Transistors à effet de champ: principe de fonctionnement, circuits, modes de fonctionnement et modélisation

Nous avons déjà revu dispositif de transistors bipolaires et leur travailVoyons maintenant ce que sont les transistors à effet de champ. Les transistors à effet de champ sont très courants dans les circuits anciens et modernes. De nos jours, les dispositifs à grille isolée sont plus largement utilisés, nous parlerons aujourd'hui des types de transistors à effet de champ et de leurs caractéristiques. Dans l'article, je ferai des comparaisons avec des transistors bipolaires dans des endroits séparés.

Définition

Un transistor à effet de champ est une clé semi-conductrice entièrement contrôlable contrôlée par un champ électrique. C'est la principale différence du point de vue de la pratique avec les transistors bipolaires, qui sont contrôlés par le courant. Un champ électrique est créé par une tension appliquée à la grille par rapport à la source. La polarité de la tension de commande dépend du type de canal de transistor. Il existe une bonne analogie avec les tubes à vide électroniques.

Un autre nom pour les transistors à effet de champ est unipolaire. "UNO" signifie un. Dans les transistors à effet de champ, selon le type de canal, le courant est conduit par un seul type de porteur par des trous ou des électrons. Dans les transistors bipolaires, le courant était formé de deux types de porteurs de charge - les électrons et les trous, quel que soit le type d'appareils. Les transistors à effet de champ dans le cas général peuvent être divisés en:

• transistors à jonction pn de commande;

• transistors à grille isolée.

Les deux peuvent être à canal n et à canal p, une tension de commande positive doit être appliquée à la grille du premier pour ouvrir la clé, et pour le second, négative par rapport à la source.

Tous les types de transistors à effet de champ ont trois sorties (parfois 4, mais rarement, je ne les ai rencontrées qu'en soviétique et elles étaient connectées au boîtier).

1. Source (source porteuse, émetteur bipolaire analogique).

2. Stoke (une source de porteurs de charge de la source, un analogue du collecteur d'un transistor bipolaire).

3. Obturateur (électrode de contrôle, analogique d'une grille sur lampes et bases sur transistors bipolaires).

Transistor PN Transistor

Le transistor se compose des zones suivantes:

1. Canal;

2. Stock;

3. La source;

4. Obturateur.

Dans l'image, vous voyez une structure schématique d'un tel transistor, les résultats sont connectés aux sections métallisées de la grille, de la source et du drain. Dans un circuit spécifique (c'est un dispositif à canal p), la grille est une couche n, a moins de résistivité que la région de canal (couche p), et la région de jonction p-n est plus située dans la région p pour cette raison.

Désignation graphique conditionnelle:

 

a - transistor à effet de champ de type n, b - transistor à effet de champ de type p

Pour faciliter la mémorisation, n'oubliez pas la désignation de la diode, où la flèche pointe de la région p à la région n. Ici aussi.

Le premier état consiste à appliquer une tension externe.

Si une tension est appliquée à un tel transistor, elle est plus au drain et moins à la source, un grand courant le traversera, il ne sera limité que par la résistance du canal, les résistances externes et la résistance interne de la source d'alimentation. Vous pouvez faire une analogie avec une touche normalement fermée. Ce courant est appelé Istart ou le courant de drain initial à Us = 0.

Un transistor à effet de champ avec une commande de jonction pn, sans la tension de commande appliquée à la grille, est aussi ouvert que possible.

La tension vers le drain et la source est appliquée de cette manière:

Les principaux porteurs de charges sont introduits par la source!

Cela signifie que si le transistor est à canal p, la sortie positive de la source d'alimentation est connectée à la source, car les porteurs principaux sont des trous (porteurs de charge positifs) - c'est ce qu'on appelle la conductivité des trous.Si le transistor à canal n est connecté à la source, la sortie négative de la source d'alimentation, car en elle, les principaux porteurs de charge sont des électrons (porteurs de charge négatifs).

La source est la source des principaux porteurs de charges.

Voici les résultats de la modélisation d'une telle situation. À gauche se trouve un canal p et à droite un transistor à canal n.

Le deuxième état - appliquer une tension à l'obturateur

Lorsqu'une tension positive est appliquée à la grille par rapport à la source (Us) pour le canal p et négative pour le canal n, elle se déplace dans la direction opposée, la région de jonction p-n se dilate vers le canal. En conséquence de quoi la largeur du canal diminue, le courant diminue. La tension de grille à laquelle le courant traversant la clé cesse de circuler est appelée tension de coupure.

La clé commence à se fermer.

La tension de coupure est atteinte et la clé est complètement fermée. L'image avec les résultats de la simulation montre un tel état pour les touches du canal p (gauche) et du canal n (droite). Soit dit en passant, en anglais, un tel transistor est appelé JFET.

Modes de fonctionnement

Le mode de fonctionnement du transistor avec une tension Uзи est soit nul, soit inversé. En raison de la tension inverse, vous pouvez "couvrir le transistor", il est utilisé dans les amplificateurs de classe A et autres circuits où une régulation en douceur est nécessaire.

Le mode de coupure se produit lorsque Uzi = U de coupure pour chaque transistor, il est différent, mais dans tous les cas, il est appliqué dans le sens opposé.

Caractéristiques, CVC

Une caractéristique de sortie est un graphique qui représente la dépendance du courant de drain sur Uci (appliqué aux bornes du drain et de la source) à différentes tensions de grille.

Peut être divisé en trois zones. Au début (sur le côté gauche du graphique), nous voyons la région ohmique - dans cet intervalle, le transistor se comporte comme une résistance, le courant augmente presque linéairement, atteignant un certain niveau, va dans la région de saturation (au centre du graphique).

Dans la partie droite du graphique, nous voyons que le courant recommence à croître, c'est la région de claquage, ici le transistor ne doit pas être localisé. La branche supérieure montrée sur la figure est le courant à zéro Us, nous voyons que le courant ici est le plus grand.

Plus la tension Uzi est élevée, plus le courant de drain est faible. Chacune des branches diffère de 0,5 volt à la grille. Ce que nous avons confirmé par modélisation.

La caractéristique drain-gate, c'est-à-dire dépendance du courant de drain à la tension de grille à la même tension drain-source (dans cet exemple 10V), ici le pas de grille est également de 0,5V, on voit encore que plus la tension Uzi est proche de 0, plus le courant de drain est grand.

Dans les transistors bipolaires, il y avait un paramètre tel que le coefficient ou le gain de transfert actuel, il était noté B ou H21e ou Hfe. Sur le terrain, la pente est utilisée pour afficher la possibilité d'augmenter la tension, elle est indiquée par la lettre S

S = dIc / dU

C'est-à-dire que la pente montre combien de milliampères (ou ampères) le courant de drain augmente avec une augmentation de la tension grille-source du nombre de volts à une tension drain-source constante. Elle peut être calculée sur la base de la caractéristique porte-porte; dans l'exemple ci-dessus, la pente est d'environ 8 mA / V.

Schémas de commutation

Comme les transistors bipolaires, il existe trois schémas de câblage typiques:

1. Avec une source commune (a). Il est utilisé le plus souvent, donne un gain de courant et de puissance.

2. Avec un obturateur commun (b). Rarement utilisé, faible impédance d'entrée, pas de gain.

3. Avec une vidange totale (c). Le gain de tension est proche de 1, l'impédance d'entrée est grande et l'impédance de sortie est faible. Un autre nom est un abonné source.

Caractéristiques, avantages, inconvénients

• Le principal avantage du transistor à effet de champ impédance d'entrée élevée. La résistance d'entrée est le rapport du courant à la tension grille-source. Le principe de fonctionnement réside dans la commande à l'aide d'un champ électrique, et il se forme lorsque la tension est appliquée. C’est transistors à effet de champ.

• Transistor à effet de champ ne consomme pratiquement pas de courant de commande, c'est réduit la perte de contrôle, la distorsion du signal, surcharge de courant de la source du signal ...

• Fréquence moyenne Les transistors à effet de champ fonctionnent mieux que les bipolaires, cela est dû au fait qu'il faut moins de temps pour la "résorption" des porteurs de charges dans les zones d'un transistor bipolaire. Certains transistors bipolaires modernes peuvent même surpasser ceux du champ, cela est dû à l'utilisation de technologies plus avancées, réduisant la largeur de la base, etc.

• Le faible niveau de bruit des transistors à effet de champ est dû à l'absence de processus d'injection de charge, comme dans les bipolaires.

• Stabilité à la température.

• Faible consommation d'énergie à l'état conducteur - une plus grande efficacité de vos appareils.

L'exemple le plus simple d'utilisation d'une impédance d'entrée élevée est l'adaptation de dispositifs pour connecter des guitares électro-acoustiques avec des micros piézoélectriques et des guitares électriques avec des micros électromagnétiques aux entrées de ligne avec une faible impédance d'entrée.

Une faible impédance d'entrée peut provoquer une baisse du signal d'entrée, déformant sa forme à des degrés divers en fonction de la fréquence du signal. Cela signifie que vous devez éviter cela en introduisant une cascade avec une impédance d'entrée élevée. Voici le schéma le plus simple d'un tel appareil. Convient pour connecter des guitares électriques à l'entrée ligne de la carte audio de l'ordinateur. Avec lui, le son deviendra plus brillant et le timbre sera plus riche.

Le principal inconvénient est que ces transistors ont peur de l'électricité statique. Vous pouvez prendre un élément avec vos mains électrifiées et il échouera immédiatement, c'est une conséquence de la gestion de la clé à l'aide du champ. Il est recommandé de travailler avec eux dans des gants diélectriques, connectés via un bracelet spécial à la terre, avec un fer à souder basse tension avec une pointe isolée, et les fils du transistor peuvent être attachés avec du fil pour les court-circuiter pendant l'installation.

Les appareils modernes n'ont pratiquement pas peur de cela, car à leur entrée, des dispositifs de protection tels que des diodes zener peuvent être intégrés, qui fonctionnent lorsque la tension est dépassée.

Parfois, pour les radio-amateurs débutants, les peurs atteignent le point de l'absurdité, comme mettre des bouchons en aluminium sur la tête. Tout ce qui est décrit ci-dessus, bien qu'il soit obligatoire, mais le non-respect des conditions ne garantit pas la défaillance de l'appareil.

Transistors à effet de champ à grille isolée

Ce type de transistor est activement utilisé comme clé commandée par semi-conducteur. De plus, ils fonctionnent le plus souvent en mode clé (deux positions «on» et «off»). Ils ont plusieurs noms:

1. Transistor MOS (métal-diélectrique-semi-conducteur).

2. Transistor MOS (semi-conducteur à oxyde métallique).

3. Transistor MOSFET (semi-conducteur oxyde métallique).

N'oubliez pas - ce ne sont que des variantes du même nom. Le diélectrique, ou comme on l'appelle aussi oxyde, joue le rôle d'isolant pour la grille. Dans le diagramme ci-dessous, un isolant est montré entre la région n près de l'obturateur et l'obturateur sous la forme d'une zone blanche avec des points. Il est fait de dioxyde de silicium.

Le diélectrique élimine le contact électrique entre l'électrode de grille et le substrat. Contrairement à la jonction pn de contrôle, elle ne fonctionne pas sur le principe de l'expansion de la jonction et du chevauchement du canal, mais sur le principe de changer la concentration des porteurs de charge dans le semi-conducteur sous l'influence d'un champ électrique externe. Les MOSFET sont de deux types:

1. Avec canal intégré.

2. Avec canal induit

Transistors intégrés de canal

Dans le schéma, vous voyez un transistor avec un canal intégré. On peut déjà en déduire que le principe de son fonctionnement ressemble à un transistor à effet de champ avec une jonction p-n de contrôle, c'est-à-dire lorsque la tension de grille est nulle, le courant traverse le commutateur.

Près de la source et du puits, deux régions à forte teneur en porteurs de charge d'impuretés (n +) à conductivité accrue sont créées. Un substrat est une base de type P (dans ce cas).

Veuillez noter que le cristal (substrat) est connecté à la source, il est dessiné sur de nombreux symboles graphiques conventionnels.Lorsque la tension de grille augmente, un champ électrique transverse apparaît dans le canal, il repousse les porteurs de charge (électrons), et le canal se ferme lorsque la valeur seuil Uз est atteinte.

Modes de fonctionnement

Lorsqu'une tension grille-source négative est appliquée, le courant de drain chute, le transistor commence à se fermer - c'est ce qu'on appelle le mode pauvre.

Lorsqu'une tension positive est appliquée à la grille-source, le processus inverse se produit - les électrons sont attirés, le courant augmente. Il s'agit d'un mode d'enrichissement.

Tout ce qui précède est vrai pour les transistors MOS avec un canal de type N intégré. Si le canal de type p remplace tous les mots «électrons» par «trous», la polarité de la tension est inversée.

Modélisation

Transistor avec canal de type n intégré avec tension de grille nulle:

Nous appliquons -1V à l'obturateur. Le courant a diminué de 20 fois.

Selon la fiche technique de ce transistor, nous avons une tension seuil grille-source de l'ordre de un volt, et sa valeur typique est de 1,2 V, vérifiez cela.

 

Le courant est devenu en microampères. Si vous augmentez un peu plus la tension, elle disparaîtra complètement.

J'ai choisi un transistor au hasard et je suis tombé sur un appareil assez sensible. Je vais essayer de changer la polarité de la tension pour que la grille ait un potentiel positif, on va vérifier le mode d'enrichissement.

À une tension de grille de 1 V, le courant a quadruplé par rapport à ce qu'il était à 0 V (première image dans cette section). Il s'ensuit que, contrairement au type précédent de transistors et de transistors bipolaires, il peut fonctionner à la fois pour augmenter le courant et pour le diminuer sans cerclage supplémentaire. Cette déclaration est très grossière, mais dans une première approximation a le droit d'exister.

CARACTÉRISTIQUES

Ici, tout est presque le même que dans un transistor avec une transition de commande, à l'exception de la présence d'un mode d'enrichissement dans la caractéristique de sortie.

Sur la caractéristique drain-gate, on voit clairement qu'une tension négative provoque l'épuisement et la fermeture du mode, et une tension positive sur l'obturateur provoque un enrichissement et une plus grande ouverture de la clé.

Transistors induits par canal

Les MOSFET à canal induit ne conduisent pas de courant lorsqu'il n'y a pas de tension sur la grille, ou plutôt, il y a du courant, mais il est extrêmement faible, car il s'agit du courant de retour entre le substrat et les zones fortement alliées du drain et de la source.

Le transistor à effet de champ avec une porte isolée et un canal induit est un analogue d'un interrupteur normalement ouvert, le courant ne circule pas.

En présence d'une tension grille-source, comme nous considérons le type n du canal induit, que la tension est positive, les porteurs négatifs sont attirés vers la région de grille par l'action du champ.

Il y a donc un «couloir» pour les électrons de la source au drain, donc un canal apparaît, le transistor s'ouvre et le courant commence à le traverser. Nous avons un substrat de type p, les principaux sont des porteurs de charge positifs (trous), il y a très peu de porteurs négatifs, mais sous l'influence du champ, ils se détachent de leurs atomes et leur mouvement commence. D'où le manque de conductivité en l'absence de tension.

CARACTÉRISTIQUES

La caractéristique de sortie répète exactement la même différence que les précédentes, mais seulement que les tensions Uz deviennent positives.

La caractéristique de porte fermée montre la même chose, les différences à nouveau dans les tensions de porte.

Lorsque l'on considère les caractéristiques courant-tension, il est extrêmement important de regarder attentivement les valeurs écrites le long des axes.

Modélisation

Une tension de 12 V a été appliquée à la clé, et nous en avions 0. À la grille, le courant ne circule pas dans le transistor.

Ajoutez 1 volt à la grille, mais le courant ne pensait pas circuler ...

En ajoutant un volt, j'ai trouvé que le courant commence à croître à partir de 4v.

En ajoutant encore 1 Volt, le courant a fortement augmenté à 1,129 A.

La fiche technique indique la tension de seuil pour l'ouverture de ce transistor dans une section de 2 à 4 volts, et le maximum sur une porte à porte de -20 à +20 V, d'autres incréments de tension n'ont pas donné de résultats à 20 volts (je n'ai pas fait plusieurs milliampères Je pense que dans ce cas).

Cela signifie que le transistor serait complètement ouvert.Si ce n'était pas le cas, le courant dans ce circuit serait de 12/10 = 1,2 A. Plus tard, j'ai étudié le fonctionnement de ce transistor et j'ai découvert qu'à 4 volts, il commençait à s'ouvrir.

En ajoutant 0,1 V chacun, j'ai remarqué qu'avec chaque dixième de volt, le courant augmente de plus en plus, et de 4,6 volts le transistor est presque complètement ouvert, la différence avec la tension de grille de 20 V dans le courant de drain n'est que de 41 mA, à 1,1 A un non-sens.

Cette expérience reflète le fait que le transistor à canal induit ne s'ouvre que lorsque la tension de seuil est atteinte, ce qui lui permet de fonctionner parfaitement comme clé dans les circuits d'impulsions. En fait, l'IRF740 est l'un des plus courants dans la commutation des alimentations.

Les résultats des mesures du courant de grille ont montré que les transistors à effet de champ ne consomment presque pas de courant de commande. À une tension de 4,6 volts, le courant n'était que de 888 nA (nano !!!).

À une tension de 20V, elle était de 3,55 μA (micro). Pour un transistor bipolaire, il serait de l'ordre de 10 mA, selon le gain, qui est des dizaines de milliers de fois supérieur à celui d'un champ.

Toutes les clés ne sont pas ouvertes par de telles tensions, cela est dû à la conception et aux caractéristiques des circuits des appareils où elles sont utilisées.

Caractéristiques de l'utilisation des clés avec un volet isolé

Deux conducteurs, et entre eux un diélectrique - qu'est-ce que c'est? Il s'agit d'un transistor, la grille elle-même a une capacité parasite, elle ralentit le processus de commutation du transistor. C'est ce qu'on appelle le Miller Plateau, en général, cette question est digne d'un matériel sérieux séparé avec une modélisation précise, en utilisant d'autres logiciels (n'a pas vérifié cette fonctionnalité en multisim).

Une capacité déchargée au premier instant nécessite un courant de charge important, et les dispositifs de contrôle rares (contrôleurs PWM et microcontrôleurs) ont de fortes sorties, ils utilisent donc des pilotes pour les obturateurs de champ, à la fois dans les transistors à effet de champ et dans IGBT (bipolaire avec obturateur isolé). Il s'agit d'un tel amplificateur qui convertit le signal d'entrée en une sortie d'une telle amplitude et intensité de courant, suffisante pour activer et désactiver le transistor. Le courant de charge est également limité par une résistance connectée en série avec la grille.

Dans le même temps, certaines portes peuvent être contrôlées depuis le port du microcontrôleur via une résistance (la même IRF740). Nous avons abordé ce sujet. dans le cycle des matériaux Arduino.

Graphiques conditionnels

Ils ressemblent à des transistors à effet de champ avec une grille de commande, mais diffèrent en ce que sur l'UGO, comme dans le transistor lui-même, la grille est séparée du substrat, et la flèche au centre indique le type de canal, mais est dirigée du substrat vers le canal, s'il s'agit d'un mosfet à n canaux - vers l'obturateur et vice versa.

Pour les touches avec canal induit:

Cela pourrait ressembler à ceci:

Faites attention aux noms anglais des conclusions, ils sont souvent indiqués sur les fiches techniques et sur les schémas.

Pour les clés avec un canal intégré: