Транзистори с полеви ефекти: принцип на работа, вериги, режими на работа и моделиране

Вече прегледахме устройство на биполярни транзистори и тяхната работаСега нека разберем какви са полеви транзистори. Транзисторите с полеви ефекти са много често срещани както в старата схема, така и в съвременните. В наши дни се използват устройства в по-голяма степен с изолирана врата, днес ще говорим за видовете полеви транзистори и техните характеристики. В статията ще направя сравнения с биполярни транзистори на отделни места.

дефиниция

Транзисторът с полев ефект е полупроводников ключ, който се управлява изцяло от електрическо поле. Това е основната разлика от гледна точка на практиката от биполярните транзистори, които се контролират от тока. Електрическо поле се създава от напрежение, приложено към портата спрямо източника. Полярността на управляващото напрежение зависи от вида на транзисторния канал. Има добра аналогия с електронните вакуумни тръби.

Друго име за полеви транзистори е еднополюсно. "UNO" означава едно. В транзисторите с полеви ефекти, в зависимост от типа канал, токът се осъществява само от един тип носител чрез дупки или електрони. В биполярните транзистори токът се е формирал от два вида носители на заряд - електрони и дупки, независимо от типа устройства. Полевите транзистори в общия случай могат да бъдат разделени на:

• транзистори с контролен pn преход;

• изолирани порта транзистори.

И двете могат да бъдат n-канални и p-канали, положително управляващо напрежение трябва да се приложи към портата на първия, за да се отвори ключът, а за втория - отрицателно по отношение на източника.

Всички видове полеви транзистори имат три изхода (понякога 4, но рядко се срещах само в съветските и това беше свързано със случая).

1. Източник (източник на носител, аналог на биполярен емитер).

2. Стоук (източник на носители на заряд от източника, аналог на колектора на биполярен транзистор).

3. Затвор (контролен електрод, аналог на решетка на лампи и основи на биполярни транзистори).

PN транзисторен транзистор

Транзисторът се състои от следните области:

1. канал;

2. Запас;

3. източникът;

4. Затвор.

На изображението виждате схематична структура на такъв транзистор, констатациите са свързани с метализираните секции на портата, източника и изтичането. В специфична верига (това е устройство с p-канал), портата е n-слой, има по-малко съпротивление от региона на канала (p-слой), а р-n съединителният регион е по-разположен в p-областта поради тази причина.

Условно графично обозначение:

 

a - транзистор с полев ефект n-тип, b - транзистор с полев ефект p-тип

За да улесните запомнянето, помнете обозначението на диода, където стрелката сочи от p-регион към n-регион. И тук.

Първото състояние е да се приложи външно напрежение.

Ако напрежението се приложи към такъв транзистор, плюс към източника и минус към източника, през него тече голям ток, той ще бъде ограничен само от съпротивлението на канала, външните съпротивления и вътрешното съпротивление на източника на захранване. Можете да направите аналогия с нормално затворен ключ. Този ток се нарича Istart или началния източителен ток при Us = 0.

Транзистор с полев ефект с управление на pn кръстовище, без приложено управляващо напрежение към портата, е възможно най-отворен.

Напрежението към източника и източника се прилага по този начин:

Основните носители на зареждане се въвеждат през източника!

Това означава, че ако транзисторът е p-канал, тогава положителният изход на източника на енергия е свързан към източника, защото основните носители са дупки (носители на положителни заряди) - това е така наречената дупкова проводимост.Ако n-каналният транзистор е свързан към източника, отрицателният изход на източника на енергия, тъй като в него основните носители на заряд са електрони (отрицателни носители на заряд).

Източникът е източникът на основните носители на заряд.

Ето резултатите от моделирането на подобна ситуация. Вляво е p-канал, а вдясно е n-канален транзистор.

Второто състояние - приложете напрежение към затвора

Когато положителното напрежение се приложи към портата спрямо източника (Us) за p-канала, а отрицателното за n-канала, то се измества в обратна посока, p-n преходната област се разширява към канала. В резултат на което ширината на канала намалява, токът намалява. Напрежението на затворите, при което токът през ключа спира да тече, се нарича напрежение на прекъсване.

Ключът започва да се затваря.

Напрегнатото напрежение е достигнато и ключът е напълно затворен. Картината с резултатите от симулацията показва такова състояние за клавишите p-канал (вляво) и n-канал (вдясно). Между другото, на английски такъв транзистор се нарича JFET.

Режими на работа

Режимът на работа на транзистора с напрежение Uzi е нулев или обратен. Поради обратното напрежение можете да "покриете транзистора", използван в усилватели клас A и други вериги, където е необходимо плавно регулиране.

Режимът на прекъсване възниква, когато Uzi = U прекъсване за всеки транзистор е различен, но във всеки случай се прилага в обратна посока.

Характеристики, CVC

Изходна характеристика е графика, която изобразява зависимостта на източващия ток от Uci (приложен към изводите на изтичането и източника) при различни напрежения на портата.

Може да се раздели на три области. В началото (от лявата страна на графиката) виждаме омичната област - в този интервал транзисторът се държи като резистор, токът нараства почти линейно, достигайки определено ниво, преминава в областта на насищане (в центъра на графиката).

В дясната част на графиката виждаме, че токът започва да расте отново, това е регионът на разпадане, тук транзисторът не трябва да бъде. Най-горният клон, показан на фигурата, е токът при нула Us, виждаме, че токът тук е най-големият.

Колкото по-високо е напрежението Uzi, толкова по-нисък ток за източване. Всеки от клоните се различава с 0,5 волта на портата. Това, което потвърдихме чрез моделиране.

Характеристиката на отводнителната порта, т.е. зависимост на източващия ток от напрежението на затвора при същото напрежение на източника на източване (в този пример 10V), тук стъпката на решетката също е 0.5V, отново виждаме, че колкото по-близо е напрежението Uzi до 0, толкова по-голям е токът на източване.

В биполярните транзистори имаше такъв параметър като коефициента на коефициент на прехвърляне на ток или коефициент на усилване, той беше обозначен като B или H21e или Hfe. В полето стръмността се използва за показване на способността за увеличаване на напрежението.Това се обозначава с буквата S

S = dIc / dU

Тоест стръмността показва колко милиампера (или ампери) нараства токът на изтичане с увеличаване на напрежението на затвора на броя на волта с непроменено напрежение на източника на източване. Той може да се изчисли въз основа на характеристиката на портата, в горния пример наклонът е около 8 mA / V.

Схеми за превключване

Подобно на биполярните транзистори, има три типични схеми за свързване:

1. С общ източник (а). Използва се най-често, дава печалба в ток и мощност.

2. С общ затвор (b). Рядко се използва, ниско входно съпротивление, без усилване.

3. С общо изтичане (в). Повишението на напрежението е близо до 1, входният импеданс е голям, а изходният импеданс е нисък. Друго име е последовател на източник.

Характеристики, предимства, недостатъци

• Основното предимство на полевия транзистор висок входен импеданс, Входно съпротивление е съотношението на тока към напрежението на портата-източник. Принципът на работа се крие в управлението с помощта на електрическо поле и то се формира при прилагане на напрежение. Това е така полеви транзистори.

• Транзистор с полев ефект практически не консумира контролен ток, така е намалява загубата на контрол, изкривяването на сигнала, текущо претоварване на източника на сигнал ...

• Средна честота Полевите транзистори се представят по-добре от биполярните, това се дължи на факта, че е необходимо по-малко време за „резорбция“ на носители на заряд в зоните на биполярния транзистор. Някои съвременни биполярни транзистори могат дори да надминат полевите, това се дължи на използването на по-модерни технологии, намаляване на ширината на основата и други.

• Ниското ниво на шум на полевите транзистори се дължи на липсата на процес на инжектиране на заряд, както при биполярните.

• Стабилност с температура.

• Ниска консумация на енергия в проводимо състояние - по-голяма ефективност на вашите устройства.

Най-простият пример за използване на импеданс с висок вход е съвпадение на устройства за свързване на електроакустични китари с пиезо пикапи и електрически китари с електромагнитни датчици към линейни входове с нисък входен импеданс.

Ниският входен импеданс може да причини спад на входния сигнал, изкривявайки формата му в различна степен в зависимост от честотата на сигнала. Това означава, че трябва да избегнете това, като въведете каскада с висок входен импеданс. Ето най-простата диаграма на такова устройство. Подходящ за свързване на електрически китари към линейния вход на аудио картата на компютъра. С него звукът ще стане по-ярък, а тембърът - по-богат.

Основният недостатък е, че такива транзистори се страхуват от статични. Можете да вземете елемент с електрифицираните си ръце и той веднага ще се провали, това е следствие от управлението на ключа с помощта на полето. Препоръчва се да се работи с тях в диелектрични ръкавици, свързани чрез специална гривна към земята, с нисковолтово поялник с изолиран връх, а проводниците на транзистора могат да бъдат вързани с тел, за да ги късо съединят по време на монтажа.

Съвременните устройства практически не се страхуват от това, тъй като на входа на тях могат да бъдат вградени защитни устройства като ценерови диоди, които работят при превишаване на напрежението.

Понякога за начинаещите радиолюбители страховете достигат до абсурда, като поставяне на капачки от фолио на главата. Всичко, описано по-горе, въпреки че е задължително, но неспазването на каквито и да било условия не гарантира отказ на устройството.

Изолирани транзистори с полево въздействие

Този тип транзистор се използва активно като ключ с полупроводниково управление. Освен това те работят най-често в режим на клавиш (две позиции „включен“ и „изключен“). Те имат няколко имена:

1. MOS транзистор (метал-диелектрик-полупроводник).

2. MOS транзистор (полупроводник на метален оксид).

3. MOSFET транзистор (метал-оксид-полупроводник).

Запомнете - това са само вариации със същото име. Диелектрикът, или както се нарича още оксид, играе ролята на изолатор за портата. На диаграмата по-долу е показан изолатор между n-регион близо до затвора и затвора под формата на бяла зона с точки. Изработен е от силициев диоксид.

Диелектрикът елиминира електрическия контакт между електрода на затвора и субстрата. За разлика от контролния pn възел, той не работи на принципа на разширяване на съединението и припокриване на канала, а на принципа на промяна на концентрацията на носители на заряд в полупроводника под въздействието на външно електрическо поле. MOSFET са два вида:

1. С интегриран канал.

2. С индуциран канал

Канал интегрирани транзистори

На диаграмата виждате транзистор с интегриран канал. От него вече може да се предположи, че принципът на неговото действие прилича на полев транзистор с контролно p-n съединение, т.е. когато напрежението на портата е нула, токът преминава през превключвателя.

В близост до източника и мивката се създават два района с високо съдържание на примеси на зарядни носители (n +) с повишена проводимост. Субстратът е основа от тип P (в този случай).

Моля, обърнете внимание, че кристалът (субстратът) е свързан към източника, той е нарисуван върху много конвенционални графични символи.Когато напрежението на затворите се увеличава, в канала възниква напречно електрическо поле, то отблъсква носителите на заряда (електрони) и каналът се затваря, когато се достигне праговата стойност Uz.

Режими на работа

Когато се приложи отрицателно напрежение на източника на портата, източващият ток спада, транзисторът започва да се затваря - това се нарича режим на строй.

Когато към източника на порта се прилага положително напрежение, възниква обратният процес - електроните се привличат, токът се увеличава. Това е режим за обогатяване.

Всичко по-горе е вярно за MOS транзистори с интегриран N-тип канал. Ако каналът от тип p замести всички думи „електрони“ с „дупки“, полярността на напрежението е обърната.

моделиране

Транзистор с вграден n-тип канал с нулево напрежение на вратата:

Прилагаме -1V към капака. Токът намаля 20 пъти.

Според информационния лист за този транзистор, имаме напрежение на прага на източника на порта в района на един волт, а типичната му стойност е 1,2 V, проверете това.

 

Токът е станал в микроампери. Ако увеличите напрежението малко повече, то ще изчезне напълно.

Избрах произволно транзистор и попаднах на доста чувствително устройство. Ще се опитам да променя полярността на напрежението, така че портата да има положителен потенциал, ще проверим режима на обогатяване.

При напрежение на портата 1 V, токът се увеличава четири пъти в сравнение с това, което беше на 0 V (първа снимка в този раздел). От това следва, че за разлика от предишния тип транзистори и биполярни транзистори, той може да работи както за увеличаване на тока, така и за намаляване без допълнително пристягане. Това твърдение е много грубо, но в първо сближение има право да съществува.

характеристики на

Тук всичко е почти същото като в транзистор с контролен преход, с изключение на наличието на режим на обогатяване в изходната характеристика.

На характеристиката на отводнителната врата ясно се вижда, че отрицателното напрежение причинява режима на изчерпване и затваряне на ключа, а положителното напрежение на портата обогатява и по-голямо отваряне на ключа.

Канали индуцирани транзистори

MOSFET с индуциран канал не провеждат ток, когато няма напрежение на портата, или по-скоро има ток, но е изключително малък, защото това е връщащият ток между основата и високолегираните области на дренажа и източника.

Транзисторът с полев ефект с изолирана врата и индуциран канал е аналог на нормално отворен превключвател, токът не тече.

При наличието на напрежение на порта-източник, както считаме n-типа на индуцирания канал, напрежението е положително, отрицателните носители се привличат към участъка на портата чрез действието на полето.

Така че има "коридор" за електрони от източник до източване, така че се появява канал, транзисторът се отваря и през него тече ток. Имаме субстратен тип p, основните в него са носители на положителни заряди (дупки), има много малко отрицателни носители, но под въздействието на полето те се отделят от своите атоми и тяхното движение започва. Оттук и липсата на проводимост при липса на напрежение.

характеристики на

Изходната характеристика точно повтаря същата разлика от предходните, само че напреженията Uz стават положителни.

Характеристиката на затварящата врата показва същото, разликите отново в напреженията на портата.

Когато разглеждате характеристиките на токовото напрежение, е изключително важно внимателно да разгледате стойностите, написани по осите.

моделиране

Към ключа беше приложено напрежение 12 V, а ние имахме 0. На портата токът не преминава през транзистора.

Добавете 1 волт към портата, но токът не мислеше да тече ...

Добавяйки един волт, установих, че токът започва да расте от 4V.

Добавяйки още 1 волт, токът рязко се увеличи до 1.129 A.

Листът с данни показва праговото напрежение за отваряне на този транзистор в секция от 2 до 4 волта, а максималният на врата от -20 до + 20 V, по-нататъшното увеличение на напрежението не даде резултати при 20 волта (аз не направих няколко милиампера Мисля в случая).

Това означава, че транзисторът би бил напълно отворен, ако не беше, токът в тази верига би бил 12/10 = 1,2 А. По-късно проучих как работи този транзистор и установих, че при 4 волта започва да се отваря.

Като добавям по 0,1 V всеки, забелязах, че с всяка десета от волта токът нараства все повече и с 4.6 волта транзисторът е почти напълно отворен, разликата с напрежението на затвора от 20 V в източващия ток е само 41 mA, при 1,1 A глупост.

Този експеримент отразява факта, че транзисторът с индуциран канал се отваря само при достигане на праговото напрежение, което му позволява да работи перфектно като ключ в импулсните вериги. Всъщност IRF740 е един от най-често срещаните при превключване на захранващи устройства.

Резултатите от измерванията на затвора показват, че транзисторите с полеви ефекти почти не консумират контролен ток. При напрежение 4,6 волта токът беше само 888 nA (нано !!!).

При напрежение 20V, то беше 3,55 μA (микро). За биполярен транзистор той би бил от порядъка на 10 mA, в зависимост от усилването, което е десетки хиляди пъти повече от полевия.

Не всички клавиши се отварят от такива напрежения, това се дължи на дизайна и характеристиките на схемата на устройствата, където се използват.

Характеристики на използване на ключове с изолирана затвор

Два проводника, а между тях диелектрик - какво е това? Това е транзистор, самата порта има паразитен капацитет, забавя процеса на превключване на транзистора. Това се нарича платото Милър, като цяло този въпрос е достоен за отделен сериозен материал с точно моделиране, използвайки друг софтуер (не проверявахте тази функция в мултисим).

Разреденият капацитет в първия момент изисква голям заряден ток, а редките управляващи устройства (PWM контролери и микроконтролери) имат силни изходи, така че те използват драйвери за полеви капаци, както в полеви транзистори, така и в IGBT (двуполюсен с изолиран затвор). Това е такъв усилвател, който преобразува входния сигнал в изход с такава величина и сила на тока, достатъчен за включване и изключване на транзистора. Зарядният ток също е ограничен от резистор, свързан последователно с портата.

В същото време някои врати могат да бъдат контролирани от микроконтролера чрез резистор (същият IRF740). Ние засегнахме тази тема. в цикъла на ардуиновия материал.

Условна графика

Те приличат на полеви транзистори с контролен гейт, но се различават по това, че на UGO, както в самия транзистор, портата е отделена от субстрата, а стрелката в центъра показва типа на канала, но е насочена от субстрата към канала, ако е n-канален мосфет - към затвора и обратно.

За клавиши с индуциран канал:

Може да изглежда така:

Обърнете внимание на английските имена на заключенията, те често са посочени в таблицата с данни и на диаграмите.

За клавиши с вграден канал: