Lauka efektu tranzistori: darbības princips, shēmas, darbības režīmi un modelēšana

Mēs jau esam pārskatījuši bipolāru tranzistoru ierīce un to darbsTagad uzzināsim, kādi ir lauka efektu tranzistori. Lauka efekta tranzistori ir ļoti izplatīti gan vecajās shēmās, gan modernās. Mūsdienās ierīces ar izolētiem vārtiem tiek izmantotas lielākā mērā, mēs šodien runāsim par lauka efektu tranzistoru veidiem un to īpašībām. Rakstā es veikšu salīdzinājumus ar bipolāriem tranzistoriem atsevišķās vietās.

Definīcija

Lauka efekta tranzistors ir pusvadītājs, pilnībā kontrolējams taustiņš, kuru kontrolē elektriskais lauks. Šī ir galvenā atšķirība no prakses viedokļa no bipolāriem tranzistoriem, kurus kontrolē ar strāvu. Elektrisko lauku rada spriegums, kas tiek pielikts vārtiem attiecībā pret avotu. Vadības sprieguma polaritāte ir atkarīga no tranzistora kanāla veida. Ir laba analoģija ar elektroniskajām vakuuma caurulēm.

Vēl viens lauka efektu tranzistoru nosaukums ir vienpolārs. "UNO" nozīmē vienu. Lauka efekta tranzistoros atkarībā no kanāla veida strāvu caur caurumiem vai elektroniem veic tikai viena veida nesējs. Bipolāros tranzistoros strāva tika veidota no divu veidu uzlādes nesējiem - elektroniem un caurumiem, neatkarīgi no ierīču veida. Lauka efektu tranzistorus parasti var iedalīt:

• tranzistori ar vadības pn savienojumu;

• izolēti vārtu tranzistori.

Abas no tām var būt n-kanāla un p-kanāla, pirmā vārtiem jāpiestiprina pozitīvs vadības spriegums, lai atvērtu atslēgu, un pēdējiem - negatīvs attiecībā pret avotu.

Visu veidu lauka efektu tranzistoriem ir trīs izejas (dažreiz 4, bet reti, es satiku tikai padomju laikā, un tas bija saistīts ar lietu).

1. Avots (nesēja avots, bipolārā emitētāja analogs).

2. Stoks (lādiņa nesēju avots no avota, bipolārā tranzistora kolektora analogs).

3. Aizvars (vadības elektrods, režģa uz lampām un bāze uz bipolāriem tranzistoriem).

PN tranzistors Tranzistors

Tranzistors sastāv no šādām jomām:

1. kanāls;

2. Krājums;

3. avots;

4. Aizvars.

Attēlā redzat shematisku šāda tranzistora struktūru, secinājumi ir savienoti ar vārtu, avota un notekas metalizētajām sekcijām. Konkrētā shēmā (šī ir p-kanāla ierīce) vārti ir n-kārta, tiem ir mazāka pretestība nekā kanāla apgabalā (p-slānis), un p-n krustojuma reģions šī iemesla dēļ atrodas vairāk p-reģionā.

Nosacīts grafiskais apzīmējums:

 

a - lauka efekta tranzistors n-veida, b - lauka efekta tranzistors p-tips

Lai būtu vieglāk atcerēties, atcerieties diodes apzīmējumu, kurā bultiņa norāda no p-reģiona uz n-reģionu. Arī šeit.

Pirmais stāvoklis ir ārējā sprieguma pielietošana.

Ja šādam tranzistoram, kā arī kanalizācijai un mīnus avotam, tiek pielietots spriegums, caur to plūst liela strāva, to ierobežo tikai kanāla pretestība, ārējā pretestība un strāvas avota iekšējā pretestība. Jūs varat uzzīmēt analoģiju ar parasti slēgtu taustiņu. Šo strāvu sauc par Istart vai sākotnējo kanalizācijas strāvu pie Us = 0.

Lauka efekta tranzistors ar pn krustojuma vadību, ja vārtiem nav pielietots vadības spriegums, ir pēc iespējas atvērtāks.

Notekas un avota spriegums tiek pielietots šādā veidā:

Galvenie maksas nesēji tiek ieviesti caur avotu!

Tas nozīmē, ka, ja tranzistors ir p-kanāls, tad enerģijas avota pozitīvā izeja ir savienota ar avotu, jo galvenie nesēji ir caurumi (pozitīvās uzlādes nesēji) - tā ir tā saucamā caurumu vadītspēja.Ja n-kanāla tranzistors ir savienots ar avotu, enerģijas avota negatīvā izeja, jo tajā galvenie lādiņu nesēji ir elektroni (negatīvās lādiņa nesēji).

Avots ir galveno maksas nesēju avots.

Šeit ir šādas situācijas modelēšanas rezultāti. Kreisajā pusē ir p kanāls, bet labajā pusē ir n kanāla tranzistors.

Otrais stāvoklis - pielieciet aizvaru spriegumam

Kad vārtiem tiek pielikts pozitīvs spriegums attiecībā pret p-kanāla avotu (Us) un n-kanālam negatīvs, tas mainās pretējā virzienā, p-n krustojuma apgabals izplešas kanāla virzienā. Kā rezultātā kanāla platums samazinās, samazinās strāva. Vārtu spriegumu, pie kura strāva caur atslēgu pārstāj plūst, sauc par izslēgšanas spriegumu.

Taustiņš sāk aizvērties.

Tiek sasniegts izslēgšanas spriegums un atslēga ir pilnībā aizvērta. Attēls ar simulācijas rezultātiem parāda šādu stāvokli p-kanāla (pa kreisi) un n-kanāla (labajā) taustiņos. Starp citu, angliski šādu tranzistoru sauc par JFET.

Darbības režīmi

Tranzistora ar spriegumu Uзи darbības režīms ir nulle vai apgriezts. Apgrieztā sprieguma dēļ jūs varat "aptvert tranzistoru", ko izmanto A klases pastiprinātājos un citās ķēdēs, kur nepieciešama vienmērīga regulēšana.

Nogriešanas režīms rodas, ja Uzi = U nogrieznis katram tranzistoram ir atšķirīgs, bet jebkurā gadījumā tas tiek piemērots pretējā virzienā.

Raksturojums, CVC

Izejas raksturlielums ir grafiks, kas attēlo notekas strāvas atkarību no Uci (tiek piemērota kanalizācijas un avota spailēm) pie dažādiem vārtu spriegumiem.

Var iedalīt trīs zonās. Sākumā (grafika kreisajā pusē) mēs redzam omisko reģionu - šajā intervālā tranzistors uzvedas kā rezistors, strāva palielinās gandrīz lineāri, sasniedzot noteiktu līmeni, nonāk piesātinājuma reģionā (grafika centrā).

Diagrammas labajā pusē mēs redzam, ka strāva sāk atkal pieaugt, tas ir sadalījuma reģions, šeit tranzistoram nevajadzētu būt. Augšējā filiāle, kas parādīta attēlā, ir strāva ar nulli Us, mēs redzam, ka strāva šeit ir vislielākā.

Jo augstāks spriegums Uzi, jo zemāka ir notekas strāva. Katrs no zariem pie vārtiem atšķiras par 0,5 voltiem. Ko mēs apstiprinājām, modelējot.

Notekas-vārtu īpašība, t.i. kanalizācijas strāvas atkarība no vārtu sprieguma pie tā paša kanalizācijas avota sprieguma (šajā piemērā 10V), šeit arī režģa solis ir 0,5 V, mēs atkal redzam, ka, jo tuvāk spriegumam Uzi ir 0, jo lielāka ir kanalizācijas strāva.

Bipolāros tranzistoros bija tāds parametrs kā strāvas pārvades koeficients vai pastiprinājums, tas tika apzīmēts kā B vai H21e vai Hfe. Laukā stāvu izmanto, lai parādītu spēju palielināt spriegumu, un to apzīmē ar burtu S

S = dIc / dU

Tas ir, stāvas pakāpe parāda, cik milimetru (vai ampēru) aizplūdes strāva palielinās, palielinoties vārtu avota spriegumam par voltu skaitu ar nemainītu kanalizācijas avota spriegumu. To var aprēķināt, pamatojoties uz vārtu un vārtu raksturlielumiem; iepriekšminētajā piemērā slīpums ir aptuveni 8 mA / V.

Komutācijas shēmas

Tāpat kā bipolāriem tranzistoriem, ir trīs tipiskas elektroinstalācijas shēmas:

1. Ar kopēju avotu (a). Tas tiek izmantots visbiežāk, dod strāvas un jaudas pieaugumu.

2. Ar kopēju aizvaru (b). Reti izmantots, zems ieejas pretestība, bez ieguvumiem.

3. Ar pilnīgu aizplūšanu (c). Sprieguma pieaugums ir tuvu 1, ieejas pretestība ir liela, un izejas pretestība ir maza. Vēl viens vārds ir avota sekotājs.

Īpašības, priekšrocības, trūkumi

• Lauka efekta tranzistora galvenā priekšrocība augsta ieejas pretestība. Ieejas pretestība ir strāvas un vārtu-avota sprieguma attiecība. Darbības princips ir kontrole, izmantojot elektrisko lauku, un tā veidojas, kad tiek pielikts spriegums. Tas ir lauka efektu tranzistori.

• Lauka efekta tranzistors praktiski nelieto vadības strāvu, tā ir samazina vadības zudumus, signāla kropļojumus, pašreizējā signāla avota pārslodze ...

• Vidējā frekvence Lauka efekta tranzistori darbojas labāk nekā bipolāri, tas ir saistīts ar faktu, ka bipolārā tranzistora apgabalos lādiņu nesēju "rezorbcijai" nepieciešams mazāks laiks. Daži mūsdienu bipolārie tranzistori var pat pārspēt lauka lauka tranzistorus, tas ir saistīts ar progresīvāku tehnoloģiju izmantošanu, samazinot pamatnes platumu un daudz ko citu.

• Zems lauka efektu tranzistoru trokšņa līmenis ir saistīts ar lādēšanas iesmidzināšanas procesa neesamību, tāpat kā bipolāros.

• Stabilitāte ar temperatūru.

• Zems enerģijas patēriņš vadošā stāvoklī - lielāka jūsu ierīču efektivitāte.

Vienkāršākais augstas ieejas pretestības izmantošanas piemērs ir atbilstības ierīces elektroakustisko ģitāru savienošanai ar pjezo pikapiem un elektrisko ģitāru savienošanai ar elektromagnētiskajiem uztvērējiem līnijas ieejām ar mazu ieejas pretestību.

Zema ieejas pretestība var izraisīt ieejas signāla kritumu, dažādā mērā izkropļojot tā formu atkarībā no signāla frekvences. Tas nozīmē, ka no tā jāizvairās, ieviešot kaskādi ar augstu ieejas pretestību. Šeit ir vienkāršākā šādas ierīces diagramma. Piemērots elektrisko ģitāru savienošanai ar datora audio kartes līnijas ieeju. Ar to skaņa kļūst gaišāka, un tembrs ir bagātāks.

Galvenais trūkums ir tāds, ka šādi tranzistori baidās no statiskā stāvokļa. Jūs varat ņemt elementu ar savām elektrificētajām rokām, un tas nekavējoties neizdosies. Šīs ir atslēgas pārvaldības sekas, izmantojot lauku. Ar tiem ieteicams strādāt dielektriskos cimdos, kas caur speciālu rokassprādzi ir savienoti ar zemi, ar zemsprieguma lodāmuru ar izolētu galu, un tranzistora vadus var piesiet ar vadu, lai tos uzstādīšanas laikā saīsinātu.

Mūsdienu ierīces no tā praktiski nebaidās, jo pie ieejas pie tām var tikt iebūvētas aizsargierīces, piemēram, Zener diodes, kuras darbojas, kad tiek pārsniegts spriegums.

Dažreiz iesācējiem radioamatieriem bailes nonāk līdz absurdam, piemēram, uzliekot folijas vāciņus uz galvas. Viss iepriekš aprakstītais, lai arī tas ir obligāts, taču, neievērojot nekādus nosacījumus, negarantē ierīces kļūmi.

Izolēti vārtu lauka tranzistori

Šis tranzistora tips tiek aktīvi izmantots kā pusvadītāju kontrolēta atslēga. Turklāt tie visbiežāk darbojas taustiņu režīmā (divās pozīcijās “ieslēgts” un “izslēgts”). Viņiem ir vairāki vārdi:

1. MOS tranzistors (metāla-dielektriskais pusvadītājs).

2. MOS tranzistors (metāla oksīda pusvadītājs).

3. MOSFET tranzistors (metāla oksīda pusvadītājs).

Atcerieties - tās ir tikai viena nosaukuma variācijas. Dielektriķis vai, kā to sauc arī par oksīdu, spēlē vārtu izolatora lomu. Zemāk redzamajā diagrammā starp n-reģionu pie slēģa un aizvaru ir parādīts izolators baltas zonas formā ar punktiem. Tas ir izgatavots no silīcija dioksīda.

Dielektriķis novērš elektrisko kontaktu starp vārtu elektrodu un pamatni. Atšķirībā no vadības pn krustojuma, tas nedarbojas pēc principa paplašināt krustojumu un pārklāt kanālu, bet gan pēc principa - mainīt lādiņnesēju koncentrāciju pusvadītājā ārēja elektriskā lauka ietekmē. MOSFET ir divu veidu:

1. Ar integrētu kanālu.

2. Ar inducētu kanālu

Kanālā integrētie tranzistori

Diagrammā redzat tranzistoru ar integrētu kanālu. No tā jau var nojaust, ka tā darbības princips atgādina lauka efekta tranzistoru ar kontrolējošu p-n krustojumu, t.i. kad vārtu spriegums ir nulle, caur slēdzi plūst strāva.

Netālu no avota un kanalizācijas tiek izveidoti divi reģioni ar lielu piemaisījumu nesēju saturu (n +) ar paaugstinātu vadītspēju. Substrāts ir P veida bāze (šajā gadījumā).

Lūdzu, ņemiet vērā, ka kristāls (substrāts) ir savienots ar avotu, tas ir uzzīmēts uz daudziem parastajiem grafiskajiem simboliem.Kad vārtu spriegums palielinās, kanālā rodas šķērsenisks elektriskais lauks, tas atgrūž uzlādes nesējus (elektronus) un kanāls tiek aizvērts, kad tiek sasniegta sliekšņa vērtība Uз.

Darbības režīmi

Kad tiek piemērots negatīvs vārtu avota spriegums, kanalizācijas strāva samazinās, tranzistors sāk slēgties - to sauc par liesās režīmu.

Kad vārtu avotam tiek piemērots pozitīvs spriegums, notiek apgrieztais process - tiek piesaistīti elektroni, palielinās strāva. Šis ir bagātināšanas režīms.

Viss iepriekš minētais attiecas uz MOS tranzistoriem ar integrētu N veida kanālu. Ja p veida kanāls visus vārdus “elektroni” aizstāj ar “caurumiem”, sprieguma polaritāte tiek mainīta.

Modelēšana

Tranzistors ar iebūvētu n-veida kanālu ar nulles vārtu spriegumu:

Mēs uz slēģa uzklājam -1V. Strāva ir samazinājusies par 20 reizēm.

Saskaņā ar šī tranzistora datu lapu, mums ir sliekšņa vārtu avota spriegums viena volta reģionā, un tā tipiskā vērtība ir 1,2 V, pārbaudiet šo.

 

Pašreizējā ir kļuvusi mikroamperos. Ja nedaudz vairāk palielināsit spriegumu, tas pilnībā izzudīs.

Es nejauši izvēlējos tranzistoru, un es saskāros ar diezgan jutīgu ierīci. Es mēģināšu mainīt sprieguma polaritāti, lai vārtiem būtu pozitīvs potenciāls, mēs pārbaudīsim bagātināšanas režīmu.

Pie vārtu sprieguma 1 V strāva pieauga četras reizes, salīdzinot ar to, kas bija pie 0 V (pirmais attēls šajā sadaļā). No tā izriet, ka atšķirībā no iepriekšējā tipa tranzistoriem un bipolāriem tranzistoriem tas var darboties gan palielināt strāvu, gan samazināties bez papildu siksnas. Šis paziņojums ir ļoti rupjš, taču pirmajā tuvinājumā tam ir tiesības pastāvēt.

Raksturlielumi

Šeit viss ir gandrīz tāds pats kā tranzistorā ar vadības pāreju, izņemot bagātināšanas režīma klātbūtni izejas raksturlielumā.

Balstoties uz kanalizācijas vārtu īpašībām, ir skaidri redzams, ka negatīvs spriegums liek režīmā noplicināt un aizvērt atslēgu, un pozitīvs spriegums uz slēģa izraisa bagātināšanu un atslēgas lielāku atvēršanu.

Kanālu radītie tranzistori

MOSFET ar inducētu kanālu nevada strāvu, kad uz vārtiem nav sprieguma, vai drīzāk, ja ir strāva, bet tā ir ārkārtīgi maza, jo tā ir atgriešanās strāva starp pamatni un notekas un avota labi sakausētajām vietām.

Lauka efekta tranzistors ar izolētiem vārtiem un inducētu kanālu ir normāli atvērtā slēdža analogs, strāva neplūst.

Vārtu avota sprieguma klātbūtnē, kā mēs uzskatām inducētā kanāla n-veidu, spriegums ir pozitīvs, negatīvos nesējus lauka darbība piesaista vārtu reģionam.

Tātad ir “koridors” elektroniem no avota līdz aizplūšanai, tāpēc parādās kanāls, atveras tranzistors un caur to sāk plūst strāva. Mums ir p veida substrāts, galvenie tajā ir pozitīvās lādiņas nesēji (caurumi), negatīvo nesēju ir ļoti maz, bet lauka ietekmē tie atdalās no atomiem un sākas to kustība. Līdz ar to trūkst vadītspējas, ja nav sprieguma.

Raksturlielumi

Izejas raksturlielums precīzi atkārto to pašu atšķirību no iepriekšējiem, tikai ja spriegumi Uz kļūst pozitīvi.

Tuvie vārti raksturo vienu un to pašu, atšķirības vārtu spriegumos.

Apsverot strāvas sprieguma raksturlielumus, ir ārkārtīgi svarīgi rūpīgi apskatīt vērtības, kas rakstītas gar asīm.

Modelēšana

Atslēgai tika pielikts 12 V spriegums, un mums bija 0. Pie vārtiem strāva neplūst caur tranzistoru.

Pievienojiet vārtiem 1 voltu, bet strāva nedomāja plūst ...

Pievienojot vienu voltu, es atklāju, ka strāva sāk pieaugt no 4v.

Pievienojot vēl 1 voltu, strāva strauji palielinājās līdz 1,129 A.

Datu lapa norāda sliekšņa spriegumu šī tranzistora atvēršanai sekcijā no 2 līdz 4 voltiem, bet maksimālo - no vārtiem līdz vārtiem no -20 līdz +20 V, turpmāki sprieguma pieaugumi nedeva rezultātus pie 20 voltiem (man nebija vairāki miliampi) Es domāju, ka šajā gadījumā).

Tas nozīmē, ka tranzistors būtu pilnīgi atvērts, ja tā nebūtu, strāva šajā ķēdē būtu 12/10 = 1,2 A. Vēlāk es izpētīju, kā šis tranzistors darbojas, un uzzināju, ka pie 4 voltiem tas sāk atvērties.

Katru pievienojot 0,1 V, es pamanīju, ka ar katru volta desmito daļu strāva palielinās arvien vairāk un līdz 4,6 voltiem tranzistors ir gandrīz pilnībā atvērts, atšķirība ar vārtu spriegumu 20V kanalizācijas strāvā ir tikai 41 mA, pie 1,1 A muļķības.

Šis eksperiments atspoguļo faktu, ka tranzistors ar inducētu kanālu atveras tikai tad, kad tiek sasniegts sliekšņa spriegums, kas ļauj tam perfekti darboties kā atslēgai impulsu ķēdēs. Faktiski IRF740 ir viens no visizplatītākajiem pārslēdzot barošanas avotus.

Vārtu strāvas mērījumu rezultāti parādīja, ka lauka efekta tranzistori gandrīz neizmanto vadības strāvu. Pie sprieguma 4,6 volti strāva bija tikai 888 nA (nano !!!).

Pie sprieguma 20V tas bija 3,55 μA (mikro). Bipolāram tranzistoram tas būtu apmēram 10 mA atkarībā no pastiprinājuma, kas ir desmitiem tūkstošu reižu vairāk nekā lauka.

Ne visi taustiņi tiek atvērti ar šādiem spriegumiem, tas ir saistīts ar to ierīču shēmas dizainu un īpašībām, kurās tās tiek izmantotas.

Atslēgu izmantošanas ar izolētu slēģi iezīmes

Divi vadītāji, un starp tiem dielektriķis - kas tas ir? Tas ir tranzistors, pašiem vārtiem ir parazitāra kapacitāte, tas palēnina tranzistora pārslēgšanas procesu. To sauc par Millera plato, kopumā šis jautājums ir atsevišķa nopietna materiāla vērts ar precīzu modelēšanu, izmantojot citu programmatūru (nepārbaudīja šo funkciju multisim).

Lai izlādētu jaudu pirmajā brīdī, nepieciešama liela uzlādes strāva, un retajām vadības ierīcēm (PWM kontrolieriem un mikrokontrolleriem) ir spēcīga izeja, tāpēc tās izmanto draiverus lauka slēģiem gan lauka efektu tranzistoros, gan IGBT (bipolāri ar izolētu slēģi). Tas ir tāds pastiprinātājs, kas ieejas signālu pārveido tāda lieluma un strāvas stipruma izejā, kas ir pietiekams, lai ieslēgtu un izslēgtu tranzistoru. Uzlādes strāvu ierobežo arī rezistors, kas virknē savienots ar vārtiem.

Tajā pašā laikā dažus vārtus var vadīt no mikrokontrollera porta caur rezistoru (to pašu IRF740). Mēs pieskārāmies šai tēmai. arduino materiālu ciklā.

Nosacītā grafika

Tie atgādina lauka efektu tranzistorus ar vadības vārtiem, bet atšķiras ar to, kas atrodas UGO, tāpat kā pašā tranzistorā vārti tiek atdalīti no substrāta, un bultiņa centrā norāda kanāla veidu, bet tiek novirzīta no substrāta uz kanālu, ja tas ir n-kanāla mošete. virzienā uz slēģi un otrādi.

Taustiņiem ar indukētu kanālu:

Tas varētu izskatīties šādi:

Pievērsiet uzmanību secinājumu nosaukumiem angļu valodā, tie bieži ir norādīti datu lapā un diagrammās.

Atslēgām ar iebūvētu kanālu: