Graude-msk.ru

Ремонт бытовой техники
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Полевой транзистор. Часть 1. Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET

Полевой транзистор. Часть 1. Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET

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

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

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

Полевые транзисторы. For dummies

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Читайте так же:
Как ibooks синхронизировать с другими устройствами

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
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 МДП-транзисторов

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

  1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
  2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
  3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
  4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
  5. Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
  6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Читайте так же:
Регулировка навесов кухонный гарнитур

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

  • высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
  • высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
  • поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
  • высокая температурная стабильность;
  • малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
  • малое потребление мощности.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

Хотите посмотреть похожие товары? Просто выберите необходимые атрибуты ниже и нажмите кнопку ×

  • Technical Data Sheet EN
  • Product Change Notice EN

Сроки и условия

CAD Models — Notice
CAD Models and drawings are provided to you on a revocable limited licence for your internal use only but remain the property of the manufacturer who retain all intellectual property rights and ownership. They are provided to assist you in decision making and as design guide but are not guaranteed to be error free, accurate or up to date and is not intended to be taken as advice.
Use of these CAD models and other options provided are downloaded and used entirely at your own risk and by continuing you confirm acceptance of the above.

. PF_PDP_COMPARE_MAX_ITEMS_MESG.

Доступно для допоставки

Поставки с 13.02.22

1 031 больше товаров будет доступно 13.02.22
400 больше товаров будет доступно 01.05.22
400 больше товаров будет доступно 30.10.22

Вы можете зарезервировать товар на складе прямо сейчас просто закажите желаемое количество и оформите заказ как обычно. Количество, которое не может быть отправлено сейчас, будет размещено в допоставке и отправлено, как только мы получим доставку от нашего поставщика. Вы платите только тогда, когда товары отправлены вам.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Сравнение принципа действия полевого и биполярного транзистора

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

Оптимизация ионоселективного полевого транзистора (ИСПТ) посредством мультифизического моделирования

Author Image

Что общего между брожением пива, анализом почвы и производством молочной продукции? Во всех трех областях используются ионоселективные полевые транзисторы (ИСПТ) для измерения водородного показателя (pH). Эти датчики имеют малый размер, высокую эффективность и длительный срок эксплуатации, что делает их идеальными для пищевой промышленности, экологии и биомедицинских приложений. Однако в ИСПТ может наблюдаться дрифт характеристик, т.к. такие транзисторы чувствительны к изменению температуры, что ограничивает их точность и стабильность работы. С помощью программного пакета COMSOL® можно точно проанализировать конструкции ИСПТ и улучшить их характеристики.

ИСПТ: области применения, преимущества и принцип работы

По структуре и принципу действия ИСПТ близки к полевым транзисторам со структурой металл — оксид — полупроводник (МОП-транзисторам) и имеют несколько преимуществ по сравнению с другими датчиками pH. Одно из них состоит в том, что ИСПТ сделаны из кремния, поэтому они более долговечны, чем остальные датчики, которые обычно изготавливаются из стекла. Это особенно целесообразно для контроля качества в пищевой промышленности, медицине, фармацевтике и экологии, где разбитое стекло загрязняет образцы и приводит к простою оборудования.

Читайте так же:
Окна века регулировка зима лето

ИСПТ стойки к воздействию сильных кислот и щелочей, а также имеют небольшой размер, легкий вес, быстро работают и обладают высокой чувствительностью. Эти характеристики полезны для применений, в которых нужны портативные и производительные датчики, например:

  • Контроль над брожением пива
  • Производство молочных продуктов: молоко, сыр и йогурт
  • Анализ почвы на гербициды, химикаты и другие токсические вещества
  • Ручные приборы для обнаружения запрещенных веществ

Иллюстрация типовой конструкции ИСПТ.

Схема типового ИСПТ. Автор изображения — Huijunan, собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 4.0 на Викискладе. Хоть это и не показано явным образом на чертеже, черные провода проходят через желто-оранжевые изоляторы и соединены с n+ областями истока и стока.

Несмотря на множество преимуществ, у ИСПТ также имеется несколько недостатков, таких как дрифт характеристик и чувствительность к температурам. Их динамический диапазон ограничен, и они могут давать достаточно сильный шум. Кроме того, минимальное требуемое напряжение для работы ИСПТ (т.н. пороговое напряжение) может варьироваться. Эти факторы влияют на точность и стабильность работы ИСПТ и приводят к необходимости частой настройки, что делает их непригодными в качестве биосенсоров (например, для анализа ДНК) и для обработки сигналов.

Чтобы учесть эти факторы, требуется тщательно проанализировать схему работы и структуру ИСПТ, принимая во внимание химические реакции, электромагнитные и другие явления. Платформа COMSOL Multiphysics® , совместно с модулями расширения Полупроводники (Semiconductor), Микрогидродинамика (Microfluidics) или Химические реакции предоставляют все необходимые инструменты для такой разработки.

Чтобы узнать подробнее о модулях расширения для моделирования ИСПТ, ознакомьтесь с описанием семейства продуктов COMSOL® в соответствующем разделе нашего сайта.

Моделирование ИСПТ с помощью пакета COMSOL®

Рассмотрим ИСПТ, состоящий из двух областей:

  1. Полупроводник
  2. Электролит

Полупроводниковая область ИСПТ аналогична МОП-транзистору, с поправкой на то, что используется не металлический затвор, а электролитный. Область электролита содержит водород и гидроксильные ионы, а также пару типовых анионов и катионов, как показано в аналогичной модели: Модель диффузного двойного слоя.

Подробная постановка задачи, комментарии по настройке и пошаговая инструкция по сборке ИСПТ доступна в обучающем руководстве Моделирование ионоселективного полевого транзистора. Если у вас есть учетная запись COMSOL Access и действительная лицензия на программное обеспечение, вы сможете загрузить и сам MPH-файл.

Области полупроводника и электролита можно связать, предварительно расчитав отдельно каждую из них. Электрический потенциал от электролита прикладывается к оксидной поверхности на границе полупроводниковой области, а поле электрического смещения со стороны полупроводника задается на границу области электролита.

Модель COMSOL, в которой показано распределение электрического потенциала в ИСПТ.

Распределение электрического потенциала в сечении ИСПТ.

Получившаяся в результате связанная система становится нелинейной, поэтому для решения задачи потребуется провести последовательность исследований. Первые три исследования в модели проводят расчет для:

  1. Области электролита
  2. Области полупроводника
  3. Связанной системы при различных условиях работы

Затем выполняется четвертое исследование, имитирующее работу ИСПТ в нормальном режиме, когда в контуре обратной связи поддерживается постоянный ток стока. Для экономии времени этот контур необязательно моделировать явно. Вместо этого можно использовать глобальное уравнение, чтобы воссоздать влияние контура обратной связи.

Анализ результатов моделирования

Графики распределения потенциала электролита в модели ИСПТ в сравнении с одноменой упрощенной аппроксимацией.

Проведя исследование для области электролита вы можете увидеть электрический потенциал вдоль центра области. Результаты можно сопоставить с одномерной приближенной формулой (ссылка №1 в документации к модели). Как показано ниже, результаты расчета в ПО хорошо согласуются с одномерной аппроксимацией.
Потенциал электролита в модели ИСПТ (сплошные кривые) и одномерная аппроксимация (пунктирные кривые).

Затем можно проанализировать работу ИСПТ в сборке. На графике слева показана характеристика ИСПТ, иллюстрирующая зависимость тока стокаот приложенного напряжения на затворе, а на графике справа — влияние трех разных значений pH на кривую зависимости тока стока от напряжения стока при фиксированном напряжении затвора. С помощью этих данных можно определить наилучшую рабочую точку для ИСПТ.

Результаты моделирования: отклик ИСПТ, когда напряжение на затворе регулирует ток стока.

Влияния трех разных значений pH на зависимость тока стока от напряжения стока.

Слева: ток стока в ИСПТ в зависимости от приложенного напряжения на затворе. Справа: ток стока при значениях pH 3, 7 и 11.

После выбора рабочей точки можно рассчитать чувствительность устройства, смоделировав ИСПТ в режиме стабилизированного тока с контуром обратной связи, как описано выше. Наклон полученной кривой для чувствительности соответствует кривой в референсной статье (ссылка №1 в документации к модели).

График чувствительности ИСПТ как датчика.

Чувствительность ИСПТ.

Используя подобную модель, инженеры могут изучать конструкции датчиков на основе ИСПТ и улучшать их характеристики для различных прикладных задач.

Дальнейшие шаги

Хотите протестировать данную модель ИСПТ? Нажмите на кнопку ниже, чтобы перейти в Библиотеку моделей и приложений. Там вы найдете подробную документацию и MPH-файл, соответствующий примеру.

Характеристическая кривая JFET

Характеристические кривые JFET демонстрируют то же поведение регулирования тока, что и BJT, а нелинейность между напряжением затвор/исток и током стока очевидна в непропорциональных вертикальных расстояниях между кривыми:

Рис. 7. Выходные характеристики полевого транзистора.

Чтобы лучше понять регулирующее ток поведение JFET, может быть полезно нарисовать модель, состоящую из более простых и распространенных компонентов, как мы это сделали для BJT:

Рис. 8. Диодная модель с регулирующим диодом для полевого транзистора с каналом N-типа.

В случае JFET именно напряжение на диоде затвор/исток с обратным смещением задаёт точку регулирования тока для пары диодов постоянного тока. В модель включена пара противоположных диодов постоянного тока для обеспечения протекания тока в любом направлении между истоком и стоком, что стало возможным благодаря униполярной природе канала. При отсутствии P-N-переходов для прохождения тока исток/сток отсутствует чувствительность к полярности в регулируемом токе. По этой причине JFET часто называют двусторонними устройствами.

Читайте так же:
Устройство для регулировки яркости света

Сравнение характеристических кривых JFET и кривых для биполярного транзистора показывает заметную разницу: линейная (прямая) часть негоризонтальной области каждой кривой заметно более длинная, чем соответствующие участки характеристических кривых BJT:

Рис. 9. Омические области на графиках выходных характеристик полевого транзистора.

Рис. 10. Для сравнения графики выходных характеристик биполярного транзистора.

JFET-транзистор, выполняющий функции, которые когда-то возлагались на триоды, по своему действию очень похож на простой резистор, измеряемый между стоком и истоком. Как и у всех простых сопротивлений, его график тока/напряжения представляет собой прямую линию. По этой причине участок триодной (негоризонтальный) характеристической кривой полевого транзистора иногда называют омической областью. В этом режиме работы, когда напряжения сток/исток недостаточно для доведения тока стока до регулируемой точки, ток стока прямо пропорционален напряжению сток/исток. В тщательно спроектированной схеме это явление можно использовать с пользой. Управляемый в этой области кривой JFET действует как сопротивление, управляемое напряжением, а не как стабилизатор тока, управляемый напряжением. Соответствующая модель транзистора будет иная:

Рис. 11. Диодно-реостатная модель полевого транзистора с каналом N-типа.

Здесь и только здесь модель транзистора с реостатом (переменным резистором) является точной. Однако следует помнить, что такая модель транзистора действительна только для работы в узком диапазоне условий: когда он чрезвычайно насыщен (гораздо меньшее напряжение приложено между стоком и истоком, чем то, что необходимо для достижения полной регулировки тока через сток). Величина сопротивления (измеряемая в омах) между стоком и истоком в этом режиме контролируется тем, сколько напряжения обратного смещения приложено между затвором и истоком. Чем меньше напряжение затвор/исток, тем меньше сопротивление (будет более крутая линия на графике).

Поскольку полевые транзисторы являются регуляторами тока с регулируемым напряжением (по крайней мере, когда им разрешено работать в активном состоянии), их собственный коэффициент усиления не может быть выражен в виде безразмерного отношения, как у BJT. Другими словами, для JFET нет коэффициента β. Это верно для всех активных устройств, управляемых напряжением, включая другие типы полевых транзисторов и даже электронные лампы. Однако можно выразить через контролируемый ток (стока) и управляющее напряжение (затвор-/исток), и эта величина известна как крутизна. Её единица измерения — Сименс, это та же единица измерения, что используется для проводимости (ранее известная как «мо», т.е. «ом» наоборот).

Почему выбрана именно эта единица измерения? Да потому, что уравнение принимает вид, где общая форма тока (выходной сигнал) делится на напряжение (входной сигнал).

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

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.

Читайте так же:
Регулировка отопительных приборов однотрубной системы отопления

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.

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)

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.

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 транзис торы, используемые в цифровой электронике, делятся на два типа.

  1. Мощные силовые – используются в импульсных преобразователях напряжения и в цепях питания.
  2. 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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector