Fälteffekttransistorer: princip för drift, kretsar, driftsätt och modellering

Vi har redan granskat enhet för bipolära transistorer och deras arbeteLåt oss nu ta reda på vad fälteffektstransistorer är. Fälteffekttransistorer är mycket vanliga i både gamla kretsar och moderna. Numera används enheter med en isolerad grind i större utsträckning, vi kommer att prata om typerna av fälteffekttransistorer och deras funktioner idag. I artikeln kommer jag att jämföra med bipolära transistorer på olika platser.

definition

En fälteffekttransistor är en halvledare som är helt kontrollerbar nyckel styrd av ett elektriskt fält. Detta är den huvudsakliga skillnaden med tanke på praktiken från bipolära transistorer, som styrs av ström. Ett elektriskt fält skapas av en spänning som appliceras på grinden relativt källan. Polariteten hos styrspänningen beror på typen av transistorkanal. Det finns en bra analogi med elektroniska vakuumrör.

Ett annat namn för fälteffekttransistorer är unipolär. "UNO" betyder en. I fälteffekttransistorer, beroende på typen av kanal, utförs strömmen endast av en typ av bärare med hål eller elektroner. I bipolära transistorer bildades strömmen från två typer av laddningsbärare - elektroner och hål, oavsett typ av enheter. Fälteffekttransistorer i allmänna fall kan delas in i:

• transistorer med en kontrollpn-korsning;

• isolerade grindtransistorer.

Båda kan vara n-kanal och p-kanal, en positiv styrspänning måste appliceras på den förstnämnda grinden för att öppna nyckeln, och för den senare, negativ med avseende på källan.

Alla typer av fälteffekttransistorer har tre utgångar (ibland fyra, men sällan träffade jag bara i sovjet och det var kopplat till fallet).

1. Källa (bärarkälla, bipolär emitteranalog).

2. Stoke (en källa för laddningsbärare från källan, en analog av en bipolär transistors uppsamlare).

3. Slutare (kontrollelektrod, analog grid på lampor och baser på bipolära transistorer).

PN Transistor Transistor

Transistorn består av följande områden:

1. Kanal;

2. Lager;

3. Källan;

4. Slutare.

I bilden ser du en schematisk struktur av en sådan transistor, fynden är anslutna till de metalliserade delarna av grinden, källan och avloppet. I en specifik krets (detta är en p-kanalanordning) är grinden ett n-skikt, har mindre resistivitet än kanalområdet (p-skiktet), och p-n-korsningsområdet är mer beläget i p-området av detta skäl.

Villkorad grafisk beteckning:

 

a - fält-effekt-transistor n-typ, b - fält-effekt-transistor p-typ

För att göra det enklare att komma ihåg, kom ihåg dioden, där pilen pekar från p-regionen till n-regionen. Även här.

Det första tillståndet är att applicera extern spänning.

Om spänning appliceras på en sådan transistor, plus till avloppet, och minus till källan, flyter en stor ström genom den, kommer den att begränsas endast av kanalmotståndet, yttre motstånd och inre motstånd från kraftkällan. Du kan rita en analogi med en normalt stängd nyckel. Denna ström kallas Istart eller den initiala dräneringsströmmen vid Us = 0.

En fälteffekttransistor med en pn-kopplingsstyrning, utan den applicerade styrspänningen till grinden, är så öppen som möjligt.

Spänningen på avloppet och källan appliceras på detta sätt:

De viktigaste laddningsbärarna introduceras genom källan!

Detta innebär att om transistorn är p-kanal, är den positiva utgången från kraftkällan ansluten till källan, eftersom huvudbärarna är hål (positiva laddningsbärare) - detta är den så kallade hålkonduktiviteten.Om n-kanalstransistorn är ansluten till källan, kommer den negativa utgången från strömkällan, eftersom i den är de viktigaste laddningsbärarna elektroner (negativa laddningsbärare).

Källan är källan till de viktigaste laddningsbärarna.

Här är resultaten av modellering av en sådan situation. Till vänster är en p-kanal, och till höger en n-kanals transistor.

Det andra tillståndet - applicera spänning på slutaren

När en positiv spänning appliceras på grinden relativt källan (Us) för p-kanalen och negativ för n-kanalen, förskjuts den i motsatt riktning, p-n-förbindningsområdet expanderar mot kanalen. Som ett resultat av vilket kanalbredden minskar minskar strömmen. Grindspänningen vid vilken strömmen genom nyckeln slutar strömma kallas avstängningsspänningen.

Nyckeln börjar stängas.

Avstängningsspänningen uppnås och nyckeln är helt stängd. Bilden med simuleringsresultaten visar ett sådant tillstånd för knapparna p-kanal (vänster) och n-kanal (höger). Förresten, på engelska kallas en sådan transistor JFET.

Driftsätt

Transistorns driftsläge med en spänning Uзи är antingen noll eller omvänd. På grund av bakspänningen kan du "täcka transistorn", den används i förstärkare i klass A och andra kretsar där smidig reglering behövs.

Avstängningsläget inträffar när Uzi = U-avstängning för varje transistor är det annorlunda, men i alla fall tillämpas det i motsatt riktning.

Egenskaper, CVC

En utgångskarakteristik är en graf som visar beroendet av dräneringsströmmen på Uci (applicerad på utloppets och källans terminaler) vid olika grindspänningar.

Kan delas in i tre områden. I början (på vänster sida av diagrammet) ser vi det ohmiska området - i detta intervall uppträder transistorn som ett motstånd, strömmen ökar nästan linjärt, når en viss nivå, går in i mättnadsområdet (i mitten av diagrammet).

I den högra delen av grafen ser vi att strömmen börjar växa igen, detta är nedbrytningsregionen, här bör transistorn inte vara belägen. Den översta grenen som visas i figuren är strömmen vid noll Us, vi ser att strömmen här är den största.

Ju högre spänning Uzi, desto lägre dräneringsström. Var och en av grenarna skiljer sig med 0,5 volt vid grinden. Vad vi bekräftade genom modellering.

Tömningsgrindens karakteristik, d.v.s. beroende av dräneringsströmmen på grindspänningen vid samma dräneringsspänning (i detta exempel 10V), här är nätet tonhöjd också 0,5 V, vi ser igen att ju närmare spänningen Uzi är 0, desto större dräneringsström.

I bipolära transistorer fanns det en parameter som den aktuella överföringskoefficienten eller förstärkningen, den betecknades B eller H21e eller Hfe. I fältet används brantheten för att visa förmågan att öka spänningen.Det indikeras av bokstaven S

S = diC / dU

Det vill säga, brantheten visar hur mycket milliampor (eller ampere) dräneringsströmmen växer med en ökning i grindkällspänningen med antalet volt vid en oförändrad dräneringskällspänning. Det kan beräknas på grundval av grind-grindkarakteristiken; i exemplet ovan är lutningen cirka 8 mA / V.

Växlingsscheman

Liksom bipolära transistorer finns det tre typiska kopplingsscheman:

1. Med en vanlig källa (a). Det används oftast, ger förstärkning i ström och kraft.

2. Med en vanlig slutare (b). Sällan använt, låg impedans, ingen förstärkning.

3. Med en total dränering (c). Spänningsförstärkningen är nära 1, ingångsimpedansen är stor och utgångsimpedansen är låg. Ett annat namn är en källföljare.

Funktioner, fördelar, nackdelar

• Den största fördelen med fälteffekttransistor hög ingångsimpedans. Ingångsmotstånd är förhållandet mellan ström och grindkällspänning. Funktionsprincipen ligger i kontrollen med ett elektriskt fält, och det bildas när spänning ansluts. Det är det fälteffekttransistorer.

• Fälteffekttransistor praktiskt taget förbrukar inte kontrollström, det är det minskar kontrollförlust, signalförvrängning, aktuell överbelastning av signalkällan ...

• Genomsnittlig frekvens Fälteffekttransistorer fungerar bättre än bipolärdetta beror på det faktum att mindre tid krävs för "resorption" av laddningsbärare i områdena av en bipolär transistor. Vissa moderna bipolära transistorer kan till och med överträffa fält, det beror på användningen av mer avancerad teknik, minskar basens bredd med mera.

• Den låga ljudnivån för fälteffekttransistorer beror på frånvaron av en laddningsinjektionsprocess, som i bipolära sådana.

• Stabilitet med temperatur.

• Låg energiförbrukning i ledande tillstånd - högre effektivitet för dina enheter.

Det enklaste exemplet på att använda en hög ingångsimpedans är anpassningsanordningar för att ansluta elektroakustiska gitarrer med piezo pickuper och elektriska gitarrer med elektromagnetiska pickuper till linjära ingångar med låg ingångsimpedans.

En låg ingångsimpedans kan orsaka minskning av insignalen och förvränga dess form i varierande grad beroende på signalens frekvens. Det betyder att du måste undvika detta genom att införa en kaskad med hög ingångsimpedans. Här är det enklaste diagrammet för en sådan enhet. Lämplig för att ansluta elektriska gitarrer till linjeingången på datorns ljudkort. Med det kommer ljudet att bli ljusare och klänningen blir rikare.

Den största nackdelen är att sådana transistorer är rädda för statiska. Du kan ta ett element med dina elektrifierade händer och det kommer omedelbart att misslyckas, detta är en konsekvens av att hantera nyckeln med fältet. De rekommenderas att arbeta med dem i dielektriska handskar, anslutna genom ett speciellt armband till marken, med en lågspänning lödkolv med en isolerad spets, och transistorkablarna kan bindas med tråd för att kortsluta dem under installationen.

Moderna apparater är praktiskt taget inte rädda för detta, eftersom vid ingången till dem kan skyddsanordningar som zenerdioder byggas in, som fungerar när spänningen överskrids.

Ibland, för nybörjare radioamatörer, rädsla når punkten absurditet, som att sätta folielockor på huvudet. Allt som beskrivits ovan, även om det är obligatoriskt, men att inte följa några villkor garanterar inte enhetens fel.

Isolerade grindfälteffekttransistorer

Denna typ av transistor används aktivt som en halvledarkontrollerad nyckel. Dessutom fungerar de oftast i tangentläget (två positioner “på” och “av”). De har flera namn:

1. MOS-transistor (metall-dielektrisk halvledare).

2. MOS-transistor (metalloxid halvledare).

3. MOSFET-transistor (metalloxid-halvledare).

Kom ihåg - det här är bara varianter med samma namn. Det dielektriska, eller som det också kallas oxid, spelar rollen som en isolator för grinden. I diagrammet nedan visas en isolator mellan n-området nära slutaren och slutaren i form av en vit zon med prickar. Den är tillverkad av kiseldioxid.

Det dielektriska eliminerar elektrisk kontakt mellan grindelektroden och underlaget. Till skillnad från kontrollpn-korsningen fungerar det inte på principen att utöka korsningen och överlappa kanalen, utan på principen att ändra koncentrationen av laddningsbärare i halvledaren under påverkan av ett externt elektriskt fält. MOSFET är av två typer:

1. Med integrerad kanal.

2. Med inducerad kanal

Kanalintegrerade transistorer

I diagrammet ser du en transistor med en integrerad kanal. Man kan redan gissa från det att principen för dess drift liknar en fälteffekttransistor med en kontrollp-n-korsning, d.v.s. när grindspänningen är noll, strömmar strömmen genom omkopplaren.

Nära källan och sjunken skapas två regioner med ett högt innehåll av orenhetsladdningsbärare (n +) med ökad konduktivitet. Ett underlag är en bas av P-typ (i detta fall).

Observera att kristallen (substratet) är ansluten till källan, den är ritad på många konventionella grafiska symboler.När grindspänningen ökar uppstår ett tvärgående elektriskt fält i kanalen, det avvisar laddningsbärare (elektroner) och kanalen stängs när tröskelvärdet Uz uppnås.

Driftsätt

När en negativ grindkällspänning appliceras sjunker dräneringsströmmen, transistorn börjar stänga - detta kallas magert läge.

När en positiv spänning appliceras på grindkällan inträffar den omvända processen - elektronerna attraheras, strömmen ökar. Detta är ett anrikningsläge.

Allt ovanstående gäller för MOS-transistorer med en integrerad kanal av N-typ. Om kanalen av p-typ ersätter alla orden "elektroner" med "hål" vänds spänningens polaritet.

modellering

Transistor med inbyggd n-typskanal med noll grindspänning:

Vi applicerar -1V på slutaren. Strömmen minskade med 20 gånger.

Enligt databladet för denna transistor har vi en tröskelgrindkällspänning i området för en volt, och dess typiska värde är 1,2 V, kolla detta.

 

Strömmen har blivit i mikroamper. Om du ökar spänningen lite mer försvinner den helt.

Jag valde en slumpmässig transistor och jag stötte på en ganska känslig enhet. Jag ska försöka ändra spänningens polaritet så att grinden har en positiv potential, vi kontrollerar berikningsläget.

Vid en grindspänning på 1 V ökade strömmen fyra gånger, jämfört med vad den var vid 0 V (första bilden i detta avsnitt). Av detta följer att till skillnad från den tidigare typen av transistorer och bipolära transistorer kan den fungera både för att öka strömmen och minska utan ytterligare band. Detta uttalande är mycket oförskämt, men har i en första tillnärmning rätt att existera.

egenskaper hos

Här är allt nästan samma som i en transistor med en kontrollövergång, förutom närvaron av ett anrikningsläge i utgångskaraktäristiken.

På dräneringsgrindskarakteristiken framgår det tydligt att en negativ spänning orsakar läget för utarmning och stängning av nyckeln, och en positiv spänning vid grinden orsakar anrikning och större öppning av nyckeln.

Kanalinducerade transistorer

MOSFETs med en inducerad kanal leder inte ström när det inte finns någon spänning i grinden, eller snarare, det finns ström, men det är extremt litet, eftersom detta är returströmmen mellan underlaget och de höglegerade områdena i avloppet och källan.

Fälteffekttransistor med en isolerad grind och en inducerad kanal är en analog till en normalt öppen switch, strömmen flödar inte.

I närvaro av en grindkällspänning, som vi betraktar n-typen av den inducerade kanalen, spänningen är positiv, negativa bärare dras till grindområdet genom fältets handling.

Så det finns en "korridor" för elektroner från källa till dränering, så en kanal visas, transistorn öppnas och ström börjar strömma genom den. Vi har ett substrat av p-typ, de viktigaste i det är positiva laddningsbärare (hål), det finns väldigt få negativa bärare, men under påverkan av fältet lossnar de från sina atomer och deras rörelse börjar. Därför bristen på konduktivitet i frånvaro av spänning.

egenskaper hos

Utgångskarakteristiken upprepar exakt samma skillnad från de föregående, bara för att spänningarna Uz blir positiva.

Karakteristiken nära grinden visar samma sak, skillnaderna igen i grindspänningarna.

När man beaktar strömspänningsegenskaperna är det oerhört viktigt att noggrant titta på värdena skrivna längs axlarna.

modellering

En spänning på 12 V applicerades på nyckeln, och vi hade 0. Vid grinden flödar inte ström genom transistorn.

Lägg till 1 volt i grinden, men strömmen tänkte inte flyta ...

Genom att lägga till en volt fann jag att strömmen börjar växa från 4v.

Genom att lägga till ytterligare 1 volt ökade strömmen kraftigt till 1.129 A.

Databladet indikerar tröskelspänningen för att öppna denna transistor i en sektion från 2 till 4 volt, och det maximala på en grind-till-grind från -20 till +20 V, ytterligare spänningsökningar gav inte resultat vid 20 volt (jag gjorde inte flera milliamp Jag tror i det här fallet).

Detta innebär att transistorn skulle vara helt öppen, om den inte skulle det skulle strömmen i denna krets vara 12/10 = 1,2 A. Senare studerade jag hur denna transistor fungerar och fick reda på att vid 4 volt börjar den öppna.

Lägga till 0,1 V vardera, jag märkte att med varje tiondel av en volt växer strömmen mer och mer, och med 4,6 volt är transistorn nästan helt öppen, skillnaden med grindspänningen på 20V i dräneringsströmmen är bara 41 mA, vid 1,1 A det nonsens.

Detta experiment återspeglar det faktum att transistorn med en inducerad kanal endast öppnas när tröskelspänningen nås, vilket gör att den fungerar perfekt som en nyckel i pulskretsar. Faktiskt är IRF740 en av de vanligaste vid omkoppling av nätaggregat.

Resultaten av mätningar av grindströmmen visade att fälteffekttransistorer nästan inte förbrukar styrström. Vid en spänning på 4,6 volt var strömmen bara 888 nA (nano !!!).

Vid en spänning på 20V var den 3,55 μA (mikro). För en bipolär transistor skulle den vara i storleksordningen 10 mA, beroende på förstärkningen, som är tiotusentals gånger mer än en fält.

Inte alla tangenter öppnas av sådana spänningar, detta beror på designen och funktionerna i kretsarna för enheterna där de används.

Funktioner för att använda nycklar med en isolerad slutare

Två ledare, och mellan dem en dielektrik - vad är det? Detta är en transistor, grinden själv har en parasitisk kapacitet, den bromsar processen att byta transistorn. Detta kallas Miller Plateau, i allmänhet är denna fråga värd ett separat allvarligt material med noggrann modellering, med annan programvara (kontrollerade inte denna funktion i multisim).

En urladdad kapacitet vid det första ögonblicket kräver en stor laddningsström, och sällsynta styrenheter (PWM-regulatorer och mikrokontroller) har starka utgångar, så de använder drivrutiner för fältluckor, både i fälteffekttransistorer och i IGBT (bipolär med en isolerad slutare). Detta är en sådan förstärkare som omvandlar insignalen till en utgång av sådan storlek och strömstyrka, tillräckligt för att slå transistorn på och av. Laddningsströmmen begränsas också av ett motstånd anslutet i serie med grinden.

Samtidigt kan vissa grindar styras från mikrokontrollerporten genom ett motstånd (samma IRF740). Vi berörde det här ämnet. i arduino-materialcykeln.

Villkorlig grafik

De liknar fälteffekttransistorer med en styrgrind, men skiljer sig åt att på UGO, som i själva transistorn, är grinden separerad från underlaget, och pilen i mitten indikerar typen av kanal, men riktas från underlaget till kanalen, om det är en n-kanal mosfet - mot slutaren och vice versa.

För nycklar med inducerad kanal:

Det kan se ut så här:

Var uppmärksam på de engelska namnen på slutsatserna, de anges ofta i databladet och i diagrammen.

För nycklar med en inbyggd kanal: