Обозначение выводов полевого транзистора. Полевые транзисторы: типы, принцип работы, характеристики и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое полевой транзистор. Какие бывают типы полевых транзисторов. Как работает полевой транзистор. Какими характеристиками обладают полевые транзисторы. Где применяются полевые транзисторы.

Содержание

Основные типы полевых транзисторов

Полевые транзисторы подразделяются на два основных типа:

С управляющим p-n переходом
С изолированным затвором (МДП-транзисторы)

МДП-транзисторы в свою очередь бывают:

Со встроенным каналом
С индуцированным каналом

Канал в полевых транзисторах может быть n-типа или p-типа. Название «полевые» транзисторы получили из-за того, что управление током осуществляется электрическим полем.

Принцип работы полевого транзистора с p-n переходом

Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа:

Управляющее напряжение прикладывается к p-n переходу затвор-исток в обратном направлении
При увеличении напряжения затвор-исток запирающий слой p-n перехода расширяется

Площадь сечения канала уменьшается, его сопротивление растет
Ток стока уменьшается

Характеристики полевых транзисторов

Стокозатворная характеристика

Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток.

Стоковая характеристика

Зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток (для схемы с общим истоком).

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Особенности полевых транзисторов с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа:

На затвор можно подавать напряжение обеих полярностей
При положительном напряжении затвор-исток ток стока увеличивается (режим обогащения)
При отрицательном напряжении затвор-исток ток стока уменьшается (режим обеднения)

Основные параметры полевых транзисторов

Начальный ток стока
Напряжение насыщения
Ток утечки затвора

Обратный ток перехода затвор-исток
Напряжение отсечки
Пороговое напряжение (для транзисторов с индуцированным каналом)

Предельные параметры полевых транзисторов

Максимальный ток стока
Максимально допустимые напряжения между выводами
Максимально допустимая рассеиваемая мощность
Диапазон рабочих температур

Условные обозначения полевых транзисторов

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Стрелка на затворе направлена к каналу n-типа и от канала p-типа.

Транзисторы с изолированным затвором

Затвор изображается без гальванической связи с каналом. У транзисторов с индуцированным каналом канал изображается пунктиром.

Применение полевых транзисторов

Полевые транзисторы широко применяются в современной электронике благодаря ряду преимуществ:

Высокое входное сопротивление
Низкий уровень шумов
Хорошая температурная стабильность
Возможность работы как с положительным, так и с отрицательным напряжением на затворе (для МДП-транзисторов со встроенным каналом)

Основные области применения:

Усилители сигналов
Ключевые схемы
Генераторы
Стабилизаторы напряжения
Логические элементы
Запоминающие устройства

Преимущества полевых транзисторов перед биполярными

Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами:

Очень высокое входное сопротивление (до 10^14 Ом)
Малая входная емкость
Низкий уровень собственных шумов
Высокая радиационная стойкость
Отсутствие эффекта накопления зарядов
Высокая плотность размещения в интегральных микросхемах

Недостатки полевых транзисторов

Несмотря на многочисленные преимущества, полевые транзисторы имеют и некоторые недостатки:

Меньшая крутизна характеристики по сравнению с биполярными транзисторами
Более высокая чувствительность к статическому электричеству
Сложность получения комплементарных пар с идентичными характеристиками
Нелинейность передаточной характеристики

Перспективы развития полевых транзисторов

Развитие технологий производства полевых транзисторов идет по нескольким направлениям:

Уменьшение размеров транзисторных структур
Совершенствование диэлектрических материалов затвора
Разработка новых конструкций (например, FinFET)
Использование новых полупроводниковых материалов (GaN, SiC)
Повышение рабочих частот и снижение энергопотребления

Эти разработки позволят создавать более быстрые, энергоэффективные и компактные электронные устройства в будущем.

Буквенные обозначения параметров полевых транзисторов — DataSheet

Буквенное обозначение		Параметр
Отечественное	Международное	Параметр
I_З	I_G	Ток затвора (постоянный).
I_{з отс}	I_GSX	Ток отсечки затвора.
I_{З пр}	I_GF	Прямой ток затвора.
I_З ут	I_GSS	Ток утечки затвора.
I_ЗИО	I_GSO	Обратный ток перехода затвор-исток.
I_ЗСО	I_GDO	Обратный ток перехода затвор-сток.
I_И	I_S	Ток истока (постоянный).
I_И нач	I_SDS	Начальный ток истока.
I_И ост	I_SDX	Остаточный ток истока.
I_С	I_D	Ток стока (постоянный).
I_{С нагр}	I_DSR	Ток стока при нагруженном затворе.
I_{С нач}	I_DSS	Начальный ток стока.
I_С ост	I_DSX	Остаточный ток стока.
I_П	I_B, I_U	Ток подложки.
U_ЗИ	U_GS	Напряжение затвор-исток (постоянное).
U_{ЗИ обр}	U_GSR	Обратное напряжение затвор-исток (постоянное).
U_{ЗИ отс}	U_GS(OFF), U_GS(off)	Напряжение отсечки транзистора — напряжение между затвором и истоком (полевого транзистора с p-n-переходом и с изолированным затвором).
U_{ЗИ пор}	U_GST,U_GS(th),U_GS(TO)	Пороговое напряжение транзистора — напряжение между затвором и истоком (у полевого транзистора с изолированным затвором).
U_{ЗИ пр}	U_GSF	Прямое напряжение затвор-исток (постоянное).
U_{З проб}	U_(BR) GSS	Пробивное напряжение затвора — напряжение пробоя затвор-исток при замкнутых стоке и истоке.
U_ЗП	U_GB,U_GU	Напряжение затвор-подложка (постоянное).
U_ЗС	U_GD	Напряжение затвор-сток (постоянное).
U_ИП	U_SB,U_SU	Напряжение исток-подложка (постоянное).
U_СИ	U_DS	Напряжение сток-исток (постоянное).
U_СП	U_DB,U_DU	Напряжение сток-подложка (постоянное).
U₃₁— U₃₂	U_G1— U_G2	Напряжение затвор-затвор (для приборов с двумя затворами).
P_СИ	P_DS	Рассеиваемая мощность сток-исток (постоянная).
P_СИ, _{т max}	—	Максимальная рассеиваемая мощность сток-исток с теплоотводом (постоянная).
S	g_ms	Крутизна характеристики.
R_ЗИ	r_GS, r_gs	Сопротивление затвор-исток.
R_ЗС	r_GD, r_gd	Сопротивление затвор-сток.
R_ЗСО	r_GSS, r_gss	Сопротивление затвора (при U_DS = 0 или Uds = 0).
R_СИ отк	r_DS(ON), r_ds(on), r_{DS on}	Сопротивление сток-исток в открытом состоянии — сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток-исток.
R_{СИ закр}	r_DS(OFF), r_ds(off), r_{DS off}	Сопротивление сток-исток в закрытом состоянии — сопротивление между стоком и истоком в закрытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток-исток.
С_зио	C_gso	Емкость затвор-исток — емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
С_зсо	C_gdo	Емкость затвор-сток — емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
С_сио	C_dso	Емкость сток-исток — емкость между стоком и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
C_11и, С_{вх, и}	Ciss, C_11ss	Входная емкость транзистора — емкость между затвором и истоком.
С_12и	C_rss, C_12ss	Емкость обратной связи в схеме с общим истоком при коротком замыкании на входе по переменному току.
С_22и	C_oss, C_22ss	Выходная емкость транзистора — емкость между стоком и истоком.
С_22с	C_ods, C_22ds	Выходная емкость в схеме с общим стоком при коротком замыкании на входе (при коротком замыкании цепи затвор-сток по переменному току).
g_11и	g_iss, g_11s	Активная составляющая входной проводимости транзистора (в схеме с общим истоком при коротком замыкании на выходе).
g_22и	g_oss, g_22s	Активная составляющая выходной проводимости транзистора (в схеме с общим истоком при коротком замыкании на входе).
Y_11и	Y_is, Y_11s	Полная входная проводимость транзистора (в схеме с общим истоком при коротком замыкании на выходе).
Y_12и	Y_rs,Y_12s	Полная проводимость обратной передачи транзистора (в схеме с общим истоком при коротком замыкании на входе).
Y_21и	Y_fs,Y_21s	Полная проводимость прямой передачи транзистора (в схеме с общим истоком при коротком замыкании на выходе; Y_fs = g_fs + g_bfs = I_d / U_gs ; на низких частотах \|Y_fs\| = g_fs).
Y_22и	Y_os,Y_22s	Полная выходная проводимость транзистора (при коротком замыкании на входе).
Kу. P	G_P	Коэффициент усиления по мощности.
f_Y21и	f_Yfs	Частота отсечки в схеме с общим истоком.
U_ш	U_n	Шумовое напряжение транзистора.
E_ш	e_n	Электродвижущая сила шума
K_ш	F	Коэффициент шума транзистора.
—	α_ID	Температурный коэффициент тока стока.
—	α_rds	Температурный коэффициент сопротивления сток-исток.
t_вкл	t_on	Время включения транзистора.
t_выкл	t_off	Время выключения транзистора.
t_{зд, вкл}	t_d(on)	Время задержки включения.
t_{зд, выкл}	t_d(off)	Время задержки выключения.
t_нр	t_r	Время нарастания.
t_сп	t_f	Время спада.
Для сдвоенных полевых транзисторов:
I_З(ут)1-I_З(ут)2	I_GSS1-I_GSS2	Разность токов утечки затвора (для полевых транзисторов с изолированным затвором) и разность токов отсечки затвора (для полевых транзисторов с р-n-переходом).
I_{C нач1}/I_{C нач1}	I_DSS1/I_DSS2	Отношение токов стока при нулевом напряжении затвор-исток.
U_ЗИ1-U_ЗИ2	U_GS1 -U_GS2	Разность напряжений затвор-исток.
\|Δ(U_ЗИ1-U_ЗИ2 )\|/ΔT	\|Δ(U_GS1-U_GS2 )\|/ΔT	Изменение разности напряжений затвор-исток между двумя значениями температуры.
g_22и1-g_22и2	g_os1-g_os2	Разность выходных проводимостей в режиме малого сигнала в схеме с общим истоком.
g_21и1/g_21и2	g_os1/g_os2	Отношение полных проводимостей прямой передачи в режиме малого сигнала в схеме с общим истоком.

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» каналом

Обратите 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.

N-канальный полевой транзистор с изолированным затвором со «встроенным» каналом

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 проводимости

Изменение полярности управляющего напряжения имеет противоположный эффект, притягивание обедненной области и сужение канала и, следовательно, уменьшение проводимости канала:

Канал сужается для получения меньшей проводимости

Изолированный 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 проводимости

Покажем соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором:

Соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором

Когда 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 1

n-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

Ток стока

Как 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 2

n-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

Ток стока

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 3

n-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

Ток стока

При 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

Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток

Подобно 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 каналом

Оригинал статьи:

Полевые транзисторы

3.10. Полевые транзисторы

Полевые транзисторы, называемые также униполярными или канальными, в отличие от биполярных имеют большое входное сопротивление. Полевые транзисторы подразделяются на полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Полевые транзисторы с изолированным затвором в свою очередь подразделяются на транзисторы со встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом. Канал в полевых транзисторах может быть n или p типа. Канал — это область полевого транзистора, через которую протекают основные носители заряда. Величина тока в канале управляется электрическим полем. Транзисторы, как правило, имеют три вывода. Вывод, от которого в канал приходят основные носители заряда, называется истоком. Вывод, к которому носители заряда приходят из канала, называется стоком. Вывод, на который подается управляющее напряжение относительно истока или стока, называется затвором. Название транзисторы получили вследствие особенностей работы. Полевыми транзисторы называют потому, что управление током в выходной цепи транзистора осуществляется электрическим полем во входной цепи. Канальными транзисторы называют потому, что ток в выходной цепи транзистора протекает через его канал. Униполярными транзисторы называют потому, что в работе транзистора принимают носители одной полярности. Условные обозначения полевых транзисторов приведены в начале этой главы. В условных обозначениях полевых транзисторов на принципиальных схемах стрелка направлена к каналу n-типа, или от канала p-типа. Индуцированный (наведенный электрическим полем) канал, обозначается пунктиром.

Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n-типа (рис. 3.40а). Знаком плюс показана повышенная концентрация носителей заряда. Области истока и стока делаются с повышенной проводимостью для того, чтобы уменьшить бесполезное падение напряжения на них. Повышенной проводимостью обладает и область затвора с целью увеличения запирающего слоя в сторону канала при увеличении управляющего напряжения. В таких транзисторах управляющее напряжение прикладывается к p-n переходу затвор-исток в обратном направлении.

Если увеличивать напряжение между затвором и истоком в указанной полярности, то запирающий слой p-n перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Сопротивление канала постоянному току увеличивается и ток стока становится меньше. Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток называется стокозатворной характеристикой полевого транзистора. Стоковая характеристика полевого транзистора для схемы включения транзистора с общим истоком – это зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток.

Проставим полярность подключения источников напряжения во входной и выходной цепях полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n типа для схемы включения транзистора с общим истоком (рис. 3.41). Мы знаем определения выводов транзистора и то, что p-n переход затвор-исток смещается в обратном направлении. Следовательно, основные носители заряда электроны должны двигаться в соответствии с определением выводов транзистора от истока к стоку, т.е. снизу вверх. Чтобы электроны двигались в таком направлении необходимо в выходной цепи транзистора плюс источника питания подключить к стоку, минус к истоку. Для смещения p-n перехода затвор-исток в обратном направлении необходимо к затвору подключить минус источника, а к истоку плюс. Стокозатворная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n-типа для схемы включения транзистора с общим истоком приведена на рисунке 3.42а, а стоковые характеристики на рисунке 3.42б.

На рисунке 3.40 б схематично показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа. На затвор относительно истока такого транзистора можно подавать управляющее напряжение обеих полярностей. Семейство стоковых характеристик данного транзистора приведено на рисунке 3.43 б, а на рисунке 3.43 а – одна из его стокозатворных характеристик. При подаче на затвор относительно истока положительного напряжения в канал будут приходить электроны из областей стока, истока и кристалла p-типа и ток в цепи сток-исток будет увеличиваться. Такой режим работы называют режимом обогащения носителей заряда в канале. При подаче на затвор относительно истока отрицательного напряжения канал транзистора обедняется основными носителями заряда и ток стока уменьшается. Этот режим работы транзистора называется режимом обеднения.

Транзисторы характеризуют рядом параметров. Начальный ток стока — это ток стока при напряжении между затвором и истоком равном нулю и напряжении сток исток равном или превышающем напряжение насыщения. Напряжением насыщения называют напряжение сток-исток, начиная с которого ток стока практически не увеличивается при увеличении напряжения сток-исток при заданном напряжении затвор-исток. Ток утечки затвора — это ток затвора между затвором и остальными выводами транзистора, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор-исток при разомкнутом выводе стока — это ток в цепи затвор-исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутом выводе стока. Напряжение отсечки полевого транзистора — это напряжение затвор-исток для транзисторов с управляющим p-n переходом и транзисторов с изолированным затвором со встроенным каналом, при котором ток стока достигает заданного значения, обычно 10 мкА.

Пороговое напряжение полевого транзистора — это напряжение затвор-исток для транзисторов с изолированным затвором с индуцированным каналом (рис. 3.40в), при котором ток стока достигает заданного значения (рис. 3.44), обычно 10мкА. При отсутствии напряжения между затвором и истоком ток в цепи сток-исток не протекает, т.к. один из p-n переходов оказывается включенным в обратном направлении. При определенном напряжении затвор-исток в области, прилежащей к затвору, наступает инверсия проводимости и в цепи сток-исток появляется ток.

К предельным параметрам полевых транзисторов относятся: максимальный ток стока; максимально допустимые напряжения между выводами сток-исток, затвор-исток, затвор-сток; максимально допустимая мощность рассеяния; максимальная и минимальная температура окружающей среды.

3.3.3 Условные обозначения и схемы включения полевых транзисторов.

На рисунок 3.24 представлены условные обозначения полевых транзисторов с неизолированным затвором.

Рисунок 3.24 – Условное обозначение полевых транзисторов с неизолированным затвором с каналом типа-n (а) и каналом типа-p (б).

Для отображения типа проводимости канала используется стрелка на затворе. Как видно из рисунка, если стрелка смотрит в канал, то это означает, что канал имеет проводимость типа-n. Стрелка на затворе направленная от канала говорит о том, что канал имеет проводимость типа-p. Канал в обозначении полевого транзистора представлен перемычкой между истоком и стоком.

Условные обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом представлены на рисунок 3.25.

Рисунок 3.25 – Условное обозначение полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом типа-n (а) и типа-p (б).

Из рисунка видно, что затвор не имеет гальванической связи с каналом. При рассмотрении принципа действия полевого транзистора с изолированным затвором было сказано, что подложка соединена с истоком для обеспечения стекания объёмного заряда на исток. Это отображено и в условном обозначении в виде перемычки, на которой размещена стрелка. Направление стрелки говорит о типе проводимости канала — в сторону канала для проводимости типа-n и в сторону от канала для проводимости типа-p.

Условное обозначение для полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом представлены на рисунок 3.26. Как видно, отличие их от условного обозначения для полевого транзистора с встроенным каналом состоит в изображении канала пунктиром.

Рис. 3.26 – Условные обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором и индуцированным каналом типа-n (а) и типа-p (б).

Рассмотрим виды включения полевых транзисторов. Как и для биполярных транзисторов, полевые транзисторы включаются так, что один из выводов будет общим для входных и выходных выводов. В результате могут иметь место схемы включения с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Наиболее распространена схема с общим истоком. На рисунке 3.27 представлены полевые транзисторы без изолированного затвора с каналом типа-n и типа-p, включённые по схеме с общим истоком. При включении полевых транзисторов необходимо правильно указать полярность напряжений между истоком и стоком и на затворе относительно истока.

Рисунок 3.27 – Включение полевого транзистора с неизолированным затвором по схеме с общим истоком с каналом типа-n (а) и типа-p (б)

Полярность напряжения между истоком и стоком должна быть такой, чтобы основные носители канала двигались от истока к стоку. Поэтому следует обратить внимание на то, какая проводимость канала, что обозначается стрелкой.

На рисунке 3.27,а представлен полевой транзистор с каналом типа-n, где основными носителями заряда являются электроны. Чтобы электроны двигались от истока к стоку необходимо приложить отрицательный потенциал к истоку, который будет отталкивать электроны от истока, а положительный заряд к стоку, который будет притягивать электроны к стоку. На рисунке 3.27,б представлен полевой транзистор с каналом типа-p, где основными носителями зарядов являются дырки – положительные заряды. Поэтому, с учётом сказанного, к истоку должен быть приложен положительный заряд, а к стоку — отрицательный.

В полевом транзисторе с неизолированным затвором важно не ошибиться в полярности напряжения прикладываемого к затвору относительно истока. Как отмечалось выше, полярность напряжения должна быть такой, чтобы p-n переход между затвором и каналом был под обратным напряжением. Если ошибочно на затвор подать прямое напряжение, то произойдет тепловой пробой p-n перехода (он сгорит). На рисунке 3.27,а канал типа-n, тогда затвор типа-p и на затвор необходимо прикладывать отрицательный заряд, а на исток — положительный. На рисунке 3.27,б полевой транзистор с каналом типа-p, тогда затвор типа-n и к затвору прикладывается положительный потенциал.

3.3.4 Семейства статических вольтамперных характеристик полевых транзисторов.

У полевого транзистора, как и у биполярного рассматриваются входные и выходные характеристики. Кроме этих характеристик, у полевого транзистора рассматриваются ещё стоко – затворные характеристики.

Входные характеристики у полевого транзистора с неизолированным затвором представляют В.А.Х. p-n перехода при обратном напряжении (рисунок 2.3,б). Величина обратного тока незначительна. У полевых транзисторов с изолированным затвором ток затвора равен нулю и поэтому для них вообще не имеет смысла говорить о входной В.А.Х. На основании изложенного у полевых транзисторов не рассматриваются входные В.А.Х.

Выходные характеристики полевых транзисторов представляют зависимость тока стока () от напряжения на стоке () при определённом значении напряжения на затворе. На рисунке 3.28,а представлены выходные характеристики полевого транзистора с неизолированным затвором.

Рисунок 3.28 – Семейства статических выходных и стоко – затворных характеристик полевого транзистора с неизолированным затвором.

При нулевом потенциале на затворе () сечение канала максимально, его сопротивление минимально, что обеспечивает наибольшее значение тока стока при конкретных значениях стокового напряжения. Эта характеристика занимает самое верхнее положение в семействе выходных характеристик. При установке некоторого напряжения на затворе () увеличивается толщина запирающего слоя (рисунок 3.21), уменьшается сечение канала, возрастает его сопротивление, что ведёт к уменьшению тока стока при тех же значениях стокового напряжения. Эта характеристика располагается ниже предыдущей характеристики. Аналогично объясняется поведение остальных выходных характеристик.

На рисунке 3.28,б представлено семейство стоко – затворных характеристик полевого транзистора с неизолированным затвором. Эти характеристики показывают, как изменяется ток стока при изменении напряжения на затворе для определённого значения напряжения на стоке. Они строятся с помощью семейства выходных статических характеристик, на которых выбирается определённое значение напряжения на стоке () и проводится вертикальная линия до пересечения со всеми характеристиками. В точках пересечения берётся значение тока стока () и значение напряжения затвора (), при котором снималась эта характеристика. Найденные значения откладываются на координатных осях стоко – затворной характеристики. С увеличением напряжения стока увеличивается ток стока, что вызывает более высокое расположение стоко – затворных характеристик.

При определённом значении напряжения на затворе запирающий слой затвор – канал полностью перекрывает канал и прекращается протекание тока стока. Это напряжение называется напряжением отсечки ().

Выходные и стоко – затворные характеристики для полевых транзисторов с изолированным затвором с встроенным и индуцированным каналом имеют одинаковый вид и представлены на рисунке 3.29. Особенностью этих транзисторов является то, что к затвору может прикладываться напряжение различной полярности.

Рисунок 3.29 – Семейства статических выходных (а) и стоко – затворных (б) характеристик полевого транзистора с изолированным затвором с встроенным и индуцированным каналами.

Рассмотрим выходные характеристики (рисунок 3.29,а). При нулевом напряжении на затворе () ток стока определяется омическим сопротивлением канала и величиной напряжения между истоком и стоком (). Допустим, что канал типа-n. Тогда при отрицательном потенциале на затворе происходит обеднение канала, и ток стока будет иметь меньшее значение при тех же напряжениях на стоке, и характеристики идут ниже характеристики с нулевым напряжением на затворе. При положительном потенциале на затворе () происходит обогащение канала, и ток стока имеет большее значение при тех же значениях напряжения на стоке, и характеристики идут выше характеристики с нулевым напряжением на затворе.

Семейство стока – затворных характеристик строится аналогично рассмотренному выше, т.е. с помощью семейства выходных характеристик. Из-за возможности прикладывать к затвору и положительный потенциал, стоко – затворные характеристики теперь продолжаются и в первый квадрант.

При определённом уровне отрицательного потенциала на затворе полностью останавливается движение электронов в канале, и ток стока прекращается. Это напряжение на затворе называется напряжением отсечки ().

Полевые транзисторы с линейной характеристикой сопротивления. Полевые транзисторы

Силовые инверторы, да и многие другие электронные устройства, редко обходятся сегодня без применения мощных MOSFET (полевых) или . Это касается как высокочастотных преобразователей типа сварочных инверторов, так и разнообразных проектов-самоделок, схем коих полным полно в интернете.

Параметры выпускаемых ныне силовых полупроводников позволяют коммутировать токи в десятки и сотни ампер при напряжении до 1000 вольт. Выбор этих компонентов на современном рынке электроники довольно широк, и подобрать полевой транзистор с требуемыми параметрами отнюдь не является проблемой сегодня, поскольку каждый уважающий себя производитель сопровождает конкретную модель полевого транзистора технической документацией, которую всегда можно найти как на официальном сайте производителя, так и у официальных дилеров.

Прежде чем приступить к проектированию того или иного устройства, с применением названных силовых компонентов, всегда нужно точно знать, с чем имеешь дело, особенно когда выбираешь конкретный полевой транзистор. Для этого и обращаются к datasheet»ам. Datasheet представляет собой официальный документ от производителя электронных компонентов, в котором приводятся описание, параметры, характеристики изделия, типовые схемы и т.д.

Давайте же посмотрим, что за параметры указывает производитель в даташите, что они обозначают и для чего нужны. Рассмотрим на примере даташита на полевой транзистор IRFP460LC. Это довольно популярный силовой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET.

HEXFET подразумевает такую структуру кристалла, когда в одном кристалле организованы тысячи параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек гексагональной формы. Это решение позволило значительно снизить сопротивление открытого канала Rds(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. Однако, перейдем к обзору параметров, указанных непосредственно в даташите на IRFP460LC от International Rectifier (IR).

См.

В самом начале документа дано схематичное изображение транзистора, приведены обозначения его электродов: G-gate (затвор), D-drain (сток), S-source (исток), а также указаны его главные параметры и перечислены отличительные качества. В данном случае мы видим, что этот полевой N-канальный транзистор рассчитан на максимальное напряжение 500 В, сопротивление его открытого канала составляет 0,27 Ом, а предельный ток равен 20 А. Пониженный заряд затвора позволяет использовать данный компонент в высокочастотных схемах при невысоких затратах энергии на управление переключением. Ниже приведена таблица (рис. 1) предельно допустимых значений различных параметров в различных режимах.

Id @ Tc = 25°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V — максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 20 А. При напряжении затвор-исток 10 В.

Id @ Tc = 100°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V — максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 100°C, составляет 12 А. При напряжении затвор-исток 10 В.

Idm @ Tc = 25°C; Pulsed Drain Current — максимальный импульсный, кратковременный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 80 А. При условии соблюдения приемлемой температуры перехода. На рисунке 11 (Fig 11) дается пояснение относительно соответствующих соотношений.

Pd @ Tc = 25°C Power Dissipation — максимальная рассеиваемая корпусом транзистора мощность, при температуре корпуса в 25°C, составляет 280 Вт.

Linear Derating Factor — с повышением температуры корпуса на каждый 1°C, рассеиваемая мощность возрастает еще на 2,2 Вт.

Vgs Gate-to-Source Voltage — максимальное напряжение затвор-исток не должно быть выше +30 В или ниже -30 В.

Eas Single Pulse Avalanche Energy — максимальная энергия единичного импульса на стоке составляет 960 мДж. Пояснение дается на рисунке 12 (Fig 12).

Iar Avalanche Current — максимальный прерываемый ток составляет 20 А.

Ear Repetitive Avalanche Energy — максимальная энергия повторяющихся импульсов на стоке не должна превышать 28 мДж (для каждого импульса).

dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt — предельная скорость нарастания напряжения на стоке равна 3,5 В/нс.

Tj, Tstg Operating Junction and Storage Temperature Range – безопасный температурный диапазон от -55°C до +150°C.

Soldering Temperature, for 10 seconds — допустимая при пайке максимальная температура составляет 300°C, причем на расстоянии минимум 1,6мм от корпуса.

Mounting torque, 6-32 or M3 screw — максимальный момент при креплении корпуса не должен превышать 1,1 Нм.

Rjc Junction-to-Case (кристалл-корпус) 0.45 °C/Вт.

Rcs Case-to-Sink, Flat, Greased Surface (корпус-радиатор) 0.24 °C/Вт.

Rja Junction-to-Ambient (кристалл-окружающая среда) зависит от радиатора и внешних условий.

Следующая таблица содержит все необходимые электрические характеристики полевого транзистора при температуре кристалла 25°C (см. рис. 3).

V(br)dss Drain-to-Source Breakdown Voltage — напряжение сток-исток, при котором наступает пробой равно 500 В.

ΔV(br)dss/ΔTj Breakdown Voltage Temp.Coefficient — температурный коэффициент, напряжения пробоя, в данном случае 0,59 В/°C.

Rds(on) Static Drain-to-Source On-Resistance — сопротивление сток-исток открытого канала при температуре 25°C, в данном случае, составляет 0,27 Ом. Оно зависит от температуры, но об этом позже.

Vgs(th) Gate Threshold Voltage — пороговое напряжение включения транзистора. Если напряжение затвор-исток будет меньше (в данном случае 2 — 4 В), то транзистор будет оставаться закрытым.

gfs Forward Transconductance — Крутизна передаточной характеристики, равна отношению изменения тока стока к изменению напряжения на затворе. В данном случае измерена при напряжении сток-исток 50 В и при токе стока 20 А. Измеряется в Ампер/Вольт или Сименсах.

Idss Drain-to-Source Leakage Current — ток утечки стока, он зависит от напряжения сток-исток и от температуры. Измеряется микроамперами.

Igss Gate-to-Source Forward Leakage и Gate-to-Source Reverse Leakage — ток утечки затвора. Измеряется наноамперами.

Qg Total Gate Charge — заряд, который нужно сообщить затвору для открытия транзистора.

Qgs Gate-to-Source Charge — заряд емкости затвор-исток.

Qgd Gate-to-Drain («Miller») Charge — соответствующий заряд затвор-сток (емкости Миллера)

В данном случае эти параметры измерены при напряжении сток-исток, равном 400 В и при токе стока 20 А. На рисунке 6 дано пояснение относительно связи величины напряжения затвор-исток и полного заряда затвора Qg Total Gate Charge, а на рисунках 13 a и b приведены схема и график этих измерений.

td(on) Turn-On Delay Time — время открытия транзистора.

tr Rise Time — время нарастания импульса открытия (передний фронт).

td(off) Turn-Off Delay Time — время закрытия транзистора.

tf Fall Time — время спада импульса (закрытие транзистора, задний фронт).

В данном случае измерения проводились при напряжении питания 250 В, при токе стока 20 А, при сопротивлении в цепи затвора 4,3 Ом, и сопротивлении в цепи стока 20 Ом. Схема и графики приведены на рисунках 10 a и b.

Ld Internal Drain Inductance — индуктивность стока.

Ls Internal Source Inductance — индуктивность истока.

Данные параметры зависит от исполнения корпуса транзистора. Они важны при проектировании драйвера, поскольку напрямую связаны с временными параметрами ключа, особенно это актуально при разработке высокочастотных схем.

Crss Reverse Transfer Capacitance — емкость затвор-сток (емкость Миллера).

Данные измерения проводились на частоте 1 МГц, при напряжении сток-исток 25 В. На рисунке 5 показана зависимость данных параметров от напряжения сток-исток.

Следующая таблица (см. рис. 4) описывает характеристики интегрированного внутреннего диода полевого транзистора, условно находящегося между истоком и стоком.

Is Continuous Source Current (Body Diode) — максимальный непрерывный длительный ток диода.

Ism Pulsed Source Current (Body Diode) — максимально допустимый импульсный ток через диод.

Vsd Diode Forward Voltage — прямое падение напряжения на диоде при 25°C и токе стока 20 А, когда на затворе 0 В.

trr Reverse Recovery Time — время обратного восстановления диода.

Qrr Reverse Recovery Charge — заряд восстановления диода.

ton Forward Turn-On Time — время открытия диода обусловлено главным образом индуктивностями стока и истока.

Приведены пределы тока стока, в зависимости от напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток при длительности импульса 20 мкс. Первый рисунок — для температуры 25°C, второй — для 150°C. Очевидно влияние температуры на управляемость открытием канала.

На рисунке 6 графически представлена передаточная характеристика данного полевого транзистора. Очевидно, чем ближе напряжение затвор-исток к 10 В, тем лучше открывается транзистор. Влияние температуры также просматривается здесь довольно отчетливо.

На рисунке 7 приведена зависимость сопротивления открытого канала при токе стока в 20 А от температуры. Очевидно, с ростом температуры увеличивается и сопротивление канала.

На рисунке 9 приведена зависимость прямого падения напряжения на внутреннем диоде от величины тока стока и от температуры. На рисунке 8 показана область безопасной работы транзистора в зависимости от длительности времени открытого состояния, величины тока стока и напряжения сток-исток.

На рисунке 11 показана зависимость максимального тока стока от температуры корпуса.

На рисунках а и b представлены схема измерений и график, показывающий временную диаграмму открытия транзистора в процессе нарастания напряжения на затворе и в процессе разряда емкости затвора до нуля.

На рисунке 14 показана зависимость максимально допустимой энергии импульса от величины прерываемого тока и температуры.

На рисунках а и b показаны график и схема измерений заряда затвора.

На рисунке 16 показана схема измерений параметров и график типичных переходных процессов во внутреннем диоде транзистора.

На последнем рисунке изображен корпус транзистора IRFP460LC, его размеры, расстояние между выводами, их нумерация: 1-затвор, 2-сток, 3-исток.

Так, прочитав даташит, каждый разработчик сможет подобрать подходящий силовой или не очень, полевой или IGBT-транзистор для проектируемого либо ремонтируемого силового преобразователя, будь то , или любой другой силовой импульсный преобразователь.

Зная параметры полевого транзистора, можно грамотно разработать драйвер, настроить контроллер, провести тепловые расчеты, и подобрать подходящий радиатор без необходимости ставить лишнее.

Полевым транзистором называется полупроводниковый усилительный прибор, сопротивление которого может изменяться под действием электрического поля. Изменение сопротивления достигается изменением удельного электрического сопротивления слоя полупроводника или изменением объема полупроводника, по которому проходит электрический ток.

В работе полевых транзисторов используются различные эффекты, такие, как изменение объема р —п -перехода при изменении действующего на нем запирающего напряжения; эффекты обеднения, обогащения носителями зарядов или инверсии типа проводимости в приповерхностном слое полупроводника. Полевые транзисторы иногда называют униполярными , потому что ток, протекающий через них, обусловлен носителями только одного знака. Полевые транзисторы еще называют канальными транзисторами, поскольку управляющее работой транзистора электрическое поле проникает в полупроводник относительно неглубоко, и все процессы протекают в тонком слое, называемом каналом .

Управляющая цепь полевого транзистора практически не потребляет ток и мощность. Это позволяет усиливать сигналы от источников, обладающих очень большим внутренним сопротивлением и малой мощностью. Кроме того, это дает возможность размещать сотни тысяч транзисторов на одном кристалле микросхемы.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом

Полевой транзистор может быть изготовлен в виде пластинки полупроводника (с п- или р -проводимостью), в одну из поверхностей которой вплавлен слой металла, называемый затвором , образующий плоский р-п -переход (рис. 5.1). К нижнему и верхнему торцам пластинки присоединяются выводы, называемые соответственно истоком и стоком. Если на затвор подается напряжение запирающей полярности (положительное на п -затвор и отрицательное на р -затвор), то в зависимости от его значения в канале (р-п -переходе) возникает обедненный носителями заряда слой, являющийся практически изолятором.

Изменяя напряжение на затворе от нуля до некоторого достаточно большого напряжения, называемого напряжением отсечки (напряжением запирания , или пороговым напряжением , см. рис. 5.6), можно так расширить объем полупроводника, занимаемого р-п -переходом, что он займет весь канал и перемещение носителей заряда между истоком и стоком станет невозможным. Транзистор полностью закроется (рис. 5.2).

В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, полевые транзисторы управляются напряжением, и, поскольку это напряжение приложено к управляющему р-п -переходу в обратной (запирающей) полярности, то ток в цепи управления практически не протекает (при напряжении 5 В ток управления не превышает 10 -10 А).

Полевые транзисторы с изолированным затвором

полевые транзисторы с индуцированным каналом

На рис. 5.3 показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором, называемого МДП-транзистором . Это название обусловлено конструкцией: затвор выполнен из металла (М) и отделен тонким слоем диэлектрика (Д) от полупроводника (П), из которого сделан транзистор. Если транзистор изготовлен из кремния, то в качестве диэлектрика используется тонкая пленка оксида кремния. В этом случае название изменяется на МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник).

Показанный на рис. 5.3 слева транзистор изготовлен на основе пластинки (подложки , или основания ) из кремния с р -проводимостью. На поверхности пластинки диффузионным способом получены две области с п -проводимостью (исток и сток), разделенные областью п -канала, имеющей преобладающую р -проводимость. Вследствие этого при подаче на транзистор напряжения ток между истоком и стоком протекать не будет, ибо переходы сток-основание и исток-основание образуют два встречно включенных р‑п‑ перехода, один из которых будет закрыт при любой полярности приложенного напряжения.

Однако, если на поверхностный слой р -полупроводника подействовать достаточно сильным электрическим полем, приложив между затвором и основанием напряжение положительной полярности, то между истоком и стоком начнет протекать ток. Это объясняется тем, что из приповерхностного слоя полупроводника, расположенного под затвором, электрическим полем будут оттесняться дырки и собираться электроны, образуя канал (с п -проводимостью, показанный на рис. 5.3 пунктирной линией), вследствие чего р‑п‑ переходы исток-канал и канал-исток перестанут существовать. Проводимость п‑ канала будет тем больше, чем больше напряжение, приложенное между затвором и основанием.

Транзистор рассмотренной конструкции называется МДП-транзистором с индуцированным каналом.

Основание обычно соединяется с истоком, но иногда напряжение на него подается отдельно, и тогда основание играет роль дополнительного затвора.

Если основание выполнено из п -кремния, исток и сток образованы сильно легированными областями с р‑ проводимостями, а в качестве изолятора используется оксид кремния, то получается МОП-транзистор с индуцированным р‑каналом (с проводимостью р ) (рис. 5.3 справа).

полевые транзисторы со встроенным каналом

МОП-транзисторы могут быть выполнены со встроенным каналом. Например, на рис. 5.4 слева приведена схема устройства такого транзистора с п -каналом. Основание выполнено из р -кремния, а исток и сток имеют п -проводимость и получены диффузионным способом. Исток и сток соединены сравнительно тонким каналом с незначительной р‑ проводимостью.

Если основание сделано из п -кремния, а исток и сток — из р -кремния, то транзистор имеет встроенный р-канал (рис. 5.4 справа).

Работу п -канального МОП-транзистора можно пояснить так. Если на затвор подано отрицательное (относительно основания) напряжение, то электроны проводимости вытесняются из п -канала в основание, и проводимость канала уменьшается, вплоть до полного обеднения и запирания канала.

При подаче на затвор положительного напряжения п -канал обогащается электронами, и проводимость его увеличивается (рис.5.6).

Классификация и характеристики полевых транзисторов

Полевые транзисторы бывают обедненного и обогащенного типа. К первым относятся все транзисторы с р‑п -переходом и п -канальные МОП-транзисторы обедненного типа. МОП-транзисторы обогащенного типа бывают как п -канальными, так и р -канальными (рис. 5.5).

Транзисторы обогащенного и обедненного типа отличаются только значением так называемого порогового напряжения , получаемого экстраполяцией прямолинейного участка характеристики (рис. 5.6.).

Выходными характеристиками полевого транзистора называются зависимости тока стока от напряжения сток-исток для различных значений напряжения затвор-исток.

Полевой транзистор является очень хорошим прибором с точки зрения выходной проводимости — при постоянном напряжении затвор-исток ток стока почти не зависит от напряжения (за исключением области малых напряжений сток-исток). На рис. 5.7 показаны типичные зависимости i с от u си для ряда значений u зи.

Полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами. Особенностью их является то, что ток выхода управляется электрическим полем и напряжением одной полярности. Регулирующий сигнал поступает на затвор и осуществляет регулировку проводимости перехода транзистора. Этим они отличаются от биполярных транзисторов, в которых сигнал возможен с разной полярностью. Другим отличительным свойством полевого транзистора является образование электрического тока основными носителями одной полярности.

Разновидности

Существует множество разных видов полевых транзисторов, действующих со своими особенностями.

Тип проводимости. От нее зависит полюсность напряжения управления.
Структура: диффузионные, сплавные, МДП, с барьером Шоттки.
Количество электродов: бывают транзисторы с 3-мя или 4-мя электродами. В варианте с 4-мя электродами подложка является отдельной частью, что дает возможность управлять прохождением тока по переходу.
Материал изготовления: наиболее популярными стали приборы на основе германия, кремния. В маркировке транзистора буква означает материал полупроводника. В транзисторах, производимых для военной техники, материал маркируется цифрами.
Тип применения: обозначается в справочниках, на маркировке не указан. На практике известно пять групп применения «полевиков»: в усилителях низкой и высокой частоты, в качестве электронных ключей, модуляторов, усилителей постоянного тока.
Интервал рабочих параметров: набор данных, при которых полевики могут работать.
Особенности устройства: унитроны, гридисторы, алкатроны. Все приборы имеют свои отличительные данные.
Количество элементов конструкции: комплементарные, сдвоенные и т. д.

Кроме основной классификации «полевиков», имеется специальная классификация, имеющая принцип действия:

Полевые транзисторы с р-n переходом, который осуществляет управление.
Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
«Полевики» с изолированным затвором, которые делятся:
— с индукционным переходом;
— со встроенным переходом.

В научной литературе предлагается вспомогательная классификация. Там говорится, что полупроводник на основе барьера Шоттки необходимо выделить в отдельный класс, так как это отдельная структура. В один и тот же транзистор может входить сразу оксид и диэлектрик, как в транзисторе КП 305. Такие методы применяют для образования новых свойств полупроводника, либо для снижения их стоимости.

На схемах полевики имеют обозначения выводов: G – затвор, D – сток, S – исток. Подложку транзистора называют «substrate».

Конструктивные особенности

Электрод управления полевым транзистором в электронике получил название затвора. Его переход выполняют из полупроводника с любым видом проводимости. Полярность напряжения управления может быть с любым знаком. Электрическое поле определенной полярности выделяет свободные электроны до того момента, пока на переходе не закончатся свободные электроны. Это достигается воздействием электрического поля на полупроводник, после чего величина тока приближается к нулю. В этом заключается действие полевого транзистора.

Электрический ток проходит от истока к стоку. Разберем отличия этих двух выводов транзистора. Направление движения электронов не имеет значения. Полевые транзисторы обладают свойством обратимости. В радиотехнике полевые транзисторы нашли свою популярность, так как они не образуют шумов по причине униполярности носителей заряда.

Главной особенностью полевых транзисторов является значительная величина сопротивления входа. Это особенно заметно по переменному току. Эта ситуация получается по причине управления по обратному переходу Шоттки с определенным смещением, или по емкости конденсатора возле затвора.

Материалом подложки выступает нелегированный полупроводник. Для «полевиков» с переходом Шоттки вместо подложки закладывают арсенид галлия, который в чистом виде является хорошим изолятором.

На практике оказывается трудным создание структурного слоя со сложным составом, отвечающим необходимым условиям. Поэтому дополнительным требованием является возможность медленного наращивания подложки до необходимых размеров.

Полевые транзисторы с р- n переходом

В такой конструкции тип проводимости затвора имеет отличия от проводимости перехода. Практически применяются различные доработки. Затвор может быть изготовлен из нескольких областей. В итоге наименьшим напряжением можно осуществлять управление прохождением тока, что повышает коэффициент усиления.

В разных схемах применяется обратный вид перехода со смещением. Чем больше смещение, тем меньше ширина перехода для прохождения тока. При определенной величине напряжения транзистор закрывается. Применение прямого смещения не рекомендуется, так как мощная цепь управления может оказать влияние на затвор. Во время открытого перехода проходит значительный ток, или повышенное напряжение. Работа в нормальном режиме создается путем правильного выбора полюсов и других свойств источника питания, а также подбором точки работы транзистора.

Во многих случаях специально применяют непосредственные токи затвора. Такой режим могут применять и транзисторы, у которых подложка образует переход вида р-n. Заряд от истока разделяется на сток и затвор. Существует область с большим коэффициентом усиления тока. Этот режим управляется затвором. Однако, при возрастании тока эти параметры резко падают.

Подобное подключение применяется в схеме частотного затворного детектора. Он применяет свойства выпрямления перехода канала и затвора. В таком случае прямое смещение равно нулю. Транзистор также управляется затворным током. В цепи стока образуется большое усиление сигнала. Напряжение для затвора изменяется по закону входа и является запирающим для затвора.

Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:

Постоянная величина. Не применяется.
Сигнал несущей частоты. Отводится на заземление с применением фильтров.
Сигнал с модулирующей частотой. Подвергается обработке для получения из него информации.

В качестве недостатка затворного детектора целесообразно выделить значительный коэффициент искажений. Результаты для него отрицательные для сильных и слабых сигналов. Немного лучший итог показывает фазовый детектор, выполненный на транзисторе с двумя затворами. Опорный сигнал подается на один их электродов управления, а информационный сигнал, усиленный «полевиком», появляется на стоке.

Несмотря на значительные искажения, этот эффект имеет свое назначение. В избирательных усилителях, которые пропускают определенную дозу некоторого спектра частот. Гармонические колебания фильтруются и не влияют на качество действия схемы.

Транзисторы МеП, что означает – металл-полупроводник, с переходом Шоттки практически не отличаются от транзисторов с р-n переходом. Так как переход МеП имеет особые свойства, эти транзисторы могут функционировать на повышенной частоте. А также, структура МеП простая в изготовлении. Характеристики по частоте зависят от времени заряда затворного элемента.

МДП-транзисторы

База элементов полупроводников постоянно расширяется. Каждая новая разработка изменяет электронные системы. На их базе появляются новые приборы и устройства. МДП-транзистор действует путем изменения проводимости полупроводникового слоя с помощью электрического поля. От этого и появилось название – полевой.

Обозначение МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-полупроводник. Это дает характеристику состава прибора. Затвор изолирован от истока и стока тонким диэлектриком. МДП транзистор современного вида имеет размер затвора 0,6 мкм, через который может протекать только электромагнитное поле. Оно оказывает влияние на состояние полупроводника.

При возникновении нужного потенциала на затворе возникает электромагнитное поле, которое оказывает влияние на сопротивление участка стока-истока.

Достоинствами такого применения прибора является:

Повышенное сопротивление входа прибора. Это свойство актуально для применения в цепях со слабым током.
Небольшая емкость участка сток-исток дает возможность применять МДП-транзистор в устройствах высокой частоты. При передаче сигнала искажений не наблюдается.
Прогресс в новых технологиях производства полупроводников привел к разработке транзисторов IGBT, которые включают в себя положительные моменты биполярных и полевых приборов. Силовые модули на их основе широко применяются в приборах плавного запуска и преобразователях частоты.

При разработке таких элементов нужно учесть, что МДП-транзисторы имеют большую чувствительность к повышенному напряжению и статическому электричеству. Транзистор может сгореть при касании к его выводам управления. Следовательно, при их установке необходимо применять специальное заземление.

Такие полевые транзисторы обладают многими уникальными свойствами (например, управление электрическим полем), поэтому они популярны в составе электронной аппаратуры. Также следует отметить, что технологии изготовления транзисторов постоянно обновляется.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор – это полупроводниковый преобразовательный прибор, в котором ток, текущий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении микросхем.

Принцип действия полевых транзистор ов снован на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током, осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Поэтому эти транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р- n — перехода и с изолированным затвором (МДП — или МОП — транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на полевые транзисторы с каналом р- типа и полевые транзисторы с каналом n — типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n — типа – электронной.

Полевой транзистор с управляющим р- n — переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р- n -переходом, смещенным в обратном направлении.

Устройство полевого транзистора с управляющим р- n -переходом (каналом n — типа)

Условное обозначение полевого транзистора с р- n -переходом и каналом n — типа (а), каналом р- типа (б)

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения. Электрод, через который в канал входят носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда — сток. Электрод, для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения — затвор.

Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение U зи является обратным для обоих р- n — переходов. Ширина р- n — переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р- n — переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения U си, то силой тока стока I с , протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р- n — переходом.

При напряжении U зи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток I с получается наибольшим. Ток стока I с нач при U зи = 0 называют начальным током стока. Напряжение U зи , при котором канал полностью перекрывается, а ток стока I с становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки U зи отс .

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р- n — переходом

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р- n — переходом и каналом n — типа, отражают зависимость тока стока от напряжения U си при фиксированном напряжении U зи : I c = f (U си ) при U зи = const .

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые; б – стокозатворная

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние и управляющее напряжение U зи , и напряжение U си . При U си = 0 выходной ток I с = 0. При U си > 0 (U зи = 0) через канал протекает ток I c , в результате создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно U си . Повышение напряжения U си вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении U си происходит сужение канала, при котором границы обоих р- n — переходов сужаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение U си называют напряжением насыщения U си нас . При подаче на затвор обратного напряжения U зи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения U си нас . В рабочем режиме используются пологие участки выходных характеристик.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

У полевого транзистора с изолированным затвором (МДП — транзистор), затвор отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП — транзисторы в качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO 2. Другое название таких транзисторов – МОП — транзисторы (металл-окисел-полупроводник).

Принцип действия МДП — транзисторов основан на изменении проводимости поверхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. Поверхностный слой, является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП — транзисторы выполняют двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Конструкция МДП — транзистора со встроенным каналом n -типа. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, с помощью диффузионной технологии созданы две легированные области с противоположным типом электропроводности – n . На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется поверхностный канал с электропроводностью n — типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика. На этот слой нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

При подаче на затвор положительного напряжения, создающимся электрическим полем дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны — из подложки в канал. Канал обогащается – электронами, и его проводимость увеличивается при возрастании ток стока. Это называется режим обогащения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения, относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость уменьшается, а ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при U зи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (U си > 0), протекает ток стока I с нач , называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Канал проводимости тока не создается, а образуется благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины, при приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нету, и между истоком и стоком n -типа расположен только кристалл р- типа, а на одном из р- n — переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком велико, и транзистор заперт. Но при подаче на затвор положительное напряжение, под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области к затвору. Когда напряжение затвора превысит пороговое значение U зи пор , в поверхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и произойдет инверсия типа электропроводности, индуцируется токопроводящий канал n -типа, соединяющий области истока и стока. Транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Условное обозначение МДП — транзисторов:

а − со встроенным каналом n — типа;

б − со встроенным каналом р- типа;

в − с выводом от подложки;

г − с индуцированным каналом n — типа;

д − с индуцированным каналом р- типа;

е − с выводом от подложки.

Статические характеристики полевых МДП — транзисторов.

При U зи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения U зи 0 поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны – носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при U зи 0 располагаются ниже кривой, соответствующей U зи = 0.

При подаче на затвор напряжения U зи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины р- типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока I с увеличивается. Стоковые характеристики при U зи > 0 располагаются выше исходной кривой при U зи = 0.

Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения U си . Ток I c = 0 при U си = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.

Параметры МДП — транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р- n — переходом. По входному сопротивлению МДП — транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р- n — переходом.

схемы включения

Полевой транзистор можно включать с общим истоком-а (ОИ), общим стоком-в (ОС) и общим затвором-б (ОЗ).

Чаще всего применяется схема с ОИ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем имеет ограниченное применение.

усилительный каскад на полевых транзисторах

Схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ .

Транзистор в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока I сп и соответствующим ему напряжением сток-исток U сип . Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора U зип . Это напряжение возникает на резисторе R и при прохождении тока I сп (U R и = I сп R и ) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R 3 . Резистор R и , кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя I сп . Чтобы на резисторе R и не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором С и. Этим и обеспечивают постоянство коэффициента усиления каскада.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Несколько определений:

Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком.

Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком.

Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-n переходом, называется каналом полевого транзистора.

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

1) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутренним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходов увеличивается, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина p-n переходов может увеличиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

Чем объяснить высокое входное сопротивление полевого транзистора?

Т.к. управление полевым транзистором осуществляется электрическим полем, то в управляющем электроде практически нет тока, за исключением тока утечки. Поэтому полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, порядка 10 14 Ом.

От чего зависит ток стока полевого транзистора?

Зависит от подаваемых напряжений U си и U зи.

Схемы включения полевых транзисторов.

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

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

В чем отличие полевого транзистора от биполярного?

В полевом транзисторе управление током осуществляется электрическим полем, создаваемым приложенным напряжением, а не с помощью тока базы. Поэтому в управляющем электроде практически нет тока, за исключением токов утечки.

Статический режим включения транзистора. Статические характеристики полевых транзисторов.

К основным характеристикам относятся:

Стокозатворная характеристика (рис. а) – это зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

Стоковая характеристика (рис. б) – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе Ic = f (Uси) при Uзи = Const.

Основные параметры:

Напряжение отсечки.

Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В.

Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора

Поясните влияние на ток стока напряжений U зи и U си .

Влияние подводимых напряжений в транзисторе в управляемом иллюстрируется на рисунке:

Три основных рабочих режима транзистора.

В различных видах полевых транзисторов и при различных внешних напряжениях затвор может оказывать два вида воздействий на канал: в первом случае (например, в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом при напряжениях на электродах, соответствующих рис. 2-1.5) он препятствует протеканию тока через канал, уменьшая число носителей зарядов, проходящих через него (такой режим называют режимом обеднения канала ), во втором случае (например, в МДП-транзисторах с индуцированным каналом, включенных в соответствии с рис. 2-1.7) затвор, наоборот, стимулирует протекание тока через канал, увеличивая число носителей зарядов в потоке (режим обогащения канала ). Часто просто говорят о режиме обеднения и режиме обогащения . Заметим, что МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут находиться в активном режиме только в случае режима обогащения канала, а для МДП-транзисторов со встроенным каналом это может быть и режим обогащения, и режим обеднения. В полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом попытка приложить прямое смещение на этот переход вызывает его открытие и протекание существенного тока в цепи затвора. Реальные процессы в транзисторе в этом случае сильно зависят от его конструкции, практически никогда не документируются и трудно предсказуемы. Поэтому говорить о режиме обогащения для полевых транзисторов с управляющим переходом не принято да и просто бессмысленно.

Режим насыщения — характеризует состояние не всего транзистора в целом, как это было для биполярных приборов, а только токопроводящего канала между истоком и стоком. Данный режим соответствует насыщению канала основными носителями зарядов. Такое явление как насыщение является одним из важнейших физических свойств полупроводников. Оказывается, что при приложении внешнего напряжения к полупроводниковому каналу, ток в нем линейно зависит от этого напряжения лишь до определенного предела (напряжение насыщения ), а по достижении этого предела стабилизируется и остается практически неизменным вплоть до пробоя структуры. В приложении к полевым транзисторам это означает, что при превышении напряжением сток-исток некоторого порогового уровня оно перестает влиять на ток в цепи. Если для биполярных транзисторов режим насыщения означал полную потерю усилительных свойств, то для полевых это не так. Здесь наоборот, насыщение канала приводит к повышению коэффициента усиления и уменьшению нелинейных искажений. До достижения напряжением сток-исток уровня насыщения ток через канал линейно увеличивается с ростом напряжения (т.е. ведет себя так же, как и в обычном резисторе). Автору неизвестно какого-либо устоявшегося названия для такого состояния полевого транзистора (когда ток через канал идет, но канал ненасыщен), будем называть его режимом ненасыщенного канала (он находит применение в аналоговых ключах на полевых транзисторах). Режим насыщения канала обычно является нормальным при включении полевого транзистора в усилительные цепи, поэтому в дальнейшем при рассмотрении работы транзисторов в схемах мы не будем делать особого акцента на этом, подразумевая, что между стоком и истоком транзистора присутствует напряжение, достаточное для насыщения канала.

Чем характеризуется ключевой режим работы транзистора?

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю.

Что называют усилительным каскадом?

Соединение нескольких усилителей, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала. Подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Первые предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады – для получения требуемых тока или мощности сигнала.

MOSFET — проверка и прозвонка » PRO-диод

MOSFET — проверка и прозвонка

24.10.2013 | Рубрика: Статьи

Проверка и определение цоколевки MOSFET

Как показывает опыт, новички, сталкивающиеся с проверкой элементной базы подручными средствами, без каких-либо проблем справляются с проверкой диодов и биполярных транзисторов, но затрудняются при необходимости проверить столь распространенные сейчас MOSFET-транзисторы (разновидность полевых транзисторов). Я надеюсь, что данный материал поможет освоить этот нехитрый способ проверки полевых транзисторов.

Очень кратко о полевых транзисторах

На данный момент понаделано очень много всяких полевых транзисторов. На рисунке показаны графические обозначения некоторых разновидностей полевых транзисторов.

Типы MOSFET

G-затвор, S-исток, D-сток. Сравнивая полевой транзистор с биполярным, можно сказать, что затвор соответствует базе, исток – эмиттеру, сток полевого транзистора – коллектору биполярного транзистора.

Наиболее распространены n-канальные MOSFET – они используются в цепях питания материнских млат, видеокарт и т.п. У MOSFET имеется встроенный диод:

MOSFET n-канальный (слева) и p-канальный (справа).

Транзисторы лучше рисовать с диодом — чтобы потом было проще в схеме ориентироваться. Этот диод является паразитным и от него не удается избавиться на этапе изготовления транзистора. Вообще при изготовлении MOSFET возникает паразитный биполярный транзистор, а диод – один из его переходов. Правда нужно признать, что по схемотехнике этот диод все равно частенько приходится ставить, поэтому производители транзисторов этот диод шунтируют диодом с лучшими показателями как по быстродействию, так и по падению напряжения. В низковольтные MOSFET обычно встраивают диоды Шоттки. А вообще в идеале этого диода не должно было бы быть.

Типовое включение полевого (MOSFET) транзистора:

MOSFET типовое включение

Напряжение на затворе!

У подавляющего большинства полевых транзисторов нельзя на затвор (G) подавать напряжение больше 20В относительно истока (S), а некоторые образцы могут убиться при напряжении выше пяти вольт!

Проверка полевых транзисторов (MOSFET)

И вот, иногда наступает момент, когда необходимо полевой транзистор проверить, прозвонить или определить его цоколевку. Сразу оговоримся, что проверить таким образом можно «logic-level» полевые транзисторы, которые можно встретить в цепях питания на материнских платах и видеокартах. «logic-level» в данном случае означает, что речь идет о приборах, которые управляются, т.е. способны полностью открывать переход D-S, при приложении к затвору относительно небольшого, до 5 вольт, напряжения. На самом деле очень многие MOSFET способны открыться, пусть даже и не полностью, напряжением на затворе до 5В.

В качестве примера возьмем N-канальный MOSFET IRF1010N для его проверки (прозвонки). Известно, что у него такая цоколевка: 1 – затвор (G), 2 – сток (D), 3 – исток (S). Выводы считаются как показано на рисунке ниже.

Распиновка корпуса TO-220

1. Мультиметр выставляем в режим проверки диодов, этот режим очень часто совмещен с прозвонкой. У цифрового мультиметра красный щуп «+», а черный «–», проверить это можно другим мультиметром.
На любом уважающем себя мультиметре есть такая штуковина

Прозвонка диодов, да и вообще полупроводниковых переходов на мультиметре.

2. Щуп «+» на вывод 3, щуп «–» на вывод 2. Получаем на дисплее мультиметра значения 400…700 – это падение напряжения на внутреннем диоде.

3. Щуп «+» на вывод 2, щуп «–» на вывод 3. Получаем на дисплее мультиметра бесконечность. У мультиметров обычно обозначается как 1 в самом старшем разряде. У мультиметров подороже, с индикацией не 1999 а 4000 будет показано значение примерно 2,800 (2,8 вольта).

4. Теперь удерживая щуп «–» на выводе 3 коснуться щупом «+» вывода 1, потом вывода 2. Видим, что теперь щупы стоят так же, как и в п.3, но теперь мультиметр показывает 0…800мВ – у MOSFET открыт канал D-S. Если продолжать удерживать щупы достаточно долго, то станет заметно, что падение напряжения D-S увеличивается, что означает, что канал постепенно закрывается.

5. Удерживая щуп «+» на выводе 2, щупом «–» коснуться вывода 1, затем вернуть его на вывод 3. Как видим, канал опять закрылся и мультиметр показывает бесконечность.

Поясним, что же происходит. С прозвонкой внутреннего диода все понятно. Непонятно почему канал остается либо закрытым, либо открытым? На самом деле все просто. Дело в том, что у мощных MOSFET емкость между затвором и истоком достаточно большая, например у взятого мной транзистора IRF1010N измеренная емкость S-G составляла 3700пФ (3,7нФ). При этом сопротивление S-G составляет сотни ГОм (гигаом) и более. Не забыли – полевые транзисторы управляются электрическим полем, а не током в отличие от биболярных. Поэтому в п.4 касаясь “+” затвора (G) мы его заряжаем относительно истока (S) как обычный конденсатор и управляющее напряжение на затворе может держаться еще достаточно долго.

Помой транзистор!

Если хвататься за выводы транзистора руками, особенно жирными и влажными, емкость транзистора будет разряжаться значительно быстрее, т.к. сопротивление будет определяться не диэлектриком у затвора транзистора, а поверхностным сопротивлением. Не смытый флюс также сильно снижает сопротивление. Поэтому рекомендую помыть транзистор, перед проверкой, например, в спирто-бензиновой смеси.

P.S. Спирто-бензиновая смесь при испарении может генерировать статическое электричество, которое, как известно, негативно действует на полевые транзисторы.

Небольшие пояснения о мультиметрах

1. У цифровых мультиметров режим проверки диодов проводится измерением падения напряжения на щупах, при этом по щупам прибор пропускает стабильный ток 1мА. Именно поэтому в данном режиме прибор показывает не сопротивление, а падение напряжения. Для германиевых диодов оно равно 0,3…0,4В, для кремниевых 0,6…0,8В. Но что бы там не измерялось напряжение на щупах прибора редко превышает 3В – это ограничение накладывается схемотехникой мультиметров.
2. В п.4 при измерении падения напряжения открытого канала величина, отображаемая мультиметром может сильно меняться от различных факторов: напряжения на щупах, температуры, тока стабилизации, характеристик самого полевого транзистора.

Тренировка =)

Теперь можно потренироваться в определении цоколевки мощного транзистора. Перед нами транзистор IRF5210 и его цоколевка мне неизвестна.

1. Начну с поиска диода. Попробую все варианты подключения к мультиметру. После каждого измерения корочу ножки транзистора фольгой чтобы обеспечить разряд емкостей транзистора. Возможные варианты показаны в таблице:

Т.е. диод находится между выводами 2 и 3, соответственно затвор (G) находится на выводе 1.

2. Осталось определить, где находятся сток (D) и исток (S) и полярность (n-канал или p-канал) полевого транзистора.

2.1. Если это n-канальный транзистор, то сток (D) – 3 вывод, исток (S) – 2 вывод. Проверяем. Прикладываем «–» щуп мультиметра к выводу 2, «+» к выводу 3 – канал закрыт, так и должно быть – мы же его еще не пытались открыть. Теперь не отнимая щупа «–» от вывода 2 щупом «+» касаемся вывода 1, затем «+» опять прикладываем к выводу 3. Канал не открылся – значит, наше предположение о том, что IRF5210 n-канальный транзистор оказалось неверным.

2.2. Если это p-канальный транзистор, то сток (D) – 2 вывод, исток (S) – 3. Проверяем. Прикладываем «+» щуп мультиметра к выводу 3, «–» к выводу 2 – канал закрыт, так и должно быть – мы же его еще не пытались открыть. Теперь не отнимая щупа «+» от вывода 3 щупом «–» касаемся вывода 1, затем «–» опять прикладываем к выводу 2. Канал открылся – значит, что IRF5210 p-канальный транзистор, вывод 1 – затвор, вывод 2 – сток, вывод 3 – исток.

На самом деле все не так сложно. Буквально пол часа тренировки – и вы сможете без каких-либо проблем проверять MOSFETы и определять их цоколевку!

Метки:: MOSFET, Цоколевка

Читать «Введение в электронику» — Гейтс Эрл Д. — Страница 63

Заметим, что он смещен точно так же, как и полевой транзистор с р-n-переходом и каналом n-типа. Напряжение сток-исток (Е_СИ) должно всегда прикладываться таким образом, чтобы сток имел положительный потенциал по отношению к истоку. Напряжение затвор-исток (Е_ЗИ) должно иметь обратную полярность. Подложка обычно соединяется с истоком либо внутри транзистора, либо снаружи. В специальных случаях подложка может быть соединена с затвором или с другой точкой цепи.

МОП транзистор обедненного типа может быть изготовлен с каналом p-типа. Транзисторы с p-каналом работают точно так же, как и транзисторы с n-каналом. Разница только в том, что основными носителями являются дырки. Вывод стока имеет отрицательный потенциал по отношению к истоку, и ток стока течет в противоположном направлении.

Потенциал затвора может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к истоку.

На рис. 23–11 показано схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с p-каналом. Отличие от обозначения МОП транзистора с n-каналом состоит в том, что стрелка направлена от подложки.

Рис. 23–11. Схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с р-каналом.

МОП транзисторы обедненного типа как с n-каналом, так и с p-каналом являются симметричными. Выводы стока и истока можно поменять местами. В специальных случаях затвор может быть смещен от области стока для того, чтобы уменьшить емкость между затвором и стоком. В случае, когда затвор смещен, выводы стока и истока нельзя поменять местами.

23-2. Вопросы

1. Чем отличается конструкция МОП транзистора от конструкции полевого транзистора с р-n-переходом?

2. Опишите, как полевой МОП транзистор проводит ток.

3. В чем главное отличие работы МОП транзистора от работы полевого транзистора с р-n-переходом?

4. Нарисуйте схематические обозначения МОП транзисторов с n-каналом и с p-каналом и обозначьте их выводы.

5. Какие выводы можно поменять местами в МОП транзисторе и в полевом транзисторе с р-n-переходом?

23-3. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (МОП ТРАНЗИСТОРЫ) ОБОГАЩЕННОГО ТИПА

МОП транзисторы обедненного типа являются открытыми в нормальном состоянии. Это означает, что они имеют заметный ток стока при напряжении затвор-исток равном нулю. Это полезно во многих приложениях. Но также полезно иметь устройство, которое в нормальном состоянии закрыто; то есть устройство, проводящее ток только тогда, когда приложено напряжение Е_ЗИ соответствующей величины. На рис. 23–12 изображен МОП транзистор, работающий как устройство, закрытое в нормальном состоянии. Он подобен МОП транзистору обедненного типа, но не имеет проводящего канала. Вместо этого в подложку внедрены раздельные области стока и истока. На рисунке показана подложка n-типа и области стока и истока р-типа. Может быть также использована и обратная конфигурация. Расположение выводов такое же, как и у МОП транзистора обедненного типа.

Рис. 23–12. МОП транзистор обогащенного типа с р-каналом.

МОП транзистор с p-каналом обогащенного типа должен быть смещен таким образом, чтобы на стоке был отрицательный потенциал по отношению к истоку. Когда к транзистору приложено только напряжение сток-исток (Е_СИ), ток стока отсутствует. Это обусловлено отсутствием проводящего канала между истоком и стоком. Когда на затвор подается отрицательный потенциал по отношению к истоку, дырки направляются к затвору, где они создают канал p-типа, позволяющий протекать току от стока к истоку.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе размер канала увеличивается, что позволяет увеличиться и току стока. Увеличение напряжения на затворе позволяет увеличить ток стока.

Потенциал затвора МОП транзистора с p-каналом обогащенного типа может быть сделан положительным по отношению к истоку, и это не повлияет на работу транзистора. Ток стока в нормальном состоянии равен нулю и не может быть уменьшен подачей положительного потенциала на затвор.

Схематическое обозначение МОП транзистора с р-каналом обогащенного типа показано на рис. 23–13. Оно аналогично обозначению МОП транзистора с p-каналом обедненного типа, за исключением того, что области истока, стока и подложки разделены пунктирной линией. Это показывает, что транзистор в нормальном состоянии закрыт. Стрелка, направленная от подложки, обозначает канал р-типа.

Рис. 23–13. Схематическое обозначение МОП транзистора обогащенного типа с р-каналом.

МОП транзистор с p-каналом обогащенного типа с правильно поданным напряжением смещения показан на рис. 23–14.

Рис. 23–14. Правильно смещенный МОП транзистор обогащенного типа с р-каналом.

Заметим, что Е_СИ делает сток МОП транзистора отрицательным по отношению к истоку. Е_ЗИ также делает затвор отрицательным по отношению к истоку. При увеличении Е_ЗИ и подаче на затвор отрицательного потенциала, появляется заметный ток стока. Подложка обычно соединяется с истоком, но в отдельных случаях подложка и исток могут иметь различные потенциалы.

МОП транзисторы могут быть изготовлены с n-каналом обогащенного типа. Эти устройства работают с положительным напряжением на затворе так, что электроны притягиваются по направлению к затвору и образуют канал n-типа. В остальном они работают так же, как и устройства с каналом р-типа.

Схематическое обозначение МОП транзистора с n-каналом обогащенного типа показано на рис. 23–15. Оно аналогично обозначению устройства с р-каналом за исключением того, что стрелка направлена к подложке, обозначая канал n-типа. Правильно смещенный МОП транзистор с n-каналом обогащенного типа показан на рис. 23–16.

Рис. 23–15. Схематическое обозначение МОП транзистора обогащенного типа с n-каналом.

Рис. 23–16. Правильно смещенный МОП транзистор обогащенного типа с n-каналом.

МОП транзисторы с изолированным затвором обычно симметричны, как и полевые транзисторы с р-n-переходом. Следовательно, сток и исток можно поменять местами.

23-3. Вопросы

1. Чем МОП транзисторы обедненного и обогащенного типа отличаются друг от друга?

2. Опишите, как работает МОП транзистор с изолированным затвором обогащенного типа?

3. Нарисуйте схематические обозначения МОП транзисторов обогащенного типа с р-каналом и с n-каналом и обозначьте их выводы?

4. Почему МОП транзистор с изолированным затвором имеет четыре вывода?

5. Какие выводы МОП транзисторов обогащенного типа можно поменять местами?

Транзисторы

Это три оконечных устройства, в которых ток или напряжение на одной клемме, входной клемме, управляет протеканием тока между ними.

Презентация на тему: «Транзисторы. Это три оконечных устройства, в которых ток или напряжение на одной клемме, входной клемме, контролирует протекание тока между ними» — стенограмма презентации:

ins [data-ad-slot = «4502451947»] {display: none! important;}} @media (max-width: 800px) {# place_14> ins: not ([data-ad-slot = «4502451947»]) {display: none! important;}} @media (max-width: 800px) {# place_14 {width: 250px;}} @media (max-width: 500 пикселей) {# place_14 {width: 120px;}} ]]>

1 Транзисторы. Это три оконечных устройства, где ток или напряжение на одной клемме, входной клемме, управляет потоком тока между двумя оставшимися клеммами.

2 Транзисторы Классифицируются как: FET — полевые транзисторы;
Устройство основной несущей; Униполярное устройство; BJT — биполярный переходной транзистор; Устройство несущей меньшинства; Биполярное устройство.

3 полевые транзисторы Два основных типа: МОП-транзисторы могут быть:
полевых транзисторов, полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник.Также известен как IGFET — полевой транзистор с изолированным затвором; JFET, Junction FET. МОП-транзисторы могут быть: n-канальными; Режим улучшения; Режим истощения; р-канал;

4 Структура MOSFET

5 MOSFET МОП-транзисторы обозначаются символами, подобными показанным ниже:

6 Рабочее напряжение полевого МОП-транзистора Напряжение на затворе управляет потоком тока между стоком и истоком.VGS — Напряжение между затвором и истоком. VDS — Напряжение между стоком и истоком.

7 Работа полевого МОП-транзистора Когда VGS = 0, ток между стоком и истоком не течет. pn-переход имеет обратное смещение.

8 Пороговое напряжение Значение VGS, при котором ток стока только начинает течь. Типичные значения: от 0,3 до 0,8 вольт.

9 Работа MOSFET Два случая: Омическая область: Активная область:

10 Омическая область работы полевого МОП-транзистора:

11 Активная область работы полевого МОП-транзистора:

12 Параметр K Константа K, называемая параметром проводимости, измеряется в единицах мА / В2.Где:

13 Выходные кривые полевого МОП-транзистора Семейство кривых, представляющих ВАХ транзисторов. График зависимости тока стока, ID, от напряжения сток-исток, VDS, для нескольких значений VGS.

14 Омическая и активная области

15 MOSFET с расширением P-канала
Обратите внимание на корпус n-типа и области истока и стока p-типа.И VGS, и VDD отрицательны по отношению к земле.

16 MOSFET в режиме истощения. Встроенный n-канал
. VGS изменяется от отрицательных значений до положительных значений, где отрицательные значения VGS истощают канал, а положительные значения усиливают его еще больше.

17 JFET полевые транзисторы в режиме истощения с другой структурой, чем у полевого МОП-транзистора.Обычно не используется для коммутации элементов цифровых схем. Используется в специальных приложениях, таких как аналоговые схемы, где требуется очень высокий входной импеданс.

18 JFET-транзисторы Каждый p-n-переход имеет обедненную область, лишенную носителей, и шириной обедненной области можно управлять с помощью приложенного напряжения на переходе.

19 JFETs Обратите внимание на максимальное значение VGS.
Что произойдет, если вы сделаете VGS положительным относительно земли.

20 Схема инвертора Эта схема обозначена как конфигурация с общим источником. Используется в цифровых схемах.

21 год Цепь инвертора Когда Vin низкий, транзистор выключен, а Vout высокий. Когда Vin высокий, транзистор включен, а Vout низкий.

22 Модель схемы полевого МОП-транзистора для коммутации
VGS управляет переключателем в модели, а ron определяется как:

23 Схема инвертора

24 Схема инвертора для RL = 1 кОм и VDD = 5 В.

25 Усилители больших сигналов
Смещение постоянного тока: обеспечение правильного уровня постоянного тока на выводах транзистора.Термин «установка точки Q», точка смещения в режиме покоя. То же, что и установка постоянного напряжения и тока для цепи без подачи сигнала.

26 Усилители сигналов большой мощности
Напряжения и токи смещения постоянного тока должны поддерживаться, даже если в цепи присутствует: Изменения источников; Перепады температуры; Изменение стоимости компонентов из-за несоответствий производственного процесса.

27 Усилитель с общим источником

28 год Усилитель с общим источником

29 Схема самосмещения Используется для устройств, которым требуется отрицательное напряжение затвор-исток (n-канальные устройства в режиме обеднения).Отрицательные напряжения затвор-исток достигаются увеличением напряжения истока выше, чем напряжение затвора.

30 Цепь самосмещения

31 год Цепь самосмещения

32 Процедура Нарисуйте линию нагрузки на выходных кривых транзистора.
Найдите точку Q на линии нагрузки. Если в цепи есть байпасный конденсатор, постройте линию нагрузки переменного тока с наклоном: Рассчитайте усиление большого сигнала по напряжению.

33 Другие конфигурации полевых транзисторов

34 BJT Изобретены в 1947 году в Bell Laboratories.
Произошла революция в электронике, заменив электронные лампы.Стандарт для семейств логических устройств TTL (транзисторно-транзисторная логика) и ECL (эмиттерно-связанная логика).

35 год Структура BJT Трехслойный сэндвич из чередующихся полупроводниковых материалов. Два типа: NPN; ПНП. Клеммы: эмиттер; База; Коллекционер.

36 BJT Структура Два диода с p − n-переходом, расположенные очень близко друг к другу.
Соединение между базой и эмиттером называется эмиттерным переходом, а соединение между базой и коллектором называется коллекторным переходом.

37 Конструкция BJT Эмиттер размещен сверху коллектора с очень тонким основанием между ними, и поток первичного носителя идет от эмиттера к коллектору.

38 Режимы отключения: оба перехода имеют обратное смещение, и транзистор выглядит как открытый переключатель.Насыщение — оба перехода смещены в прямом направлении, и транзистор выглядит как замкнутый переключатель. Эти два условия смещения важны для цифровых схем.

39 BJT, работающий как переключатель. Обратите внимание на упрощенную интерпретацию BJT, работающего как переключатель в режимах отсечки и насыщения.

40 BJT Models for Switching
IB (SAT) — минимальный базовый ток, который должен быть превышен, чтобы транзистор находился в режиме насыщения.

41 год Активные режимы работы — эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном. Reverse active — эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный переход — в прямом.

42 Активная область

43 год Активная область

44 год Модель Эберса-Молла

45 Модель Эберса-Молла

46 Усилитель с общим эмиттером

47 Усилитель с общим источником
Нелинейный.Большие вариации в бета-версии. Температурный разгон.

48 Схема самосмещения полезна для управления эффектами, описанными на предыдущем слайде. Эта схема стабилизирует ток коллектора вместо тока базы, тем самым уменьшая влияние бета-колебаний и температуры на рабочую точку покоя. Коллекторный ток определяется напряжением на резисторе RE, включенном последовательно с эмиттером.

49 Цепь самосмещения

50 Процедура Нарисуйте линию нагрузки на выходных кривых транзистора.
Найдите точку Q на линии нагрузки. Если в цепи есть байпасный конденсатор, постройте линию нагрузки переменного тока с наклоном: Рассчитайте усиление большого сигнала по напряжению.

51 Другие конфигурации BJT

Что такое полевой транзистор (FET) | Типы

Биполярный переходной транзистор (BJT) — это устройство, управляемое током. Входной ток устройства контролирует выходной ток.С точки зрения эффективности этот тип транзистора потребляет относительно большое количество энергии из-за высокого тока, который преобразуется в тепло; таким образом, КПД невысокий. Существуют и другие типы транзисторов с более высокой энергоэффективностью. Это связано с их более высоким внутренним сопротивлением. Полевой транзистор (FET) — это еще один тип транзистора, который благодаря своим преимуществам перед переходным транзистором широко используется в промышленных и бытовых электронных приборах.

Сопротивление цепей полевого транзистора намного больше, чем у их аналогов в BJT.Следовательно, ток намного ниже, что приводит к гораздо меньшему энергопотреблению в цепи, в которой используется транзистор этой категории.

Полевой транзистор (FET): Тип транзистора, все еще сделанный из полупроводниковых материалов, основанный на другой структуре и другом механизме работы, чем у переходного транзистора. Он имеет канал или проход, вокруг которого может развиваться электрическое поле и через который проходят электроны. Поток электронов можно контролировать, регулируя полярность и напряженность поля.

Основное отличие между полевым транзистором и переходным транзистором заключается в том, что полевой транзистор имеет только один фазовый переход. Структура и процесс изготовления полевого транзистора отличаются от биполярного переходного транзистора.

В полевом транзисторе основной корпус может быть выполнен из материала N-типа или P-типа, в котором диффузный канал из материала противоположного типа. Если материал канала сделан из материала N, то продукт называется N-channel FET , а если канал сделан из полупроводника P-типа, FET называется P-channel FET .

Полевой транзистор — это управляемый напряжением транзистор , не похожий на BJT, который представляет собой устройство , управляемое током . Причина, по которой он называется полевым транзистором, заключается в том, что на ток через канал влияет электростатическое поле, сформированное вокруг канала. Сила этого поля может управлять потоком электрических носителей в канале.

Схема активной области полевого транзистора и его трех выводов показана на Рис. 1 .На практике транзистор очень мал, и все его элементы выполнены на корпусе, который сам является полупроводником и является частью элементов транзистора.

Рисунок 1 Схема активных частей полевого транзистора.

Названия трех элементов полевого транзистора отличаются от названий для BJT. Когда полевой транзистор проводит, электроны движутся по каналу. Одна сторона канала называется истоком (аналог эмиттера), а другая сторона называется стоком (аналог коллектора).

Канал физически окружен полупроводниковым материалом противоположного типа, который может влиять на протяженность (эффективный размер) канала, тем самым создавая меньшее или большее сопротивление потоку электронов. Это управляющее воздействие осуществляется воротами.

Размер канала (размер эффекта, а не физический размер) определяется напряжением, приложенным к затвору, а не током через затвор. Вот почему полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением.

Источник: (в полупроводниках) Один из трех выводов полевого транзистора, сравнимый с эмиттером в переходном транзисторе.
Сток: Один из трех выводов полевого транзистора (FET), аналог коллектора переходного транзистора.
Gate: Специальное соединение в некоторых полупроводниковых устройствах, которое при получении соответствующего сигнала (в виде напряжения или импульса) позволяет управлять устройством, включая его включение и выключение.

Существует много типов полевых транзисторов, и в некоторых (с симметричной геометрией канала) обозначение истока и стока определяется смещением.

В некоторых других случаях канал не имеет симметричной формы (в процессе изготовления он структурируется по-разному), и одна сторона канала обозначена как исток, а другая сторона — сток. На рисунке 2 показана схема структуры полевого транзистора.

По сравнению с транзистором с биполярным переходом исток, сток и затвор являются эквивалентами эмиттера, коллектора и базы соответственно. Кроме того, полевой транзистор с N-каналом является аналогом транзистора NPN, а полевой транзистор с каналом P соответствует транзистору PNP.

Физически полевые транзисторы похожи на биполярные транзисторы, и невозможно отличить один от другого простым взглядом. Обязательно обращайте внимание на именную бирку и паспорта производителя.

Помимо ряда различий между этими двумя категориями транзисторов, все, что можно сделать с помощью биполярных транзисторов, например усиление, также можно сделать с помощью полевых транзисторов.

В биполярных транзисторах есть общий эмиттер, общая база и общий коллекторный усилитель. Точно так же в полевых транзисторах у нас есть усилители с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно.

полевых транзисторов можно использовать для усиления. По аналогии с BJT, можно использовать усилители с общим истоком, общим стоком и общим затвором.

Точно так же, как NPN-транзистор в равной степени применим к PNP-транзистору, все, что применимо к N-канальному полевому транзистору, верно и для P-канального полевого транзистора. Полярность напряжения смещения и рабочего напряжения, соответственно, противоположна друг другу для N-канальных и P-канальных полевых транзисторов. Далее мы рассматриваем полевой транзистор с N-каналом .

Рисунок 2 Схематическая структура полевого транзистора.

Типы полевых транзисторов (FET)
Полевые транзисторы изначально подразделяются на два типа: полевые транзисторы с переходным эффектом и полевые транзисторы с изолированным затвором.
Первая категория обозначается аббревиатурой JFET. Вторая категория известна как MOSFET из-за материала, используемого для изоляции затвора, который представляет собой металлооксидный полупроводник.Таким образом, более распространенным названием второй категории является полевой транзистор металл-оксид-полупроводник.
Соединительный полевой транзистор: Полевой транзистор одного типа (FET), затвор которого не изолирован. Те с изолированными воротами более продвинуты и распространены.
Полевой транзистор с изолированным затвором: Тип полевого транзистора с изолированным затвором, как у MOSFET.
Металл-оксид-полупроводник : Тип полупроводникового прибора, в котором оксид металла используется для изоляционных слоев.
Металл-оксид-полупроводник Полевой транзистор (MOSFET): Тип полевого транзистора, в котором оксид металла (например, SiO2) используется для изоляции затвора.
Эти два типа различаются по структуре, и есть разница в способах их функционирования. В JFET изоляция между затвором и каналом представляет собой PN-переход с обратным смещением. В MOSFET для этой цели используется слой оксида металла. Это схематично изображено на рисунке 2.
В дополнение к окончательной категоризации каждого типа на N-канал и P-канал, у полевых МОП-транзисторов есть подкатегории, как обсуждается ниже. На рисунке 3 показаны возможные категории полевых транзисторов.
Рисунок 3 Дерево различных семейств полевых транзисторов.
Как можно видеть, семейство JFET связано с истощением , тогда как семейство MOSFET связано с истощением и улучшением .Это (истощение и улучшение) — режимы работы каждой семьи; то есть механизм, в соответствии с которым каждая категория функционирует внутри. Они описаны ниже.
В области обеднения вокруг соединения P-N электроны, которые переместились в эту область, отклоняются и не позволяют другим электронам входить или проходить через слой обеднения. Вот что может случиться в канале полевого транзистора.
Предположим, что две стороны канала, образованного полупроводником N-типа, подключены к напряжению, как показано на Рис. 4 .Электроны притягиваются к положительной стороне (слева направо).
Материал канала — полупроводник, и он проявляет некоторое сопротивление, действуя как резистор. Рассмотрим три случая:
(1) нет напряжения на затворе,
(2) затвор подключен к отрицательному напряжению, а
(3) затвор подключен к положительное напряжение.
Рисунок 4 Истощение и усиление полевого транзистора.
Случай 1
Когда на затворе нет напряжения, в канале может течь ток из-за разницы напряжений между двумя сторонами канала и в зависимости от сопротивления канала.
Случай 2
Если теперь к затвору подключено отрицательное напряжение, вокруг канала будет сформировано отрицательное поле, как показано на рисунке 4. Эффект этого поля заключается в том, чтобы отклонять электроны и уменьшать ток. Это случай, называемый истощение , потому что отрицательное поле истощает электроны в канале.Чем сильнее поле, тем меньше электронов проходит.
Случай 3
Когда затвор подключен к положительному напряжению, вокруг канала формируется положительное поле. Воздействие на электроны заключается в том, чтобы привлечь их и, как следствие, помочь им перемещаться по каналу. Это называется улучшением ; движение электронов усиливается.
В обоих случаях (обеднение и усиление), чем сильнее поле, тем больше влияние на поток электронов.Как показано на рисунке 3, полевые транзисторы JFET работают только на основе истощения, но полевые МОП-транзисторы могут работать либо в режиме истощения, либо в режиме улучшения.
Улучшение: Один из двух методов управления потоком электронов в канале полевого транзистора (FET).
В полевом транзисторе, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током между истоком и стоком.
Junction Field Effect Transistor (JFET)
Хотя JFET и MOSFET являются полевыми транзисторами, они имеют разные символы на принципиальной схеме.Символы для JFET и сравнение с их аналогами в транзисторах с биполярным переходом показаны на Рис. 5 .
Рисунок 5 Обозначения для N-канальных и P-канальных полевых транзисторов.
Характеристики N-канального JFET
Для N-канального JFET напряжение стока должно быть более положительным, чем напряжение истока; то есть сток должен иметь более высокое напряжение по сравнению с истоком. Это аналог полярности для биполярного транзистора NPN, где переход коллектор-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении.
Затвор для этого типа полевого транзистора, тем не менее, должен быть отрицательным по отношению к источнику; то есть переход затвор-исток (материал P-типа в затворе и N-типа для канала) должен иметь обратное смещение.
Затвор должен иметь более низкое напряжение, чем источник. В лучшем случае для этого типа полевого транзистора затвор может быть закорочен на исток и иметь напряжение, равное напряжению истока. Напряжение затвора больше положительного, чем напряжение источника, вредно для полевого транзистора и может вывести его из строя.
Для P-канального JFET верно обратное. Обычно допустимые значения напряжения показаны на Рисунок 6 .
Для N-канального JFET затвор должен быть отрицательным по отношению к источнику.
Рисунок 6 Зависимость напряжения и смещения для JFET: (a) канал N и (b) канал P.
В N-канальном JFET, когда на затвор подается отрицательное напряжение, возникает большее сопротивление электрическому потоку исток-сток, как если бы канал сужался.Это происходит из-за роста области истощения, где встречаются материалы N-типа и P-типа.
Если отрицательное напряжение затвора достаточно высокое, канал полностью блокируется и ток падает до нуля. (Транзистор переходит в состояние отсечки.) В этом отношении наибольший ток истока соответствует случаю, когда затвор и исток имеют одинаковое напряжение.
Обратите внимание, что переход затвор-исток имеет обратное смещение. Следовательно, между источником и затвором нет тока.Следовательно, в отличие от BJT, ток истока и ток стока одинаковы.
Напряжение на затворе предназначено только для поддержания электростатического поля вокруг канала. Подобно BJT, различные напряжения и токи в полевом транзисторе обозначаются соответствующим им элементом. Они показаны на Рисунок 7 . Эти определения также подходят для MOSFET.
Рисунок 7 Определение компонентов схемы полевого транзистора.
Требуемое условие смещения, проиллюстрированное в примере , рис. 6 , требует наличия как положительного, так и отрицательного напряжения от источника питания.Наличие двух блоков питания нежелательно, и обычно один блок питания используется для питания транзистора. {‘} $.Это значение положительно для положительного V _DD. R _G ^‘
Напряжение на S, однако, определяется значениями R _S и I _S. Правильное смещение затвор-исток можно получить, правильно выбрав R _S.
Неправильная величина R _S может сделать напряжение на S меньше, чем напряжение затвора (в N-канальном транзисторе), что может отключить полевой транзистор; Итак, важно правильно выбрать R _S.При работе с сигналами переменного тока, которые заставляют I _S изменяться от минимального до максимального значения, транзистор может перейти в режим отсечки для некоторых значений IS.
Рисунок 8 Методы смещения для полевого транзистора: (a) фиксированное смещение , (b) самосмещение и (c) смещение делителя напряжения .
Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET)
Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) представляет собой полевой транзистор, затвор которого изолирован от основного корпуса транзистора слоем металлооксидного полупроводника (например, SiO ₂).Этот слой очень тонкий, и по этой причине полевые МОП-транзисторы легко повреждаются, если они подвергаются воздействию напряжений, превышающих их номинальные значения.
Они также очень чувствительны к статическому электричеству, и с ними необходимо обращаться осторожно и обеспечивать достаточную защиту от статического электричества, чтобы не повредить их.
Помимо изоляции затвора, еще одно различие между JFET и MOSFET — это канал . В то время как в JFET канал сделан из того же материала, что и исток и сток, MOSFET не имеет канала или имеет канал меньшего размера, сделанный из полупроводникового материала, который намного менее легирован, чем у истока и стока.
Как указывалось ранее, существует два типа полевых МОП-транзисторов в зависимости от механизма, с которым они работают: истощение и усиление .
Первый тип называется D-MOSFET. У него есть канал, и он может работать как в режиме истощения, так и в режиме улучшения (по этой причине иногда его называют DE-MOSFET).
второго типа , называемый E-MOSFET, может работать только в режиме улучшения. Рисунок 10 схематически показывает структурные различия между двумя типами.
Рисунок 10 Структурные различия между D-MOSFET и E-MOSFET.
E-MOSFET — это отключенное устройство, что означает, что когда на затвор не подается напряжение (V _GS = 0), транзистор находится в режиме отсечки. Если затем на затвор подается положительное напряжение, между истоком и стоком возникает ток. Этим током можно управлять, изменяя напряжение затвора.
В D-MOSFET , однако, существует ток I _DS между стоком и истоком, даже когда V _GS = 0 (когда между стоком и истоком существует V _DS).Затем I _DS можно понизить (работая в режиме истощения), подав отрицательное напряжение на затвор, или его можно увеличить (работая в режиме улучшения), подав положительное напряжение на затвор.
Символы для основных категорий полевых МОП-транзисторов показаны на рис. 11 . Есть и другие разновидности полевых МОП-транзисторов, но мы не рассматриваем их здесь.
Рисунок 11 символов MOSFET.
МОП-транзистор имеет высокое входное сопротивление.Это несомненное преимущество перед BJT и JFET, поскольку подразумевает низкий входной ток и очень низкую рассеиваемую мощность.
Кроме того, он больше подходит для подключения к устройствам с высоким выходным сопротивлением. Другие преимущества, которые сделали использование MOSFET более популярным, чем BJT, — это нечувствительность (1) к изменению температуры и (2) высокочастотная способность (быстрое переключение).
Схема драйвера полевого транзистора с быстрым переключением
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к источникам питания в целом и, в частности, к источникам питания с высокочастотными инверторами.
Было обычной практикой использовать биполярные переключающие транзисторы в качестве переключающего устройства в источниках питания инверторного типа предшествующего уровня техники. Биполярные транзисторы в источниках питания, работающих в диапазоне от 20 до 30 кГц, получили широкое распространение. Когда желательно переключить режим импульсного источника питания на частоты 200 кГц или выше, возникают проблемы с использованием биполярных транзисторов. Биполярные транзисторы управляются по току, и для них часто требуются источники тока с базовым приводом на уровне ампера.Кроме того, они демонстрируют задержки переключения из-за времени хранения неосновных носителей. Кроме того, биполярные транзисторы могут выйти из строя во втором пробое; и, из-за своего отрицательного температурного коэффициента, имеют тенденцию к выходу из строя из-за скопления тока внутри устройства; и, как правило, чувствительны к колебаниям температуры.
Источники питания инверторного типа часто требуют изоляции между схемой привода и устройством переключения мощности, причем наиболее распространенный тип изоляции обеспечивается трансформатором.Когда пытаются переместить рабочие скорости в более высокие диапазоны частот, обычно требуется, чтобы трансформатор имел низкие требования к смещению, то есть низкий ток намагничивания, низкую межобмоточную емкость и низкую индуктивность рассеяния. Трансформатор, отвечающий этим требованиям для приложения с очень быстрым переключением, например в диапазоне 15 наносекунд, было бы очень сложно и дорого разработать и реализовать.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к источнику питания инверторного типа, который обеспечивает изоляцию между схемой возбуждения и устройством переключения мощности.Устройство переключения мощности представляет собой полевой транзистор, который демонстрирует характеристики, заключающиеся в том, что он управляется напряжением, а не током, и имеет очень небольшой мгновенный ток утечки, который протекает через цепь затвора, что приводит к усилению постоянного тока порядка 10 ⁹ . Кроме того, высокий импеданс, связанный со схемой затвора, позволяет подключать относительно слаботочные схемы возбуждения непосредственно к схеме затвора. Полевые транзисторы являются устройствами с большинством несущих, поэтому не имеют временных задержек с сохранением на неосновных носителях.Время задержки переключения полевого транзистора может быть в наносекундном диапазоне и в первую очередь зависит от емкости затвора, которую необходимо заряжать и разряжать. Полевые транзисторы обычно не показывают отказов из-за вторичного пробоя и имеют положительный температурный коэффициент, который имеет тенденцию выравнивать ток по всему устройству. Полевые транзисторы демонстрируют характеристики температурной стабильности коэффициента усиления и времени переключения, в первую очередь из-за того, что переключение зависит от заряда и разряда емкости затвора, которая существенно не изменяется при изменении температуры.
В настоящее изобретение включен импульсный трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки, причем первичные обмотки приспособлены для связи с источниками постоянного напряжения. Предусмотрено устройство переключения входа, использующее переключающий транзистор, связанный с первичными обмотками и адаптированный для приема управляющих импульсов, которые заставляют переключающий транзистор переключаться в проводящее и непроводящее состояние, тем самым создавая переменное напряжение на первичной обмотке. Схема затвора полевого транзистора соединена со вторичной обмоткой импульсного трансформатора через схему зарядки и разрядки затвора, которая работает для увеличения скорости, с которой емкость затвора заряжается во время переключения полевого транзистора на его в проводящем состоянии и для увеличения скорости разряда емкости затвора, когда полевой транзистор переключается в непроводящее состояние, что приводит к уменьшению задержки операции переключения, обычно связанной с зарядкой емкости затвора и разрядные требования.Конструкция схемы позволяет использовать относительно легко получаемые импульсные трансформаторы, вместо того, чтобы требовать выполнения требований, упомянутых выше, при обеспечении работы и изоляции действия импульсного трансформатора в схеме, обеспечивая, таким образом, источник питания инверторного типа, который работает на частотах значительно больше, чем те, которые могут быть легко достигнуты с использованием устройств с биполярным переходом.
ОБЪЕКТЫ
Ввиду вышеизложенного уровня техники и сущности изобретения целью настоящего изобретения является создание улучшенного источника питания инверторного типа, способного работать на очень высоких частотах.
Еще одной целью этого изобретения является создание улучшенного источника питания, в котором в качестве устройства переключения мощности используется полевой транзистор.
Еще одна цель этого изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенный источник питания инверторного типа, который использует полевой транзистор в качестве устройства переключения мощности и включает схему для увеличения скорости зарядки емкости затвора полевого транзистора для увеличения переключение полевого транзистора в токопроводящее состояние и обеспечение схемы для увеличения скорости разряда емкости затвора для увеличения скорости, с которой полевой транзистор может быть переключен в непроводящее состояние.
Еще одной целью этого изобретения является создание улучшенного источника питания инверторного типа, использующего транзистор переключения мощности в качестве устройства переключения мощности, который не требует использования специально разработанных импульсных трансформаторов, обеспечивая при этом скорости переключения со скоростями порядка величина больше, чем это доступно в настоящее время при использовании устройств на биполярных транзисторах.
Еще одна цель этого изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенный источник питания инверторного типа с уменьшенным рассеянием мощности, требуемым при операции переключения.
Еще одной целью этого изобретения является создание улучшенного источника питания инверторного типа, использующего полевой транзистор в качестве переключающего устройства, который имеет высокую степень температурной стабильности.
Эти и другие цели и преимущества изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники после прочтения следующего подробного описания вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
ФИГ. .1 — блок-схема источника питания инверторного типа, имеющего изоляцию между схемой возбуждения и устройством переключения мощности и использующего схему зарядки затвора и разрядку затвора для повышения скорости переключения.
РИС. 2 является принципиальной схемой одного варианта осуществления схемы драйвера полевого транзистора с быстрым переключением по настоящему изобретению, в которой используется переключающий транзистор в пути разряда емкости затвора для увеличения скорости разряда емкости затвора.
РИС. 3 представляет собой подробную принципиальную схему схемы драйвера полевого транзистора с быстрым переключением, использующей два переключающих транзистора в схеме зарядки затвора и разрядки затвора.
РИС. 4 — альтернативная подробная принципиальная схема схемы драйвера быстродействующего полевого транзистора, использующей переключающий транзистор в схеме зарядки затвора и переключающий транзистор в схеме разрядки затвора.
РИС. 5 показаны характерные формы волны сигнала, подаваемого при управлении входом, сигнала на первичной обмотке импульсного трансформатора, сигнала на вторичной обмотке импульсного трансформатора и сигнала, подаваемого на затвор полевого транзистора.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 — блок-схема источника питания инверторного типа, имеющего изоляцию между схемой возбуждения и устройством переключения мощности. В данной конфигурации источник управляющих импульсов 10 обеспечивает переключение управляющих импульсов для управления работой первичной обмотки импульсного трансформатора 12. Полевой транзистор, в дальнейшем называемый полевым транзистором, используется в качестве устройства переключения мощности 14, работа которого обеспечивает мощность подается по линии 16 на нагрузку.Желательно переключать устройство 14 переключения мощности с такой частотой, чтобы ширина импульса составляла менее пятнадцати наносекунд, при сохранении изоляции силовой цепи от управляющей логики. Скорость, с которой может переключаться полевой транзистор, зависит от скорости, с которой затвор полевого транзистора может заряжаться и разряжаться. С этой целью схема 18 зарядки затвора соединена между вторичной обмоткой импульсного трансформатора и затвором полевого транзистора для быстрой зарядки схемы затвора полевого транзистора в ответ на приложенные входные импульсы, тем самым вызывая включение полевого транзистора.Схема также обеспечивает схему 20 разрядки затвора, соединенную между вторичной обмоткой импульсного трансформатора и схемой затвора полевого транзистора для быстрого разряда емкости, когда управляющий импульс выключен, тем самым выключая полевой транзистор. Что касается уровней напряжения, то низкое напряжение затвора создает состояние выключения полевого транзистора, которое не является проводящим, в то время как относительно высокое напряжение затвора создает состояние включения, в котором полевой транзистор является проводящим.
РИС. 2 — принципиальная схема одного варианта осуществления схемы драйвера быстродействующего полевого транзистора согласно настоящему изобретению.Импульсный трансформатор T1 имеет одну клемму 22 своей первичной обмотки, подключенную к источнику постоянного напряжения V1, а другую первичную клемму, подключенную к переходу 24. Анод диода CR1 соединен с переходом 24, а его катод соединен с выводом 26, который приспособлен для подключения к источнику постоянного напряжения V2. Коллектор переключающего транзистора Q1 соединен с переходом 24, а его эмиттер соединен с выводом 28, который приспособлен для приема источника постоянного напряжения V3. Базовый вывод транзистора Q1 соединен с выводом 30, который приспособлен для приема управляющих импульсов от источника (не показан).Для этого варианта осуществления V1 номинально составляет 5 вольт постоянного тока, V2 номинально составляет 12 вольт постоянного тока, а V3 номинально составляет 0 вольт постоянного тока. Диод CR1 и переключающий транзистор Q1 — это низковольтные устройства, которые доступны в продаже.
Импульсный трансформатор
T1 может быть относительно простым и недорогим из-за конфигурации схемы. Как правило, он должен иметь соотношение витков 1: 1, например, иметь четыре витка первичной обмотки и четыре витка вторичной обмотки на ферритовом тороиде диаметром 16 мм, и, предпочтительно, он должен иметь бифилярную намотку.
Схема зарядки затвора / Схема разрядки затвора состоит из вторичной обмотки импульсного трансформатора T1, диода CR2, диода CR3, переключающего транзистора Q2 и резистора R1. Переход 32 цепи соединен с анодом диода CR2, одним выводом резистора R1, одним выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора T1 и базовым выводом переключающего транзистора Q2. Переход 34 соединен с катодом диода CR2, эмиттерным электродом переключающего транзистора Q2 и схемой g затвора для полевого транзистора Q3.Анод диода CR3 соединен с выводом коллектора переключающего транзистора Q2, а его катодный вывод соединен с общей линией 36 на переходе 37. Другой вывод резистора R1 соединен с другим выводом вторичной обмотки на переходе 38. Исток Вывод s полевого транзистора Q3 соединен с общей линией 36. Резистор R2 соединен между выводами затвора g и истока s полевого транзистора Q3. Вывод стока d полевого транзистора Q3 соединен с линией 16 для управления нагрузкой.
Во время работы можно видеть, что импульсный трансформатор T1 переключается на источник постоянного тока V1, когда переключающий транзистор Q1 переводится в проводящее состояние подачей управляющего импульса на вывод 30.Функционально, когда переключающий транзистор Q1 включен, т.е. проводит ток, полевой транзистор Q3 включается. Анод CR2 смещен положительно, переводя его в проводящее состояние. При такой проводимости ток подается на вывод g затвора полевого транзистора Q3, быстро заряжая емкость затвора и переключающий полевой транзистор Q3 в положение ВКЛ. Когда управляющий импульс, поданный на клемму 30, снова выключается и вызывает выключение переключающего транзистора Q1, импульсному трансформатору T1 разрешается сбросить. Во время сброса индуктивная отдача импульсного трансформатора T1 заставляет переключающий транзистор Q2 проводить, тем самым разряжая емкость затвора g полевого транзистора Q3.Диод CR3 используется для предотвращения выхода из строя диодного перехода база-коллектор Q2 при обратном смещении. Понятно, что импульсный трансформатор T1 имеет достаточную проводимость, чтобы обеспечить управление переключающим транзистором Q2, чтобы вызвать выключение полевого транзистора Q3 с желаемой скоростью. Обычно ожидается, что неизбежная индуктивность рассеяния импульсного трансформатора T1 будет ограничивать скорость, с которой емкость затвора полевого транзистора может заряжаться или разряжаться. Однако использование переключающего транзистора Q2 при выключении преобразует эту индуктивность рассеяния и эффективно снижает ее на коэффициент, равный коэффициенту усиления переключающего транзистора.Для тех приложений, где переключение при включении не требует такой высокой скорости переключения, как при выключении, нет необходимости использовать переключающий транзистор на пути зарядки к схеме затвора полевого транзистора Q3. Ниже будут описаны подробные варианты осуществления, которые обеспечивают работу переключающего транзистора в пути заряда, а также в пути разряда.
Резистор R1 — это демпфирующий резистор, предотвращающий чрезмерный звон или выброс импульсного трансформатора T1, и разрядный резистор.
Резистор R2 предназначен для того, чтобы гарантировать, что вывод затвора полевого транзистора Q3 не накапливает статический заряд, и обеспечивает определенный импеданс на выводе затвора для улучшения помехоустойчивости и гашения колебаний потенциала.
В этой конфигурации мощность, потребляемая в схеме переключения, очень мала, например, порядка 15 милливатт, в то время как мощность порядка 100 Вт контролируется полевым транзистором Q3.
Переключающие транзисторы Q1 и Q2 могут быть низковольтными устройствами, но должны переключаться с очень высокой скоростью, например, порядка 50 МГц, но могут быть выбраны из компонентов, имеющихся в продаже.Точно так же диоды CR1, CR2 и CR3 могут быть выбраны из низковольтных диодных устройств, доступных на рынке, но должны быть выбраны из компонентов, имеющих сопоставимое время отклика. FET Q3 — это силовой транзистор того типа, который имеется в продаже.
РИС. 3 представляет собой подробную принципиальную схему схемы управления быстрым переключением полевого транзистора, использующей два переключающих транзистора в цепи зарядки и разрядки затвора. В этой конфигурации работа входной схемы 10 и первичной обмотки импульсного трансформатора такая же, как описано ранее.Когда компоненты, которые были описаны ранее, выполняют аналогичную функцию, им присваивается одинаковое обозначение. Как описано ранее, схема предназначена для включения и выключения силового полевого транзистора Q3 путем переключения его затвора g на высокий и низкий уровень соответственно в ответ на управляющие импульсы, подаваемые на входной контакт 30 на базовый контакт переключающего транзистора Q1. Относительно низкое напряжение, приложенное к выводу 30, например, в диапазоне от 0 до 2 вольт, приводит к переключению транзистора Q1 в выключенное состояние.Чтобы включить транзистор Q1, управляющие импульсы должны подаваться положительно, например, в диапазоне от 4 до 10 вольт для достижения коммутирующего действия.
В этой конфигурации используется пара переключающих транзисторов Q2N и Q2P, каждый из которых имеет свои базовые выводы, соединенные вместе в переходе 44, который, в свою очередь, соединен с катодом диода CR2 и резистором R1 в точке 46. Анод диода CR2 подключен к одному выводу вторичной обмотки импульсного трансформатора T1. Другой вывод резистора R1 соединен с общей линией 36 в точке 38.Конденсатор C1 подключен между коллекторным электродом переключающего транзистора Q2N и общей линией 36. Коллектор переключающего транзистора Q2P подключен к общей линии 36. Эмиттерные электроды переключающих транзисторов Q2N и Q2P подключены к переходу 48, который, в свою очередь, подключен к затвор g полевого транзистора Q3.
Когда работа начинается впервые, переключающий транзистор Q1 включается путем подачи управляющего импульса на его базовый электрод, тем самым подавая 5 вольт постоянного тока на первичную обмотку импульсного трансформатора T1.Напряжение, создаваемое на вторичной обмотке, будет зависеть от соотношения витков, и это вторичное напряжение будет подаваться на анод диода CR2. Положительное напряжение на аноде CR2 заставляет его пропускать ток к переходу 46, где он направляется на разряд резистора R1, к переходу 44, где он смещает переключающий транзистор Q2N, чтобы вызвать протекание тока к переходу база-эмиттер для зарядки емкости затвор g полевого транзистора Q3 и через переход база-коллектор заряжать конденсатор C1. Когда емкость затвора полностью заряжена и полевой транзистор Q3 включен, ток в цепи затвора прекращается.Поскольку анод диода CR2 все еще смещен положительно, ток продолжается, и падение потенциала на резисторе R1, вызванное протеканием тока через него, поддерживает соответствующий потенциал затвора, заставляя полевой транзистор Q3 удерживаться во включенном состоянии.
Когда переключающий транзистор Q1 выключается управляющим импульсом, первичное и вторичное напряжения на импульсном трансформаторе T1 меняются местами. Это реверсирование приводит к тому, что первичное напряжение становится равным V1 минус V2, которое для данной конфигурации будет составлять плюс 5 вольт постоянного тока минус 12 вольт постоянного тока, что дает минус 7 вольт постоянного тока.Это реверсирование напряжения преобразуется во вторичную обмотку и приводит к подаче отрицательного напряжения на анод диода CR2, что вызывает обратное смещение. Это вызывает прекращение прохождения тока через диод CR2 и тем самым прекращает прохождение тока к резистору R1. Когда напряжение на резисторе R1 уменьшается до 0, потенциал затвора полевого транзистора Q3 приводится в действие, чтобы выключить полевой транзистор Q3. Скорость, с которой происходит выключение, зависит от скорости, с которой емкость затвора может быть разряжена.Путь разряда проходит через переход эмиттер-база переключающего транзистора Q2P и разрядный резистор R1. Этот ток разряда усиливается за счет усиления переключающего транзистора Q2P, тем самым обеспечивая относительно большой ток разряда. Это ускоряет разряд емкости затвора полевого транзистора Q3 и заставляет его менять свое рабочее состояние на состояние ВЫКЛЮЧЕНО быстрее, чем это могло бы быть достигнуто в противном случае.
Во время реверсирования напряжения и разрядки емкости затвора будет тенденция к разрядке конденсатора C1.Эта скорость разряда будет приблизительно пропорциональна отношению емкости затвора полевого транзистора Q3 и емкости конденсатора Cl. Соответственно, конденсатор C1 выбирается с существенно большим уровнем емкости, чем емкость затвора.
Обратное напряжение на импульсном трансформаторе T1 не поддерживается и в конечном итоге падает. Тогда первичные и вторичные напряжения равны 0, а полевой транзистор Q3 остается в выключенном состоянии.
После начального цикла, когда конденсатор C1 был заряжен, работа дополнительно улучшается.Последующее приложение управляющего импульса к выводу 30 для повторного включения переключающего транзистора Q1 приводит к протеканию тока на базовом выводе переключающего транзистора Q2N. Заряд на конденсаторе C1 смещает коллектор переключающего транзистора Q2N положительно, позволяя переключающему транзистору Q2N работать в активном состоянии, и приводит к появлению зарядного тока на затворе g полевого транзистора Q3, который определяется уровнем базового тока, протекающего через переключающий транзистор Q2N. усиливается усилением этого переключающего транзистора.Таким образом, емкость затвора полевого транзистора Q3 заряжается быстрее, и он переключается в состояние ВКЛ. В конце каждого положительного перехода затвора g полевого транзистора Q3, при котором не требуется дальнейшего стока тока, ток, который течет к базе переключающего транзистора Q2N, используется для зарядки конденсатора C1 через переход база-коллектор переключающего транзистора. Q2N. Эта функция позволяет конденсатору C1 находиться в заряженном состоянии, готовом к следующей подаче управляющего импульса на переключающий транзистор Q1.Работа переключающего транзистора Q2P такая же, как описано ранее для последующих циклов. Таким образом, из вышеизложенного можно видеть, что только что описанная схема работает эффективно за счет использования относительно недорогого импульсного трансформатора, обеспечивающего повышенную скорость переключения для силового полевого транзистора за счет использования схем зарядки и разрядки емкости затвора.
РИС. 4 — альтернативная подробная принципиальная схема схемы управления быстрым переключением полевого транзистора.Опять же, компоненты, которые были ранее описаны и обозначены ссылками, будут иметь тот же номер ссылки или обозначение ссылки. В этой конфигурации соединения переключающих транзисторов Q2N и Q2P вместе с конденсатором C1 в основном одинаковы. Резистор R1 был удален из схемы, а диод CR2 перемещен для подключения между выводом коллектора переключающего транзистора Q2P и общей линией 36. Работа схемы очень похожа на работу, описанную со ссылкой на фиг.3, при условии, что для работы драйвера требуется некоторая дополнительная мощность из-за удаления резистора R1. Это является результатом условия, при котором затвор g полевого транзистора Q3 должен заряжаться несколько отрицательно, когда напряжение импульсного трансформатора T1 меняется на противоположное, а затем должен быть возвращен в 0, когда напряжение импульсного трансформатора падает до 0. В этой конфигурации диод CR2 используется в цепи. коллекторная цепь переключающего транзистора Q2P для изоляции цепи база-коллектор во время реверсирования напряжений.В этой конфигурации ток намагничивания импульсного трансформатора T1 используется вместо функции питания резистора R1 в обеспечении привода для переключающего транзистора Q2P.
Компоненты схемы будут выбраны с учетом характеристик полевого транзистора Q3 в сочетании с управляющими сигналами, которые подаются на базу переключающего транзистора Q1. Для характерного варианта осуществления с полевым транзистором Q3, имеющим емкость затвора в диапазоне от 1 до 4 нанофарад, значение конденсатора C1 должно быть выбрано примерно в 10 раз больше, чем емкость затвора, то есть в диапазоне от 10 до 40. нанофарады.Значение резистора R1 выбирается в диапазоне от 1000 до 10 000 Ом. Резистор R2 будет выбран в диапазоне от 10 000 до 100 000 Ом. Следует понимать, что это характеристические значения, которые не предназначены для ограничения объема изобретения.
РИС. 5 показаны характерные формы волны сигнала, подаваемого на вход управления, сигнала на первичной обмотке импульсного трансформатора, сигнала на вторичной обмотке импульсного трансформатора и сигнала, подаваемого на затвор полевого транзистора.В предпочтительном варианте осуществления управляющие импульсы происходят циклами, причем цикл c обычно имеет длительность 5 наносекунд. Импульс p имеет номинальную длительность 2 наносекунды. Таким образом, можно видеть, что возникновение управляющего импульса на базе переключающего транзистора Q1 приводит к тому, что сигнал на первичной обмотке импульсного трансформатора T1 возрастает с 0 вольт до 5 вольт, а затем меняется на минус 7 вольт, когда управляющий Импульс прекращен. Затем первичное напряжение возвращается к 0 вольт и стабилизируется для подачи следующего последовательного управляющего импульса.Иллюстративные формы волны показывают соотношение 2: 1 числа витков первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора. Соответственно, экскурсии во вторичной системе примерно вдвое больше, чем в первичной. Наконец, сигналы, подаваемые на затвор g полевого транзистора Q3, переключаются с 0 вольт примерно на плюс 9 вольт каждый раз, когда подается управляющий импульс.
После описания целей и задач изобретения вместе с описанием предпочтительных вариантов осуществления изобретения и их работы, то, что предполагается защищать патентными письмами, изложено в прилагаемой формуле изобретения.
Знакомьтесь, мистер FET … Транзистор, который думает, что это трубка, февраль 1967 г. Популярная электроника
Февраль 1967 г. Популярная электроника
Оглавление
Воск, ностальгирующий по истории ранней электроники. См. Статьи из Популярная электроника, опубликовано с октября 1954 года по апрель 1985 года. Настоящим подтверждаются все авторские права.
Вчера исполнилось 71 год объявления об изобретении транзистора доктором.Шокли, Бардин и Браттейн в Bell Labs, но это было воскресенье, поэтому не так много посетителей RF Cafe видели памятный изображение заголовка, которое я использовал (см. здесь). Их транзистор был устройством усиления сигнала, управляемым током, в отличие от полевого транзистора. (FET), который представляет собой устройство усиления сигнала с управляемым напряжением, как и электронная лампа. Я никогда не думал об этом раньше, но, возможно, это как-то связано с электроникой колебания мира относительно принятия транзистора в качестве замены лампы.В начале история транзистора, практические применения были ограничены из-за низкой надежности, низкого мощность, низкая частота, отсутствие жесткости в тяжелых условиях эксплуатации и другие недостатки по сравнению с известными и усовершенствованными электронными лампами были достаточной причиной чтобы избежать новомодной технологии, но эта управляемая током вещь могла быть барьер, препятствующий адаптации, столь же значительный, как и любое из вышеупомянутых препятствий. К тому времени, когда полевые транзисторы стали широко доступны для коммерческого использования, Transistor vs.трубка битва уже складывалась в пользу транзистора. Первоначально полевые транзисторы пользовались огромным кадры чирлидеров в области цифровых схем из-за их чрезвычайно низкого энергопотребления. Одним из наиболее заметных применений полевых транзисторов в аналоговом мире были входы с высоким импедансом. к операционным усилителям и вольтметрам.
Знакомьтесь, мистер FET … Транзистор, который думает, что это трубка
Луи Э. Гарнер-младший, редактор отдела полупроводников
Этот маленький товарищ и его семья приобретают твердотельный накопитель
Сложно представить в свете современных достижений науки и техники, что всего несколько лет назад не было ни транзисторов, ни интегральных схем.На самом деле, есть еще много старожилов, которые помнят «доисторическую» эпоху, когда не было и электронных ламп. В те дни радиопередатчики испускали странные искры. электромеханические монстры, имевшие ностальгическое сходство с огнедышащими драконами еще более ранней эпохи.
Радиоприемники тоже были простыми. Огромная антенна подключена к паре негабаритных катушки, кусочек минерала-галенита — с кошачьим усом (тонкая проволока), пара наушников … и это был приемник. Кристаллический детектор галенита был дешев, но бесчувственны и темпераментны. Именно в поисках лучшего детектора проф. Дж. А. Флеминг разработал диодную вакуумную лампу, которая по праву получила известность. как «клапан Флеминга».
Рис. 1 — Вид в разрезе иллюстрирует внутреннюю конструкцию триода. вакуумная труба. Схематический символ, представляющий эту трубу, показан под разрезом.
Рис. 2 — Поперечное сечение основного переходного транзистора показывает многослойную конструкцию из полупроводникового материала для блока pnp. Обратите внимание на направление стрелки в условном обозначении.
Рис. 3 — Поперечное сечение полевого транзистора с n-канальным переходом. показаны области p-типа, диффундированные в подложку n-типа. Символ не полностью стандартизирован еще.
Вскоре после этого д-р Ли Де Форест, изобретатель и ученый, добавил управляющую сетку. что впервые позволило вакуумной лампе усиливать, генерировать колебания и обнаруживать электрические сигналы.
С разработкой электронных ламп пришла гигантская промышленность с рекордными показателями. достижения в области радиовещания, электронного наблюдения, компьютерных технологий и производственный контроль. В ходе этой промышленной революции электронная лампа был увеличен, уменьшен, модифицирован и усовершенствован многими способами, включая добавление больше электродов.Но была пресловутая ложка дегтя. Большинство трубок произведено так много тепла, что у них был относительно короткий срок службы, что привело к высокому интенсивность отказов электронного оборудования лампового типа.
Затем, в начале 1948 г., доктор. Шокли, Бардин и Браттейн — все ученые Bell Telephone Laboratories — объявила об изобретении совершенно нового устройства: триода. «кристалл», который, как они утверждали, мог как усиливать, так и обнаруживать электрические сигналы.Дублированный Транзистор (от TRANsfer и re-SISTOR), устройство представляло собой не что иное, как крошечный кубик из кристаллического полупроводникового материала с двумя тонкими проволочными кошачьими усами. Минутное напряжение приложенный к базовому кристаллу (в дальнейшем называемый базой), управлял гораздо большим током течет между двумя усами, один из которых назывался эмиттером, а другой коллекционер. Первые транзисторы были дорогими, шумными и не слишком надежными. Но эти недостатки компенсировались их чрезвычайно маленькими размерами, высокой эффективностью и потенциально как минимум, простота изготовления.
К 1951 году, задолго до того, как этот ранний точечный транзистор представлял даже небольшую угрозу к превосходству вакуумной лампы, радикально нового типа транзистора, ныне распространенного и был представлен широко используемый переходной транзистор.
ламп и транзисторов. Несмотря на то, что транзисторы во многих смыслах были находкой, они принесли новых задач схемотехникам. По сути, это усилитель тока, устройство могло не может использоваться в качестве прямой замены вакуумной лампы, которая является усилителем напряжения.Он имел входное сопротивление от низкого до среднего, в отличие от очень высокого входного сопротивления. электронных ламп. Кроме того, поскольку транзистор имеет прямое резистивное соединение между его входным (базовым) и выходным (коллекторным) зажимами кратность схемы проблемы с обратной связью должны были быть решены.
Позднее были разработаны усовершенствованные методы проектирования, и транзисторные приемники, усилители, Передатчики, слуховые аппараты, игрушки и промышленные устройства управления производились в огромных количествах.Но по-прежнему требовалось множество схем, в которых использовались только высокоомные электронные лампы. могли пополнить счет, и многие конструкторы тосковали по чудо-устройству — транзистору. с трубчатыми характеристиками.
Со временем транзисторы становились все лучше и лучше. Номинальное выходное напряжение и ток были расширены, как и верхние пределы рабочей частоты. Но как бы то ни было более новые транзисторы были усовершенствованы, они сохранили основные характеристики более ранних типы.
Тем временем в лаборатории ученые экспериментировали с новым твердотельным устройство, основанное на молекулярном принципе, описанном Лилиенфельдом еще в 1928 году. Шокли, один из соавторов оригинального транзистора предложил практичный транзисторный устройство, основанное на принципе Лилиенфельда еще в 1948 г., но только в середине 1950-х годов, когда в лабораториях было разработано работоспособное устройство, практичное и надежное. единицы не производились до начала 1960-х годов.
Новое устройство сочетает в себе самые желанные особенности универсальной вакуумной лампы и работоспособный транзистор. Он имел высокое входное сопротивление и хорошую изоляцию между входные и выходные электроды. Способный к большому усилению, он в то же время был таким же маленьким как обычные транзисторы и чрезвычайно эффективны. И, как ни странно, выставили хотя бы одна из важных рабочих характеристик вакуумной лампы — контроль тока с помощью переменного электрического поля — в твердотельной среде, а не в в вакууме.
Рис. 4 — Диффузия областей p-типа в подложку n-типа обеспечивает средство управления током между электродами истока и стока.
Рис. 5 — Когда затвор смещен в обратном направлении, создается электрическое поле. для отражения текущих носителей, создавая область истощения и ограничивая область, в которой текущие потоки.
Рис.6 — По мере увеличения смещения обратного затвора области истощения расширяются в канал, пока они не встретятся, создавая почти бесконечное сопротивление между источником и слить.
Обозначается разными именами — полевой транзистор, униполярный транзистор и т. Д. В период своего созревания устройство теперь известно как полевой транзистор (FET). Это действительно, транзистор, который «думает» и «действует» как лампа.
Познакомьтесь с г.FET. Графическое и схематическое изображение триодной вакуумной лампы, разветвления. транзистор и полевой транзистор показаны на рис. 1–3. Из три схематических символа, символ полевого транзистора в настоящее время наименее стандартизирован.
В вакуумной лампе (рис. 1) ток пластины — это просто поток свободных электронов, который буквально «выкипают» с катода нагретой нитью накала (в некоторых мощных трубки, нить используется напрямую) и притягиваются положительно смещенной пластиной.Электроны, покидающие катод, должны проходить через промежуточную сетку.
Отрицательное смещение в сети создает электрическое поле, которое имеет тенденцию отталкивать электроны текут от катода к пластине, ограничивая ток пластины. Пластинчатый ток в определенных пределах может также регулироваться пластинчатым напряжением. Однако, поскольку сетка e намного ближе к катоду, чем пластина, меньшее изменение напряжения на сетке имеет по существу такое же или большее влияние на ток пластины, чем большее изменение в пластина напряжения.Именно эта характеристика позволяет электронной лампе усиливать сигнал.
Насыщение тока пластины происходит, когда пластина притягивает все доступные свободные электроны. По достижении этой точки дальнейшее увеличение напряжения на пластине не вызывает соответствующего увеличение тока пластины.
Базовый переходной транзистор (рис. 2) состоит из трех слоев сэндвич двух разных полупроводниковые материалы. Здесь ток эмиттер-коллектор состоит из движения два типа частиц: электроны, которые заряжены отрицательно, и «дырки» (по сути, отсутствие электрона в стабильной кристаллической структуре), которые несут положительный заряд.Если электроны преобладают, они называются основными носителями и неосновные носители дырок, причем материал идентифицирован как полупроводник n-типа. Точно так же материал, в котором преобладают положительные отверстия, называется материалом p-типа. полупроводник.
Ток эмиттер-коллектор транзистора контролируется введением неосновной перевозчиков в базовый регион. Так как база довольно тонкая, сравнительно небольшой ток изменение может управлять гораздо большим током эмиттер-коллектор.Переходной транзистор, то есть устройство усиления или контроля тока, в отличие от вакуумной лампы, которая по сути является усилителем напряжения. Кроме того, поскольку базовый ток, пусть и минутный, важно для работы, устройство должно иметь низкий входной импеданс.
Базовый полевой транзистор состоит из пластины полупроводника n- или p-типа. материал с электродом на каждом конце и двумя электродами по бокам, как показано на рис.3. Обратите внимание на то, что боковые электроды связаны вместе и, таким образом, функционируют как одиночный элемент. По соглашению терминал, в который подается ток, называется исток, а выходная клемма называется стоком. Остающийся электрод, который служит элементом управления, называется затвором. Обратите внимание на различия в терминологии FET. от электронных ламп и переходных транзисторов.
Рис.7 — JFET может быть изготовлен путем рассеивания затворов p-типа на любом сторону подложки n-типа, а затем прикрепите подходящие электроды.
Рис. 8 — Этот транзисторный полевой транзистор имеет несимметричную конструкцию. Здесь, канал n-типа формируется только на одной стороне подложки p-типа путем фотомаскировки, травление и примесные диффузионные процессы. Поверхность покрыта изоляционным материалом. оксидный слой, через который прорезаются отверстия для электродных соединений.
Рис.9 — Поперечный разрез полевого транзистора с изолированным затвором. (IGFET) показывает металлические контакты затвора, изолированные тонким слоем оксида, которые вместе с полупроводниковым каналом образует конденсатор. Металлические контакты служат одной пластиной. в то время как материал подложки служит другой пластиной конденсатора.
Как работает полевой транзистор. Основной переходной полевой транзистор (JFET) представляет собой стержень из легированного кремния. ведет себя как обычный резистор.Обратитесь к рис. 4 и предположите, что полевой транзистор выполнен подложка (материал) n-типа. Тогда ток через устройство будет в основном состоять из электронов в качестве основных носителей. Рассмотрим, что происходит, когда постоянный ток напряжение приложено к электродам истока и стока, а затвор находится под нулевым смещением. В этих условиях устройство ведет себя более или менее как обычный резистор. В определенных пределах, исток-сток ток прямо пропорционален приложенному напряжению.
Теперь предположим, что к затвору приложено обратное смещение.(Это будет напряжение та же полярность, что и у большинства носителей; то есть отрицательный для материала n-типа, положительный для материала p-типа.) Напряжение на затворе создаст электрическое поле, чтобы оттолкнуть носители тока и ограничивают область, через которую они протекают. Это действие показано на рис. 5. По сути, токопроводящий канал обеднен носителями тока внутри области, непосредственно прилегающие к электроду затвора. Вполне логично, что регионы, где текущее движение ограничено, называются зонами истощения (иногда их называют как зоны или регионы, а не как области).
Дальнейшее увеличение смещения обратного затвора приводит к дальнейшему расширению обедненных областей, так как 6, что дополнительно снижает ток сток-исток. Таким образом, с заданным фиксированным затвором смещения ток стока будет изменяться в зависимости от сигнала, подаваемого на затвор. Отметим также, что поскольку затвор имеет обратное смещение, полевой транзистор имеет очень высокий входной импеданс, когда слабый ток стока или его отсутствие. Полевой транзистор в этом канале ведет себя как вакуумная трубка. ток регулируется электрическим полем, создаваемым напряжением на затворе.
Рассмотрим, что происходит, когда смещение затвора равно нулю, а напряжение исток-сток постепенно увеличивается. выросла. До определенного момента ток стока будет увеличиваться линейно, как в резисторе. Тем не мение, ток стока, протекающий по каналу, создает внутреннее обратное смещение вдоль поверхность ворот. Это, в свою очередь, создает электрическое поле, которое вызывает постепенное увеличение площадей истощения аналогично эффекту от применения смещение внешнего затвора.В конце концов, увеличение площадей истощения, которое имеет тенденцию к ограничивает ток стока, достигает точки, в которой он уравновешивает увеличение тока стока. С этого момента не может быть дальнейшего увеличения тока стока независимо от дальнейших действий. увеличение напряжения сток-исток.
Рис.10 — Условные обозначения, используемые в настоящее время для полевых транзисторов включают (a) n-канальный JFET, (b) p-канальный JFET, и (c) одну форму p-канального IGFET.
Рис. 11 — Вольтметр на полевом транзисторе с согласованной парой кремнийорганических соединений Siliconix. Полевые транзисторы U112 в схеме дифференциального усилителя имеют чувствительность 0,5 — 1,0 вольт. полная шкала.
Фактически, ток стока достиг насыщения (это должно быть знакомым термином!). Точка, в которой происходит это ограничение тока, называется отсечкой сток-исток. Напряжение. И есть, как вы могли догадаться, напряжение отсечки для любого заданного смещения затвора.Конечно, при более высоких напряжениях смещения затвора отсечение происходит при гораздо меньших токах стока.
Если ток стока отображается в зависимости от напряжения сток-исток для заданного смещения затвора, Построена характеристическая кривая полевого транзистора. Семейство таких кривых может быть получено путем построения графика зависимость тока сток-исток от напряжения сток-исток для ряда различных напряжений смещения затвора. По сравнению с соответствующими семействами характеристических кривых вакуумных трубок, типичный Было обнаружено, что полевой транзистор имеет характеристики, которые практически идентичны характеристикам пентода. вакуумная труба.
Семейство полевых транзисторов. Полевые транзисторы производятся с использованием современных технологий. практически идентичны тем, которые используются при изготовлении уже знакомого нам переходного транзистора. Например, полевой транзистор может быть собран путем диффузии или легирования затворов p-типа с обеих сторон. подложки n-типа, а затем прикрепить подходящие металлические электроды, придавая внешний вид Рис. 7.
С производственной точки зрения, часто проще провести все распространение и переработку. операции с одной стороны подложки.Этот тип односторонней конструкции показано на рис. 8. Производство начинается с пластины из материала p-типа. Фото-маскировка, Процессы травления и диффузии примесей образуют канал n-типа на одной стороне материала. Затем вентиль p-типа рассеивается в канал n-типа, и вся поверхность покрывается с изолирующим защитным оксидным слоем, с отверстиями, протравленными через оксид для окончательные соединения металлических электродов.
Если вы носили свою «мыслящую шапку», вам может быть интересно, в этот момент, почему электрод затвора электрически соединен с материалом канала.После всего, при использовании затвор имеет обратное смещение, в результате чего p-n-переход ведет себя так, как если бы он был диэлектрик. Кроме того, работа устройства основана на наличии различных электрическое поле на затворе, а не при движении носителей тока от затвора в регион канала.
Так почему бы не утеплить ворота? Хороший вопрос, но кто-то еще думал об этом раньше. Фактически, полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET) на самом деле производятся несколькими основные производители.Один из типов конструкции показан на рис. 9. Здесь ворота изолирован тонким слоем оксида. Металлическая поверхность затвора накладывается на оксид и вместе с изолирующим оксидным слоем и полупроводниковым каналом образует конденсатор. Металлическая поверхность служит верхней пластиной конденсатора, а подложка материал — нижняя пластина.
В некоторых случаях IGFET собираются как тетродные устройства с телом подложки. (часто обозначаемый как вентиль 2), подключенный к отдельному электроду.Поскольку сток и исток изолированы от подложки, любой ток сток-исток при отсутствии напряжения затвора чрезвычайно низкий, потому что электрически структура эквивалентна двум диодам, соединенным спина к спине.
Таблица 1 — JFET для экспериментатора
полевые транзисторы с изолированным затвором имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление — фактически больше, чем много электронных ламп — но они очень чувствительны к паразитным электрическим зарядам и не могут быть разрушены статическим телом.Входные импедансы выше 10 миллионов МОм не редкость. Производители обычно оборачивают выводы IGFET металлической фольгой или поставляют их со скрепленными вместе выводами. металлической петлей в качестве защитной меры. При установке необходимо соблюдать особую осторожность, проводка и тестирование IGFET для предотвращения его разрушения.
Переходный полевой транзистор (JFET), показанный на рис. 7 и 8 могут быть выполнены как n-канальное или p-канальное устройство. Как и в случае с обычными переходными транзисторами, полевые транзисторы JFET идентифицируются слегка измененными схематическими обозначениями, показанными на рис.10 (а) и 10 (б). Если исток считается общим, n-канальный полевой транзистор требует положительного напряжения стока. и отрицательное смещение затвора; полевой транзистор с p-каналом работает с отрицательным напряжением стока. и положительное смещение затвора.
Как показано на рисунке 10 (c), IGFET идентифицируется совершенно другим символом. Этот общий тип полевого транзистора предлагается в двух основных формах и во многих отдельных типах с различными электрические характеристики и рабочие характеристики.Однако в отличие от JFET данный IGFET может потребовать либо положительного, либо отрицательного смещения затвора относительно его источник, в зависимости от режима работы.
Помимо обычных полевых транзисторов, ряд светочувствительных полевых транзисторов производят производителей. Они называются фотоэлектрическими транзисторами, они похожи на обычные полевые транзисторы, но оснащены с прозрачными линзами, которые фокусируют внешний свет на чувствительных участках поверхности. В photoFET может быть в десять раз более чувствительным, чем фототранзистор на переходе, и имеет лучший коэффициент усиления полосы пропускания, в дополнение к исключительной изоляции между входами и выходная схема.
Терминология. Как и в случае с любой новой технологией, для описания полевых транзисторов используется ряд терминов. устройства и их характеристики. Некоторые термины используются в основном производителями, другие в основном проектировщиками схем. К сожалению, термины и символы еще не были полностью стандартизирован, поэтому разные производители могут использовать разные термины и символы, обозначающие одно и то же.
На ранних этапах своего развития полевой транзистор назывался разными именами.В разное время он назывался полевым транзистором, UNIFET и униполярным полевым транзистором. Термины UNIFET и Unipolar были выведены из однопереходной конструкции Полевой транзистор в отличие от двухпереходной (или биполярной) конструкции переходного транзистора.
Рис. 12. Этот высокочастотный кварцевый генератор, использующий Полевой транзистор с p-каналом Siliconix 2N2608 имеет полезный рабочий диапазон 1 мегагерц.
Рис.13. Модифицированный регулятор тембра Hi-Fi Baxandall использует один p-канал. Полевой транзистор (Siliconix 2N2843). Предусмотрены отдельные регуляторы низких и высоких частот.
Рис. 14. Однозначно не рекомендуется для экспериментатора, этот одноступенчатый предусилитель оснащен полевым транзистором с изолированным затвором (IGFET).
Имя Fieldistor сегодня практически устарело. И другие имена тоже, хотя одна фирма до сих пор называет свою продукцию UNIFETS.Как правило, агрегаты соединительного типа просто называемые полевыми транзисторами, хотя некоторые фирмы используют более конкретное обозначение JFET.
Полевые транзисторы с изолированным затвором также называют МОП-транзисторами в знак признания важность изоляционной пленки металл-оксид-полупроводник (MaS), используемой в их конструкции. Но некоторые разработчики называют одно и то же устройство просто MOST. Последнее могло привести к такое выражение, как «Гоша, мистер ФЕТ, вы САМЫЙ».
Иногда полные выражения, используемые для идентификации конкретного транзистора, могут предполагать внушающая трепет длина.Например, в таблице данных одной фирмы указывается конкретное подразделение. как — задержите дыхание — малошумящий n-канальный эпитаксиальный планарный кремниевый тетрод с полевым эффектом транзистор!
Кроме того, не все производители описывают свои продукты, используя одни и те же характеристики. Параметр, который одна компания считает важным, может быть полностью проигнорирован Другой. Однако, как правило, большинство производителей предоставляют максимальное напряжение. номинальные значения, входная и выходная емкости, максимальная рассеиваемая мощность и типичная отсечка затвора Текущий.Многие даже указывают прямую крутизну общего источника (в мкмос, как в характеристиках трубок) для типичных условий эксплуатации.
Естественно, по-прежнему делаются ссылки на n-канальные или p-канальные типы, а также на режимы работы с улучшением или истощением. Тот факт, что как n-, так и p-канальные типы позволяет использовать полевые транзисторы в различных дополнительных схемах, что является характеристикой что полевые транзисторы не имеют общего с электронными лампами.
Некоторые фирмы, стремясь упростить дело, адаптировали обозначения типов для обозначения предполагаемый режим работы устройства.Таким образом, полевые транзисторы типа A характеризуются работа в режиме истощения; Тип B предназначен для режимов истощения или улучшения; и, наконец, обозначение типа C зарезервировано строго для типов расширенного режима. Но, пожалуйста, не путайте эти обозначения с усилителями класса A, B или C!
Типичные приложения на полевых транзисторах. С высоким входным и выходным сопротивлением и другими ламповыми рабочие характеристики, полевые транзисторы можно рассматривать как почти твердотельные эквиваленты электронных ламп и может использоваться в практически идентичных цепях при условии номинальной мощности наблюдаются.Конфигурация с общим источником является наиболее популярной и соответствует схема схемы лампы с общим катодом. Типичные схемы полевых транзисторов показаны на Рис. С 11 по 14.
Рисунок 11 — вольтметр на полевом транзисторе с согласованной парой полевых транзисторов с р-каналом (Q1 и Q2). в схеме дифференциального усилителя. В целом вольтметры на полевых транзисторах выгодно отличаются с качественными VTVM.
Показан высокочастотный кварцевый генератор, использующий полевой транзистор с каналом p-типа. на рис.12. Смещение затвора обеспечивается, как и в цепи вакуумной лампы, истоковым резистором R2, обойден C2. Обратная связь, необходимая для запуска и поддержания колебаний, обеспечивается межэлектродная емкость полевого транзистора, а также возможности паразитной проводки.
На рисунке 13 показан одиночный полевой транзистор Q1 с p-каналом в модифицированном Hi-Fi тоне Баксандала. схема управления, которая может использоваться как часть центра управления стерео. Потенциометр R2 служит регулятором низких частот, а R5 — регулятором высоких частот.
Наконец, простая схема предусилителя с использованием IGFET (MOSFET или MOST, на ваш выбор) приведен на рис. 14. Здесь смещение затвора обеспечивается резистором R1 сопротивлением 22 МОм, возвращенным обратно. к дренажному электроду.
Эти схемы иллюстрируют некоторые из многих практических применений полевого транзистора. Они не предназначены для использования в строительных проектах, как показано, поскольку некоторые значения компонентов возможно, придется изменить, чтобы компенсировать использование разных полевых транзисторов.В любом случае только опытный специалист должен попытаться использовать IGFET в приложении, показанном на Рис. 14. Практические проекты FET будут рассмотрены в следующих выпусках.
Одно можно сказать наверняка: мистер ФЕТ — настоящий «желающий», и его ждет блестящее будущее!
Опубликовано: 14 декабря, 2018
Полевой транзистор — твердотельные электронные устройства. Вопросы и ответы
Этот набор вопросов и ответов по мехатронике с множественным выбором (MCQ) посвящен теме «Твердотельные электронные устройства — полевые транзисторы».
1. Какой носитель заряда является основным в N-канальном JFET?
a) Электроны
b) Отрицательные ионы
c) Отверстия
d) Положительные ионы
Посмотреть ответ
Ответ: a
Пояснение: Электроны являются основным носителем заряда в N-канальном JFET. Образованный канал находится между истоком и стоком, которые сделаны из полупроводникового материала p-типа. Для проводимости между истоком и стоком на выводе затвора создается разность потенциалов, которая образует n-канал между истоком и стоком.
2. Какой тип канала формируется между истоком P-типа, подложкой N-типа и выводом стока P-типа, когда положительное напряжение подается на вывод затвора полевого МОП-транзистора улучшенного типа?
a) P-канал
b) N-канал
c) Нет канала
d) Половина N канала, половина P-канала
Просмотр ответа
Ответ: b
Пояснение: N-канал сформирован между источником P-типа, N Подложка типа P и вывод стока P-типа, когда положительное напряжение приложено к выводу затвора полевого МОП-транзистора улучшенного типа.Когда на вывод затвора подается положительное напряжение, оно притягивает все электроны с подложки N-типа и образует N-канал между истоком и стоком.
3. Каковы три вывода JFET?
a) Источник, сток и база
b) Эмиттер, база и коллектор
c) Источник, сток и затвор
d) Эмиттер, база и сток
Просмотр ответа
Ответ: c
Пояснение: Три терминала JFET являются источником , Слив и ворота. JFET с P-каналом имеет сильно легированный затвор N-типа и слаболегированный канал p-типа.N-канальный JFET имеет сильно легированный затвор P-типа и слаболегированный канал N-типа.
4. Сколько клемм у MOSFET?
a) Два
b) Три
c) Четыре
d) Пять
Посмотреть ответ
Ответ: c
Пояснение: MOSFET имеет четыре вывода. Этими терминалами являются исток, сток, затвор и подложка. Исток и сток сильно легированы и могут быть из материала P-типа или N-типа, а подложка из слаболегированного материала N-типа или P-типа соответственно.
5. Когда на вывод затвора подается отрицательное напряжение, между истоком N-типа, подложкой P-типа и выводом стока N-типа MOSFET улучшенного типа формируется канал N.
a) Верно
b) Неверно
Посмотреть ответ
Ответ: b
Объяснение: Когда на вывод затвора подается отрицательное напряжение, между истоком N-типа, подложкой P-типа и стоком N-типа формируется канал P Терминал. Когда отрицательное напряжение прикладывается к выводу затвора, оно притягивает все отверстия от подложки P-типа и образует p-канал между истоком и стоком.
6. Полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника — это два типа усиления и истощения.
a) Верно
b) Неверно
Посмотреть ответ
Ответ: a
Объяснение: Полевой транзистор с металлооксидным полупроводником — это два типа металлооксидных полупроводниковых транзисторов с усилением и обеднением. В MOSFET улучшенного типа не встроен предшествующий канал; необходимо приложить напряжение, чтобы построить канал. В MOSFET истощенного типа канал уже построен, даже без подачи внешнего напряжения.
7. MOSFET означает ____
a) Полевой транзистор
с полупроводниковым оксидом металла b) Полевой транзистор
b) Полевой транзистор с оксидом металла и полупроводником
c) Полевой транзистор с металлическим окисленным полупроводником
d) Полевой транзистор с оксидом металла
Посмотреть ответ
b
Пояснение: MOSFET означает «Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор». Это тип полевого транзистора (FET) с изолированным затвором, для которого он также называется полевым транзистором с изолированным затвором.Напряжение затвора определяет электропроводность устройства.
8. IRF9540N 8мм на примере транзистора какого типа?
a) Переходный полевой транзистор
b) Биполярный переходный транзистор
c) Металлооксидный полевой транзистор
d) NPN-транзистор
Посмотреть ответ
Ответ: c
Пояснение: IRF9540N 8 мм в примере металлооксидного полевого транзистора (MOSFET ). Он имеет очень высокую скорость переключения и использует передовые методы для достижения очень низкого сопротивления на площади кремния.
9. Полевой транзистор — это _______ управляемое устройство.
a) Ток
b) Индуктивность
c) Напряжение
d) Сопротивление
Посмотреть ответ
Ответ: c
Пояснение: Полевой транзистор (FET) — это устройство, управляемое напряжением. Это потому, что выходные характеристики этих транзисторов зависят от поля, а генерируемое поле зависит от напряжения. Где в качестве биполярных транзисторов находится устройство контроля тока.
10.Какой носитель заряда является основным в P-канальном JFET?
a) Электроны
b) Отрицательные ионы
c) Отверстия
d) Положительные ионы
Посмотреть ответ
Ответ: c
Пояснение: Отверстия являются основным носителем заряда в P-канальном JFET. Образованный канал находится между истоком и стоком, которые выполнены из полупроводникового материала n-типа. Для проводимости между истоком и стоком на выводе затвора создается разность потенциалов, которая образует p-канал между истоком и стоком.
11. Какова крутизна n-канального JFET (Junction Field Effect Transistor), если его напряжение затвор-исток составляет -3 В, напряжение отсечки составляет -1 вольт, а ток стока смещения составляет 2 миллиампера?
a) 2 мА / В
b) 6 мА / В
c) 4 мА / В
d) 8 мА / В
Просмотреть ответ
Ответ: d
Пояснение: Дано:
Напряжение затвора в источник (Vgs) = — 3 Вольт
Pinch напряжение выключения (Vp) = — 1 В
Ток стока без смещения (Idss) = 2 мА
Крутизна (gm) = {(2 * Idss) / Vp)} * {1- (Vgs / Vp)}
Transconductctance (gm ) = {(2 * 2 мА) / — 1 В)} * {1 — (- 3 В / -1 В)} => 8 мА / В
12.Какой будет крутизна n-канального JFET (Junction Field Effect Transistor), если напряжение затвора и истока (Vgs) равно напряжению отсечки (Vp)?
a) 1 мА / В
b) 0 мА / В
c) -1 мА / В
d) 2 мА / В
Просмотреть ответ
Ответ: b
Пояснение: Дано:
Напряжение затвор-источник (Vgs) = отщипывание напряжение (Вп)
Крутизна (gm) = {(2 * Idss) / Vp)} * {1- (Vgs / Vp)}
Крутизна (gm) = {(2 * Idss) / Vp)} * {1- (1)} [Поскольку Vgs = Vp] Крутизна (gm) = 0 мА / В
13.Что такое отсутствие смещения стока к току истока n-канального JFET (Junction Field Effect Transistor), если его напряжение затвор-исток составляет -2 В, напряжение отсечки составляет -1 В, а крутизна составляет 2 мА / В?
a) 1 мА / В
b) 6 мА / В
c) 2 мА / В
d) 1 мА
Просмотреть ответ
Ответ: d
Пояснение: Дано:
Напряжение затвор-источник (Vgs) = -2 В
Отключение напряжение (Vp) = -1 вольт
Transconductance = 2mA / V
Transconductance (gm) = {(2 * Idss) / Vp)} * {1- (Vgs / Vp)}
2mA / V = {(2 * Idss ) / — 1)} * {1 — (- 2 / -1)}
Нет тока стока смещения (Idss) = 1 мА
14.Каков ток стока n-канального JFET (Junction Field Effect Transistor), если его напряжение затвор-исток составляет -2 В, напряжение отсечки составляет -1 В, а ток стока смещения составляет 1 миллиампер?
a) -15 мА
b) 6 мА
c) 2 мА
d) -8 мА
Просмотреть ответ
Ответ: a
Пояснение: Дано:
Напряжение затвора в источник (Vgs) = -4 В
Напряжение отсечки (Vp) = -1 вольт
Нет тока стока смещения (Idss) = 1 мА
Из уравнения Шокли мы знаем; Ток утечки (Id) = (Idss) * {1- (Vgs / Vp) ²}
Ток утечки (Id) = (1) * {1 — (- 4 / -1) ²} => — 15 мА
15.Что такое отсутствие смещения стока к току истока n-канального JFET (Junction Field Effect Transistor), если его напряжение затвор-исток составляет -3 В, напряжение отсечки составляет -1 вольт, а ток стока составляет -24 миллиампер?
a) 5 мА
b) 16 мА
c) 3 мА
d) 8 мА
Просмотреть ответ
Ответ: c
Объяснение: Дано:
Напряжение затвор-источник (Vgs) = -3 В
Напряжение отсечки (Vp) = — 1 вольт
Ток утечки = -24 миллиампер
Из уравнения Шокли мы знаем; Ток стока (Id) = (Idss) * {1- (Vgs / Vp) ²}
-24 = (Idss) * {1 — (- 3 / -1) ²}
Idss = 3 миллиампер
Sanfoundry Global Education & Learning Series — Мехатроника.
Чтобы практиковаться во всех областях мехатроники, представляет собой полный набор из 1000+ вопросов и ответов с несколькими вариантами ответов .
Примите участие в конкурсе сертификации Sanfoundry, чтобы получить бесплатную Почетную грамоту. Присоединяйтесь к нашим социальным сетям ниже и будьте в курсе последних конкурсов, видео, стажировок и вакансий!
Полевой транзистор
(FET) и его работа
Полевой транзистор:
Полевой транзистор — это полупроводниковое устройство, работа которого зависит от управления током с помощью электрического поля.Существует два полевых транзистора:
1. JFET (Junction Field Effect Transistor)
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Transistor)
Полевой транзистор имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными транзисторами.
1. В обычном транзисторе работа зависит от потока основных и неосновных носителей. Именно поэтому его называют биполярным транзистором. В FET работа зависит только от потока основных несущих.Это называется униполярным устройством.
2. На входе обычного транзисторного усилителя используется смещенный в прямом направлении PN переход с присущим ему низким динамическим импедансом. На входе полевого транзистора используется обратный смещенный PN переход, отсюда высокий входной импеданс порядка МОм.
3. Он менее шумный, чем биполярный транзистор.
4. Отсутствует напряжение смещения при нулевом токе стока.
5. Обладает термической стабильностью.
6. Он относительно невосприимчив к радиации.
Основным недостатком является относительно небольшой коэффициент усиления по сравнению с обычным транзистором.
1. Работа полевого транзистора:
Рассмотрим образец стержня из полупроводника N-типа. Это называется N-каналом, и он электрически эквивалентен сопротивлению, как показано на рис. .1 .

Затем добавляются омические контакты с каждой стороны канала, чтобы обеспечить внешнее соединение. Таким образом, если напряжение приложено к стержню, ток течет по каналу.
Терминал, откуда основные носители (электроны) входят в канал, называется источником, обозначенным S. Терминал, через который большинство носителей покидает канал, называется стоком и обозначается D. Для N-канального устройства, электроны являются основными носителями.Следовательно, схема ведет себя как постоянное напряжение VDS, приложенное к сопротивлению RDS. Результирующий ток — это идентификатор тока стока. Если VDS увеличивается, ID увеличивается пропорционально.
Теперь с обеих сторон стержня n-типа сформированы сильно легированные области примеси p-типа любым способом для создания pn перехода. Эти примесные области называются затворами (затвор 1 и затвор 2), как показано на рис. 2 .

Оба затвора имеют внутреннее соединение и заземлены, что дает нулевое напряжение истока затвора (VGS = 0).Слово «затвор» используется потому, что потенциал, приложенный между затвором и истоком, регулирует ширину канала и, следовательно, ток.
Как и во всех PN-переходах, обедненная область формируется на двух сторонах обратносмещенного PN-перехода. Носители тока рассеялись по переходу, оставив только непокрытые положительные ионы на стороне n и отрицательные ионы на стороне p. Ширина обедненной области увеличивается с величиной обратного смещения. Проводимость этого канала обычно равна нулю из-за отсутствия носителей тока.
Потенциал в любой точке канала зависит от расстояния этой точки от стока, точки, близкие к стоку, имеют более высокий положительный потенциал относительно земли, а затем точки, расположенные близко к истоку. Поэтому обе области истощения подвержены большему обратному напряжению около стока. Следовательно, ширина области истощения увеличивается по мере того, как мы движемся к сливу. Поток электронов от истока к стоку теперь ограничен узким каналом между непроводящими областями обеднения.Ширина этого канала определяет сопротивление между стоком и истоком.
Теперь рассмотрим поведение ID тока стока в зависимости от напряжения стока VDS. Напряжение затвора истока равно нулю, поэтому VGS = 0. Предположим, что VDS постепенно линейно увеличивается линейно от 0 В. ID тоже увеличивается.
Поскольку канал ведет себя как сопротивление полупроводника, он подчиняется закону Ома. Область называется омической областью, при увеличении тока омическое падение напряжения между источником и областью канала приводит к обратному смещению перехода, проводящая часть канала начинает сужаться, и ID начинает выравниваться, пока не будет достигнуто определенное значение VDS. , называется пинч напряжения VP .
На этом этапе дальнейшее увеличение VDS не приводит к соответствующему увеличению ID. Вместо этого по мере увеличения VDS обе области истощения расширяются дальше в канал, что приводит к отсутствию поперечного сечения и, следовательно, к более высокому сопротивлению канала. Таким образом, даже несмотря на то, что напряжение больше, сопротивление также больше, а ток остается относительно постоянным. Это называется областью отсечки или насыщения. Ток в этой области — это максимальный ток, который может производить полевой транзистор и обозначенный IDSS.(Сток к току истока при закороченном затворе)

Как и для всех pn-переходов, когда обратное напряжение превышает определенный уровень, происходит лавинный пробой pn-перехода и ID очень быстро увеличивается, как показано на рис. рис. 3 .
Рассмотрим теперь N-канальный полевой транзистор с обратным затворным истоком, как показано на рис. 4 .

Дополнительное обратное смещение, защемление будет происходить при меньших значениях | VDS |, и максимальный ток стока будет меньше.Семейство кривых для различных значений VGS (отрицательных) показано на рис.
. 5 .
Предположим, что VGS = 0 и что VDS в определенной точке канала составляет + 5В относительно земли. Следовательно, обратное напряжение на любом p-n переходе теперь составляет 5 В. Если VGS уменьшается с 0 до –1 В, результирующее обратное смещение около точки составляет 5 — (-1) = 6 В. Таким образом, для любого фиксированного значения VDS ширина канала уменьшается, поскольку VGS становится более отрицательным.
При этом значение ID изменяется соответственно. Когда напряжение затвора достаточно отрицательное, обедненные слои соприкасаются друг с другом, и проводящий канал зажимается (исчезает). В этом случае ток стока отключается. Напряжение затвора, которое вызывает отключение, обозначается как VGS (выкл.). Это то же самое, что и напряжение отключения.
Поскольку переход затвор-исток представляет собой кремниевый диод с обратным смещением, через него протекает только очень небольшой обратный ток.В идеале ток затвора равен нулю. В результате все свободные электроны от источника попадают в сток. ID = IS. Поскольку затвор потребляет пренебрежимо малый обратный ток, входное сопротивление очень велико, от 10 до 100 МОм. Поэтому там, где требуется высокий входной импеданс, JFET предпочтительнее BJT. Недостатком является меньший контроль над выходным током, т. Е. Полевой транзистор требует больших изменений входного напряжения для изменения выходного тока. По этой причине JFET имеет меньшее усиление по напряжению, чем биполярный усилитель.
Кривые проводимости:
Кривая проводимости JFET представляет собой график выходного тока (ID) в зависимости от входного напряжения (VGS), как показано на рис. 1 .

Считывая значение ID и VGS для определенного значения VDS, можно построить кривую проводимости. Кривая трансдуктивности является частью параболы. Он имеет уравнение:

В технических данных указаны только значения IDSS и VGS (выкл.).Используя эти значения, можно построить кривую проводимости.
Теория полевого транзистора
Junction Field Effect Transistor Theory
Теория полевого транзистора
:
n-канальный JFET — Принцип действия теории полевого транзистора с n-каналом (JFET) проиллюстрирован блочным представлением на рис. 9-1 (a). Кусок полупроводникового материала n-типа, называемый каналом, зажат между двумя меньшими частями p-типа (затворы).Концы канала обозначены стоком (D) и истоком (S), два куска материала p-типа соединены вместе, а их вывод назван затвором (G).
Когда затвор остается неподключенным и подается напряжение сток-исток (V _D) (положительное на стоке, отрицательное на истоке), течет ток стока (I _D), как показано на Рис. 9- 1 (а). Когда напряжение затвор-исток (V _GS) прикладывается с отрицательным положением затвора по отношению к истоку [Рис.9-1 (b)] pn-переходы затворного канала имеют обратное смещение. Канал более легирован, чем материал затвора, поэтому обедненные области проникают глубоко в канал. Поскольку обедненные области являются областями, обедненными носителями заряда, они ведут себя как изоляторы. В результате канал сужается, его сопротивление увеличивается, а I _D уменьшается. При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения смещения затвор-исток обедненные области встречаются в центре канала [Рис.9-1 (c)], и I _D отрезан.
Сигнал переменного тока, приложенный к затвору, заставляет обратное напряжение затвор-исток увеличиваться, когда мгновенный уровень сигнала становится отрицательным, и уменьшаться, когда сигнал является положительным. Это приводит к тому, что области истощения затворных каналов последовательно расширяются и уменьшаются. Когда сигнал становится отрицательным, истощение увеличивается, сопротивление канала увеличивается, а ток стока уменьшается. Когда сигнал становится положительным, области истощения уменьшаются, сопротивление канала уменьшается, а ток стока увеличивается.Видно, что напряжение затвор-исток полевого транзистора управляет током стока. В ямках затвор-канал поддерживается обратное смещение, поэтому ток затвора обычно очень низкий; намного ниже, чем ток базы биполярного транзистора.
Название «полевой транзистор» происходит от того факта, что обедненные области в канале создаются электрическим полем в теории полевых транзисторов с обратным смещением затворного канала. Термин «униполярное устройство» иногда применяется к полевому транзистору, потому что, в отличие от биполярного транзистора, ток состоит только из одного типа носителя заряда; электроны в случае устройства it-channel.
Условные обозначения для n-канального JFET показаны на рис. 9-2. Как и в случае всех символов полупроводниковых приборов, стрелка указывает от p-типа к n-типу. Для n-канального устройства стрелка указывает от затвора p-типа на канал n-типа. Это направление обычного тока, если переходы смещены в прямом направлении. Некоторые производители устройств используют символ на рис. 9-2 (a) с затвором прямо напротив вывода истока. На других изображен затвор, расположенный между стоком и истоком [Рис.9-2 (б)). Иногда это может сбивать с толку принципиальные схемы, если клеммы стока и истока не определены четко. Символ на рис. 9-2 (c) используется там, где клеммы двух областей затвора снабжены отдельными соединительными выводами. В этом случае устройство называется полевым транзистором с тетродом.
p-канал JFET:
В p-канальном JFET, показанном в виде блока на рис. 9-3 (a), канал представляет собой полупроводник p-типа, а затворы — n-типа. Напряжение сток-исток (V _D) прикладывается отрицательно к стоку, положительно к истоку, как показано, и ток стока течет (в обычном направлении) от истока к стоку.Для обратного смещения переходов затвор-канал, области затвора n-типа должны быть сделаны положительными по отношению к каналу p-типа. Таким образом, напряжение смещения прикладывается положительно к клеммам затвора и отрицательно к истоку.
Положительный сигнал на выводе затвора полевого транзистора с p-каналом увеличивается в обратном смещении перехода затвор-канал, заставляя области обеднения проникать дальше в канал. Это увеличивает сопротивление канала и уменьшает ток стока.И наоборот, отрицательный сигнал сужает области истощения, снижает сопротивление канала и увеличивает ток стока.
Условные обозначения для p-канального JFET показаны на рис. 9-3 (b). Стрелки снова указывают от материала p-типа к материалу n-типа; в данном случае от канала p-типа к вентилю n-типа.
Изготовление и упаковка JFET:
Junction Field Effect Transistor Theory обычно производятся методом диффузии.Этот тип конструкции показан на рис. 9-4. Начиная с подложки p-типа, происходит диффузия n-канала, затем примеси p-типа диффундируют в канал. Наконец, металлические клеммные соединения осаждаются через отверстия в поверхности диоксида кремния, как показано.
Область n-типа — это канал полевого транзистора, а две области p-типа составляют вентили. Благодаря этой симметричной конструкции выводы стока и истока взаимозаменяемы. Другие технологии изготовления позволяют получить несимметричную геометрию устройства.В этих случаях замена выводов стока и истока радикально повлияет на рабочие характеристики устройства.
На рис. 9-5 показано несколько корпусов полевых транзисторов, которые похожи на корпуса BJT.

Основные типы полевых транзисторов

Принцип работы полевого транзистора с p-n переходом

Характеристики полевых транзисторов

Стокозатворная характеристика

Стоковая характеристика

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Основные параметры полевых транзисторов

Предельные параметры полевых транзисторов

Условные обозначения полевых транзисторов

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Транзисторы с изолированным затвором

Применение полевых транзисторов

Преимущества полевых транзисторов перед биполярными

Недостатки полевых транзисторов

Перспективы развития полевых транзисторов

Буквенные обозначения параметров полевых транзисторов — DataSheet

Полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом

Теги

Полевые транзисторы

3.3.3 Условные обозначения и схемы включения полевых транзисторов.

Полевые транзисторы с линейной характеристикой сопротивления. Полевые транзисторы

Существует множество разных видов полевых транзисторов, действующих со своими особенностями.

Кроме основной классификации «полевиков», имеется специальная классификация, имеющая принцип действия:

Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:

Достоинствами такого применения прибора является:

MOSFET — проверка и прозвонка » PRO-диод

MOSFET — проверка и прозвонка

Проверка и определение цоколевки MOSFET

Проверка полевых транзисторов (MOSFET)

Небольшие пояснения о мультиметрах

Тренировка =)

Читать «Введение в электронику» — Гейтс Эрл Д. — Страница 63

Это три оконечных устройства, в которых ток или напряжение на одной клемме, входной клемме, управляет протеканием тока между ними.

Что такое полевой транзистор (FET) | Типы

Схема драйвера полевого транзистора с быстрым переключением

Знакомьтесь, мистер FET … Транзистор, который думает, что это трубка, февраль 1967 г. Популярная электроника

Знакомьтесь, мистер FET … Транзистор, который думает, что это трубка

Полевой транзистор — твердотельные электронные устройства. Вопросы и ответы

(FET) и его работа

Junction Field Effect Transistor Theory

Теория полевого транзистора

Похожие записи

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий Отменить ответ