Lauko efekto tranzistoriai: veikimo principas, grandinės, darbo režimai ir modeliavimas

Mes jau peržiūrėjome bipolinių tranzistorių įtaisas ir jų darbasDabar išsiaiškinkime, kokie yra lauko efekto tranzistoriai. Lauko efekto tranzistoriai yra labai paplitę tiek senose grandinėse, tiek šiuolaikiniuose. Šiais laikais prietaisai su izoliuotais vartais yra naudojami plačiau, mes kalbėsime apie lauko efektų tranzistorių tipus ir jų ypatybes šiandien. Straipsnyje pateiksiu palyginimus su bipoliniais tranzistoriais atskirose vietose.

Apibrėžimas

Lauko efekto tranzistorius yra puslaidininkis, visiškai kontroliuojamas raktas, valdomas elektrinio lauko. Tai yra pagrindinis praktikos skirtumas nuo bipolinių tranzistorių, kuriuos kontroliuoja srovė. Elektrinį lauką sukuria įtampa, taikoma vartams šaltinio atžvilgiu. Valdymo įtampos poliškumas priklauso nuo tranzistoriaus kanalo tipo. Yra gera analogija su elektroniniais vakuuminiais vamzdžiais.

Kitas lauko efekto tranzistorių pavadinimas yra vienpoliai. „UNO“ reiškia vieną. Lauko efekto tranzistoriuose, atsižvelgiant į kanalo tipą, srovė skylių ar elektronų pagalba vykdoma tik vieno tipo nešikliu. Bipoliuose tranzistoriuose srovė buvo suformuota iš dviejų rūšių įkrovos nešėjų - elektronų ir skylių, nepriklausomai nuo prietaisų tipo. Lauko efekto tranzistoriai paprastai gali būti suskirstyti į:

• tranzistoriai su valdymo pn jungtimi;

• izoliuoti vartų tranzistoriai.

Jie abu gali būti n-kanalo ir p-kanalai, norint atidaryti raktą, buvusiųjų vartams turi būti taikoma teigiama valdymo įtampa, o pastariesiems - neigiama šaltinio atžvilgiu.

Visų tipų lauko tranzistoriai turi tris išėjimus (kartais 4, bet retai, aš susitikdavau tik sovietmečiu ir jis buvo prijungtas prie bylos).

1. Šaltinis (nešiklio šaltinis, bipolinio emiterio analogas).

2. Stokas (įkrovos nešėjų šaltinis iš šaltinio, bipolinio tranzistoriaus kolektoriaus analogas).

3. Užraktas (valdymo elektrodas, lempų tinklelio analogas ir bipolinių tranzistorių bazės).

PN tranzistorius Tranzistorius

Tranzistorius susideda iš šių sričių:

1. Kanalas;

2. Atsargos;

3. Šaltinis;

4. Užraktas.

Paveikslėlyje matote schematinę tokio tranzistoriaus struktūrą, radiniai sujungti su metalizuotomis vartų, šaltinio ir kanalizacijos sekcijomis. Konkrečioje grandinėje (tai yra p-kanalo įrenginys) vartai yra n-sluoksnis, turi mažesnę varžą nei kanalo sritis (p-sluoksnis), o p-n sankryžos regionas yra labiau p-regione dėl šios priežasties.

Sąlyginis grafinis žymėjimas:

 

a - lauko efekto tranzistoriaus n tipas, b - lauko efekto tranzistoriaus p tipas

Kad būtų lengviau atsiminti, atsiminkite diodo žymėjimą, kur rodyklė nukreipta nuo p srities iki n srities. Čia taip pat.

Pirmoji būsena yra išorinės įtampos įjungimas.

Jei tokiam tranzistoriui, plius kanalizacijai, ir šaltiniui atjungus įtampą, pro jį teka didelė srovė, ją riboja tik kanalo varžos, išorinės varžos ir maitinimo šaltinio vidinė varža. Galite piešti analogiją su paprastai uždara klavišu. Ši srovė vadinama „Istart“ arba pradine išleidimo srove esant Us = 0.

Lauko efekto tranzistorius su pn sankryžos valdymu, nenaudojant vartų valdymo įtampos, yra kuo atviresnis.

Nutekėjimo ir šaltinio įtampa naudojama tokiu būdu:

Pagrindiniai mokesčių nešėjai pristatomi per šaltinį!

Tai reiškia, kad jei tranzistorius yra p-kanalas, tada teigiamas energijos šaltinio išėjimas yra prijungtas prie šaltinio, nes pagrindiniai nešėjai yra skylės (teigiamo krūvio nešėjai) - tai yra vadinamasis skylės laidumas.Jei n-kanalo tranzistorius yra prijungtas prie šaltinio, neigiamas maitinimo šaltinio išėjimas, nes jame pagrindiniai krūvio nešėjai yra elektronai (neigiamo krūvio nešėjai).

Šaltinis yra pagrindinių krūvininkų šaltinis.

Štai tokios situacijos modeliavimo rezultatai. Kairėje yra p kanalas, o dešinėje - n kanalo tranzistorius.

Antroji būsena - užveskite sklendės įtampą

Kai p-kanalo vartai yra pritaikomi teigiama įtampa, palyginti su šaltiniu (Us), o neigiama - n-kanalu, ji pasislenka priešinga kryptimi, p-n sankryžos sritis plečiasi kanalo link. Dėl to kanalo plotis mažėja, o srovė mažėja. Vartų įtampa, kurioje srovė per raktą nustoja tekėti, vadinama išjungimo įtampa.

Raktas pradeda užsidaryti.

Pasiekta išjungimo įtampa ir raktas visiškai uždarytas. Nuotraukoje su modeliavimo rezultatais rodoma tokia p-kanalo (kairė) ir n-kanalo (dešinė) mygtukų būsena. Beje, angliškai toks tranzistorius vadinamas JFET.

Darbo režimai

Tranzistoriaus, kurio įtampa Uзи, darbo režimas yra lygus nuliui arba atvirkštinis. Dėl atvirkštinės įtampos galite "uždengti tranzistorių", jis naudojamas A klasės stiprintuvuose ir kitose grandinėse, kur reikalingas sklandus reguliavimas.

Nutraukimo režimas įvyksta, kai Uzi = U kiekvienam tranzistoriui yra skirtinga, tačiau bet kokiu atveju jis taikomas priešinga kryptimi.

Charakteristikos, CVC

Išėjimo charakteristika yra grafikas, vaizduojantis nutekėjimo srovės priklausomybę nuo Uci (taikoma kanalizacijos ir šaltinio gnybtams) esant įvairioms vartų įtampoms.

Galima suskirstyti į tris sritis. Pradžioje (kairėje grafiko pusėje) matome omišką sritį - šiuo intervalu tranzistorius elgiasi kaip rezistorius, srovė didėja beveik tiesiškai, pasiekdama tam tikrą lygį, eina į prisotinimo sritį (grafiko centre).

Dešinėje grafiko dalyje matome, kad srovė vėl pradeda augti, tai yra skilimo regionas, čia neturėtų būti tranzistoriaus. Viršutinė paveiksle pavaizduota šaka yra srovė, lygi nuliui Us, matome, kad srovė čia yra didžiausia.

Kuo didesnė įtampa Uzi, tuo mažesnė nutekėjimo srovė. Kiekviena šaka prie vartų skiriasi 0,5 volto. Ką mes patvirtinome modeliuodami.

Nuotekų vartų charakteristika, t. nutekėjimo srovės priklausomybė nuo vartų įtampos tuo pačiu nutekėjimo šaltinio įtampa (šiame pavyzdyje 10 V), čia tinklelio žingsnis taip pat yra 0,5 V, mes vėl matome, kad kuo arčiau įtampa Uzi yra 0, tuo didesnė nutekėjimo srovė.

Bipoliuose tranzistoriuose buvo toks parametras kaip srovės perdavimo koeficientas arba padidėjimas, jis buvo žymimas kaip B arba H21e arba Hfe. Lauke statumas naudojamas norint parodyti galimybę padidinti įtampą.Jis žymimas raide S

S = dIc / dU

T. y., Statumas parodo, kiek milimetrų (arba amperų) nutekėjimo srovė padidėja padidėjus vartų šaltinio įtampai pagal voltų skaičių su nepakitusi išleidimo šaltinio įtampa. Jį galima apskaičiuoti remiantis „vartų vartų“ charakteristika; aukščiau pateiktame pavyzdyje nuolydis yra apie 8 mA / V.

Perjungimo schemos

Kaip ir bipoliniai tranzistoriai, yra trys tipiškos laidų schemos:

1. Su bendru šaltiniu (a). Jis naudojamas dažniausiai, padidina srovę ir galią.

2. Su bendrąja sklende (b). Retai naudojamas, maža įėjimo varža, jokio padidėjimo.

3. Visiškai nutekėjus (c). Įtampos padidėjimas yra artimas 1, įėjimo varža yra didelė, o išėjimo varža yra maža. Kitas vardas yra šaltinio pasekėjas.

Savybės, pranašumai, trūkumai

• Pagrindinis lauko efekto tranzistoriaus pranašumas aukšta įėjimo varža. Įėjimo varža yra srovės santykis su vartų šaltinio įtampa. Veikimo principas yra valdymas, naudojant elektrinį lauką, ir jis susidaro, kai yra įtampa. Tai yra lauko efekto tranzistoriai.

• Lauko efekto tranzistorius praktiškai nenaudoja valdymo srovės, yra sumažina valdymo praradimą, signalo iškraipymą, dabartinė signalo šaltinio perkrova ...

• Vidutinis dažnis Lauko efekto tranzistoriai veikia geriau nei bipoliniai, taip yra dėl to, kad bipolinio tranzistoriaus srityse reikia mažiau laiko įkrovos nešiklių „rezorbcijai“. Kai kurie šiuolaikiniai bipoliniai tranzistoriai gali netgi pranokti lauko, tai yra dėl to, kad naudojamos pažangesnės technologijos, sumažinant pagrindo plotį ir kita.

• Žemas lauko efekto tranzistorių triukšmo lygis yra dėl to, kad nėra įkrovos įpurškimo proceso, kaip ir bipoliuose.

• Stabilumas esant temperatūrai.

• Mažas energijos suvartojimas laidžioje būsenoje - didesnis jūsų prietaisų efektyvumas.

Paprasčiausias aukštos įėjimo varžos panaudojimo pavyzdys yra suderinimo įtaisai, skirti elektrokustinėms gitaroms su pjezo imtuvais sujungti ir elektrinėms gitaroms su elektromagnetiniais imtuvais sujungti su linijų įėjimais, kurių įėjimo varža yra maža.

Dėl žemos įėjimo varžos gali sumažėti įvesties signalas, įvairiai iškraipydamas jo formą, priklausomai nuo signalo dažnio. Tai reiškia, kad reikia to išvengti, įvedant kaskadą su didele įėjimo varža. Čia yra paprasčiausia tokio įrenginio schema. Tinka elektrinėms gitaroms prijungti prie kompiuterio garso plokštės linijos įvesties. Su juo garsas taps ryškesnis, o tembras - turtingesnis.

Pagrindinis trūkumas yra tas, kad tokie tranzistoriai bijo statinio. Galite paimti elementą elektrifikuotomis rankomis ir jis iškart suges. Tai yra klavišo valdymo lauko pagalba pasekmė. Su jais rekomenduojama dirbti dielektrinėse pirštinėse, sujungtose per specialią apyrankę su žeme, su žemos įtampos lituokliu su izoliuotu antgaliu, o tranzistoriaus laidus montavimo metu galima pririšti laidais, kad būtų trumpas jungimas.

Šiuolaikiniai prietaisai to praktiškai nebijo, nes prie įėjimo į juos gali būti įmontuoti apsauginiai įtaisai, tokie kaip „Zener“ diodai, kurie veikia viršijus įtampą.

Kartais pradedantiesiems radijo mėgėjams baimės pasiekia absurdiškumo tašką, pavyzdžiui, uždėjus ant galvos folijos dangtelius. Viskas, kas aprašyta aukščiau, nors tai yra privaloma, tačiau jokių sąlygų nesilaikymas negarantuoja įrenginio gedimo.

Izoliuoti vartų lauko tranzistoriai

Šio tipo tranzistoriai aktyviai naudojami kaip puslaidininkių valdomas raktas. Be to, jie dažniausiai veikia klavišų režimu (dvi padėtys „įjungta“ ir „išjungta“). Jie turi kelis pavadinimus:

1. MOS tranzistorius (metalinis-dielektrinis puslaidininkis).

2. MOS tranzistorius (metalo oksido puslaidininkis).

3. MOSFET tranzistorius (metalo oksido puslaidininkis).

Atminkite - tai tik to paties pavadinimo variantai. Dielektrikas, arba, kaip jis dar vadinamas oksidu, atlieka vartų izoliatoriaus vaidmenį. Žemiau esančioje diagramoje tarp n-srities šalia langinės ir langinės pavaizduotas izoliatorius yra balta zona su taškais. Jis pagamintas iš silicio dioksido.

Dielektrikas pašalina elektrinį kontaktą tarp vartų elektrodo ir pagrindo. Skirtingai nuo valdymo pn sankryžos, jis veikia ne dėl sankryžos išplėtimo ir kanalo sutapimo, o dėl principo, pagal kurį keičiama įkrovos nešėjų koncentracija puslaidininkyje veikiant išoriniam elektriniam laukui. MOSFET yra dviejų tipų:

1. Su integruotu kanalu.

2. Su indukuotu kanalu

Kanale integruoti tranzistoriai

Diagramoje matote tranzistorių su integruotu kanalu. Iš to jau galima spėti, kad jo veikimo principas primena lauko efekto tranzistorių su valdančiąja p-n sankryža, t. kai vartų įtampa lygi nuliui, srovė teka per jungiklį.

Šalia šaltinio ir kanalizacijos yra sukurti du regionai, kuriuose yra didelis priemaišų nešiklio (n +) kiekis ir padidėjęs laidumas. Substratas yra P tipo bazė (šiuo atveju).

Atkreipkite dėmesį, kad kristalas (substratas) yra prijungtas prie šaltinio, jis yra nupieštas ant daugelio įprastų grafinių simbolių.Kai padidėja vartų įtampa, kanale atsiranda skersinis elektrinis laukas, jis atstumia krūvio nešėjus (elektronus), o kanalas užsidaro, kai pasiekiama ribinė vertė Uz.

Darbo režimai

Kai taikoma neigiama vartų šaltinio įtampa, nutekėjimo srovė krinta, tranzistorius pradeda užsidaryti - tai vadinama liesos režimu.

Kai vartų šaltiniui taikoma teigiama įtampa, vyksta atvirkštinis procesas - traukiami elektronai, didėja srovė. Tai yra sodrinimo būdas.

Visa tai pasakytina apie MOS tranzistorius su integruotu N tipo kanalu. Jei p tipo kanalas visus žodžius „elektronai“ pakeičia žodžiais „skylės“, įtampos poliškumas pasikeičia.

Modeliavimas

Tranzistorius su įmontuotu n tipo kanalu su nuline vartų įtampa:

Mes naudojame -1 V langinę. Srovė sumažėjo 20 kartų.

Pagal šio tranzistoriaus duomenų lapą mes turime slenkstinę vartų šaltinio įtampą vieno volto srityje, o jo tipinė vertė yra 1,2 V, patikrinkite tai.

 

Srovė tapo mikroamperais. Jei šiek tiek padidinsite įtampą, ji visiškai išnyks.

Tranzistorių pasirinkau atsitiktinai ir susidūriau su gana jautriu įrenginiu. Pabandysiu pakeisti įtampos poliškumą, kad vartai turėtų teigiamą potencialą, patikrinsime sodrinimo režimą.

Esant 1 V vartų įtampai, srovė padidėjo keturis kartus, palyginti su tuo, kokia buvo 0 V (pirmoji nuotrauka šiame skyriuje). Darytina išvada, kad skirtingai nuo ankstesnio tipo tranzistorių ir bipolinių tranzistorių, jis gali veikti tiek padidindamas srovę, tiek mažindamas be papildomo surišimo. Šis teiginys yra labai grubus, tačiau iš pradžių jis turi teisę egzistuoti.

Charakteristikos

Čia viskas yra beveik tas pats kaip tranzistoriuose su valdymo perėjimu, išskyrus išėjimo charakteristikoje esantį sodrinimo režimą.

Dėl kanalizacijos vartų charakteristikos aiškiai matyti, kad dėl neigiamos įtampos režimas išeikvoja ir uždaromas raktas, o teigiama sklendės įtampa sukelia praturtėjimą ir didesnį rakto atsidarymą.

Kanalo indukuoti tranzistoriai

MOSFET su indukuotu kanalu neveikia srovės, kai vartuose nėra įtampos, arba, veikiau, yra srovė, tačiau ji yra ypač maža, nes tai yra grįžtamoji srovė tarp pagrindo ir labai legiruotų kanalizacijos ir šaltinio sričių.

Lauko efekto tranzistorius su izoliuotais vartais ir indukuotu kanalu yra paprastai atidaryto jungiklio analogas, srovė netekėja.

Esant vartų šaltinio įtampai, kaip mes atsižvelgiame į indukuoto kanalo n tipą, įtampa yra teigiama, neigiamus nešančius elementus lauko srityje traukia neigiami nešėjai.

Taigi yra „koridorius“ elektronams nuo šaltinio iki nutekėjimo, taigi atsiranda kanalas, atidaromas tranzistorius ir pro jį pradeda tekėti srovė. Mes turime p tipo substratą, pagrindiniai jame yra teigiamo krūvio nešėjai (skylės), neigiamų nešėjų yra labai mažai, tačiau veikiami lauko jie atsiskiria nuo savo atomų ir prasideda jų judėjimas. Taigi trūksta laidumo nesant įtampai.

Charakteristikos

Išėjimo charakteristika tiksliai pakartoja tą patį skirtumą nuo ankstesnių, tik kad įtampa Uz tampa teigiama.

Uždarų vartų charakteristika rodo tą patį dalyką, vėl skiriasi vartų įtampa.

Nagrinėjant srovės ir įtampos charakteristikas, labai svarbu atidžiai pažvelgti į ašis parašytas vertes.

Modeliavimas

Raktui buvo pritaikyta 12 V įtampa, o mes turėjome 0. Prie vartų srovė per tranzistorių netekėja.

Pridėkite 1 voltą prie vartų, bet srovė negalvojo tekėti ...

Pridėjęs vieną voltą, radau, kad srovė pradeda augti nuo 4v.

Pridėjus dar 1 voltą, srovė smarkiai padidėjo iki 1,129 A.

Duomenų lape nurodoma slenkstinė šio tranzistoriaus atidarymo įtampa skyriuje nuo 2 iki 4 voltų, o maksimali - nuo vartų iki vartų nuo -20 iki +20 V, tolimesni įtampos padidėjimai nedavė rezultatų esant 20 voltų (aš nedėjau kelių miliamprų). Manau, šiuo atveju).

Tai reiškia, kad tranzistorius būtų visiškai atviras, jei jo nebūtų, srovė šioje grandinėje būtų 12/10 = 1,2 A. Vėliau aš išstudijavau, kaip veikia šis tranzistorius, ir sužinojau, kad esant 4 voltams jis pradeda atsidaryti.

Kiekvieną pridedant po 0,1 V, pastebėjau, kad su kiekviena dešimtosios įtampos srove vis daugiau ir daugiau, o 4,6 volto tranzistorius beveik visiškai atidarytas, skirtumas su 20 V vartų įtampa nutekėjimo srovėje yra tik 41 mA, esant 1,1 A. nesąmonė.

Šis eksperimentas atspindi faktą, kad tranzistorius su indukuotu kanalu atsidaro tik pasiekus slenkstinę įtampą, o tai leidžia puikiai veikti kaip raktas impulsų grandinėse. Tiesą sakant, IRF740 yra vienas iš labiausiai paplitusių perjungiant maitinimo šaltinius.

Vartų srovės matavimų rezultatai parodė, kad lauko efekto tranzistoriai beveik nenaudoja valdymo srovės. Esant 4,6 volto įtampai, srovė buvo tik 888 nA (nano !!!).

Esant 20 V įtampai, jis buvo 3,55 μA (mikro). Bipoliniam tranzistoriui jis turėtų būti maždaug 10 mA, atsižvelgiant į padidėjimą, kuris yra dešimtis tūkstančių kartų didesnis nei lauko.

Ne visi raktai atidaromi tokia įtampa, tai yra dėl įtaisų, kuriuose jie naudojami, schemos ir ypatybių.

Raktų su izoliuota sklende naudojimo ypatybės

Du laidininkai, o tarp jų dielektrikas - kas tai? Tai yra tranzistorius, patys vartai turi parazitinę talpą, tai sulėtina tranzistoriaus perjungimo procesą. Tai vadinama „Miller Plateau“, apskritai šis klausimas vertas atskiros rimtos medžiagos su tiksliu modeliavimu, naudojant kitą programinę įrangą (šios funkcijos multisim nepatikrino).

Pirmajam momentui ištuštėjus reikalinga didelė įkrovimo srovė, o reti valdymo įtaisai (PWM valdikliai ir mikrovaldikliai) turi stiprią išvestį, todėl jie naudoja lauko langinių tvarkykles tiek lauko efekto tranzistoriuose, tiek IGBT (dvipolis su izoliuota sklende). Tai yra toks stiprintuvas, kuris paverčia įvesties signalą tokio dydžio ir srovės stiprio išėjimu, kurio pakanka įjungti ir išjungti tranzistorių. Įkrovimo srovę taip pat riboja rezistorius, sujungtas nuosekliai su vartais.

Tuo pačiu metu kai kuriuos vartus galima valdyti iš mikrovaldiklio prievado per rezistorių (tą patį IRF740). Mes palietėme šią temą. arduino medžiagų cikle.

Sąlyginė grafika

Jie primena lauko efekto tranzistorius su valdymo vartais, tačiau skiriasi tuo, kas yra UGO, kaip ir pačiame tranzistoriuje, vartai yra atskirti nuo substrato, o rodyklė centre rodo kanalo tipą, tačiau nukreipiama nuo substrato į kanalą, jei tai n-kanalo „mosfet“. link langinės ir atvirkščiai.

Raktams su indukuotu kanalu:

Tai gali atrodyti taip:

Atkreipkite dėmesį į angliškus išvadų pavadinimus, jie dažnai nurodomi duomenų lapuose ir schemose.

Klavišams su įmontuotu kanalu: