорости.
Еще меньше деталей с этим 3T XOR:
В этом случае требуются только 1 × BS170 и 3 × BS250.Это все еще не идеально, потому что BS250 дороже, чем BS170, но я не вижу, как переставлять полярности, не требуя дополнительных инверторов … Более того, похоже, существует конфликт с одной из комбинаций входов: B = 1 заставляет выход равен 0, но если A = 0, то вход B (который равен 1) принудительно устанавливается на 0 самим … Решением является другой PFET, управляемый A, последовательно с заземляющим NFET.
Другой источник https://waset.org/publications/1588/a-high-speed-8-transistor-full-adder-design-using-novel-3-transistor-xor-gates очень подробно объясняет, почему короткие Схема не такая уж большая проблема для ИС: они настраивают ширину / соотношение определенных транзисторов, чтобы минимизировать нежелательный ток.Это дает место в обмен на энергопотребление.
M1 имеет соотношение 1/1, почти квадрат, с минимальным размером, следовательно, с самым высоким сопротивлением, в то время как M3 имеет высокое отношение, чтобы преодолеть вытеснение из M1. Для очень быстродействующих КМОП-схем, где в мощности преобладает переключение (и утечка для новейших процессов), этот ток короткого замыкания можно считать «незначительным».
Другой интересный компромисс использует только по 2 каждого типа:
Но «трюк с верхним проходом» на входе A может все же потребовать удвоения P-MOSFET для устранения паразитных корпусных диодов.Это могло бы быть дешевле, если бы вместо этого был сделан XNOR, поэтому 2 PFET связаны с Vcc последовательно, а NFET используются в качестве проходных элементов.
ИС
используют еще больше вариаций этих идей:
Этот странный, кажется, блокирует крайние левые транзисторы, затем NAND и, наконец, инвертор: Улучшенный 9T XOR:
Еще больше комбинаций с проходными транзисторами:
Но такого разнообразия я не видел для биполярных цепей.
ECL тоже можно проявить творчески, но эти вентили в любом случае требуют много транзисторов, так что это не так интересно.
Однако мне было интересно, как модифицировать дифференциальный усилитель для выполнения этой операции …
Я до сих пор не могу найти ответ о биполярном корпусе, но я мог бы легко адаптировать систему с блокировкой к MOSFET, чтобы избежать P-MOSFET. Естественно, это дает:
Грубое моделирование показывает, что существует конфликт из-за паразитного основного диода, когда входы противоположны.
Один дешевый способ избежать этого — установить последовательно диоды, чтобы предотвратить короткое замыкание одного входа на другой:
Вот симуляция с Фалстадом.
или для пуристов: отмените корпусные диоды со вставленными спина к спине N-MOSFET:
Он будет работать при более низком напряжении питания, и моделирование показывает, что низкое состояние имеет более низкое напряжение, но скорость будет в 2 раза медленнее, потому что полевые транзисторы, включенные последовательно, удваивают сопротивление во включенном состоянии …
OTOH: если вы хотите вместо этого XNOR, просто переверните схему вверх ногами и используйте P-MOSFET:
spudfish Скотт использует 5 NMOS для своего XOR на https: // hackaday.io / project / 162814-the-spikeputor / log / 157607-building-block-2-multixors-and-flip-flops:
Обновление:
Мастер Кен перепроектировал Z80 на http://www.righto.com/2013/09/understanding-z-80-processor-one-gate.
