ترانزستورات التأثير الميداني: مبدأ التشغيل ، والدوائر ، وأنماط التشغيل ، والنمذجة

لقد استعرضنا بالفعل جهاز من الترانزستورات ثنائية القطب وتشغيلهاالآن دعونا معرفة ما هي الترانزستورات تأثير الحقل. ترانزستورات التأثير الميداني شائعة جدًا في كل من الدوائر القديمة والحديثة. في الوقت الحاضر ، يتم استخدام الأجهزة ذات البوابة المعزولة إلى حد كبير ، وسوف نتحدث عن أنواع الترانزستورات ذات التأثير الميداني وميزاتها اليوم. في المقالة ، سأجري مقارنات مع الترانزستورات ثنائية القطب في أماكن منفصلة.

تعريف

ترانزستور تأثير المجال هو مفتاح أشباه الموصلات يمكن التحكم فيه بالكامل ويتم التحكم فيه بواسطة مجال كهربائي. هذا هو الفرق الرئيسي من وجهة نظر الممارسة من الترانزستورات ثنائية القطب ، والتي تسيطر عليها الحالية. يتم إنشاء مجال كهربائي بواسطة الجهد المطبق على البوابة بالنسبة للمصدر. قطبية الجهد السيطرة يعتمد على نوع قناة الترانزستور. هناك تشابه جيد مع أنابيب الفراغ الإلكترونية.

اسم آخر للترانزستورات تأثير الحقل أحادي القطب. "UNO" تعني واحدة. في الترانزستورات ذات التأثير الميداني ، اعتمادًا على نوع القناة ، يتم تنفيذ التيار بواسطة نوع واحد فقط من الناقل بواسطة الثقوب أو الإلكترونات. في الترانزستورات ثنائية القطب ، تم تشكيل التيار من نوعين من حاملات الشحنة - الإلكترونات والثقوب ، بغض النظر عن نوع الأجهزة. ترانزستورات التأثير الميداني في الحالة العامة يمكن تقسيمها إلى:

• الترانزستورات مع تقاطع pn السيطرة ؛

• الترانزستورات بوابة معزولة.

يمكن أن يكون كلاهما قناة n وقناة p ، ويجب تطبيق جهد تحكم موجب على بوابة السابق لفتح المفتاح ، وللأخير ، سلبي بالنسبة للمصدر.

جميع أنواع الترانزستورات ذات التأثير الميداني لها ثلاثة مخرجات (في بعض الأحيان 4 ، ولكن نادراً ما قابلت فقط باللغة السوفيتية وكانت مرتبطة بالحالة).

1. المصدر (مصدر الناقل ، باعث القطبين التناظرية).

2. ستوك (مصدر لحاملات الشحن من المصدر ، تناظرية لهواة جمع الترانزستور ثنائي القطب).

3. مصراع (القطب التحكم ، التناظرية من الشبكة على المصابيح والقواعد على الترانزستورات ثنائية القطب).

PN الترانزستور الترانزستور

يتكون الترانزستور من المجالات التالية:

1. قناة

2. الأسهم ؛

3. المصدر ؛

4. مصراع.

في الصورة التي ترى فيها بنية تخطيطية لمثل هذا الترانزستور ، ترتبط النتائج بالأقسام المعدنية من البوابة والمصدر والصرف. في دائرة معينة (هذا هو جهاز p-channel) ، تكون البوابة عبارة عن طبقة n ولديها مقاومة أقل من منطقة القناة (p-layer) ، وتقع منطقة تقاطع p-n في المنطقة p لهذا السبب.

تعيين الرسوم الشرطية:

 

a - مجال تأثير الترانزستور n- نوع ، b- مجال تأثير الترانزستور p- نوع

لتيسير التذكر ، تذكر تعيين الصمام الثنائي ، حيث يشير السهم من المنطقة p إلى المنطقة n. هنا ايضا.

الحالة الأولى هي تطبيق الجهد الخارجي.

إذا تم تطبيق الجهد على مثل هذا الترانزستور ، بالإضافة إلى التصريف ، ناقصًا للمصدر ، يتدفق تيار كبير من خلاله ، فسيكون محدودًا فقط بمقاومة القناة ، والمقاومة الخارجية والمقاومة الداخلية لمصدر الطاقة. يمكنك رسم تشبيه مع مفتاح مغلق عادة. هذا التيار يسمى Istart أو تيار التصريف الأولي في Us = 0.

ترانزستور التأثير الميداني مع التحكم في تقاطع pn ، بدون جهد تحكم مطبق على البوابة ، مفتوح قدر الإمكان.

يتم تطبيق الجهد على التصريف والمصدر بهذه الطريقة:

يتم عرض شركات الشحن الرئيسية من خلال المصدر!

هذا يعني أنه إذا كان الترانزستور هو قناة p ، فسيتم توصيل الناتج الإيجابي لمصدر الطاقة بالمصدر ، لأن الناقلون الرئيسيون هم الثقوب (حاملات الشحنة الموجبة) - وهذا هو ما يسمى الموصلية حفرة.إذا كان الترانزستور n- قناة متصلة بالمصدر ، الناتج السلبي لمصدر الطاقة ، لأنه في ذلك ، ناقلات الشحنة الرئيسية هي الإلكترونات (ناقلات الشحنة السلبية).

المصدر هو مصدر شركات الشحن الرئيسية.

وهنا نتائج النمذجة مثل هذا الموقف. على اليسار توجد قناة p ، وعلى اليمين ترانزستور قناة n.

الحالة الثانية - تطبيق الجهد على مصراع

عندما يتم تطبيق جهد موجب على البوابة بالنسبة للمصدر (Us) للقناة p والسالب للقناة n ، فإنه ينتقل في الاتجاه المعاكس ، وتمتد منطقة الوصلة p-n باتجاه القناة. ونتيجة لذلك ينخفض ​​عرض القناة ، ينخفض ​​التيار. يُطلق على جهد البوابة الذي يتوقف التيار من خلاله عن التدفق باسم الجهد الكهربائي المقطوع.

المفتاح يبدأ في الإغلاق.

يتم الوصول إلى الجهد قطع ومفتاح مغلق تماما. تُظهر الصورة ذات نتائج المحاكاة مثل هذه الحالة لمفاتيح p-channel (يسار) و n-channel (يمين). بالمناسبة ، في اللغة الإنجليزية يسمى هذا الترانزستور JFET.

أوضاع التشغيل

وضع التشغيل من الترانزستور مع الجهد Uзи هو إما الصفر أو العكس. بسبب الجهد العكسي ، يمكنك "تغطية الترانزستور" ، ويتم استخدامه في مكبرات الصوت من الفئة A والدوائر الأخرى حيث هناك حاجة إلى التنظيم السلس.

يحدث وضع القطع عندما يكون قطع Uzi = U لكل ترانزستور مختلفًا ، ولكن على أي حال يتم تطبيقه في الاتجاه المعاكس.

الخصائص ، CVC

إن خاصية الخرج هي رسم بياني يصور اعتماد تيار التصريف على Uci (المطبق على أطراف الصرف والمصدر) عند الفولتية المختلفة للبوابة.

يمكن تقسيمها إلى ثلاثة مجالات. في البداية (على الجانب الأيسر من الرسم البياني) نرى المنطقة الأومية - في هذا الفاصل ، يتصرف الترانزستور مثل المقاوم ، ويزداد التيار خطيًا تقريبًا ، ليصل إلى مستوى معين ، ويذهب إلى منطقة التشبع (في وسط الرسم البياني).

في الجزء الأيمن من الرسم البياني ، نرى أن التيار يبدأ في النمو مرة أخرى ، هذه هي منطقة الانهيار ، وهنا لا ينبغي أن يكون الترانزستور. الفرع العلوي هو مبين في الشكل الحالي في صفر لنا ، ونحن نرى أن الحالي هنا هو الأكبر.

كلما زاد الجهد عوزي ، انخفض تيار التصريف. يختلف كل فرع من الفروع بمقدار 0.5 فولت عند البوابة. ما أكدناه بالنمذجة.

خاصية بوابة الصرف ، أي اعتماد تيار التصريف على فولطية البوابة في نفس الجهد مصدر الصرف (في هذا المثال 10V) ، وهنا الملعب الشبكة هو أيضا 0.5V ، نرى مرة أخرى أنه كلما كان الجهد Uzi أقرب إلى 0 ، أكبر تيار التصريف.

في الترانزستورات ثنائية القطب ، كان هناك معلمة مثل معامل النقل الحالي أو الكسب ، وتمت الإشارة إلى أنه B أو H21e أو Hfe. في الحقل ، يتم استخدام الانحدار لعرض القدرة على زيادة الجهد.

S = DIc / dU

أي أن الانحدار يدل على مقدار المللي أمبير (أو الأمبير) الذي ينمو فيه تيار التصريف بزيادة في جهد مصدر البوابة من خلال عدد الفولتات مع جهد مصدر الصرف غير المتغير. يمكن حسابه على أساس خاصية بوابة البوابة ؛ في المثال أعلاه ، يبلغ الميل حوالي 8 مللي أمبير / فولت.

تبديل المخططات

مثل الترانزستورات ثنائية القطب ، هناك ثلاثة مخططات الأسلاك النموذجية:

1. مع مصدر مشترك (أ). يتم استخدامه في معظم الأحيان ، يعطي مكاسب في التيار والسلطة.

2. مع مصراع مشترك (ب). نادرا ما تستخدم ، مقاومة المدخلات منخفضة ، لا ربح.

3. مع استنزاف إجمالي (ج). يكون كسب الجهد قريبًا من 1 ، ومقاومة المعاوقة كبيرة ومعاوقة الخرج منخفضة. اسم آخر هو مكرر المصدر.

الميزات والمزايا والعيوب

• والميزة الرئيسية للترانزستور تأثير الحقل مقاومة عالية المدخلات. مقاومة المدخلات هي نسبة التيار إلى بوابة مصدر الجهد. يكمن مبدأ التشغيل في التحكم باستخدام مجال كهربائي ، ويتم تشكيله عند تطبيق الجهد. هذا هو الترانزستورات تأثير الحقل.

• مجال تأثير الترانزستور عمليا لا تستهلك السيطرة الحالية ، إنه كذلك يقلل من فقدان السيطرة ، تشويه الإشارة ، الزائد الحالي لمصدر الإشارة ...

• متوسط ​​التردد أداء الترانزستورات تأثير الحقل أفضل من القطبين، وهذا يرجع إلى حقيقة أن هناك حاجة إلى وقت أقل ل "ارتشاف" ناقلات الشحنة في مناطق الترانزستور ثنائي القطب. يمكن لبعض الترانزستورات ثنائية القطب الحديثة أن تتفوق على الترانزستورات الحقلية ، ويرجع ذلك إلى استخدام تقنيات أكثر تطوراً ، مما يقلل من عرض القاعدة ، وأكثر من ذلك.

• يرجع انخفاض مستوى الضوضاء في الترانزستورات ذات التأثير الميداني إلى عدم وجود عملية حقن شحنة ، كما هو الحال في تلك ذات القطبين.

• الاستقرار مع درجة الحرارة.

• انخفاض استهلاك الطاقة في حالة موصل - كفاءة أكبر من الأجهزة الخاصة بك.

أبسط مثال على استخدام مقاومة المدخلات العالية هو مطابقة الأجهزة لتوصيل الغيتارات الكهربائية الصوتية مع التقاطات بيزو والقيثارات الكهربائية مع التقاطات الكهرومغناطيسية لتوصيل المدخلات مع مقاومة المدخلات المنخفضة.

يمكن أن تسبب مقاومة المدخلات المنخفضة انخفاضًا في إشارة الدخل ، مما يؤدي إلى تشويه شكلها بدرجات متفاوتة حسب تردد الإشارة. هذا يعني أنك تحتاج إلى تجنب ذلك عن طريق إدخال سلسلة ذات مقاومة إدخال عالية. هنا أبسط مخطط لمثل هذا الجهاز. مناسب لتوصيل القيثارات الكهربائية بإدخال خط بطاقة الصوت الخاصة بالكمبيوتر. مع ذلك ، سوف يصبح الصوت أكثر إشراقًا ، وسيصبح الإطار الزمني أكثر ثراء.

العيب الرئيسي هو أن مثل هذه الترانزستورات يخافون من ساكنة. يمكنك أن تأخذ عنصرًا بيدك المكهربة وستفشل فورًا ، وهذا نتيجة لإدارة المفتاح بمساعدة الحقل. يوصى باستخدامها في قفازات عازلة ، متصلة من خلال سوار خاص للأرض ، مع مكواة لحام ذات جهد منخفض مع طرف معزول ، ويمكن ربط أسلاك الترانزستور بسلك إلى دائرة كهربائية أثناء التثبيت.

لا تخشى هذه الأجهزة الحديثة عملياً ، لأنه عند مدخلها يمكن بناء أجهزة واقية مثل ثنائيات زينر ، والتي تعمل عند تجاوز الجهد الكهربائي.

في بعض الأحيان ، بالنسبة لهواة الراديو المبتدئين ، تصل المخاوف إلى نقطة العبث ، مثل وضع أغطية رقيقة على الرأس. كل ما هو موضح أعلاه ، على الرغم من أنه إلزامي ، ولكن عدم مراعاة أي شروط لا يضمن فشل الجهاز.

ترانزستورات تأثير بوابة الحقل المعزولة

يستخدم هذا النوع من الترانزستور بنشاط كمفتاح أشباه الموصلات التي تسيطر عليها. علاوة على ذلك ، فهي تعمل في معظم الأحيان في وضع المفاتيح (موقعان "تشغيل" و "إيقاف") لديهم عدة أسماء:

1. الترانزستور MOS (معدن عازل أشباه الموصلات).

2. الترانزستور موس (أشباه الموصلات أكسيد المعادن).

3. MOSFET الترانزستور (معدن أكسيد أشباه الموصلات).

تذكر - هذه مجرد اختلافات بنفس الاسم. يلعب العزل الكهربائي ، أو كما يطلق عليه أكسيد ، دور عازل للبوابة. في الرسم البياني أدناه ، يظهر عازل بين المنطقة n بالقرب من الغالق والمصراع في شكل منطقة بيضاء مع نقاط. وهي مصنوعة من ثاني أكسيد السيليكون.

العازلة يزيل التلامس الكهربائي بين بوابة البوابة والركيزة. على عكس تقاطع التحكم pn ، فهو لا يعمل على مبدأ توسيع الانتقال وتداخل القناة ، ولكن على مبدأ تغيير تركيز ناقلات الشحنة في أشباه الموصلات تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. MOSFETs هي من نوعين:

1. مع قناة متكاملة.

2. مع قناة المستحثة

قناة الترانزستورات المتكاملة

في الرسم البياني ، ترى ترانزستور مع قناة متكاملة. يمكن للمرء أن يخمن بالفعل أن مبدأ تشغيله يشبه ترانزستور التأثير الميداني مع تقاطع p-n ، أي عندما يكون جهد البوابة صفرًا ، يتدفق التيار عبر المفتاح.

بالقرب من المصدر والمغسلة ، يتم إنشاء منطقتين تحتويان على نسبة عالية من ناقلات شحن النجاسة (n +) مع زيادة الموصلية. الركيزة هي قاعدة من نوع P (في هذه الحالة).

يرجى ملاحظة أن البلورة (الركيزة) متصلة بالمصدر ، وهي مرسومة على العديد من الرموز الرسومية التقليدية.عندما يزيد جهد البوابة ، ينشأ مجال كهربائي مستعرض في القناة ، وهو يصد حاملات الشحن (الإلكترونات) ، وتغلق القناة عندما يتم الوصول إلى قيمة العتبة Uз.

أوضاع التشغيل

عند تطبيق جهد مصدر البوابة السالب ، يسقط تيار التصريف ، ويبدأ الترانزستور في الإغلاق - وهذا ما يطلق عليه الوضع الهزيل.

عندما يتم تطبيق جهد موجب على مصدر البوابة ، تحدث العملية العكسية - تنجذب الإلكترونات ، ويزداد التيار. هذا هو وضع التخصيب.

كل ما سبق صحيح بالنسبة لترانزستورات MOS مع قناة N- مدمجة. إذا استبدلت القناة p-type جميع الكلمات "الإلكترونات" بكلمة "فتحات" ، فإن قطبية الفولتية تنعكس.

تصميم

الترانزستور مع المدمج في قناة نوع n مع بوابة الجهد الصفر:

نحن نطبق -1V على مصراع. انخفض الحالي بنسبة 20 مرة.

وفقًا لورقة البيانات الخاصة بهذا الترانزستور ، لدينا جهد مصدر بوابة عتبة في منطقة فولت واحد ، وقيمته النموذجية هي 1.2 فولت ، تحقق من هذا.

 

أصبح التيار في microamperes. إذا قمت بزيادة الجهد أكثر من ذلك بقليل ، سوف تختفي تماما.

اخترت الترانزستور بشكل عشوائي ، وصادفت جهاز حساس إلى حد ما. سأحاول تغيير قطبية الجهد الكهربائي بحيث يكون للباب إمكانات إيجابية ، وسوف نتحقق من وضع التخصيب.

عند بوابة جهد 1 فولت ، زاد التيار أربع مرات ، مقارنة بما كان عليه عند 0 فولت (الصورة الأولى في هذا القسم). ويترتب على ذلك ، على عكس النوع السابق من الترانزستورات والترانزستورات ثنائية القطب ، يمكن أن تعمل على حد سواء لزيادة التيار والنقص دون ربط إضافي. هذه العبارة غير مهذبة للغاية ، ولكن في التقريب الأول لها الحق في الوجود.

خصائص

هنا ، كل شيء هو نفسه تقريبا كما هو الحال في الترانزستور مع انتقال السيطرة ، باستثناء وجود وضع التخصيب في سمة الإخراج.

على خاصية بوابة التصريف ، من الواضح أن الجهد السالب يؤدي إلى استنزاف الوضع وإغلاق المفتاح ، كما أن الجهد الإيجابي على الغالق يؤدي إلى إثراء وزيادة فتح المفتاح.

قناة الترانزستورات المستحثة

MOSFETs مع قناة مستحثة لا تجري التيار عند عدم وجود جهد على البوابة ، أو بالأحرى ، هناك تيار ، لكنه صغير للغاية ، لأنه هذا هو عودة الحالية بين الركيزة والمناطق عالية سبائك من هجرة والمصدر.

ترانزستور التأثير الميداني مع بوابة معزولة وقناة مستحثة هو تناظرية لمفتاح مفتوح عادة ، لا يتدفق التيار.

في وجود الجهد مصدر البوابة ، كما نحن نعتبر نوع n للقناة المستحثة ، أن الجهد موجب ، تنجذب الموجات الحاملة السالبة إلى منطقة البوابة بفعل المجال.

لذلك هناك "ممر" للإلكترونات من المصدر إلى الصرف ، لذلك تظهر قناة ، ويفتح الترانزستور ، ويبدأ التيار في التدفق من خلالها. لدينا ركيزة من النوع p ، أهمها ناقلات الشحنة الموجبة (الثقوب) ، وهناك عدد قليل جدًا من الموجات الحاملة السلبية ، ولكن تحت تأثير الحقل ينفصلون عن ذراتهم وتبدأ حركتهم. وبالتالي عدم وجود الموصلية في غياب الجهد.

خصائص

إن خاصية الخرج تكرر بالضبط نفس الفرق عن السابق ، إلا أن الفولتية Uz تصبح إيجابية.

تُظهر خاصية البوابة المغلقة نفس الشيء ، الاختلافات مرة أخرى في الفولتية البوابة.

عند النظر في خصائص الجهد الحالي ، من المهم للغاية أن ننظر بعناية في القيم المكتوبة على طول المحاور.

تصميم

تم تطبيق جهد 12 فولت على المفتاح ، وكان لدينا 0. عند البوابة ، لا يتدفق التيار عبر الترانزستور.

أضف 1 فولت إلى البوابة ، لكن التيار لم يفكر في التدفق ...

مضيفا فولت واحد ، وجدت أن التيار يبدأ في النمو من 4v.

إضافة فولت واحد آخر ، زاد التيار بحدة إلى 1.129 A.

تشير ورقة البيانات إلى الجهد الكهربائي الفاصل لفتح هذا الترانزستور في قسم من 2 إلى 4 فولت ، والحد الأقصى على بوابة إلى بوابة من -20 إلى +20 فولت ، ولم تؤد زيادات التيار الكهربائي الإضافية إلى نتائج عند 20 فولت (لم أقم بعدة مللي أمبير) أعتقد في هذه الحالة).

هذا يعني أن الترانزستور سيكون مفتوحًا تمامًا ، إذا لم يكن كذلك ، فإن التيار في هذه الدائرة سيكون 12/10 = 1.2 أ. لاحقًا ، درست كيف يعمل هذا الترانزستور ، واكتشف أنه في 4 فولت يبدأ في الفتح.

عند إضافة 0.1 فولت لكل منهما ، لاحظت أنه مع كل عُشر فولت ، ينمو التيار أكثر فأكثر ، وبحلول 4.6 فولت يكون الترانزيستور مفتوحًا بالكامل تقريبًا ، والفرق مع جهد بوابة 20 فولت في تيار التصريف هو 41 مللي أمبير فقط ، عند 1.1 أمبير هراء.

تعكس هذه التجربة حقيقة أن الترانزستور مع قناة مستحثة يفتح فقط عند الوصول إلى عتبة الجهد ، مما يسمح لها بالعمل بشكل مثالي كمفتاح في دوائر النبض. في الواقع ، IRF740 هو واحد من الأكثر شيوعا في تبديل امدادات الطاقة.

أظهرت نتائج قياسات تيار البوابة أن ترانزستورات التأثير الميداني تقريبًا لا تستهلك تيار التحكم. بجهد 4.6 فولت ، كان التيار 888 نيوتن / نانو فقط.

في الجهد من 20V ، كان 3.55 μA (الصغير). بالنسبة للترانزستور ثنائي القطب ، سيكون بترتيب 10 مللي أمبير ، اعتمادًا على الكسب ، والذي يزيد عشرات الآلاف من المرات عن تأثير المجال.

لا يتم فتح جميع المفاتيح من قبل هذه الفولتية ، وهذا يرجع إلى تصميم وميزات الدوائر للأجهزة حيث يتم استخدامها.

ميزات استخدام المفاتيح مع مصراع معزول

اثنين من الموصلات ، وبينهم عازل - ما هو؟ هذا ترانزستور ، البوابة نفسها بها سعة طفيلية ، إنها تبطئ عملية تبديل الترانزستور. وهذا ما يسمى Miller Plateau ، بشكل عام ، هذه المسألة تستحق مادة جدية منفصلة بنمذجة دقيقة ، باستخدام برامج أخرى (لم أتحقق من هذه الميزة في multisim).

تتطلب السعة المفرغة في اللحظة الأولى وجود تيار شحن كبير ، وأجهزة التحكم النادرة (وحدات التحكم PWM وأجهزة التحكم الدقيقة) لها مخرجات قوية ، لذا فهي تستخدم برامج تشغيل لمصاريع الحقل ، في ترانزستورات التأثير الميداني وفي IGBT (ثنائي القطب مع مصراع معزولة). هذا هو مكبر للصوت الذي يحول إشارة الدخل إلى ناتج بهذا الحجم والقوة الحالية ، وهو ما يكفي لتشغيل وإيقاف الترانزستور. يقتصر تيار الشحن أيضًا على المقاوم المتصل في السلسلة مع البوابة.

في الوقت نفسه ، يمكن أيضًا التحكم في بعض البوابات من منفذ المتحكم الدقيق عبر المقاوم (نفس IRF740). تطرقنا إلى هذا الموضوع. في دورة المواد اردوينو.

الرسومات الشرطية

إنها تشبه الترانزستورات ذات التأثير الميداني مع بوابة التحكم ، ولكنها تختلف عن تلك الموجودة في UGO ، كما هو الحال في الترانزستور نفسه ، يتم فصل البوابة عن الركيزة ، ويشير السهم في الوسط إلى نوع القناة ، ولكن يتم توجيهه من الركيزة إلى القناة ، إذا كانت قناة موسفت نحو مصراع والعكس بالعكس.

للمفاتيح ذات القناة المستحثة:

قد يبدو مثل هذا:

انتبه للأسماء الإنجليزية للاستنتاجات ، وغالبًا ما يشار إليها في ورقة البيانات وعلى المخططات.

للمفاتيح مع قناة مدمجة: