Tranzistori polja: princip rada, sklopovi, načini rada i modeliranje

Već smo pregledali uređaj bipolarnih tranzistora i njihov radSad doznajmo što su tranzistori s efektom polja. Poljski tranzistori vrlo su česti i u starom krugu i u suvremenim. Danas se uređaji s izoliranim vratima u većoj mjeri koriste, danas ćemo govoriti o vrstama poljskih tranzistora i njihovim značajkama. U članku ću na različitim mjestima napraviti usporedbe s bipolarnim tranzistorima.

definicija

Tranzistor polja polja je poluvodički ključ u potpunosti kontroliran električnim poljem. To je glavna razlika sa stajališta prakse od bipolarnih tranzistora, koji su pod kontrolom struje. Električno polje stvara se naponom koji se napaja na vratima u odnosu na izvor. Polaritet upravljačkog napona ovisi o vrsti kanala tranzistora. Dobra je analogija s elektronskim vakuumskim cijevima.

Drugi naziv tranzistora s efektom polja je unipolarni. "UNO" znači jedno. U tranzistorima s efektom polja, ovisno o vrsti kanala, struju vrši samo jedna vrsta nosača rupama ili elektronima. U bipolarnim tranzistorima struja je nastala iz dvije vrste nosača naboja - elektrona i rupa, bez obzira na vrstu uređaja. Tranzistori sa efektom polja u općenitom se slučaju mogu podijeliti na:

• tranzistori s kontrolnim pn spojem;

• izolirani tranzisteri vrata.

Oba mogu biti n-kanalni i p-kanalni, pozitivni upravljački napon mora se primijeniti na vrata prvog vrata kako bi se otvorio ključ, a kod drugog negativan u odnosu na izvor.

Sve vrste terenskih tranzistora imaju tri izlaza (ponekad 4, ali rijetko, sreo sam ih samo u sovjetskim i to je bilo povezano sa slučajem).

1. Izvor (izvor nosača, analog bipolarnog emitera).

2. Stoke (izvor nosača naboja iz izvora, analog kolektora bipolarnog tranzistora).

3. Zatvarač (upravljačka elektroda, analog mreže na svjetiljkama i baze na bipolarnim tranzistorima).

PN tranzistorski tranzistor

Tranzistor se sastoji od sljedećih područja:

1. kanal;

2. zaliha;

3. izvor;

4. Roletna.

Na slici vidite shematsku strukturu takvog tranzistora, nalazi su spojeni na metalizirane dijelove vrata, izvora i odvoda. U određenom krugu (ovo je p-kanalni uređaj), ulaz je n-sloj, ima manje otpora od regije kanala (p-sloja), a p-n spojno područje je zbog toga više smješteno u p-regiji.

Uvjetna grafička oznaka:

 

a - tranzistor polja s efektom n-tipa, b - p-tranzistor s efektom polja

Da biste ga lakše zapamtili, sjetite se oznake diode, gdje strelica pokazuje od p-regije do n-regije. I ovdje.

Prvo stanje je primjena vanjskog napona.

Ako se napon primijeni na takav tranzistor, plus na odvod, a minus na izvor, kroz njega teče velika struja, bit će ograničen samo otporom kanala, vanjskim otporima i unutarnjim otporom izvora napajanja. Možete povući analogiju s normalno zatvorenim tipkom. Ova se struja naziva Istart ili početna struja odvoda kod Us = 0.

Tranzistor s efektom polja s pn regulacijom spajanja, bez primijenjenog upravljačkog napona na vrata je što je moguće otvoreniji.

Napon na odvod i izvor se primjenjuje na ovaj način:

Glavni nosači naboja uvode se putem izvora!

To znači da ako je tranzistor p-kanalni, tada je pozitivan izlaz izvora energije spojen na izvor, jer glavni nosači su rupe (nosači s pozitivnim nabojem) - to je takozvana vodljivost rupa.Ako je n-kanalni tranzistor spojen na izvor, negativni izlaz izvora napajanja, jer u njemu su glavni nosači naboja elektroni (negativni nosači naboja).

Izvor su glavni nosači naboja.

Evo rezultata modeliranja takve situacije. S lijeve strane je p-kanal, a s desne strane je n-kanalni tranzistor.

Drugo stanje - primijenite napon na zatvarač

Kada se na vrata dovede pozitivni napon u odnosu na izvor (Us) za p-kanal, a negativni za n-kanal, pomiče se u suprotnom smjeru, p-n spojna regija širi se prema kanalu. Kao rezultat čega se širina kanala smanjuje, struja opada. Napon vrata na kojem struja kroz ključ prestaje teći zove se granični napon.

Ključ se počinje zatvarati.

Dostignut je granični napon i ključ je potpuno zatvoren. Slika s rezultatima simulacije prikazuje takvo stanje za tipke p-kanal (lijevo) i n-kanal (desno). Usput, na engleskom se takav tranzistor naziva JFET.

Načini rada

Način rada tranzistora s naponom Uzi je ili nula ili obrnut. Zbog obrnutog napona, možete "pokriti tranzistor", koristi se u pojačalima klase A i drugim krugovima gdje je potrebna glatka regulacija.

Način isključivanja događa se kada je Uzi = U presjek za svaki tranzistor različit, ali u svakom slučaju se primjenjuje u suprotnom smjeru.

Karakteristike, CVC

Izlazna karakteristika je graf koji prikazuje ovisnost struje odvoda o Uci (primijenjenu na stezaljke odvoda i izvora) na raznim naponima vrata.

Može se podijeliti u tri područja. Na početku (na lijevoj strani grafikona) vidimo ohmičku regiju - u tom se intervalu tranzistor ponaša poput otpora, struja raste gotovo linearno, dostižući određenu razinu, prelazi u područje zasićenja (u sredini grafa).

U desnom dijelu grafikona vidimo da struja ponovo počinje rasti, ovo je regija proboja, ovdje ne bi trebao biti smješten tranzistor. Najviša grana prikazana na slici je struja na nuli Us, vidimo da je ovdje struja najveća.

Što je viši napon Uzi, to je niža struja odvoda. Svaka grana se na ulazu razlikuje za 0,5 volti. Ono što smo potvrdili modeliranjem.

Karakteristika odvodnih vrata, tj. ovisnost struje odvoda od napona vrata na istom naponu odvoda izvora (u ovom primjeru 10V), ovdje je nagib mreže također 0,5 V, opet vidimo da što je napon Uzi napon bliži 0, to je veća i struja odvoda.

U bipolarnim tranzistorima postojao je takav parametar kao koeficijent prijenosa struje ili dobitak, bio je označen kao B ili H21e ili Hfe. U polju se strmina upotrebljava za prikaz mogućnosti povećanja napona.Označava se slovom S

S = dIc / dU

To jest, strmina pokazuje koliko miljama (ili amperima) struja odvoda raste s povećanjem napona na izlazu od broja volti s nepromijenjenim naponom odvoda. Može se izračunati na temelju karakteristike kapije, u gornjem primjeru nagib je oko 8 mA / V.

Sheme prebacivanja

Kao i bipolarni tranzistori, postoje tri tipična dijagrama ožičenja:

1. Sa zajedničkim izvorom (a). Najčešće se koristi, daje dobit u struji i snazi.

2. Zajedničkim zatvaračem (b). Rijetko se koristi, mala ulazna impedancija, nema pojačanja.

3. Sa potpunim odvodom (c). Pojačanje napona je blizu 1, ulazna impedancija je velika, a izlazna impedancija mala. Drugo ime je sljedbenik izvora.

Značajke, prednosti, nedostaci

• Glavna prednost tranzistora s efektom polja velika ulazna impedancija, Ulazni otpor je omjer struje i napona na ulazu. Princip rada leži u upravljanju pomoću električnog polja, a nastaje kada se primjenjuje napon. To je tranzistori s efektom polja.

• Tranzistor polja praktički ne troši kontrolnu struju, je smanjuje gubitak kontrole, izobličenje signala, trenutačno preopterećenje izvora signala ...

• Prosječna učestalost Terenski tranzistori djeluju bolje od bipolarnih, to je zbog činjenice da je potrebno manje vremena za "resorpciju" nosača naboja u područjima bipolarnog tranzistora. Neki moderni bipolarni tranzistori mogu čak i nadmašiti terenske, to je zbog korištenja naprednijih tehnologija, smanjenja širine baze i još više.

• Niska razina buke polja s tranzistorima s efektom polja rezultat je nepostojanja procesa ubrizgavanja naboja, kao u bipolarnim.

• Stabilnost na temperaturi.

• Mala potrošnja energije u provodljivom stanju - veća učinkovitost vaših uređaja.

Najjednostavniji primjer upotrebe velike ulazne impedance su podudaranje uređaja za povezivanje elektroakustičnih gitara s piezo pickupima i električnih gitara s elektromagnetskim pickupima na linijske ulaze s niskom ulaznom impedancijom.

Mala ulazna impedancija može uzrokovati pad ulaznog signala, izobličujući njegov oblik u različitim stupnjevima, ovisno o frekvenciji signala. To znači da to morate izbjeći uvođenjem kaskade s velikom ulaznom impedancijom. Ovdje je najjednostavniji dijagram takvog uređaja. Prikladno za spajanje električnih gitara na linijski ulaz računalne audio kartice. S njom zvuk postaje svjetliji, a tember je bogatiji.

Glavni nedostatak je što se takvi tranzistori plaše statike. Element možete uzeti elektrificiranim rukama i on će odmah uspjeti, to je posljedica upravljanja ključem pomoću polja. Preporučuje se da rade s njima u dielektričnim rukavicama, spojenim preko posebne narukvice na zemlju, niskonaponskim lemilicom s izoliranim vrhom, a tranzistorski vodi mogu se vezati žicom kako bi ih kratko spojili tijekom ugradnje.

Moderni uređaji toga se praktički ne boje, jer se na ulazu u njih mogu ugraditi zaštitni uređaji poput zener dioda, koji djeluju kada se napon prekorači.

Ponekad za početnike radioamatere strahovi dođu do apsurda, poput stavljanja folija na glavu. Sve gore opisano, iako je obavezno, ali nepoštivanje bilo kakvih uvjeta, ne jamči kvar uređaja.

Izolirani tranzistori s efektom vrata

Ova vrsta tranzistora aktivno se koristi kao poluvodički upravljani ključ. Štoviše, oni rade najčešće u načinu rada s tipkama (dva položaja "uključeno" i "isključeno"). Imaju nekoliko imena:

1. MOS tranzistor (metal-dielektrični poluvodič).

2. MOS tranzistor (poluvodič metalnog oksida).

3. MOSFET tranzistor (metal-oksid-poluvodič).

Zapamtite - ovo su samo varijacije istog naziva. Dielektrik, ili kako ga još nazivaju oksid, igra ulogu izolatora za vrata. Na donjem dijagramu prikazan je izolator između n-regije blizu zatvarača i zatvarača u obliku bijele zone s točkama. Izrađen je od silicijevog dioksida.

Dielektrik eliminira električni kontakt između elektrode vrata i podloge. Za razliku od kontrolnog pn spoja, on ne radi na principu širenja spojnice i preklapanja kanala, već na principu promjene koncentracije nosača naboja u poluvodiču pod utjecajem vanjskog električnog polja. MOSFET su dvije vrste:

1. S integriranim kanalom.

2. S induciranim kanalom

Kanalski integrirani tranzistori

Na dijagramu vidite tranzistor s integriranim kanalom. Iz njega se već može naslutiti da princip njegovog djelovanja nalikuje tranzistoru s efektom polja s upravljačkim p-n spojom, tj. kada je napon na vratima nula, struja teče kroz prekidač.

U blizini izvora i umivaonika stvaraju se dvije regije s visokim sadržajem nosača naboja nečistoća (n +) s povećanom vodljivošću. Podloga je baza tipa P (u ovom slučaju).

Imajte na umu da je kristal (supstrat) spojen na izvor, crta se na mnogim konvencionalnim grafičkim simbolima.Kada se napon na vratima poveća, u kanalu nastaje poprečno električno polje, ono odbija nosače naboja (elektrone), a kanal se zatvara kad dosegne vrijednost praga Uz.

Načini rada

Kada se primijeni negativni napon na izlazu, struja odvoda padne, tranzistor se počinje zatvarati - to se naziva nagnuti način rada.

Kada se na izvor vrata primijeni pozitivni napon, događa se obrnuti proces - privlače se elektroni, struja raste. Ovo je način obogaćivanja.

Sve gore navedeno vrijedi za MOS tranzistore s integriranim N-tipom kanala. Ako p-tip kanala zamijeni sve riječi "elektroni" s "rupama", polaritet napona je obrnut.

manekenstvo

Tranzistor s ugrađenim n-tipa kanala s nula napona:

Na kapke primjenjujemo -1V. Struja se smanjila za 20 puta.

Prema podatkovnom listu za ovaj tranzistor, imamo napon praga vrata na području jednog volta, a njegova tipična vrijednost je 1,2 V, provjerite.

 

Struja je postala u mikroamperama. Ako malo više povećate napon, on će potpuno nestati.

Nasumice sam odabrao tranzistor i naišao sam na prilično osjetljiv uređaj. Pokušat ću promijeniti polaritet napona tako da vrata imaju pozitivan potencijal, provjerit ćemo način obogaćivanja.

Na naponu od 1 V struja se povećala četiri puta u usporedbi s onom na 0 V (prva slika u ovom odjeljku). Iz toga proizlazi da, za razliku od prethodnog tipa tranzistora i bipolarnih tranzistora, može raditi i na povećanju struje i na smanjenju bez dodatnog vezanja. Ta je izjava vrlo nepristojna, no u prvom aproksimaciji ima pravo na postojanje.

karakteristike

Ovdje je sve gotovo isto kao u tranzistoru s upravljačkim prijelazom, osim prisutnosti načina obogaćivanja u izlaznoj karakteristici.

Na karakteristici odvodnih vrata jasno se vidi da negativni napon uzrokuje da se mod isprazni i zatvori ključ, a pozitivni napon na zatvaraču uzrokuje obogaćivanje i veće otvaranje ključa.

Kanalski tranzistori

MOSFET-ovi s induciranim kanalom ne provode struju kad nema napona na vratima, ili bolje rečeno, postoji struja, ali je izuzetno mala, jer to je povratna struja između podloge i visoko legiranih područja odvoda i izvora.

Tranzistor s efektom polja s izoliranim vratima i induciranim kanalom analog je normalno otvorenom prekidaču, struja ne teče.

U prisutnosti napona na izlazu, kao smatramo n-tip induciranog kanala, napon je pozitivan, negativni nosači se privlače u područje vrata djelovanjem polja.

Tako postoji "koridor" za elektrone od izvora do odvoda pa se pojavljuje kanal, tranzistor se otvara i kroz njega počinje strujati struja. Imamo supstrat p-tipa, glavni u njemu su nosači pozitivnog naboja (rupe), vrlo je malo negativnih nosača, ali pod utjecajem polja oni se odvajaju od svojih atoma i njihovo kretanje započinje. Iz toga proizlazi nedostatak vodljivosti u nedostatku napona.

karakteristike

Izlazna karakteristika točno ponavlja istu razliku od prethodnih, samo što naponi Uz postaju pozitivni.

Karakteristika zatvorenih vrata pokazuje istu stvar, opet razlike u naponima kapica.

Prilikom razmatranja karakteristika napona struje, izuzetno je važno pažljivo pogledati vrijednosti napisane duž osi.

manekenstvo

Na ključ je primijenjen napon od 12 V, a imali smo 0. Na vratima struja ne teče kroz tranzistor.

Na vrata dodajte 1 volt, ali struja nije mislila teći ...

Dodajući jedan volt, otkrio sam da struja počinje rasti od 4V.

Dodajući još 1 Volt, struja se naglo povećala na 1,129 A.

Podatkovna tablica označava granični napon za otvaranje ovog tranzistora u odjeljku od 2 do 4 volta, a maksimalan na ulazu od vrata do -20 do +20 V, daljnji prirasti napona nisu dali rezultate pri 20 volti (nisam nekoliko miliampera Mislim da u ovom slučaju).

To znači da bi tranzistor bio potpuno otvoren, da nije njega, struja u ovom krugu bila bi 12/10 = 1,2 A. Kasnije sam proučavao kako ovaj tranzistor radi i otkrio sam da se pri 4 volta počinje otvarati.

Dodajući svaki 0,1 V, primijetio sam da sa svakom desetinom volta struja raste sve više i više, a za 4,6 vol tranzistor je gotovo potpuno otvoren, razlika s naponom vrata od 20 V u struji odvoda iznosi samo 41 mA, na 1,1 A besmislica.

Ovaj eksperiment odražava činjenicu da se tranzistor s induciranim kanalom otvara tek kada se dosegne prag napona, što mu omogućuje da savršeno funkcionira kao ključ u impulsnim krugovima. Zapravo, IRF740 je jedan od najčešćih u prebacivanju napajanja.

Rezultati mjerenja struje vrata pokazali su da tranzistori s efektom polja gotovo da ne troše upravljačku struju. Na naponu od 4,6 volti, struja je bila samo 888 nA (nano !!!).

Na naponu od 20 V bio je 3,55 µA (mikro). Za bipolarni tranzistor bio bi to reda 10 mA, ovisno o dobitku, koji je nekoliko desetaka tisuća puta više od poljskog.

Nisu svi ključevi otvoreni takvim naponima, to je zbog dizajna i značajki sklopa uređaja na kojima se koriste.

Značajke uporabe tipki s izoliranom zasunom

Dva vodiča, a između njih dielektric - što je to? Ovo je tranzistor, sama vrata imaju parazitski kapacitet, usporava proces prebacivanja tranzistora. Ovo se naziva Miller Plateau, općenito, ovo je pitanje vrijedno zasebnog ozbiljnog materijala s preciznim modeliranjem, korištenjem drugog softvera (nisu to značajku provjeravali u multisimu).

Kapacitet pražnjenja u prvom trenutku zahtijeva veliku struju punjenja, a rijetki upravljački uređaji (PWM kontroleri i mikrokontroleri) imaju snažne izlaze, pa one koriste pokretače za poljske zatvarače, i u tranzistorima s efektom polja i u IGBT (bipolarni s izoliranim zatvaračem). Ovo je takvo pojačalo koje pretvara ulazni signal u izlaz takve veličine i strujne snage, dovoljan da uključi i isključi tranzistor. Struja naboja također je ograničena otpornikom koji je serijski povezan sa vratima.

U isto vrijeme, neki se vrata mogu upravljati iz priključka mikrokontrolera preko otpornika (isti IRF740). Dotakli smo se ove teme. u ciklusu arduinog materijala.

Uvjetna grafika

Oni nalikuju tranzistorima s efektom polja s upravljačkim vratima, ali se razlikuju po tome što je na UGO-u, kao i u samom tranzistoru, kapica odvojena od podloge, a strelica u sredini označava vrstu kanala, ali je usmjerena od supstrata do kanala, ako je to n-kanalni mosfet - prema zatvaraču i obrnuto.

Za tipke s induciranim kanalom:

To bi moglo izgledati ovako:

Obratite pažnju na engleska imena zaključaka, koji su često naznačeni na tablici s podacima i na dijagramima.

Za ključeve s ugrađenim kanalom: