Полевые транзисторы
Полевые транзисторы|
Назад |
Содержание |
Вперед |
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.
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
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.
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
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.
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.
|
Назад |
Содержание |
Вперед |
Транзистор полевой
В современной цифровой электронике, транзисторы работают, как правило — в ключевом (импульсном) режиме: открыт-закрыт.
Для таких режимов оптимально подходят – полевые транзисторы. Название «полевой» происходит от «электрическое поле». Это значит, что они управляются полем, которое образует напряжение, приложенное к управляющему электроду. Другое их название – униполярный транзистор. Так подчеркивается, что используются только одного типа носители заряда (электроны или дырки), в отличии от классического биполярного транзистора. «Полевики» по типу проводимости канала и типу носителей бывают двух видов: n-канальный – носители электроны и p-канальный – носители дырки. Транзистор имеет три вывода: исток, сток, затвор.
исток (source) — электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, источник носителей. В традиционной схеме включения, цепь истока n-канального транзистора подключается к минусу питания, p-канального — к плюсу питания.
сток (drain) — электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда.
В традиционной схеме включения, цепь стока n-канального транзистора подключается к плюсу питания, p-канального — к минусу питания.
затвор (gate) — управляющий электрод, регулирует поперечное сечения канала и соответственно ток протекающий через канал. Управление происходит напряжением между затвором и истоком – Vgs.
Полевые транзисторы бывают двух основных видов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. С изолированным затвором делятся на: с встроенным и индуцированным каналом. На рис.1 изображены типы полевых транзисторов и их обозначения на схемах.
Транзистор полевой
Рис.1. Типы полевых транзисторов и их схематическое обозначение.
«Полевик» с изолированным затвором и индуцированным каналом
Нас интересуют транзисторы Q5 и Q6. Именно они используются в цифровой и силовой электронике. Это полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Их называют МОП (метал-оксид-полупроводник) или МДП (метал-диэлектрик-полупроводник) транзисторами.
Английское название MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Таким названием подчеркивается, что затвор отделен слоем диэлектрика от проводящего канала. Жаргонные названия: «полевик», «мосфет», «ключ».
Индуцированный канал — означает, что проводимость в нем появляется, канал индуцируется носителями (открывается транзистор) только при подаче напряжения на затвор. В отличии от транзисторов Q3 и Q4 которые тоже МОП транзисторы, но со встроеным каналом, канал всегда открыт, даже при нулевом напряжении на затворе. Схематически, разница между этими двумя типами транзисторов на схемах обозначается сплошной (встроенный) или пунктирной (индуцированный) линией канала. Другое название индуцированного канала – обогащенный, встроенного – обеднённый.
Обратный диод
Технология изготовления МОП транзисторов такова, что образуются некоторые паразитные элементы, в частности биполярный транзистор, включенный параллельно силовым выводам. См. рис.2.
Он оказывает негативное влияние на характеристики транзистора, поэтому технологической перемычкой замыкают вывод истока с подложкой (замыкают переход: база-эмиттер, паразитного транзистора), а оставшийся переход: коллектор-база, образует диод, включенный параллельно стоку-истоку, в направлении обратном протеканию тока (в классической схеме включения). Параметры этого диода производители уже могут контролировать, поэтому он не оказывает существенного влияния на работу транзистора. И даже наоборот, его наличие специально используется в некоторых схематических решениях.
Именно этот диод (стабилитрон) обозначается на схематическом изображении МОП транзистора, а технологическая перемычка показана стрелкой соединенной с истоком. Существуют и транзисторы без технологической перемычки, на их условном обозначения нет стрелкой.
В зависимости от модели транзистора, диод может быть, как и штатный – паразитный, низкочастотный, так и специально добавленный, с заданными характеристиками (высокочастотный или стабилитрон).
Это указывается в документации к транзистору.
Рис.2. Паразитные элементы в составе полевого транзистора.
Основные преимущества MOSFET
- меньшее потребление, высокий КПД. Транзисторы управляются напряжением, и в статике не потребляют ток управления.
- простая схема управления. Схемы управления напряжением более просты, чем схемы управления током.
- высокая скорость переключения. Отсутствуют неосновные носители. Следовательно не тратится время на их рассасывание. Частота работы сотни и тысячи килогерц
- повышеная теплоустойчивость. С ростом температуры растет сопротивление канала, следовательно понижается ток, а это приводит к понижению температуры. Происходит саморегуляция.
Основные характеристики MOSFET
- Vds(max) – максимальное напряжение сток-исток в закрытом состоянии транзистора
- Rds(on) – активное сопротивление канала в открытом состоянии транзистора.
Этот параметр указывают для определенных значений Vgs 10В или 4.5В или 2.5 В при которых сопротивление становится минимальным. - Vgs(th) – пороговое напряжение при котором транзистор начнет открываться.
- Ids – максимальный постоянный ток через транзистор.
- Ids(Imp) – импульсный (кратковременный) ток, который выдерживает транзистор.
- Ciss, Crss, Coss – емкость затвор-исток (input), затвор-сток (reverse), сток-исток(output).
- Qg – заряд который необходимо передать затвору для переключения.
- Vgs(max) – максимальное допустимое напряжение затвор-исток.
- t(on), t(of) – время переключения транзистора.
- характеристики обратного диода сток-исток ( максимальный ток, падение напряжения, время восстановление)
Этот параметр указывают для определенных значений Vgs 10В или 4.5В или 2.5 В при которых сопротивление становится минимальным.Что еще нужно знать про полевой транзистор?
P-канальные транзисторы имеют хуже характеристики чем N-канальные.
Меньше рабочая частота, больше сопротивление, больше площадь кристалла. Они реже используются и выпускаются в меньшем ассортименте.
МОП транзистор — потенциальный прибор и управляется напряжением (потенциалом), затвор отделен слоем диэлектрика , по сути это конденсатор и через него не протекает постоянный ток, поэтому он не потребляет ток управления в статике, но во время переключения требуется приличный ток для заряда-разряда емкости.
МОП транзистор имеет хоть и не большое, но активное сопротивление в открытом состоянии Rds. Это сопротивление уменьшается с ростом отпирающего напряжения и становится минимальным при определенном напряжении затвор-исток, 4.5В или 10В. По сути – это резистор, сопротивление которого управляется напряжением Vgs.
Vgs – управляющее напряжение, Vg-Vs. Если измерять относительно общего минуса, то: для n канального Vgs>0, для p канального Vgs<0 (красный провод вольтметра на затвор, черный на исток). У силовых транзисторов управляющее напряжение, при котором будет минимальное сопротивление – 10 вольт и больше.
У низковольтных «полевиков», которые управляются логическими уровнями микросхем, оно составляет 4.5 вольт или 2.5В , для разных транзисторов. Общее правило: чем выше напряжение – тем транзистор лучше откроется, но это напряжение не должно превышать масимально допустимого Vgs(max).
Схема включения MOSFET
Традиционная, классическая схема включения «мосфет», работающего в режиме ключа (открыт-закрыт), приведена на рис 3. Это схема, с общим истоком. Она наиболее распространена, легка в реализации и имеет самый простой способ управления транзистором.
Нагрузку включают в цепь стока. Встроенный диод, оказывается включенным в обратном направлении и ток через него не протекает.
Для n-канального: исток на землю, сток через нагрузку к плюсу. Тогда для его открытия, на затвор нужно подать положительное напряжение, подтянуть к плюсу питания. При работе от ШИМ (широтно импульсный модулятор), открывать его будет положительный импульс.
Для p-канального: исток на плюс питания, сток через нагрузку на землю.
Тогда для его открытия, на затвор нужно подать отрицательное напряжение, подтянуть к минусу питания (земле). При управлении от ШИМ, открывающим будет – отрицательный импульс (отсутствие импульса).
Рис. 3. Классическая схема включения MOSFET в ключевом режиме.
МОП транзистор, в открытом состоянии, будет пропускать ток как от истока к стоку, так и от стока к истоку. Также и нагрузку можно включать как в цепь стока, так и истока. Но при «нестандартном» включении, усложняется управление транзистором, так для n-канального может потребоваться, напряжение выше питания, а для p-канального – отрицательное напряжение ниже земли (двухполярное питание).
МОП транзисторы, используемые в цифровой электронике, делятся на два типа.
- Мощные силовые – используются в импульсных преобразователях напряжения и в цепях питания.
- Транзисторы логического уровня – используются как ключи, коммутируют различные сигналы и управляются микросхемами.
Транзисторы бывают в разных корпусах, с разным количеством выводов, часто в одном корпусе объединяют два транзистора.
MOSFET — Espruino
МОП-транзистор (полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника) представляет собой полупроводниковое устройство, которое можно использовать в качестве твердотельного переключателя. Они полезны для управления нагрузками, которые потребляют больше тока или требуют более высокого напряжения, чем может обеспечить вывод GPIO. В выключенном состоянии полевые МОП-транзисторы не проводят ток, а во включенном состоянии имеют чрезвычайно низкое сопротивление, часто измеряемое в миллиомах. МОП-транзисторы можно использовать только для переключения нагрузок постоянного тока.
МОП-транзисторы имеют три контакта: исток, сток и затвор. Исток подключен к земле (или к положительному напряжению в p-канальном MOSFET), сток подключен к нагрузке, а затвор подключен к контакту GPIO на Espruino. напряжение на затворе определяет, может ли ток течь от стока к нагрузке — ток не течет к затвору или от него (в отличие от транзистора с биполярным переходом) — это означает, что если затвор будет плавать, полевой транзистор может включиться , или выключено, в ответ на окружающие электрические поля или очень слабые токи.
В качестве демонстрации можно подключить полевой МОП-транзистор обычным образом, ничего не подключая к выводу затвора, а затем коснуться затвора, удерживая либо землю, либо положительное напряжение — даже через сопротивление вашего тела вы можете включать и выключать полевой транзистор! Чтобы убедиться, что MOSFET остается выключенным, даже если контакт не подключен (например, после сброса Espruino), между затвором и истоком можно разместить подтягивающий резистор.
МОП-транзисторы коммутируют только ток, протекающий в одном направлении; у них есть диод между истоком и стоком в другом направлении (другими словами, если сток (на N-канальном устройстве) упадет ниже напряжения на истоке, ток будет течь от истока к стоку). Этот диод, «телесный диод», является следствием производственного процесса. Его не следует путать с диодом, который иногда помещают между стоком и источником питания нагрузки — он отдельный и должен быть включен при управлении индуктивной нагрузкой.
Если не указано иное, в этом разделе предполагается использование полевого МОП-транзистора с N-канальным режимом расширения.
N-канальный и P-канальный
В N-канальном МОП-транзисторе исток подключен к земле, сток — к нагрузке, и полевой транзистор включается, когда на затвор подается положительное напряжение. С N-канальными МОП-транзисторами проще работать, и они являются наиболее часто используемым типом. Их также легче производить, поэтому они доступны по более низкой цене и имеют более высокую производительность, чем полевые МОП-транзисторы с p-каналом.
В P-канальном МОП-транзисторе исток подключен к положительному напряжению, и полевой транзистор включается, когда напряжение на затворе ниже напряжения истока на определенную величину (Vgs < 0). Это означает, что если вы хотите использовать МОП-транзистор с каналом P для переключения напряжений выше 5 В, вам понадобится еще один транзистор (какого-то рода), чтобы включать и выключать его.
Выбор полевых МОП-транзисторов
Напряжение затвор-исток (Вг) Одной из наиболее важных характеристик является напряжение, необходимое для полного включения полевого транзистора.
Это не пороговое напряжение — это напряжение, при котором он впервые начинает включаться. Поскольку Espruino может выдавать только 3,3 В, для простейшего подключения нам нужна деталь, обеспечивающая хорошую производительность с приводом затвора на 3,3 В. К сожалению, не так много полевых МОП-транзисторов доступны в удобных корпусах со сквозными отверстиями, которые будут работать с приводом затвора 3,3 В. IRF3708PBF — хороший выбор в большом корпусе TO-220 — его пропускной способности по току достаточно практически для любых целей, даже при напряжении 3,3 В на затворе. Для более низкого тока можно использовать 5LN01SP-AC от On Semiconductor; идет в ТО-92 и выдерживает ток до 100 мА.
В техпаспорт полевого МОП-транзистора обычно включается график, показывающий свойства в открытом состоянии при различных напряжениях затвора. Ключевая характеристика здесь, как правило, представлена в виде графика зависимости тока стока (Id) от напряжения сток-исток (Vds — это падение напряжения на МОП-транзисторе) с несколькими линиями для разных напряжений затвора.
Для примера IRF3708PBF этот график показан на рис. 1. Обратите внимание, что при Id 10 ампер падение напряжения (Vds) едва превышает 0,1 В с приводом затвора 3,3 В, и едва можно различить линии для 3,3 В. и более высокие напряжения отдельно.
Существует широкий выбор низковольтных полевых МОП-транзисторов в корпусах для поверхностного монтажа с отличными характеристиками, часто по очень низким ценам. Популярный корпус SOT-23 можно припаять к области прототипирования SMD Espruino, как показано на рисунках ниже, или использовать с одной из многих недорогих коммутационных плат, доступных на eBay и у многих поставщиков электроники для хобби.
Непрерывный ток Убедитесь, что номинальный постоянный ток детали достаточен для нагрузки — многие детали имеют как пиковый, так и непрерывный ток, и, естественно, первое часто является заголовком спецификации.
Напряжение сток-исток (Vds) Это максимальное напряжение, которое может переключать МОП-транзистор.
Максимальное напряжение затвор-исток (Vgs) Это максимальное напряжение, которое может быть приложено к затвору. Это особенно актуально в случае p-канального МОП-транзистора, коммутирующего довольно высокое напряжение, когда вы понижаете напряжение с помощью другого транзистора или полевого транзистора, чтобы включить его.
Распиновка
Здесь показана распиновка типичных полевых МОП-транзисторов TO-220 и SOT-23. Тем не менее, ВСЕГДА сверяйтесь с таблицей данных, прежде чем что-либо подключать, на случай, если вы обнаружите, что используете нестандартную деталь.
Соединение
N-канал:
Espruino используется для переключения нагрузки 100 Вт с помощью IRF3708. Обратите внимание на резистор 10k между затвором и истоком. Нагрузка представляет собой светодиодную матрицу мощностью 100 Вт, длина волны 660 нм, потребляющая ~ 3,8 А (согласно спецификациям) при 22 В (скорее 85 Вт) — это не так (это довольно ярко).
Здесь показаны два N-канальных полевых МОП-транзистора на участке прототипирования поверхностного монтажа на Espruino, один в SOT-23 (справа), а другой в SOIC-8 (слева).
Обратите внимание, что дорожки между контактными площадками SMD и контактами на Espruino довольно тонкие, поэтому их не следует использовать для токов, намного превышающих ампер.
P-Channel:
Это показывает, что N-канальный MOSFET используется для включения P-канального MOSFET. Эта конфигурация полезна, когда вам нужно переключить верхнюю сторону цепи, питаемой чем-то выше 5 вольт — в этом примере предполагается, что VBat Espruino является источником питания.
Схемы
На этих схемах показаны несколько распространенных конфигураций полевых МОП-транзисторов, используемых с Espruino. Точные номиналы резисторов не важны; Резистор с более высоким значением будет работать нормально (и может быть желателен, когда энергопотребление вызывает особую озабоченность). Как видно ниже, использование P-канального МОП-транзистора для переключения напряжения выше 5 В включает более сложную схему. Это не тот случай, когда для коммутации высокого напряжения используется N-канальный полевой МОП-транзистор; поскольку исток заземлен, затвор не должен подниматься до переключаемого напряжения, как это происходит в P-канальном полевом транзисторе, где источником является положительное напряжение.
МОП-транзисторы и реле
- МОП-транзисторы практически не потребляют энергии, в то время как реле потребляют значительное количество энергии при включении. МОП-транзисторы
- могут управляться с помощью ШИМ. Реле нельзя. Для МОП-транзисторов
- требуется общее заземление (или источник питания для p-канала), в то время как реле полностью изолируют управляемую цепь. МОП-транзисторы
- могут переключать только нагрузки постоянного тока, в то время как изолированные реле могут переключать и переменный ток.
МОП-транзисторы и транзисторы с биполярным переходом
- МОП-транзисторы управляются напряжением, а не током. Ток затвора пренебрежимо мал, тогда как у биполярного транзистора пренебрежимо мал ток базы. МОП-транзисторы
- часто имеют более низкое падение напряжения во включенном состоянии.
- МОП-транзисторы включатся сами, если затвор будет плавать, для биполярных транзисторов требуется ток, поэтому они не включатся.
МОП-транзисторы
- часто дороже и исторически были более уязвимы к статическому повреждению.
Режим улучшения и истощения
Большинство используемых полевых МОП-транзисторов представляют собой так называемые устройства с расширенным режимом, и в приведенном выше описании предполагается использование полевых МОП-транзисторов с расширенным режимом. Опять же, в расширенном режиме MOSFET, когда затвор находится под тем же напряжением, что и исток (Vgs=0), MOSFET не проводит.
В режиме истощения MOSFET, когда Vgs = 0, MOSFET включен, и для прекращения проводимости на затвор необходимо подать напряжение. Подаваемое напряжение противоположно тому, которое включает полевой МОП-транзистор с режимом улучшения, поэтому для полевого МОП-транзистора с N-канальным режимом улучшения необходимо приложить отрицательное напряжение, чтобы выключить его.
Покупка
- Digikey
- Маузер
- eBay (только общие детали)
Эта страница автоматически создается из GitHub. Если вы видите какие-либо ошибки или у вас есть предложения, пожалуйста, сообщите нам об этом.
Полевые транзисторы-DUMMIES
BY: Cathleen Shamieh и
Обновлено: 03-26-2016
Из книги: Electronics для Dummies
Electrics for Dummies
.
. Dumporore Dumporore
Electrics for Dummies .
.
.
Electricies
. Амазонка
Полевой транзистор (FET) состоит из канала из полупроводникового материала N- или P-типа, через который может протекать ток, с другим материалом (наложенным поперек участка канала), контролирующим проводимость канала .
В полевом транзисторе (FET) напряжение, подаваемое на затвор, управляет протеканием тока по каналу от истока к стоку.
Один конец канала известен как источник, другой конец канала называется слив, и механизм управления называется ворота. Подавая напряжение на затвор, вы управляете потоком тока от истока к стоку. Выводы присоединяются к истоку, стоку и затвору. Некоторые полевые транзисторы включают четвертый вывод, поэтому вы можете заземлить часть полевого транзистора на шасси схемы. (Но не путайте этих четвероногих существ с двухзатворными МОП-транзисторами и , у которых тоже четыре вывода.)
Полевые транзисторы (произносится как «fetts») бывают двух видов — N-канальные и P-канальные — в зависимости от типа полупроводникового материала (N-типа или P-типа соответственно), через который протекает ток. Существует два основных подтипа FET: MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) и JFET (переходной полевой транзистор). То есть то, что зависит от того, как сконструированы ворота, что, в свою очередь, приводит к различным электрическим свойствам и различным применениям для каждого типа.
(в частности, полевые МОП-транзисторы) стали гораздо более популярными, чем биполярные транзисторы, для использования в интегральных схемах (ИС ), где тысячи транзисторов работают вместе для выполнения задачи. Это потому, что это маломощные устройства, структура которых позволяет разместить тысячи N- и P-канальных МОП-транзисторов, как сардин, на одном куске кремния (то есть полупроводникового материала).
Электростатический разряд (ESD) может повредить полевые транзисторы. Если вы покупаете полевые транзисторы, обязательно храните их в антистатическом пакете или тубе — и оставьте их там до тех пор, пока вы не будете готовы их использовать.
Эта статья взята из книги:
- Электроника для чайников,
Об авторе книги:
Кэтлин Шами — инженер-электрик и писатель с обширным опытом проектирования и консультирования в области медицинской электроники.
