Tranzistory s polním efektem: princip činnosti, obvody, provozní režimy a modelování

Již jsme zkontrolovali zařízení bipolárních tranzistorů a jejich fungováníNyní pojďme zjistit, jaké jsou tranzistory s polním efektem. Tranzistory s polním efektem jsou ve starých obvodech i moderních velmi běžné. V dnešní době jsou zařízení s izolovanou bránou používána ve větší míře, dnes budeme hovořit o typech tranzistorů s efektem pole a jejich vlastnostech. V článku provedu srovnání s bipolárními tranzistory na samostatných místech.

Definice

Tranzistor s efektem pole je polovodičový plně ovladatelný klíč ovládaný elektrickým polem. To je hlavní rozdíl z hlediska praxe od bipolárních tranzistorů, které jsou řízeny proudem. Elektrické pole je vytvářeno napětím přivedeným na bránu vzhledem ke zdroji. Polarita řídicího napětí závisí na typu tranzistorového kanálu. Existuje dobrá analogie s elektronickými elektronkami.

Další název pro tranzistory s polním efektem je unipolární. „UNO“ znamená jeden. U tranzistorů s efektem pole je proud v závislosti na typu kanálu prováděn pouze jedním typem nosiče pomocí děr nebo elektronů. V bipolárních tranzistorech byl proud tvořen dvěma typy nosných nábojů - elektrony a díry, bez ohledu na typ zařízení. Tranzistory s polním efektem lze v obecném případě rozdělit na:

• tranzistory s kontrolním pn spojením;

• izolované hradlové tranzistory.

Oba mohou být n-kanál a p-kanál, musí být kladné řídicí napětí přivedeno na hradlo první, aby se otevřel klíč, a pro druhé, záporné vzhledem ke zdroji.

Všechny typy tranzistorů s polním efektem mají tři výstupy (někdy 4, ale zřídka jsem se setkal pouze v sovětu a bylo to spojeno s případem).

1. Zdroj (zdroj nosiče, bipolární emitorový analog).

2. Stoke (zdroj nosičů náboje ze zdroje, analog kolektoru bipolárního tranzistoru).

3. Uzávěr (řídicí elektroda, analog mřížky na lampách a základnách na bipolárních tranzistorech).

Tranzistor PN Tranzistor

Tranzistor se skládá z následujících oblastí:

1. kanál;

2. Zásoby;

3. zdroj;

4. Závěrka.

Na obrázku vidíte schematickou strukturu takového tranzistoru, závěry jsou spojeny s metalizovanými částmi brány, zdroje a odtoku. Ve specifickém obvodu (jedná se o p-kanálové zařízení) je brána n-vrstva, má menší odpor než kanálová oblast (p-vrstva) a p-n spojovací oblast je z tohoto důvodu více umístěna v p-oblasti.

Podmíněné grafické označení:

 

a - tranzistor typu n, typ pole, b - tranzistor typu p, typu pole

Pro snadnější zapamatování si pamatujte označení diody, kde šipka ukazuje z oblasti p na oblast n. Tady taky.

Prvním stavem je přivedení externího napětí.

Pokud je na takový tranzistor přivedeno napětí, plus do odtoku a mínus na zdroj, protéká ním velký proud, bude omezen pouze odporem kanálu, vnějšími odpory a vnitřním odporem zdroje energie. Můžete nakreslit analogii s normálně uzavřeným klíčem. Tento proud se nazývá Istart nebo počáteční vypouštěcí proud na nás = 0.

Tranzistor s efektem pole s řízením pn spoje, bez přiváděného řídicího napětí na bránu, je co nejotevřenější.

Napětí na odtok a zdroj se přivádí tímto způsobem:

Hlavní nosiče nábojů jsou zavedeny prostřednictvím zdroje!

To znamená, že pokud je tranzistor p-kanál, pak je kladný výstup zdroje energie připojen ke zdroji, protože hlavní nosiče jsou díry (kladné náboje) - jedná se o tzv. vodivost díry.Pokud je n-kanálový tranzistor připojen ke zdroji, negativní výstup zdroje energie, protože v tom jsou hlavní nosiče náboje elektrony (záporné nosiče náboje).

Zdroj je zdrojem hlavních nosných nábojů.

Zde jsou výsledky modelování takové situace. Na levé straně je p-kanál a na pravé straně je n-kanálový tranzistor.

Druhý stav - připojte napětí na závěrku

Když je kladné napětí přivedeno na hradlo vzhledem ke zdroji (Us) pro p-kanál a záporné pro n-kanál, posouvá se v opačném směru, p-n spojovací oblast se rozšiřuje směrem k kanálu. V důsledku toho se šířka kanálu snižuje, proud se snižuje. Napětí hradla, při kterém proud přes klíč přestane proudit, se nazývá vypínací napětí.

Klíč se začíná zavírat.

Je dosaženo vypínacího napětí a klíč je zcela zavřený. Obrázek s výsledky simulace ukazuje takový stav pro klávesy p-kanál (vlevo) a n-kanál (vpravo). Mimochodem, v angličtině se takový tranzistor nazývá JFET.

Provozní režimy

Provozní režim tranzistoru s napětím Uзи je nulový nebo reverzní. Kvůli zpětnému napětí můžete „zakrýt tranzistor“, který se používá ve zesilovačích třídy A a dalších obvodech, kde je zapotřebí plynulá regulace.

Režim cutoff nastane, když je Uzi = U cutoff pro každý tranzistor odlišný, ale v každém případě je použit v opačném směru.

Charakteristika, CVC

Výstupní charakteristika je graf, který zobrazuje závislost odtokového proudu na Uci (aplikovaný na svorky odtoku a zdroje) při různých hradlových napětích.

Lze rozdělit do tří oblastí. Na začátku (na levé straně grafu) vidíme ohmickou oblast - v tomto intervalu se tranzistor chová jako odpor, proud roste téměř lineárně, dosahuje určité úrovně, jde do oblasti saturace (ve středu grafu).

V pravé části grafu vidíme, že proud začíná opět růst, to je oblast rozkladu, zde by tranzistor neměl být umístěn. Nejvyšší větev znázorněná na obrázku je proud na nule Us, vidíme, že zde je proud největší.

Čím vyšší je Uzi napětí, tím nižší je vypouštěcí proud. Každá z větví se u brány liší o 0,5 voltu. To, co jsme pomocí modelování potvrdili.

Charakteristika drenážní brány, tj. v závislosti na odtokovém proudu na hradlovém napětí při stejném napětí odtokového zdroje (v tomto příkladu 10 V), zde je stoupání sítě také 0,5 V, opět vidíme, že čím blíže je napětí Uzi na 0, tím větší je vypouštěcí proud.

U bipolárních tranzistorů existoval takový parametr, jako je součinitel proudu nebo zisk, byl označen jako B nebo H21e nebo Hfe. V poli se strmost používá k zobrazení schopnosti zvýšit napětí, což je označeno písmenem S

S = dIc / dU

To znamená, že strmost ukazuje, kolik miliampů (nebo ampérů) odtokový proud roste se zvýšením napětí zdroje hradla o počet voltů s nezměněným napětím zdroje odtoku. Lze jej vypočítat na základě charakteristiky hradlo-brána, ve výše uvedeném příkladu je sklon přibližně 8 mA / V.

Schémata přepínání

Stejně jako bipolární tranzistory existují tři typické schémata zapojení:

1. Se společným zdrojem (a). Používá se nejčastěji, dává zisk v proudu a moci.

2. Se společnou závěrkou (b). Používá se zřídka, nízká vstupní impedance, žádný zisk.

3. S úplným odtokem (c). Zisk napětí je blízký 1, vstupní impedance je velká a výstupní impedance je nízká. Další jméno je zdroj sledující.

Vlastnosti, výhody, nevýhody

• Hlavní výhoda tranzistoru s efektem pole vysoká vstupní impedance. Vstupní odpor je poměr proudu k napětí zdroje brány. Princip činnosti spočívá v řízení pomocí elektrického pole a vytváří se při přivedení napětí. To je tranzistory s polním efektem.

• Tranzistor s polním efektem prakticky nespotřebovává řídicí proud, to je snižuje ztrátu ovládání, zkreslení signálu, aktuální přetížení zdroje signálu ...

• Průměrná frekvence Tranzistory s polním efektem fungují lépe než bipolárníTo je způsobeno skutečností, že na „resorpci“ nosičů náboje v oblastech bipolárního tranzistoru je zapotřebí méně času. Některé moderní bipolární tranzistory mohou dokonce překonat ty polní, je to kvůli použití vyspělejších technologií, zmenšení šířky základny a další.

• Nízká hladina hluku tranzistorů s efektem pole je způsobena absencí procesu vstřikování náboje, jako u bipolárních.

• Stabilita s teplotou.

• Nízká spotřeba energie ve vodivém stavu - vyšší účinnost vašich zařízení.

Nejjednodušším příkladem použití vysoké vstupní impedance je přizpůsobovací zařízení pro připojení elektroakustických kytar s piezo snímači a elektrické kytary s elektromagnetickými snímači k linkovým vstupům s nízkou vstupní impedancí.

Nízká vstupní impedance může způsobit pokles vstupního signálu a zkreslení jeho tvaru v různé míře v závislosti na frekvenci signálu. To znamená, že se tomu musíte vyhnout zavedením kaskády s vysokou vstupní impedancí. Zde je nejjednodušší schéma takového zařízení. Vhodné pro připojení elektrických kytar na linkový vstup zvukové karty počítače. Díky tomu bude zvuk jasnější a zabarvení bude bohatší.

Hlavní nevýhodou je, že takové tranzistory se bojí statické elektřiny. S elektrifikovanými rukama můžete vzít prvek a okamžitě selže, což je důsledek správy klíče pomocí pole. Doporučuje se s nimi pracovat v dielektrických rukavicích, které jsou připojeny pomocí speciálního náramku k zemi, s páječkou s nízkým napětím s izolovanou špičkou a vodičové tranzistory mohou být během instalace svázány drátem, aby je během instalace zkratovaly.

Moderní zařízení se toho prakticky nebojí, protože na jejich vstupu mohou být zabudována ochranná zařízení, jako jsou zenerovy diody, které fungují při překročení napětí.

Někdy, pro začátečníky radioamatérů, obavy dosáhnou bodu absurdity, jako je nasazení fóliových uzávěrů na hlavu. Všechno, co je popsáno výše, i když je povinné, ale nedodržení žádných podmínek nezaručuje selhání zařízení.

Izolované tranzistory s efektem hradlového pole

Tento typ tranzistoru se aktivně používá jako polovodičový klíč. Navíc pracují nejčastěji v režimu klíčů (dvě pozice „zapnuto“ a „vypnuto“). Mají několik jmen:

1. MOS tranzistor (kov-dielektrický polovodič).

2. MOS tranzistor (polovodič s oxidem kovu).

3. Tranzistor MOSFET (polovodič s oxidem kovu).

Pamatujte - jedná se pouze o varianty stejného jména. Dielektrikum, nebo jak se také nazývá oxid, hraje roli izolátoru brány. Na níže uvedeném diagramu je mezi n-oblastí blízko závěrky a závěrky zobrazen izolátor ve formě bílé zóny s tečkami. Je vyroben z oxidu křemičitého.

Dielektrikum eliminuje elektrický kontakt mezi hradlovou elektrodou a substrátem. Na rozdíl od řídicího pn spojení nefunguje na principu rozšíření a překrývání kanálu, ale na principu změny koncentrace nosičů náboje v polovodiči pod vlivem vnějšího elektrického pole. MOSFETy jsou dvou typů:

1. S integrovaným kanálem.

2. S indukovaným kanálem

Kanálové integrované tranzistory

Na obrázku vidíte tranzistor s integrovaným kanálem. Z toho lze již hádat, že princip jeho činnosti se podobá tranzistoru s polním efektem s řídícím p-n křižovatkou, tj. když je hradlové napětí nulové, proud protéká spínačem.

V blízkosti zdroje a odtoku vznikají dvě oblasti s vysokým obsahem nosičů nábojů nečistot (n +) se zvýšenou vodivostí. Substrát je základna typu P (v tomto případě).

Vezměte prosím na vědomí, že krystal (substrát) je připojen ke zdroji, je nakreslen na mnoha běžných grafických symbolech.Když se zvyšuje hradlové napětí, v kanálu vzniká příčné elektrické pole, odpuzuje nosiče náboje (elektrony) a kanál se uzavře, když je dosaženo prahové hodnoty Uз.

Provozní režimy

Když je přivedeno záporné napětí hradlového zdroje, odtokový proud klesá, tranzistor se začne uzavírat - to se nazývá štíhlý režim.

Když je kladné napětí přivedeno na hradlový zdroj, dochází k obrácenému procesu - elektrony jsou přitahovány, proud se zvyšuje. Toto je režim obohacení.

To vše platí pro tranzistory MOS s integrovaným kanálem typu N. Pokud kanál typu p nahradí všechna slova „elektrony“ slovy „díry“, polarita napětí se obrátí.

Modelování

Tranzistor se zabudovaným kanálem n-typu s nulovým napětím hradla:

Na závěrku aplikujeme -1V. Proud se snížil o 20krát.

Podle datového listu tohoto tranzistoru máme prahové napětí hradlového zdroje v oblasti jednoho voltu a jeho typická hodnota je 1,2 V, zkontrolujte to.

 

Proud se stal v mikroamperách. Pokud trochu zvýšíte napětí, úplně zmizí.

Náhodně jsem si vybral tranzistor a narazil jsem na docela citlivé zařízení. Pokusím se změnit polaritu napětí tak, aby brána měla pozitivní potenciál, zkontrolujeme režim obohacení.

Při hradlovém napětí 1 V se proud čtyřikrát zvýšil ve srovnání s tím, co bylo při 0 V (první obrázek v této sekci). Z toho vyplývá, že na rozdíl od předchozího typu tranzistorů a bipolárních tranzistorů může pracovat jak pro zvýšení proudu, tak pro snížení bez dodatečného páskování. Toto tvrzení je velmi hrubé, ale v první aproximaci má právo na existenci.

Vlastnosti

Zde je vše téměř stejné jako u tranzistoru s řídicím přechodem, s výjimkou přítomnosti obohacujícího režimu ve výstupní charakteristice.

Pokud jde o charakteristiku drenážní brány, je jasně vidět, že záporné napětí způsobuje, že režim vyčerpává a uzavírá klíč, a kladné napětí na závěrce způsobuje obohacení a větší otevření klíče.

Tranzistory indukované kanálem

MOSFETy s indukovaným kanálem nevedou proud, když na bráně není napětí, nebo spíše, je-li proud, ale je extrémně malý, protože to je zpětný proud mezi substrátem a vysoce legovanými oblastmi odtoku a zdroje.

Tranzistor s efektem pole s izolovanou bránou a indukovaným kanálem je analogem normálně otevřeného spínače, proud neproudí.

V přítomnosti napětí zdroje brány, jako uvažujeme n-typ indukovaného kanálu, napětí je kladné, záporné nosiče jsou přitahovány k oblasti brány působením pole.

Existuje tedy „koridor“ pro elektrony od zdroje k odtoku, takže se objeví kanál, tranzistor se otevře a proud ním začne proudit. Máme substrát typu p, hlavní v něm jsou kladné nábojové nosiče (díry), existuje jen velmi málo negativních nosičů, ale pod vlivem pole se oddělují od svých atomů a jejich pohyb začíná. Proto nedostatek vodivosti při absenci napětí.

Vlastnosti

Výstupní charakteristika přesně opakuje stejný rozdíl od předchozích, pouze to, že napětí Uz se stanou kladnými.

Charakteristika brány a brány ukazuje stejnou věc, opět, rozdíly v napětí brány.

Při posuzování charakteristik proudu a napětí je nesmírně důležité pečlivě sledovat hodnoty zapsané podél os.

Modelování

Na klíč bylo přivedeno napětí 12 V a měli jsme 0. Na bráně proud neprotéká tranzistorem.

Přidejte k bráně 1 volt, ale proud nemyslel, že proudí ...

Když jsem přidal jeden volt, zjistil jsem, že proud začíná růst ze 4V.

Přidáním dalšího 1 V se proud prudce zvýšil na 1,129 A.

Datasheet udává prahové napětí pro otevření tohoto tranzistoru v sekci od 2 do 4 voltů a maximum na bráně-k-bráně od -20 do +20 V, další přírůstky napětí nedaly výsledky při 20 voltech (neudělal jsem několik miliampů Myslím, že v tomto případě).

To znamená, že tranzistor bude zcela otevřený, pokud by tomu tak nebylo, proud v tomto obvodu by byl 12/10 = 1,2 A. Později jsem studoval, jak tento tranzistor funguje, a zjistil jsem, že při 4 voltech se začne otevírat.

Když jsem přidal 0,1 V, všiml jsem si, že s každou desetinou voltu roste proud stále více a o 4,6 V tranzistor je téměř úplně otevřený, rozdíl s hradlovým napětím 20 V v odtokovém proudu je pouze 41 mA, při 1,1 A je nesmysl.

Tento experiment odráží skutečnost, že tranzistor s indukovaným kanálem se otevírá pouze při dosažení prahového napětí, což mu umožňuje perfektně fungovat jako klíč v impulzních obvodech. IRF740 je ve skutečnosti jedním z nejběžnějších ve spínacích zdrojích.

Výsledky měření hradlového proudu ukázaly, že tranzistory s efektem pole téměř nekonzumují řídicí proud. Při napětí 4,6 V byl proud pouze 888 nA (nano !!!).

Při napětí 20 V to bylo 3,55 μA (mikro). U bipolárního tranzistoru by to bylo řádově 10 mA, v závislosti na zesílení, které je desítky tisíckrát více než pole.

Ne všechna tlačítka se otevírají takovým napětím, je to kvůli konstrukci a vlastnostem obvodů zařízení, kde jsou používána.

Funkce použití klíčů s izolovanou závěrkou

Dva dirigenti a mezi nimi dielektrikum - co je to? Jedná se o tranzistor, samotná brána má parazitní kapacitu, zpomaluje proces přepínání tranzistoru. Toto se nazývá Miller Plateau, obecně je tato otázka hodná samostatného seriózního materiálu s přesným modelováním pomocí jiného softwaru (nekontrolovala tuto funkci v multisimu).

Vybitá kapacita v prvním okamžiku vyžaduje velký nabíjecí proud a vzácná řídicí zařízení (regulátory PWM a mikrokontroléry) mají silné výstupy, takže používají ovladače pro polní uzávěry, a to jak v tranzistorech s polním efektem, tak v IGBT (bipolární s izolovanou závěrkou). Toto je takový zesilovač, který převádí vstupní signál na výstup takové velikosti a proudové síly, dostatečný pro zapnutí a vypnutí tranzistoru. Nabíjecí proud je také omezen odporem zapojeným do série s bránou.

Současně lze některá vrata ovládat také z portu mikrokontroléru pomocí rezistoru (stejný IRF740). Dotkli jsme se tohoto tématu. v arduino materiálovém cyklu.

Podmíněná grafika

Připomínají tranzistory s polním efektem s řídicí bránou, ale liší se v tom, že na UGO, jako v samotném tranzistoru, je brána oddělena od substrátu a šipka ve středu označuje typ kanálu, ale směřuje od substrátu k kanálu, pokud se jedná o n-kanálový mosfet - směrem k závěrce a naopak.

Pro klíče s indukovaným kanálem:

Může to vypadat takto:

Věnujte pozornost anglickým názvům závěrů, které jsou často uvedeny v datovém listu a na diagramech.

Pro klíče se zabudovaným kanálem: