Tranzistoare cu efect de câmp: principiu de funcționare, circuite, moduri de operare și modelare

Am revizuit deja dispozitiv de tranzistoare bipolare și lucrul acestoraAcum să aflăm care sunt tranzistorii cu efect de câmp. Tranzistoarele cu efect de câmp sunt foarte frecvente atât în ​​circuitele vechi, cât și în cele moderne. În zilele noastre, dispozitivele cu o poartă izolată sunt folosite într-o măsură mai mare, vom vorbi astăzi despre tipurile de tranzistoare cu efect de câmp și caracteristicile acestora. În articol, voi face comparații cu tranzistoarele bipolare în locuri separate.

definiție

Un tranzistor cu efect de câmp este o cheie semiconductor complet controlabilă controlată de un câmp electric. Aceasta este diferența principală din punct de vedere al practicii față de tranzistoarele bipolare, care sunt controlate de curent. Un câmp electric este creat de o tensiune aplicată pe poartă în raport cu sursa. Polaritatea tensiunii de control depinde de tipul de canal tranzistor. Există o analogie bună cu tuburile de vid electronice.

Un alt nume pentru tranzistorii cu efect de câmp este unipolar. „UNO” înseamnă unul. În tranzistoarele cu efect de câmp, în funcție de tipul de canal, curentul este efectuat de un singur tip de purtător prin găuri sau electroni. În tranzistoarele bipolare, curentul a fost format din două tipuri de purtători de încărcare - electroni și găuri, indiferent de tipul dispozitivelor. Tranzistoarele cu efect de câmp în cazul general pot fi împărțite în:

• tranzistoare cu o joncțiune pn de control;

• tranzistoare izolate pentru poartă.

Ambele pot fi n-canal și p-canal, trebuie să se aplice o tensiune de control pozitivă la poarta primului pentru a deschide cheia, iar pentru cea din urmă, negativă în ceea ce privește sursa.

Toate tipurile de tranzistoare cu efect de câmp au trei ieșiri (uneori 4, dar rareori, am întâlnit doar în sovietic și a fost conectat la caz).

1. Sursa (sursă purtătoare, analog emițător bipolar).

2. Stoke (o sursă de purtători de încărcare din sursă, un analog al colectorului unui tranzistor bipolar).

3. Obturator (electrod de control, analog al unei grile pe lămpi și baze pe tranzistoare bipolare).

PN tranzistor tranzistor

Tranzistorul este format din următoarele zone:

1. Canal;

2. Stoc;

3. Sursa;

4. Obturator.

În imagine vedeți o structură schematică a unui astfel de tranzistor, descoperirile sunt conectate la secțiunile metalizate ale porții, sursei și drenului. Într-un anumit circuit (acesta este un dispozitiv cu canal p), poarta este un strat n, are o rezistivitate mai mică decât regiunea canalului (p-layer), iar regiunea de joncțiune p-n este situată mai mult în regiunea p din acest motiv.

Desemnare grafică condiționată:

 

a - tip tranzistor cu efect n, b - tranzistor cu efect p de tip p

Pentru a vă ușura reținerea, amintiți-vă desemnarea diodei, unde săgeata indică de la regiunea p la regiunea n. Tot aici.

Prima stare constă în aplicarea tensiunii externe.

Dacă o tensiune este aplicată pe un astfel de tranzistor, este mai mult la scurgere, iar în minus la sursă, va trece un curent mare prin el, va fi limitată doar de rezistența canalului, rezistențele externe și rezistența internă a sursei de alimentare. Puteți desena o analogie cu o cheie normală închisă. Acest curent se numește Istart sau curentul de scurgere inițial la Us = 0.

Un tranzistor cu efect de câmp cu un control de joncțiune pn, fără tensiunea de control aplicată la poartă, este cât se poate de deschis.

Tensiunea la scurgere și sursă se aplică astfel:

Principalii operatori de încărcare sunt introduși prin sursă!

Aceasta înseamnă că dacă tranzistorul este p-canal, atunci ieșirea pozitivă a sursei de alimentare este conectată la sursă, deoarece purtătorii principali sunt găuri (purtători de sarcină pozitivă) - aceasta este așa-numita conductibilitate a găurilor.Dacă tranzistorul cu canal n este conectat la sursă, ieșirea negativă a sursei de alimentare, deoarece în ea, principalii purtători de încărcare sunt electronii (purtători de sarcină negativă).

Sursa este sursa principalilor operatori de taxare.

Iată rezultatele modelării unei astfel de situații. În stânga este un p-canal, iar în dreapta este un tranzistor cu canal n.

A doua stare - aplicați tensiune pe obturator

Atunci când o tensiune pozitivă este aplicată la poarta în raport cu sursa (US) pentru canalul p și negativă pentru canalul n, aceasta se schimbă în direcția opusă, regiunea de joncțiune p-n se extinde spre canal. Ca urmare a cărei lățime a canalului scade, curentul scade. Tensiunea porții la care curentul prin cheie oprește curgerea se numește tensiune de întrerupere.

Cheia începe să se închidă.

Se atinge tensiunea de întrerupere și cheia este complet închisă. Imaginea cu rezultatele de simulare arată o astfel de stare pentru tastele p-channel (stânga) și n-channel (dreapta). Apropo, în engleză, un astfel de tranzistor se numește JFET.

Moduri de operare

Modul de operare al tranzistorului cu tensiune Uзи este fie zero, fie invers. Datorită tensiunii inverse, puteți „acoperi tranzistorul”, acesta este utilizat în amplificatoare de clasa A și în alte circuite unde este necesară o reglare lină.

Modul de decupare are loc atunci când Uzi = U este interzis pentru fiecare tranzistor, dar în orice caz este aplicat în direcția opusă.

Caracteristici, CVC

O caracteristică de ieșire este un grafic care prezintă dependența curentului de dren de Uci (aplicat la bornele canalului și sursei) la diferite tensiuni ale porții.

Poate fi împărțit în trei domenii. La început (în partea stângă a graficului) vedem regiunea ohmică - în acest interval tranzistorul se comportă ca un rezistor, curentul crește aproape liniar, atingând un anumit nivel, intră în regiunea de saturație (în centrul graficului).

În partea dreaptă a graficului vedem că curentul începe să crească din nou, aceasta este regiunea de defecțiune, aici tranzistorul nu trebuie localizat. Ramura superioară prezentată în figură este curentul la zero noi, vedem că curentul de aici este cel mai mare.

Cu cât tensiunea Uzi este mai mare, cu atât curentul de scurgere este mai mic. Fiecare dintre ramuri diferă cu 0,5 volți la poartă. Ce am confirmat prin modelare.

Caracteristica porții de scurgere, adică. dependența curentului de scurgere de tensiunea de la poartă la aceeași tensiune-sursă de scurgere (în acest exemplu 10V), aici pasul rețelei este de asemenea de 0,5V, vedem din nou că cu cât tensiunea Uzi este mai aproape de 0, cu atât este mai mare curentul de scurgere.

În tranzistoarele bipolare, a existat un astfel de parametru precum coeficientul de transfer curent sau câștig, a fost notat ca B sau H21e sau Hfe. În câmp, abruptul este utilizat pentru a afișa capacitatea de a crește tensiunea. Este indicat prin litera S

S = dIc / dU

Adică abruptul arată cât de multe milimetri (sau amperi) crește curentul de scurgere cu o creștere a tensiunii de la poarta sursă cu numărul de volți cu o tensiune neschimbată a sursei de scurgere. Poate fi calculat pe baza caracteristicii porții-poartă; în exemplul de mai sus, panta este de aproximativ 8 mA / V.

Scheme de comutare

La fel ca tranzistoarele bipolare, există trei diagrame tipice de cablare:

1. Cu o sursă comună (a). Este folosit cel mai des, dă câștig în curent și putere.

2. Cu un obturator comun (b). Rar utilizat, impedanță redusă de intrare, fără câștig.

3. Cu o scurgere totală (c). Câștigul de tensiune este aproape de 1, impedanța de intrare este mare, iar impedanța de ieșire este scăzută. Un alt nume este un adept al sursei.

Caracteristici, avantaje, dezavantaje

• Principalul avantaj al tranzistorului cu efect de câmp impedanță mare de intrare. Rezistența la intrare este raportul dintre curentul și tensiunea sursă poartă. Principiul funcționării constă în controlul folosind un câmp electric și se formează la aplicarea tensiunii. Adică tranzistoare cu efect de câmp.

• Tranzistor cu efect de câmp practic nu consumă curent de control, este reduce pierderea controlului, denaturarea semnalului, supraîncărcarea sursei de semnal ...

• Frecvența medie Tranzistoarele cu efect de câmp funcționează mai bine decât cele bipolare, acest lucru se datorează faptului că este nevoie de mai puțin timp pentru „resorbția” transportatorilor de încărcare în zonele unui tranzistor bipolar. Unele tranzistoare bipolare moderne le pot depăși chiar și pe cele de câmp, acest lucru se datorează utilizării tehnologiilor mai avansate, reducând lățimea bazei și multe altele.

• Nivelul scăzut de zgomot al tranzistoarelor cu efect de câmp se datorează absenței unui proces de injecție de încărcare, la fel ca în cele bipolare.

• Stabilitate cu temperatura.

• Consum redus de energie în stare conductivă - eficiență mai mare a dispozitivelor.

Cel mai simplu exemplu de utilizare a unei impedanțe de intrare ridicate este dispozitivele de potrivire pentru conectarea chitarelor electroacustice cu pick-uri piezo și chitare electrice cu pickup-uri electromagnetice la intrări cu linie cu impedanță de intrare scăzută.

O impedanță redusă de intrare poate provoca o cădere a semnalului de intrare, distorsionând forma acestuia în grade diferite, în funcție de frecvența semnalului. Aceasta înseamnă că trebuie să evitați acest lucru introducând o cascadă cu o impedanță mare de intrare. Iată cea mai simplă diagramă a unui astfel de dispozitiv. Potrivit pentru conectarea chitarelor electrice la intrarea în linie a plăcii audio a computerului. Odată cu acesta, sunetul va deveni mai luminos, iar timbrul va fi mai bogat.

Dezavantajul principal este că astfel de tranzistoare se tem de statică. Puteți lua un element cu mâinile electrificate și va eșua imediat, aceasta este o consecință a gestionării cheii cu ajutorul câmpului. Li se recomandă să lucreze cu ele în mănuși dielectrice, conectate printr-o brățară specială la sol, cu o fieră de lipit de joasă tensiune cu vârf izolat, iar cablurile tranzistorului pot fi legate cu sârmă pentru a le scurtcircuita în timpul instalării.

Aparatele moderne practic nu se tem de acest lucru, deoarece la intrarea în ele pot fi încorporate dispozitive de protecție, cum ar fi diode zener, care funcționează la depășirea tensiunii.

Uneori, pentru amatorii de radio începători, temerile ajung la punctul absurdului, cum ar fi punerea capacelor cu folie pe cap. Tot ceea ce este descris mai sus, deși este obligatoriu, dar nerespectarea niciunei condiții nu garantează defectarea dispozitivului.

Tranzistoare cu efect de câmp izolate

Acest tip de tranzistor este utilizat în mod activ ca cheie controlată cu semiconductor. În plus, acestea funcționează cel mai des în modul cheie (două poziții „pornit” și „oprit”). Au mai multe nume:

1. tranzistor MOS (metal-dielectric-semiconductor).

2. tranzistor MOS (semiconductor de oxid de metal).

3. Tranzistorul MOSFET (metal-oxid-semiconductor).

Amintiți-vă - acestea sunt doar variații cu același nume. Dielectric, sau cum se mai numește oxid, joacă rolul unui izolator pentru poartă. În diagrama de mai jos, un izolator este prezentat între regiunea n din apropierea obturatorului și obturatorul sub forma unei zone albe cu puncte. Este fabricat din dioxid de siliciu.

Dielectrica elimină contactul electric între electrodul de poartă și substrat. Spre deosebire de joncțiunea pn de control, aceasta nu funcționează pe principiul extinderii joncțiunii și suprapunerea canalului, ci pe principiul schimbării concentrației transportatorilor de încărcare în semiconductor sub influența unui câmp electric extern. MOSFET-urile sunt de două tipuri:

1. Cu canal integrat.

2. Cu canal indus

Tranzistoare integrate canal

În diagrama vedeți un tranzistor cu un canal integrat. Se poate ghici deja din ea că principiul funcționării sale seamănă cu un tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control, adică. când tensiunea porții este zero, curentul trece prin întrerupător.

În apropierea sursei și a chiuvetei, sunt create două regiuni cu un conținut ridicat de purtători de încărcare a impurității (n +) cu o conductivitate crescută. Un substrat este o bază de tip P (în acest caz).

Vă rugăm să rețineți că cristalul (substratul) este conectat la sursă, este desenat pe multe simboluri grafice convenționale.Când tensiunea porții crește, apare un câmp electric transversal în canal, acesta respinge purtătorii de încărcare (electroni), iar canalul se închide la atingerea valorii pragului Uz.

Moduri de operare

Atunci când este aplicată o tensiune negativă a sursei de poartă, curentul de scurgere scade, tranzistorul începe să se închidă - acesta se numește modul lean.

Când o tensiune pozitivă este aplicată pe sursa de poartă, procesul invers are loc - electronii sunt atrași, curentul crește. Acesta este un mod de îmbogățire.

Toate cele de mai sus sunt valabile pentru tranzistoarele MOS cu un canal integrat de tip N. Dacă canalul de tip p înlocuiește toate cuvintele „electroni” cu „găuri”, polaritatea tensiunii este inversată.

modelare

Tranzistor cu canal integrat de tip n cu tensiune de poartă zero:

Se aplică -1V la obturator. Curentul a scăzut de 20 de ori.

Conform fișei tehnice pentru acest tranzistor, avem o prag de tensiune-sursă de poartă în regiunea de un volt, iar valoarea sa tipică este de 1,2 V, verificați acest lucru.

 

Curentul a devenit în microampere. Dacă creșteți tensiunea puțin mai mult, aceasta va dispărea complet.

Am ales un tranzistor la întâmplare și am dat peste un dispozitiv destul de sensibil. Voi încerca să schimb polaritatea tensiunii, astfel încât poarta să aibă un potențial pozitiv, vom verifica modul de îmbogățire.

La o tensiune de poartă de 1 V, curentul a crescut de patru ori, comparativ cu ceea ce era la 0 V (prima imagine din această secțiune). Rezultă că, spre deosebire de tipul anterior al tranzistoarelor și al tranzistoarelor bipolare, poate funcționa atât pentru creșterea curentului, cât și pentru a scădea, fără a fi suprapuse. Această afirmație este foarte nepoliticoasă, dar într-o primă aproximare are dreptul de a exista.

caracteristicile

Aici, totul este aproape la fel ca într-un tranzistor cu tranziție de control, cu excepția prezenței unui mod de îmbogățire în caracteristica de ieșire.

Pe caracteristica poarta de scurgere, se vede clar că o tensiune negativă provoacă modul de epuizare și închidere a cheii, iar o tensiune pozitivă la poartă provoacă îmbogățirea și deschiderea mai mare a cheii.

Tranzistoare induse de canal

MOSFET-urile cu un canal indus nu conduc curent atunci când nu există tensiune pe poartă sau, mai degrabă, există curent, dar este extrem de mic, deoarece acesta este curentul de întoarcere între substrat și zonele cu aliaje mari ale scurgerii și sursei.

Tranzistorul cu efect de câmp cu o poartă izolată și un canal indus este un analog al unui comutator deschis normal, curentul nu curge.

În prezența unei tensiuni sursă poartă, ca considerăm tipul n al canalului indus, tensiunea este pozitivă, purtătorii negativi sunt atrași de regiunea porții prin acțiunea câmpului.

Deci există un „coridor” pentru electroni de la sursă la scurgere, astfel încât apare un canal, tranzistorul se deschide și curentul începe să curgă prin el. Avem un substrat de tip p, principalele din el sunt purtătorii de sarcină pozitivă (găuri), există foarte puțini purtători negativi, dar sub influența câmpului se desprind de atomii lor și începe mișcarea lor. De aici lipsa conductivității în absența tensiunii.

caracteristicile

Caracteristica de ieșire repetă exact aceeași diferență față de cele anterioare, doar că tensiunile Uz devin pozitive.

Caracteristica de poartă apropiată arată același lucru, diferențele din nou în tensiunile de poartă.

Atunci când se iau în considerare caracteristicile tensiunii curente, este extrem de important să privim cu atenție valorile scrise de-a lungul axelor.

modelare

La cheie s-a aplicat o tensiune de 12 V, iar noi am avut 0. La poartă, curentul nu circulă prin tranzistor.

Adăugați 1 volt la poartă, dar curentul nu s-a gândit să curgă ...

Adăugând un volt, am descoperit că curentul începe să crească de la 4v.

Adăugând încă 1 Volt, curentul a crescut brusc până la 1.129 A.

Fișa tehnică indică tensiunea de prag pentru deschiderea acestui tranzistor într-o secțiune de la 2 la 4 volți, iar maximul pe o poartă la poartă de la -20 la +20 V, majorările de tensiune suplimentare nu au dat rezultate la 20 de volți (mai multe miliampere nu am Cred că în acest caz).

Aceasta înseamnă că tranzistorul ar fi complet deschis, dacă nu ar fi, curentul în acest circuit ar fi 12/10 = 1,2 A. Ulterior am studiat cum funcționează acest tranzistor și am aflat că la 4 volți începe să se deschidă.

Adăugând 0,1 V fiecare, am observat că, cu fiecare zecime de volt, curentul crește din ce în ce mai mult, iar cu 4,6 volți tranzistorul este aproape complet deschis, diferența cu tensiunea de poartă de 20V în curentul de scurgere este de doar 41 mA, la 1,1 A prostii.

Acest experiment reflectă faptul că tranzistorul cu un canal indus se deschide numai la atingerea tensiunii de prag, ceea ce îi permite să funcționeze perfect ca o cheie în circuitele cu impulsuri. De fapt, IRF740 este unul dintre cele mai frecvente în comutarea surselor de alimentare.

Rezultatele măsurătorilor curentului de poartă au arătat că tranzistorii cu efect de câmp aproape nu consumă curent de control. La o tensiune de 4,6 volți, curentul era de numai 888 nA (nano !!!).

La o tensiune de 20V, a fost 3,55 μA (micro). Pentru un tranzistor bipolar, acesta ar fi de ordinul a 10 mA, în funcție de câștig, care este de zeci de mii de ori mai mult decât unul de câmp.

Nu toate tastele sunt deschise prin astfel de tensiuni, acest lucru se datorează designului și caracteristicilor circuitelor dispozitivelor în care sunt utilizate.

Caracteristici ale utilizării cheilor cu un obturator izolat

Doi conductori și între ei un dielectric - ce este? Acesta este un tranzistor, poarta în sine are o capacitate parazitară, încetinește procesul de comutare a tranzistorului. Aceasta se numește Platoșul Miller, în general, această întrebare este demnă de un material serios separat, cu modelare exactă, folosind alte programe software (nu a verificat această caracteristică în multisim).

O capacitate descărcată în primul moment al timpului necesită un curent de încărcare mare, iar dispozitivele de control rare (controlerele PWM și microcontrolerele) au ieșiri puternice, astfel încât utilizează drivere pentru obloanele de câmp, atât în ​​tranzistoare cu efect de câmp, cât și în IGBT (bipolară cu obturator izolat). Acesta este un astfel de amplificator care transformă semnalul de intrare într-o ieșire de o asemenea mărime și putere curentă, suficient pentru a porni și opri tranzistorul. Curentul de încărcare este limitat și de un rezistor conectat în serie cu poarta.

În același timp, unele porți pot fi controlate din portul microcontrolerului printr-un rezistor (același IRF740). Am atins acest subiect. în ciclul materialului arduino.

Grafică condiționată

Seamănă cu tranzistoarele cu efect de câmp cu o poartă de control, dar diferă în cea de pe UGO, ca în tranzistorul în sine, poarta este separată de substrat, iar săgeata din centru indică tipul de canal, dar este direcționată de la substrat la canal, dacă este un mosfet cu n-canal - spre obturator și invers.

Pentru tastele cu canal indus:

S-ar putea să arate astfel:

Atenție la denumirile engleze ale concluziilor, acestea sunt adesea indicate pe fișa fișei de date și în diagrame.

Pentru tastele cu un canal încorporat: