Kenttävaikutteiset transistorit: toimintaperiaate, piirit, toimintatavat ja mallintaminen

Olemme jo tarkistaneet bipolaaristen transistorien laite ja niiden työNyt selvitetään, mitkä kenttätehosteet ovat. Kenttävaikutteiset transistorit ovat hyvin yleisiä sekä vanhoissa piireissä että nykyaikaisissa. Nykyään laitteita, joissa on eristetty portti, käytetään enemmän, puhumme tänään kenttätehostetransistorien tyypeistä ja niiden ominaisuuksista. Aion artikkelissa vertailla bipolaaritransistoreita erillisissä paikoissa.

määritelmä

Kenttäefektitransistori on puolijohde, täysin ohjattava avain, jota ohjataan sähkökentällä. Tämä on käytännön kannalta suurin ero bipolaarisiin transistoreihin, joita ohjataan virralla. Sähkökentän muodostaa jännite, joka kohdistetaan hilaan lähteeseen nähden. Ohjausjännitteen napaisuus riippuu transistorin kanavan tyypistä. Elektronisten tyhjiöputkien kanssa on hyvä analogia.

Toinen nimi kenttäefektitransistoreille on yksinapainen. "UNO" tarkoittaa yhtä. Kenttävaikutteisissa transistoreissa kanavan tyypistä riippuen virta suoritetaan vain yhden tyyppisellä kantoaallolla reikien tai elektronien avulla. Bipolaaritransistoreissa virta muodostettiin kahdentyyppisistä varauskantoaalloista - elektronista ja reikistä, laitteistotyypistä riippumatta. Kenttävaikutteiset transistorit voidaan yleensä jakaa:

• transistorit, joissa on ohjaus pn-liitos;

• eristetyt portitransistorit.

Kummatkin niistä voivat olla n-kanavaisia ​​ja p-kanavia, positiivisen ohjausjännitteen on kohdistettava ensin mainitun hilaan avaimen avaamiseksi ja jälkimmäisten tapauksessa negatiivinen lähteeseen nähden.

Kaikentyyppisillä kenttäteho transistoreilla on kolme lähtöä (joskus 4, mutta harvoin, tapasin vain Neuvostoliitossa ja se oli kytketty tapaukseen).

1. Lähde (kantoaallolähde, bipolaarinen emitterianalogi).

2. Stoke (lähteestä tulevat varauskuljettimet, bipolaaritransistorin kollektorin analogi).

3. Suljin (ohjauselektrodi, lamppujen ristikon analogi ja bipolaaritransistorien pohja).

PN-transistori

Transistori koostuu seuraavista alueista:

1. Kanava;

2. Varastossa;

3. Lähde;

4. Suljin.

Kuvassa näet tällaisen transistorin kaavamaisen rakenteen, havainnot on kytketty hilan, lähteen ja viemärin metalloituihin osiin. Tietyssä piirissä (tämä on p-kanavainen laite) hila on n-kerros, sen resistiivisyys on pienempi kuin kanava-alueella (p-kerros), ja p-n-liitosalue sijaitsee tästä syystä enemmän p-alueella.

Ehdollinen graafinen nimitys:

 

a - kenttävaikutteinen transistori n-tyyppi, b - kenttävaikutteinen transistori p-tyyppi

Muista diodin nimeäminen, jotta muistaminen olisi helpompaa, kun nuoli osoittaa p-alueelta n-alueelle. Tässäkin.

Ensimmäinen tila on ulkoisen jännitteen kytkeminen.

Jos tällaiselle transistorille, plus viemärille, johdetaan jännite ja miinus lähteeseen, suuri virta virtaa sen läpi, sitä rajoittavat vain kanavan vastus, ulkoiset vastukset ja virtalähteen sisäinen vastus. Voit piirtää analogian normaalisti suljetulla näppäimellä. Tätä virtaa kutsutaan käynnistykseksi tai alkuperäiseksi tyhjennysvirraksi Us = 0.

Kenttävaikutteistransistori, jossa on pn-liitosohjaus, ilman portille asetettua ohjausjännitettä, on mahdollisimman avoin.

Viemärin ja lähteen jännite johdetaan tällä tavalla:

Tärkeimmät latauskuljettajat esitellään lähteen kautta!

Tämä tarkoittaa, että jos transistori on p-kanavainen, virtalähteen positiivinen lähtö kytketään lähteeseen, koska pääkantoaallot ovat reikiä (positiivisen varauksen kantajat) - tämä on ns. reikien johtavuus.Jos n-kanavainen transistori on kytketty lähteeseen, virtalähteen negatiivinen lähtö, koska siinä tärkeimmät varauskantoaallot ovat elektronit (negatiivisen varauksen kantajat).

Lähde on tärkeimpien varauskantajien lähde.

Tässä on tuloksia tällaisen tilanteen mallinnuksesta. Vasemmalla p-kanava ja oikealla n-kanavainen transistori.

Toinen tila - kytke jännite kaihtimeen

Kun hilaan kohdistetaan positiivinen jännite suhteessa lähteeseen (Us) p-kanavalle ja negatiivinen n-kanavalle, se siirtyy vastakkaiseen suuntaan, p-n-liitosalue laajenee kanavaa kohti. Seurauksena kanavan leveys pienenee, virta pienenee. Porttijännitettä, jolla avaimen läpi kulkeva virta lakkaa virtaamasta, kutsutaan katkaisujännitteeksi.

Avain alkaa sulkea.

Raja-arvo on saavutettu ja avain on täysin kiinni. Kuva simulaatiotuloksilla näyttää tällaisen tilan p-kanavan (vasen) ja n-kanavan (oikea) näppäimille. Muuten, englanniksi tällaista transistoria kutsutaan JFET.

Käyttötavat

Transistorin käyttötila jännitteellä Uзи on joko nolla tai käänteinen. Käänteisen jännitteen ansiosta voit "peittää transistorin", jota käytetään luokan A vahvistimissa ja muissa piireissä, joissa tarvitaan sujuvaa säätöä.

Katkaisutila esiintyy, kun Uzi = U-katkaisu jokaiselle transistorille on erilainen, mutta joka tapauksessa sitä käytetään vastakkaiseen suuntaan.

Ominaisuudet, CVC

Lähtöominaisuus on kuvaaja, joka kuvaa viemärivirran riippuvuutta Uci: sta (kohdistettu viemärin ja lähteen napoihin) erilaisilla hilajännitteillä.

Voidaan jakaa kolmeen osaan. Alussa (kuvaajan vasemmalla puolella) näemme ohmisen alueen - tällä aikavälillä transistori käyttäytyy kuin vastus, virta kasvaa melkein lineaarisesti, saavuttaen tietyn tason, menee kylläisyysalueelle (kuvaajan keskellä).

Graafin oikeassa osassa näemme, että virta alkaa kasvaa uudelleen, tämä on erittelyalue, tässä transistorin ei pitäisi olla. Kuvassa esitetty ylin haara on virta nollassa Us, näemme, että tässä oleva virta on suurin.

Mitä korkeampi jännite Uzi, sitä alhaisempi on tyhjennysvirta. Jokainen haara eroaa 0,5 voltilla portissa. Mitä vakuuttelimme mallinnuksella.

Viemäriportin ominaisuus, ts. viemärivirran riippuvuus hilajännitteestä samalla viemärilähteen jännitteellä (tässä esimerkissä 10 V), tässä myös verkon sävelkorkeus on 0,5 V, näemme taas, että mitä lähempänä jännitettä Uzi on 0, sitä suurempi viemärivirta on.

Bipolaaritransistoreissa oli sellainen parametri kuin virransiirtokerroin tai vahvistus, sille annettiin merkintä B tai H21e tai Hfe. Kenttässä jyrkkyyttä käytetään osoittamaan kykyä lisätä jännitettä, ja se on merkitty kirjaimella S

S = dIc / dU

Toisin sanoen jyrkkyys osoittaa, kuinka paljon milliampeereina (tai ampeereina) tyhjennysvirta kasvaa portin lähdejännitteen kasvaessa volttien lukumäärällä, jolla on muuttumaton viemärilähteen jännite. Se voidaan laskea portti-portti-ominaisuuden perusteella; yllä olevassa esimerkissä kaltevuus on noin 8 mA / V.

Vaihtojärjestelmät

Kuten bipolaaritransistoreita, on olemassa kolme tyypillistä kytkentäkaaviota:

1. jolla on yhteinen lähde (a). Sitä käytetään useimmiten, se antaa virran ja voiman.

2. Yhteisellä sulkimella (b). Harvoin käytetty, pieni tuloimpedanssi, ei vahvistusta.

3. Kokonaisvuoto (c). Jännitevahvistus on lähellä yhtä, tuloimpedanssi on suuri ja lähtöimpedanssi on alhainen. Toinen nimi on lähteen seuraaja.

Ominaisuudet, edut, haitat

• Kenttäefektitransistorin tärkein etu korkea tuloimpedanssi. Sisääntulovastus on virran ja portin-lähteen jännitteen suhde. Toimintaperiaate on sähkökentän avulla tapahtuvassa ohjauksessa, ja se muodostuu, kun jännite kytketään. Se on kenttävaikutteiset transistorit.

• Kenttävaikutteinen transistori käytännössä ei kuluta ohjausvirtaa, se on vähentää ohjauksen menetyksiä, signaalin vääristymiä, signaalilähteen nykyinen ylikuormitus ...

• Keskimääräinen taajuus Kenttävaikutteiset transistorit toimivat paremmin kuin bipolaarit, tämä johtuu siitä, että vähemmän vaaditaan varausaineiden "resorptiota" bipolaaritransistorin alueilla. Jotkut nykyaikaiset bipolaaritransistorit saattavat jopa ylittää kenttätransistorit, tämä johtuu edistyneempien tekniikoiden käytöstä, pohjan leveyden vähentämisestä ja muusta.

• Kenttävaikutteisten transistorien alhainen melutaso johtuu varausinjektioprosessin puutteesta, kuten bipolaarisissa.

• Stabiilisuus lämpötilan kanssa.

• Alhainen virrankulutus johtavassa tilassa - laitteiden parempi tehokkuus.

Yksinkertaisin esimerkki korkean tuloimpedanssin käytöstä on sovituslaitteet, joilla yhdistetään piezo-pikakytkimillä sähköakustiset kitarat ja sähkömagneettisilla kitaroilla varustetut sähkökitarat linja-sisääntuloihin, joilla on pieni tuloimpedanssi.

Alhainen tuloimpedanssi voi aiheuttaa tulosignaalin putoamisen, vääristäen sen muotoa vaihtelevasti signaalin taajuudesta riippuen. Tämä tarkoittaa, että sinun on vältettävä tätä ottamalla käyttöön kaskaadi, jolla on korkea tuloimpedanssi. Tässä on sellaisen laitteen yksinkertaisin kaavio. Soveltuu sähkökitaroiden kytkemiseen tietokoneen äänikortin linjatuloon. Sen myötä ääni kirkkaampi ja ääni rikkaampi.

Suurin haittapuoli on, että tällaiset transistorit pelkäävät staattisia. Voit ottaa elementin sähköistetyillä käsilläsi ja se epäonnistuu heti, tämä on seurausta avaimen hallinnasta kentän avulla. Niitä suositellaan työskentelemään heidän kanssaan dielektrisissä käsineissä, jotka on kytketty erityisen rannekkeen kautta maahan, matalajännitteisellä juotosraudalla, jossa on eristetty kärki, ja transistorin johtimet voidaan sitoa johdolla oikosulkeakseen niitä asennuksen aikana.

Nykyaikaiset laitteet eivät käytännössä pelkää tätä, koska niiden sisäänkäynnissä voidaan rakentaa suojalaitteita, kuten zener-diodeja, jotka toimivat, kun jännite ylitetään.

Joskus aloittaville radioamatööreille pelot saavuttavat turhautumisen pisteen, kuten foliokorkkien asettamisen päähän. Edellä kuvattu, vaikka se on pakollista, mutta ehtojen noudattamatta jättäminen ei takaa laitteen vikaa.

Eristetyt porttikenttätehoiset transistorit

Tämän tyyppistä transistoria käytetään aktiivisesti puolijohdeohjattuna avaimena. Lisäksi ne toimivat useimmiten näppäinmoodissa (kaksi asentoa “päällä” ja “pois”). Heillä on useita nimiä:

1. MOS-transistori (metalli-dielektrinen puolijohde).

2. MOS-transistori (metallioksidipuolijohde).

3. MOSFET-transistori (metallioksidipuolijohde).

Muista - nämä ovat vain saman nimen variaatioita. Dielektrinen tai, kuten sitä kutsutaan myös oksidiksi, on portin eristimen rooli. Oheisessa kaaviossa eristin on esitetty suljimen lähellä olevan n-alueen ja ikkunan välillä valkoisen pistevyöhykkeen muodossa. Se on valmistettu piidioksidista.

Dielektrinen eliminoi sähkökontakti hilaelektrodin ja alustan välillä. Toisin kuin ohjauspn-risteys, se ei toimi risteyksen laajentamisen ja kanavan päällekkäisyyden periaatteessa, vaan periaatteessa, että puolijohteessa olevien varausaineiden pitoisuuden muutos tapahtuu ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. MOSFET-tyyppejä on kahta tyyppiä:

1. Integroidulla kanavalla.

2. Indusoidulla kanavalla

Kanavaintegraattorit

Kaaviossa näet transistorin, jolla on integroitu kanava. Sen perusteella voidaan jo arvata, että sen toimintaperiaate muistuttaa kenttävaikutteista transistoria, jolla on ohjaus p-n-liitos, ts. kun hilajännite on nolla, virta virtaa kytkimen läpi.

Lähteen ja pesualtaan lähellä luodaan kaksi aluetta, joilla on korkea epäpuhtauspanosaineiden (n +) pitoisuus ja lisääntynyt johtavuus. Substraatti on P-tyypin emäs (tässä tapauksessa).

Huomaa, että kide (substraatti) on kytketty lähteeseen, se on piirretty monille tavanomaisille graafisille symboleille.Kun hilajännite nousee, kanavaan syntyy poikittainen sähkökenttä, se hylkää varauskantoaallot (elektronit) ja kanava sulkeutuu saavuttaessaan kynnysarvon Uз.

Käyttötavat

Kun portille lähteen jännite on negatiivinen, tyhjennysvirta laskee, transistori alkaa sulkeutua - tätä kutsutaan laihaksi tilaksi.

Kun porttilähteeseen kohdistetaan positiivinen jännite, tapahtuu käänteinen prosessi - elektroneja houkutellaan, virta kasvaa. Tämä on rikastustapa.

Kaikki yllä oleva pätee MOS-transistoreihin, joissa on integroitu N-tyyppinen kanava. Jos p-tyyppinen kanava korvaa kaikki sanat “elektronit” sanoilla “reikiä”, jännitteen polaarisuus muuttuu.

mallintaminen

Transistori, jossa sisäänrakennettu n-tyyppinen kanava nollahilajännitteellä:

Levitämme -1 V kaihtimeen. Virta laski 20 kertaa.

Tämän transistorin ohjelehden mukaan kynnyksen lähdejännite on yhden voltin alueella ja sen tyypillinen arvo on 1,2 V, tarkista tämä.

 

Virta on tullut mikroampereihin. Jos lisäät jännitettä hiukan enemmän, se katoaa kokonaan.

Valitsin satunnaisesti transistorin ja törmäsin melko herkälle laitteelle. Yritän muuttaa jännitteen napaisuutta siten, että portilla on positiivinen potentiaali, tarkistamme rikastustilan.

1 V hilajännitteellä virta kasvoi neljä kertaa verrattuna siihen, mikä se oli 0 V: n virralla (ensimmäinen osa tässä osiossa). Tästä seuraa, että toisin kuin aikaisemmat transistorit ja bipolaaritransistorit, se voi toimia sekä virran kasvattamiseksi että pienentämiseksi ilman ylimääräisiä vannetuksia. Tämä lausunto on hyvin töykeä, mutta ensimmäisessä lähentämisessä sillä on oikeus olemassa.

ominaisuudet

Tässä kaikki on melkein sama kuin ohjaussiirtymän omaavassa transistorissa paitsi, että lähtöominaisuudessa on rikastustila.

Viemäriportin ominaisuudessa on selvästi nähtävissä, että negatiivinen jännite aiheuttaa tilan tyhjentämisen ja avaimen sulkemisen, ja sulkimen positiivinen jännite aiheuttaa rikastumisen ja avaimen suuremman avautumisen.

Kanavan aiheuttamat transistorit

Indusoidulla kanavalla varustetut MOSFET-laitteet eivät johda virtaa, kun portilla ei ole jännitettä, tai pikemminkin virtaa on, mutta se on erittäin pieni, koska tämä on paluuvirta substraatin ja korkeaseostetun viemäri- ja lähdeosan välillä.

Kenttävaikutteinen transistori, jossa on eristetty hila ja indusoitu kanava, on normaalisti avoimen kytkimen analogi, virta ei virtaa.

Portin lähteen jännitteen läsnä ollessa, kuten katsomme indusoidun kanavan n-tyyppiä, että jännite on positiivinen, negatiiviset kantoaallot houkuttelevat hila-alueelle kentän vaikutuksesta.

Joten on olemassa "käytävä" elektroneille lähteestä tyhjentämiseen, joten kanava ilmestyy, transistori aukeaa ja virta alkaa virrata sen läpi. Meillä on p-tyyppinen substraatti, tärkeimmät siinä ovat positiivisen varauksen kantajia (reikiä), negatiivisia kantajia on hyvin vähän, mutta kentän vaikutuksesta ne irtoavat atomistaan ​​ja liikkuminen alkaa. Siksi johtavuuden puute jännitteen puuttuessa.

ominaisuudet

Lähtöominaisuus toistaa tarkalleen saman eron edellisistä, vain että jännitteet Uz muuttuvat positiivisiksi.

Portti-portti-ominaisuus osoittaa saman asian, taaskin hilan jännitteen erot.

Virtajänniteominaisuuksia tarkasteltaessa on erittäin tärkeää tarkastella tarkasti akselien päälle kirjoitettuja arvoja.

mallintaminen

Avaimeen syötettiin 12 V jännitettä ja meillä oli 0. Portilla virta ei virtaa transistorin läpi.

Lisää 1 volttia portille, mutta virta ei uskonut virtaamaan ...

Lisäämällä yhden voltin huomasin, että virta alkaa kasvaa 4 V: sta.

Lisäämällä vielä 1 voltin virta nousi jyrkästi 1,129 A.

Tietolomake osoittaa kynnysjännitteen tämän transistorin avaamiseksi osiossa 2 - 4 volttia ja maksimiarvon portilla portille -20 - +20 V, lisäjännitteen lisäykset eivät antaneet tuloksia 20 voltilla (en tehnyt useita milliampeereja) Mielestäni tässä tapauksessa).

Tämä tarkoittaa, että transistori olisi täysin auki, ellei sitä olisi, tämän piirin virta olisi 12/10 = 1,2 A. Myöhemmin tutkin, kuinka tämä transistori toimii, ja huomasin, että 4 voltin kohdalla se alkaa avata.

Lisäämällä jokaiseen 0,1 V, huomasin, että jokaisella kymmenes voltilla virta kasvaa yhä enemmän ja 4,6 voltilla transistori on melkein täysin auki, ero viemärivirran 20V hilajännitteen kanssa on vain 41 mA, 1,1 A: ssa. hölynpölyä.

Tämä kokeilu heijastaa sitä tosiasiaa, että indusoidulla kanavalla varustettu transistori avautuu vain, kun kynnysjännite on saavutettu, mikä sallii sen toimia täydellisesti avaimena pulssipiireissä. Itse asiassa IRF740 on yksi yleisimmistä virtalähteiden kytkemisessä.

Porttivirran mittaustulokset osoittivat, että kenttävaikutteiset transistorit eivät juuri kuluta ohjausvirtaa. 4,6 voltin jännitteellä virta oli vain 888 nA (nano !!!).

20 V: n jännitteellä se oli 3,55 μA (mikro). Kaksinapaisella transistorilla se olisi luokkaa 10 mA vahvistuksesta riippuen, mikä on kymmeniä tuhansia kertoja enemmän kuin kenttä.

Kaikkia avaimia ei avata sellaisilla jännitteillä, tämä johtuu niiden laitteiden piirien suunnittelusta ja ominaisuuksista, joissa niitä käytetään.

Ominaisuudet avaimien käytöstä eristetyn ikkunaluukun kanssa

Kaksi johdinta ja niiden välillä dielektrisyys - mikä se on? Tämä on transistori, portilla itsessään on loisikapasitanssi, se hidastaa transistorin vaihtamista. Tätä kutsutaan Miller-tasangona, yleensä tämä kysymys ansaitsee erillisen vakavan materiaalin, jossa on tarkka mallintaminen, käyttämällä muita ohjelmistoja (ei tarkistanut tätä ominaisuutta multisimissä).

Ensimmäisenä hetkenä tyhjentynyt kapasiteetti vaatii suuren latausvirran, ja harvinaisilla ohjauslaitteilla (PWM-ohjaimilla ja mikro-ohjaimilla) on vahvat lähdöt, joten ne käyttävät ohjaimia kenttäkaihtimille, sekä kenttäteho-transistoreissa että IGBT (kaksinapainen eristetyn ikkunaluukun kanssa). Tämä on sellainen vahvistin, joka muuntaa tulosignaalin lähdöksi, jonka suuruus ja virranvoimakkuus ovat riittävät transistorin kytkemiseksi päälle ja pois päältä. Latausvirtaa rajoittaa myös vastus, joka on kytketty sarjaan portin kanssa.

Samanaikaisesti joitain portteja voidaan ohjata mikro-ohjaimen portista vastuksen (saman IRF740) kautta. Kosketimme tätä aihetta. arduinon materiaalisyklissä.

Ehdollinen grafiikka

Ne muistuttavat kenttävaikutteisia transistoreita, joilla on ohjausportti, mutta eroavat UGO: n vastaavista, kuten itse transistorissa, portti on erotettu substraatista ja keskellä oleva nuoli osoittaa kanavan tyypin, mutta on suunnattu substraatista kanavalle, jos se on n-kanavainen mosfetti - kohti ikkunaa ja päinvastoin.

Avaimille, joissa on indusoitu kanava:

Se voi näyttää tältä:

Huomioi päätelmien englanninkieliset nimet, ne on usein merkitty lomakkeessa ja kaavioissa.

Avaimille, joissa on sisäänrakennettu kanava: