Полевите транзистори са активни полупроводникови устройства, в които изходният ток се управлява от електрическо поле (при биполярните транзистори изходният ток се управлява от входния ток). Полевите транзистори се наричат още еднополярни, тъй като в процеса на протичане на електрически ток участва само един вид носител.
Има два вида полеви транзистори: с контролен преход и с изолиран затвор. Всички те имат три електрода: източник (източник на носители на ток), врата (контролен електрод) и дренаж (електрод, където текат носителите).
Транзистор с управлениеп- н- преход . Неговото схематично представяне е показано на фиг. 1.21 аконвенционалното графично обозначение на този транзистор е на фиг. 1.22 а, б (стр- и н-видове, съответно). Стрелката показва посоката от слоя Рда наслоявам П(както и стрелката в изображението на емитера на биполярен транзистор). В интегралните схеми линейните размери на транзисторите могат да бъдат значително по-малки от 1 микрон.
Ориз. 1.22 Транзисторно устройство
Ориз. 1.23 Графичен дисплей:a – канал от p-тип; b - канал n-тип
Съпротивление на слоя н(порта) е много по-малко от съпротивлението на слоя Р(канал), така че площта R-н- кръстовището, изчерпано с мобилни носители на заряд и имащо много високо съпротивление, се намира главно в слоя Р.
Ако видовете проводимост на полупроводниковите слоеве в разглеждания транзистор са обърнати, тогава получаваме полеви транзистор с управление
R-н- преход и канал н-Тип. Ако се приложи положително напрежение между портата и източника на p-канален транзистор: и zi > 0,
тогава ще се движи стр—н- преход в обратна посока.
С увеличаване на обратното напрежение на кръстовището, то се разширява главно поради канала (поради горната разлика в съпротивлението). Увеличаването на ширината на прехода намалява дебелината на канала и следователно увеличава неговата устойчивост. Това води до намаляване на тока между източник и дренаж. Това явление ви позволява да контролирате тока с помощта на напрежение и съответното електрическо поле. Ако напрежението и ziдостатъчно голям, каналът е изцяло покрит от района стр—н-преход (прекъсване на напрежението).
В работен режим Р—н- преходът трябва да е под обратно или нулево напрежение. Следователно, в режим на работа, токът на портата е приблизително равен на нула ( аз з? 0 ), и токът на изтичане е почти равен на тока на източника.
на ширина Р—н- дебелината на кръстовището и канала също се влияят пряко от напрежението между източника и дренажа. Позволявам uzi= 0 и приложено положително напрежение uе(фиг. 1.24). Това напрежение ще бъде приложено и към междината между входа и дренажа, т.е. оказва се, че uzs= uеи Р—н- преходът е под обратно напрежение.
Обратно напрежение в различни области Р—н- преходът е различен. В региони близо до източника това напрежение е практически нула, а в райони близо до изтичането това напрежение е приблизително равно на uе .Така стр—н- преходът ще бъде по-широк в тези области, които са по-близо до изтичането. Можем да приемем, че напрежението в канала от източника към дренажа нараства линейно.
В uе =Уziотсканалът ще бъде напълно блокиран близо до дренажа (фиг. 1.25). С по-нататъшно повишаване на напрежението uетази област на канала, в която е блокиран, ще се разшири.
Транзисторни комутационни вериги . За полеви транзистор, както и за биполярен, има три комутационни вериги: вериги с общ порт (03), общ източник (OI) и общ източник (OS). Най-често използваните схеми с общ източник (фиг. 1.26).
Тъй като в работен режим интегрална схема? 0, тогава входните характеристики обикновено не се вземат предвид.
Изходни (запасни) характеристики . Изходната характеристика се нарича зависимост на формата
където ее някаква функция.
Изходни характеристики за транзистор с Р—н-преход и n-тип канал са показани на фиг. 1.27.
Нека се обърнем към характеристиката, съответстваща на условието u zi= 0. В линейната област ( ти си < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.
В ти си> 4 V каналът в зоната за източване е блокиран. По-нататъшното увеличаване на напрежението води до много леко увеличение на тока, тъй като с увеличаване на напрежението областта, в която каналът е блокиран, се разширява. В този случай съпротивлението на междината между източник и дрена се увеличава и токът интегрална схемапрактически не се променя. Това е зоната на насищане. Източване на ток в областта на насищане u zi = 0 и при дадено напрежение и си се нарича начален ток на изтичане и се означава с мога да започна. За разглежданите характеристики мога да започна= 5 mA при и си= 10 V.
Параметрите, характеризиращи свойствата на транзистора за усилване на напрежението са:
1) Наклон на портата С(характеристики на наклона на полевия транзистор):
2) Вътрешно диференциално съпротивление Ris diff
3) Печалба
Вижда се, че
Транзистори с изолиран затвор.Полевият транзистор с изолиран затвор е транзистор, чиято порта е електрически отделена от канала чрез диелектричен слой. Физическата основа за работата на такива транзистори е ефектът на полето, който се състои в промяна на концентрацията на свободните носители на заряд в близкоповърхностната област на полупроводника под действието на външно електрическо поле. В съответствие с тяхната структура такива транзистори се наричат MIS транзистори (метал-изолатор-полупроводник) или MOSFETs (метал-оксид-полупроводник).Има два вида MOS транзистори: с индуцирани и с вградени канали.
На фиг. 1.28 показва принципа на транзисторно устройство с вграден канал.
Основата (подложката) е силиконова плоча с електрическа проводимост стр-Тип. Има две области с електрическа проводимост н+ -тип с повишена проводимост. Тези зони са източникът и поглъщането и от тях се правят заключения. Между дренажа и източника има близо до повърхността канал с n-тип електропроводимост. Засенчената зона е диелектричният слой от силициев диоксид (дебелината му обикновено е 0,1 - 0,2 µm). Върху диелектричния слой има порта под формата на тънък метален филм. Кристалът на такъв транзистор обикновено е свързан към източника и неговият потенциал се приема за нула. Понякога се прави отделно заключение от кристал.
Ако към портата се приложи нулево напрежение, тогава когато се приложи напрежение между дренажа и източника, през канала ще тече ток, който е поток от електрони. През кристала няма да тече ток, тъй като един от стр—н-преходите са под обратно напрежение. Когато напрежение с отрицателна полярност спрямо източника (и следователно кристала) се приложи към портата, в канала се образува напречно електрическо поле, което изтласква електроните от канала в областта на източника, дренажа и кристала . Каналът се изчерпва от електрони, съпротивлението му се увеличава и токът намалява. Колкото по-високо е напрежението на портата, толкова по-нисък е токът. Този режим се нарича постен режим
. Ако към портата се приложи положително напрежение, тогава под действието на полето от областите на дренажа, източника и кристала, електроните ще влязат в канала. Съпротивлението на канала пада, токът се увеличава. Този режим се нарича
режим на обогатяване
. Ако кристалът н-type, тогава каналът трябва да е p-тип и полярността на напрежението е обърната.
Друг вид е транзистор с индуциран (инверсен) канал (фиг. 1.29). Той се различава от предишния по това, че каналът се появява само когато към портата се приложи напрежение с определен полярност.
При липса на напрежение на порта, няма канал между източника и дренажа
н+ - тип само кристал се намира стр-тип и на един от пн+ -преходите произвеждат обратно напрежение. В това състояние съпротивлението между дренажа и източника е високо и транзисторът е затворен. Когато напрежението с положителна полярност се приложи към портата, под въздействието на полето на портата, електроните на проводимостта ще се движат от източните и изходните области и стр- зона към затвора. Когато напрежението на вратата достигне своята отключваща (прагова) стойност (единици волта), концентрацията на електрони в близкоповърхностния слой се увеличава толкова много, че надвишава концентрацията на дупка, и т.нар. инверсия
вид електрическа проводимост, т.е. образува се тънък канал н-тип и транзисторът ще започне да провежда ток. Колкото по-високо е напрежението на портата, толкова по-висок е токът на изтичане. Очевидно такъв транзистор може да работи само в режим на обогатяване. Ако субстратът н-type, тогава получаваме индуциран канал стр-Тип. Индуцирани канални транзистори често се срещат в комутационни устройства. Превключващите вериги на транзисторите с полеви ефект са подобни на биполярните комутационни вериги. Трябва да се отбележи, че полевият транзистор ви позволява да получите много по-високо усилване от биполярния. С висок входен импеданс (и нисък изход) транзисторите с полеви ефект постепенно заменят биполярните.
Според електрическата проводимост на канала те се различават стр-канал и н-канал MIS транзистори. Символът за тези устройства в електрическите вериги е показан на фиг. 1.30 . Има класификация на MIS транзисторите според техния дизайн и технологични характеристики (по-често според вида на материала на портата).
Ориз. 1.30 Символи за полеви транзистори
с изолирана порта: а - с вграден р-канал; b - с вградени
n-канал; в – с индуциран р-канал; d – с индуциран n-канал
Интегрални схеми, съдържащи и двете стр — каналните и n-каналните MIS транзистори се наричат комплементарни (съкратено KMOS-IC). KMDP-IC се отличават с висока устойчивост на шум, ниска консумация на енергия и висока скорост.
Честотни свойства FET се определят от времевата константа RC- вериги за капаци. Тъй като входният капацитет Сziза транзистори с Р—н-преходът е голям (десетки пикофаради), използването им в усилващи стъпала с висок входен импеданс е възможно в честотния диапазон, ненадвишаващ стотици килохерци - единици мегахерци.
При работа в комутационни вериги скоростта на превключване се определя изцяло от времевата константа на веригата на RC порта. Изолираните полеви транзисторни транзистори имат много по-нисък входен капацитет, така че техните честотни свойства са много по-добри от полеви транзистори с p-n преход.
В полупроводниковата електроника, заедно с биполярните транзистори, транзисторите се управляват от електрическо поле, една от положителните черти на което е висок входен импеданс(е 1-10 MΩ или повече). Такива транзистори се наричат поле(еднополюсен).
Устройство и принцип на действие
FETsнаречени полупроводникови устройства, в които създаването на електрически ток се дължи на движението на носители на заряд от същия знак под действието на надлъжно електрическо поле, а управлението на изходния ток се основава на модулация на съпротивлениетополупроводников материал напречно електрическо поле.
Принципът на действие на полеви транзистори може да се основава на:
Относно зависимостта на съпротивлението на полупроводника от напречното сечение на неговата проводяща област (колкото по-малко е напречното сечение, толкова по-нисък е токът; реализирано в транзистори с полеви ефект с управителя r-p-преход);
За зависимостта на проводимостта на полупроводника от концентрацията на основните носители (реализирана в полеви транзистори с изолирана портаструктури метал-изолатор-полупроводник(MIS транзистори)).
Полев транзистор с управителя r-p-преход (PTUP) е тънка полупроводникова пластина с един r-p-преход и с некоригиращиръбови контакти. Електрическата проводимост на материала на плочата може да бъде П-тип или Р-Тип. Като пример разгледайте транзистор, чиято основна плоча се състои от полупроводник н-тип (Фигура 1.32).
Фигура 1.32 - Структура на полеви транзистор с управление r-p- преход
Основните области в структурата на полевия транзистор с управителя r-p-преход са:
регион източник- зоната, от която започват да се движат носителите на заряд;
регион оттичане- зоната, към която се движат превозвачите;
регион затвор- зоната, с помощта на която се контролира потокът на медиите;
регион канал- зоната, през която се движат носителите.
Изходите от съответните области на транзистора имат подобни имена: източник(И), наличност(C) и порта(3) (Фигура 1.32).
Фигура 1.33 показва графичните символи на полеви транзистори с управление р-п-преход: с канал П-тип (фигура 1.33, а) и канал Р-тип (фигура 1.33, б).
а б
Фигура 1.33 - UGO полеви транзистори с управление r-p- преход
Помислете за принципа на функциониране на PTUP. Източниците на напрежение са свързани към транзистора по такъв начин, че електрически ток протича между дренажните и изходните електроди, и напрежението, приложено към портата, отклони прехода електрон-дупка в обратна посока.
Фигура 1.34 показва метода за свързване на източници на напрежение към изходите на PTUP с канал П-Тип.
Фигура 1.34 - Свързване на източници на напрежение към PTUP терминали
Под влияние на напрежението на източника E SIелектроните ще се движат от източника към дренажа, осигурявайки дренажен ток във външната верига ИНТЕГРАЛНА СХЕМА.
Концентрациите на носители на заряд в полупроводниковия материал на канала и затвора са избрани по такъв начин, че когато се прилага обратно напрежение между затвора и източника r-p- преходът ще се разшири в зоната на канала. Това води до намаляване на площта на напречното сечение на проводящата част на канала и следователно до намаляване на тока на източване ИНТЕГРАЛНА СХЕМА.
Съпротивлението на областта, разположена под електрическия преход, в общия случай зависи от напрежението на портата. Това се дължи на факта, че размерите на прехода се увеличават с увеличаване на обратното напрежение, приложено към него, а увеличаването на изчерпената площ от носители на заряд води до увеличаване на електрическото съпротивление на канала (и съответно до намаляване на тока, протичащ в канала).
По този начин, работата на полеви транзистор с контролен p-n преход се основава на промяна в съпротивлението на канала поради промяна в размера на изчерпената област от основните носители на заряд,което възниква под действието на приложените към затвора обратно напрежение.
Напрежението между портата и източника, при което каналът е напълно блокиран и изтичащият ток достига минимална стойност ( ИНТЕГРАЛНА СХЕМА» 0) се наричат прекъсващо напрежение(U ots) полеви транзистор.
За разлика от PTUP, при който портата има електрически контакт с канала, при полеви транзистори с изолирана порта(PTIS) портата е тънък филм от метал, изолиран от полупроводник. В зависимост от вида на изолацията се разграничават MIS и MOS транзистори (съответно метал - диелектрик - полупроводник и метал - оксид - полупроводник, например силициев диоксид SiO 2).
В първоначалното състояние PTIZ каналът може да бъде изчерпаниносители на заряд или обогатентях. В зависимост от това се разграничават два вида полеви транзистори с изолирана порта: вграден канал(Фигура 1.35, а) (каналът се създава по време на производството) и MIS транзистори с индуциран канал(Фигура 1.35, б) (каналът се появява под действието на напрежение, приложено към управляващите електроди). В PTIZ има допълнителен изход от кристала, върху който е направено устройството (Фигура 1.35), наречена субстрат.
а б
Фигура 1.35 - Устройството на полеви транзистори с изолиран затвор
При PTIZ електродите за източване и източник са разположени от двете страни на порта и са в пряк контакт с полупроводниковия канал.
Каналът се нарича вградениако е първоначално обогатенносители на заряд. В този случай управляващото електрическо поле ще доведе до обедняванеканал от носители на заряд. Ако каналът е оригинален изчерпаниносители на електрически заряди, т.нар индуцирана. В този случай управляващото електрическо поле (между портата и източника) ще обогати канала с електрически носители на заряд (тоест ще увеличи неговата проводимост).
Проводимостта на канала може да бъде електронниили перфориран. Ако каналът има електронна проводимост, тогава той се нарича П- канал. Наричат се канали с дупкова проводимост Р-канали. В резултат на това разграничете четири видаполеви транзистори с изолирана порта: с канал П- или Р-видове, всеки от които може да има индуциранаили вградениканал. Конвенционалните графични обозначения на посочените типове полеви транзистори са показани на фигура 1.36.
Контролно напрежениеможе да се подаде в PTIZ като между затвораи субстрат, и независимо върху субстрата и портата. Да разгледаме като пример принципа на управление на тока в полеви транзистори, чиито структури са показани на фигура 1.35.
Фигура 1.36 - UGO полеви транзистори с изолиран затвор
Ако към портата се приложи положително напрежение, тогава под въздействието на полученото електрическо поле близо до повърхността на полупроводника (Фигура 1.35, б) каналът се появява П -тип поради отблъскване на дупки от повърхността в дълбочината на полупроводника. В транзистор вградениканал (Фигура 1.35, а) има разширяване на съществуващ канал, когато се приложи положително напрежение или стесняване - когато се приложи отрицателно напрежение. Промяната на управляващото напрежение променя ширината на канала и съответно съпротивлениеи транзисторен ток.
От съществено значение предимство PTIZ преди PTUP е , достигащи стойности от 10 10 - 10 14 Ohm (за транзистори с управление r-p-преход - 10 7 - 10 9 Ohm).
Важно предимство на транзисторите с полеви ефект пред биполярните е нисък спад на напрежението върху тях при превключване на слаби сигнали.
Освен това трябва да подчертае такива предимства като:
- висок входен импеданс;
- малки шумове;
- лекота на производство;
- отсъствието в отворено състояние на остатъчно напрежение между източника и дренажа на отворен транзистор.
Волт-амперни характеристики и основни параметри на полеви транзистори
От предишната дискусия следва, че има общо шест типа транзистори с полеви ефект. Техните типични трансферни характеристики са показани на Фигура 1.37. Използвайки тези характеристики, можете да зададете полярността на управляващото напрежение, посоката на тока в канала и обхвата на управляващото напрежение. От всички горепосочени типове транзистори в момента не се произвеждат само PTIZ с интегриран канал. Р-Тип.
Фигура 1.37 - Трансферни характеристики на полеви транзистори
Нека да разгледаме някои от тези функции. Всички характеристики на полеви транзистори с канал П-типовете са разположени в горната половина на графиката и следователно имат положителен ток, който съответства на положително напрежение на изтичане. Напротив, всички характеристики на устройства с канал Р-типовете са разположени в долната половина на графиката и следователно имат отрицателна стойност на тока и отрицателно напрежение на изтичане. Характеристиките на PTUP при нулево напрежение на портата имат максимална стойност на тока, която се нарича начална I От самото начало. С увеличаване на блокиращото напрежение, токът на изтичане също намалява с напрежение на прекъсване U otsстава близо до нула.
Характеристики на PTIZ с индуциранканал при нулево напрежение на портата имат нулев ток. Появата на дренажен ток в такива транзистори възниква, когато напрежението на портата е по-голямо от праговата стойност U оттогава. Увеличаването на напрежението на портата увеличава тока на изтичане.
Характеристики на PTIZ с интегриранканал при нулево напрежение на порта имат първоначалната стойност на тока I C. начало. Такива транзистори могат да работят както в режим на обогатяване, така и в режим на изчерпване. С увеличаване на напрежението на порта каналът става по-богат и токът на източване се увеличава, а с намаляването на напрежението на порта каналът се изчерпва и токът на изтичане намалява.
Фигура 1.38 показва характеристиките на изходния ток-напрежение на PTUP с канал н-Тип. Характеристиките на други видове транзистори имат подобна форма, но се различават по напрежението на портата и полярността на приложените напрежения.
Фигура 1.38 - Изход VAC на PTUP
В CVC на полеви транзистор могат да бъдат разграничени два региона: линеени насищане.
В линейната област I-V характеристиките до точката на огъване са прави линии, чийто наклон зависи от напрежението на порта. В областта на насищане характеристиките на токовото напрежение са почти хоризонтални, което ни позволява да говорим за независимостта на тока на изтичане от напрежението на изтичане. В този регион изходните характеристики на полеви транзистори от всички видове са подобни на тези на вакуумните пентоди. Характеристиките на тези характеристики определят използването на полеви транзистори. В линейната област FET се използва като съпротивление, контролирано напрежение на портата, а в областта на насищане - като подсилващ елемент.
Максималното напрежение, приложено между дренажа и източника на FET, е различно за всеки тип транзистор. Но в общия случай, както е показано на фигура 1.39, когато определена стойност е превишена U SI пробитокът на изтичане се увеличава рязко, което може да доведе до повреда на транзистора в резултат на повреда.
Фигура 1.39 - Фамилия изходни IV характеристики на полеви транзистор
Основните параметри на полеви транзистори са:
Наклон на портата
Типични стойности: С= 0,1-500 mA/V;
Наклонът на характеристиката върху субстрата
Типични стойности: S стр= 0,1-1 mA/V;
Начален ток на изтичане I От самото начало- ток на изтичане при нулево напрежение У ЗИ.
За транзистори с управление Р-П- преход ИНТЕГРАЛНА СХЕМА= 0,2-600 mA, с вграден канал - I От самото начало= 0,1-100 mA, с индуциран канал - I От самото начало= 0,01-0,5 μA;
Напрежение на прекъсване У ЗИ отс(типични стойности У ЗИ отс= 0,2-10 V);
Съпротивление дренаж-източник при отворен R SI отворен(типични стойности R SI отворен= 2-300 ома);
Остатъчен ток на изтичане I C почивка- ток на източване при напрежение У ЗИ отс (I C почивка= 0,001-10 mA);
Максимална честота на усилване fp- честота, при която усилването на мощността е равно на единица (типични стойности fp- десетки - стотици MHz).
Технологичните възможности и напредъкът в разработването на полеви транзистори с висока мощност доведоха до факта, че в момента не е трудно да ги придобиете на достъпна цена.
В тази връзка интересът на радиолюбителите към използването на такива MOSFET транзистори в техните електронни самоделни продукти и проекти се е увеличил.
Струва си да се отбележи фактът, че MOSFETs се различават значително от своите биполярни колеги, както по отношение на параметрите, така и по отношение на тяхното устройство.
Време е да се запознаете по-добре с устройството и параметрите на мощните MOSFET транзистори, за да изберете по-съзнателно аналог за конкретен случай, ако е необходимо, както и да можете да разберете същността на определени стойности в листа с данни.
Какво е HEXFET транзистор?
В семейството на FET има отделна група полупроводникови устройства с висока мощност, наречени HEXFET. Техният принцип на действие се основава на много оригинално техническо решение. Тяхната структура е няколко хиляди MOS клетки, свързани паралелно.
Клетъчните структури образуват шестоъгълник. Поради шестоъгълната или по друг начин хексагонална структура, този тип мощен MOSFET се нарича HEXFET. Първите три букви на това съкращение са взети от английската дума шестнадесетичен агонална- "шестоъгълна".
При многократно увеличение кристалът на мощен HEXFET транзистор изглежда така.
Както можете да видите, той има шестоъгълна структура.
Оказва се, че мощният MOSFET всъщност е вид супер-микросхема, в която са комбинирани хиляди отделни прости транзистори с полеви ефект. Заедно те създават един мощен транзистор, който може да пропусне голям ток през себе си и в същото време да осигури практически никакво значително съпротивление.
Поради специалната структура и производствената технология на HEXFET, устойчивостта на техния канал RDS(включен)успя да намали значително. Това направи възможно решаването на проблема с превключващи токове от няколко десетки ампера при напрежение до 1000 волта.
Ето само малка област на приложение за HEXFET транзистори с висока мощност:
Превключващи вериги за захранване.
Устройство за зареждане.
Системи за управление на двигателя.
Нискочестотни усилватели.
Въпреки факта, че HEXFET (паралелен канал) MOSFET имат относително ниско съпротивление на отворен канал, техният обхват е ограничен и те се използват главно във високочестотни високотокови вериги. В силовата електроника с високо напрежение понякога се предпочитат IGBT-базирани вериги.
Схематично представяне на MOSFET транзистор (N-канален MOS).
Подобно на биполярните транзистори, полевите структури могат да бъдат както предни, така и обратни. Тоест с P-канал или N-канал. Изводите са посочени, както следва:
D-източване (сток);
S-източник (източник);
G-порта (затвор).
Как се обозначават полеви транзистори от различни типове на схемите могат да бъдат намерени на тази страница.
Основни параметри на полеви транзистори.
Целият набор от параметри на MOSFET може да се изисква само от разработчиците на сложно електронно оборудване и като правило не е посочен в листа с данни (референтен лист). Достатъчно е да знаете основните параметри:
V DSS(Drain-to-Source Voltage) - напрежение между дренаж и източник. Това обикновено е захранващото напрежение на вашата верига. Когато избирате транзистор, винаги трябва да помните около 20% марж.
ДОКУМЕНТ ЗА САМОЛИЧНОСТ(Continuous Drain Current) - Ток на изтичане или непрекъснат ток на източване. Винаги се посочва при постоянно напрежение затвор-източник (например V GS =10V). Листът с данни, като правило, посочва максималния възможен ток.
RDS(включен)(Static Drain-to-Source On-Resistance) - съпротивление на източване-източник на отворен канал. С повишаване на температурата на кристала съпротивлението на отворения канал се увеличава. Това е лесно да се види на графика, взета от листа с данни на един от мощните HEXFET транзистори. Колкото по-ниско е съпротивлението на отворения канал (R DS(on)), толкова по-добър е MOSFET. Загрява по-малко.
P D(Разсейване на мощност) - мощността на транзистора във ватове. По друг начин този параметър се нарича още мощност на разсейване. В листа с данни за конкретен продукт стойността на този параметър е посочена за определена температура на кристала.
VGS(Gate-to-Source Voltage) - напрежение на насищане гейт-източник. Това е напрежението, над което не се увеличава тока през канала. Всъщност това е максималното напрежение между портата и източника.
VGS(ти)(Gate Threshold Voltage) – прагово напрежение при включване на транзистора. Това е напрежението, при което проводимият канал се отваря и той започва да пропуска ток между изходните и дренажните изводи. Ако напрежението по-малко от V GS(th) се приложи между клемите на порта и източника, тогава транзисторът ще бъде затворен.
Графиката показва как праговото напрежение V GS(th) намалява с повишаване на температурата на транзисторния кристал. При температура 175 0 С е около 1 волт, а при температура 0 0 С около 2,4 волта. Следователно листът с данни, като правило, посочва минимума ( мин.) и максимум ( макс.) прагово напрежение.
Помислете за основните параметри на мощен HEXFET транзистор с полеви ефект, като използвате пример IRLZ44ZSот International Rectifier. Въпреки впечатляващото представяне, той има малък размер на тялото D2PAKза повърхностен монтаж. Нека да разгледаме листа с данни и да оценим параметрите на този продукт.
Максимално напрежение дренаж-източник (V DSS): 55 волта.
Максимален ток на изтичане (ID): 51 Amp.
Граница на напрежението порта-източник (V GS): 16 волта.
Съпротивление на отворен канал дрен-източник (R DS (включен)): 13,5 mΩ.
Максимална мощност (P D): 80 вата.
Съпротивлението на отворения канал на IRLZ44ZS е само 13,5 милиома (0,0135 ома)!
Нека да разгледаме "парчето" от таблицата, където са посочени максималните параметри.
Ясно се вижда как при постоянно напрежение на порта, но с повишаване на температурата, токът намалява (от 51A (при t=25 0 C) до 36 A (при t=100 0 C)). Мощността при температура на корпуса 25 0 C е 80 вата. Някои параметри в импулсния режим също са посочени.
MOSFET транзисторите са бързи, но имат един съществен недостатък - голям капацитет на портата. В документите входният капацитет на портата се обозначава като C бр (входен капацитет).
Какъв е капацитетът на портата? Това до голяма степен засяга определени свойства на транзисторите с полеви ефект. Тъй като входният капацитет е доста голям и може да достигне десетки пикофарада, използването на полеви транзистори във високочестотни вериги е ограничено.
Важни характеристики на MOSFET транзисторите.
Много е важно, когато работите с транзистори с полеви ефект, особено с изолирана порта, да запомните, че те са „смъртоносни“ страх от статично електричество. Можете да ги запоявате във веригата само като първо свържете проводниците един към друг с тънък проводник.
По време на съхранение всички проводници на MOSFET трябва да бъдат накъсо с обикновено алуминиево фолио. Това ще намали риска от преминаване на портата от статично електричество. Когато го монтирате на печатна платка, по-добре е да използвате станция за запояване, а не конвенционален електрически поялник.
Факт е, че конвенционалният електрически поялник няма защита срещу статично електричество и не е "откачен" от електрическата мрежа чрез трансформатор. На медното му жило винаги има електромагнитни „кирки“ от електрическата мрежа.
Всяко скок на напрежението в мрежата може да повреди запоения елемент. Следователно, като запояваме FET във веригата с електрически поялник, рискуваме да повредим MOSFET.
Ток на насищане I c0в източната верига на транзистор, свързан по схема с общ източник, с порта, късо съединена с източник (т.е. при U c.i = 0) - е типично само за полеви транзистори с контролен p-n преход.
Токът на източване в работната точка може да се определи по следната формула:
I s \u003d I s0 (1-U c.i / U ots) 2 (1)
където U ots - напрежение на прекъсване.
Уравнение (1) е апроксимация за предавателната характеристика на всеки полеви транзистор (особено тези с ниско напрежение на прекъсване).
Напрежение на прекъсване Uc- един от основните параметри, характеризиращи полевия транзистор. Когато напрежението на порта е числено равно на напрежението на прекъсване, каналът на FET е почти напълно блокиран и токът на изтичане клони към нула.
Доста трудно е да се измери истинската стойност на напрежението на прекъсване (при напълно блокиран канал), тъй като в този случай трябва да се справим с изключително ниски токове на изтичане, които освен това зависят от съпротивлението на изолацията. Референтните данни за полеви транзистори винаги показват при каква стойност на тока на изтичане е измерено напрежението на прекъсване. Така например за транзистори KP102 бяха получени напрежения U ots при ток на изтичане от 20 μA, а за транзистор KP103 при ток на изтичане от 10 μA.
Характеристика на стръмността на потока.Входното съпротивление на полеви транзистори от страната на управляващия електрод е 10 7 -10 9 ома за транзистори с p-n преход. Тъй като входните токове на полеви транзистори са изключително малки, токът в изходната верига се контролира от входното напрежение. Следователно, усилващите свойства на транзистор с полеви ефект, както и на електронните тръби, е препоръчително да се характеризира стръмността на пропускателната характеристика.
Наклонът на полеви транзистори
Максималната стойност на наклона на характеристиката S max се постига при U C. и =0. В този случай числената стойност на S max е равна на проводимостта на FET канала при нулеви отклонения на неговите електроди.
Стръмността на характеристиките на полеви транзистори е с 1-2 порядъка по-малка от тази на биполярните транзистори, следователно при ниски съпротивления на натоварване усилването на каскадата върху транзистор с полеви ефект е по-малко от усилването на подобен каскада на биполярен транзистор.
Изразът за стръмността на характеристиката в работната точка на PT ще бъде получен с помощта на (1):
където U c.i - напрежение затвор-източник, при което се изчислява S;
Съотношение (3) ни позволява да изчислим третия от два известни параметъра.
пробивно напрежение.Механизмът на повреда на полевия транзистор може да се обясни с възникването на лавинообразен процес в прехода врата-канал. Обратното напрежение на диода гейт-канал варира по дължината на затвора, достигайки максимална стойност в края на дренажа на канала. Тук се получава повреда на полевия транзистор. Ако клемите за източване и източник са разменени, тогава напрежението на пробив няма да се промени много. Например, за транзистора KP102, разбивката възниква, когато общото напрежение между портата и дренажа е 30 V. Това напрежение е минимално; всъщност напрежението на пробив е средно около 55 V, а в някои случаи достига 120 V.
Повредата не води до повреда на FET с контролен p-n преход, ако разсеяната мощност не надвишава допустимата. След повреда в нормален работен режим тези транзистори възстановяват работата си. Това свойство на p-n-преходните транзистори им дава добре известно предимство пред MOS транзисторите, при които повреда недвусмислено води до повреда на устройството.
Трябва обаче да се отбележи, че повредата не винаги е безвредна за FET с p-n преход. Степента на неговото влияние върху параметрите на транзистора се определя от стойността и продължителността на тока, протичащ през портата. Така че, в резултат на повреда, токът на утечка на портата в нормален режим може да се увеличи.
Динамично съпротивление на канала r toсе дефинира от израза
Това съпротивление при U s.i \u003d 0 и произволно отклонение U s.i може да бъде изразено чрез параметри на транзистора:
При ниско напрежение дренаж-източник близо до началото, FET се държи като променливо омично съпротивление, в зависимост от напрежението на портата. Това остава вярно дори ако полярността на напрежението на източване е обърната (виж Фигура 4); необходимо е само напрежението на порта да бъде по-голямо от това на дренажа.
Сега нека научим какво представляват транзисторите с полеви ефект. Полевите транзистори са много разпространени както в старите схеми, така и в съвременните. Сега устройствата с изолирана порта се използват в по-голяма степен и днес ще говорим за видовете полеви транзистори и техните характеристики. В статията ще направя сравнения с биполярни транзистори, на отделни места.
Определение
Полевият транзистор е полупроводников напълно контролируем превключвател, управляван от електрическо поле.Това е основната разлика от гледна точка на практиката от биполярните транзистори, които се управляват от ток. Електрическото поле се създава от напрежението, приложено към портата спрямо източника. Поляритетът на управляващото напрежение зависи от вида на транзисторния канал. Тук има добра аналогия с електронните вакуумни тръби.
Друго име на транзисторите с полеви ефект е еднополюсен. "UNO" означава един. В транзисторите с полеви ефект, в зависимост от вида на канала, токът се осъществява само от един вид носители, дупки или електрони. При биполярните транзистори токът се формира от два вида носители на заряд - електрони и дупки, независимо от вида на устройствата. Полевите транзистори обикновено могат да бъдат разделени на:
транзистори с контролен p-n-преход;
изолирани транзистори на затвора.
И двете могат да бъдат n-канал и p-канал, като към портата на първия трябва да се приложи положително управляващо напрежение, за да се отвори ключът, а за втория - отрицателно по отношение на източника.
Всички видове полеви транзистори имат три изхода (понякога 4, но рядко, срещах се само на съветските и беше свързан към корпуса).
1. Източник (източник на носители на заряд, аналог на емитера на биполярно).
2. Източване (приемник на носители на заряд от източника, аналог на колектора на биполярен транзистор).
3. Gate (контролен електрод, аналог на мрежата на лампи и бази на биполярни транзистори).
Транзистор с контролен pn преход
Транзисторът се състои от следните области:
4. Затвор.
На изображението виждате схематична структура на такъв транзистор, проводниците са свързани към метализираните секции на портата, източника и дренажа. В конкретна верига (това е устройство с p-канал) портата е n-слой, има по-малко съпротивление от областта на канала (p-слой), а районът на pn свързване е разположен повече в p-областта за това причина.
a - полеви транзистор от n-тип, b - полеви транзистор от p-тип
За да го запомните по-лесно, запомнете обозначението на диода, където стрелката сочи от p-областта към n-областта. Тук също.
Първото състояние е да се приложи външно напрежение.
Ако към такъв транзистор се приложи напрежение, плюс към дренажа и минус към източника, през него ще протече голям ток, който ще бъде ограничен само от съпротивлението на канала, външните съпротивления и вътрешното съпротивление на източника на захранване. Може да се направи аналогия с нормално затворен ключ. Този ток се нарича Isnach или начален ток на изтичане при Uzi=0.
Полевият транзистор с управляващ p-n преход, без управляващо напрежение, приложено към портата, е възможно най-отворен.
Напрежението към дренажа и източника се прилага по следния начин:
Основните носители на заряд се въвеждат чрез източника!
Това означава, че ако транзисторът е p-канален, тогава положителният извод на източника на захранване е свързан към източника, т.к. основните носители са дупки (носители на положителен заряд) - това е така наречената дупкова проводимост. Ако n-каналният транзистор е свързан към източника, отрицателният извод на източника на захранване, т.к в него основни носители на заряд са електроните (носители на отрицателен заряд).
Източникът е източникът на основните носители на заряд.
Ето резултатите от симулация на такава ситуация. Отляво е p-канал, а отдясно е n-канален транзистор.
Второ състояние - подайте напрежение към портата
Когато положително напрежение се приложи към портата спрямо източника (Uzi) за p-канала и отрицателно за n-канала, то се измества в обратна посока, площта на pn-прехода се разширява към канала . В резултат на това ширината на канала намалява, токът намалява. Напрежението на портата, при което ток не протича през превключвателя, се нарича напрежение на прекъсване.
Напрежението на прекъсване е достигнато и ключът е напълно затворен. Картината с резултатите от симулацията показва такова състояние за p-канал (вляво) и n-канал (вдясно) ключ. Между другото, на английски такъв транзистор се нарича JFET.
Режимът на работа на транзистора, когато напрежението Uzi е нула или обратно. Благодарение на обратното напрежение можете да „покриете транзистора“, той се използва в усилватели от клас А и други вериги, където е необходимо плавно регулиране.
Режимът на прекъсване възниква, когато Uzi = Ucutoff за всеки транзистор е различен, но във всеки случай се прилага в обратна посока.
Характеристики, VAC
Изходната характеристика е графика, която показва зависимостта на тока на изтичане от Usi (приложена към клемите за източване и източник) при различни напрежения на порта.
Тя може да бъде разделена на три области. Отначало (от лявата страна на графиката) виждаме омичната област - в тази празнина транзисторът се държи като резистор, токът се увеличава почти линейно, достигайки определено ниво, отива в областта на насищане (в центъра на графиката).
От дясната страна на графиката виждаме, че токът започва да расте отново, това е зоната на разбивка, транзисторът не трябва да е тук. Най-горният клон, показан на фигурата, е токът при нула Узи, виждаме, че токът е най-голям тук.
Колкото по-високо е напрежението на Uzi, толкова по-нисък е токът на изтичане. Всеки от клоновете се различава с 0,5 волта на портата. Това, което потвърдихме чрез симулация.
Тук е показана характеристиката на дренажната врата, т.е. зависимостта на тока на изтичане от напрежението на порта при същото напрежение дрейн-източник (в този пример 10V), тук стъпката на мрежата също е 0,5V, отново виждаме, че колкото по-близо е напрежението Uzi до 0, толкова по-голям е изтичането текущ.
В биполярните транзистори имаше такъв параметър като коефициент на пренос на тока или усилване, той беше обозначен като B или H21e или Hfe. В полето, за да се покаже възможността за усилване на напрежението, се използва стръмността, обозначена с буквата S
Тоест, наклонът показва с колко милиампера (или ампера) нараства токът на изтичане с увеличаване на напрежението на порта-източник с броя волтове при постоянно напрежение източване-източник. Може да се изчисли от характеристиката на дренажния порт, в горния пример наклонът е около 8 mA/V.
Схеми за превключване
Подобно на биполярните транзистори, има три типични превключващи вериги:
1. С общ източник (а). Използва се най-често, дава печалба в тока и мощността.
2. С общ затвор (б). Рядко използван, нисък входен импеданс, без усилване.
3. С общ дренаж (в). Коефициентът на усилване на напрежението е близо до 1, входният импеданс е висок, а изходът е нисък. Друго име е последовател на източник.
Характеристики, предимства, недостатъци
- практически не консумира управляващ ток,то намалява загубата на контрол, изкривяването на сигнала,източник на сигнал текущо претоварване...
Основното предимство на полевия транзистор висок входен импеданс. Входното съпротивление е съотношението на тока към напрежението на порта-източник. Принципът на действие се крие в управлението с помощта на електрическо поле и се образува при подаване на напрежение. Това е FET се управляват по напрежение.
Средна честота Производителността на FET е по-добра от биполярната, това се дължи на факта, че е необходимо по-малко време за "резорбция" на носителите на заряд в областите на биполярния транзистор. Някои съвременни биполярни транзистори може дори да превъзхождат транзисторите с полеви ефект, това се дължи на използването на по-модерни технологии, намаляване на ширината на основата и други неща.
Ниското ниво на шум на полеви транзистори се дължи на липсата на процес на инжектиране на заряд, както при биполярните.
Стабилност при температурни промени.
Ниска консумация на енергия в проводимо състояние - по-голяма ефективност на вашите устройства.
Най-простият пример за използване на висок входен импеданс е съгласуването на устройства за свързване на акустични акустични китари с пиезо пикапи и електрически китари с електромагнитни пикапи към линейни входове с нисък входен импеданс.
Ниският входен импеданс може да доведе до спад на входния сигнал, изкривявайки формата му в различна степен в зависимост от честотата на сигнала. Това означава, че трябва да избегнете това, като въведете каскада с висок входен импеданс. Ето най-простата диаграма на такова устройство. Подходящ за свързване на електрически китари към линейния вход на компютърна аудио карта. С него звукът ще стане по-ярък, а тембърът по-богат.
Основният недостатък е, че такива транзистори се страхуват от статика. Можете да вземете елемент с електрифицирани ръце и той веднага ще се провали, това е следствие от контролиране на ключа с помощта на полето. Препоръчително е да се работи с тях в диелектрични ръкавици, свързани чрез специална гривна към земята, с нисковолтов поялник с изолиран накрайник, а изводите на транзистора могат да бъдат завързани с тел, за да се окъсят по време на монтажа.
Съвременните устройства практически не се страхуват от това, тъй като на входа в тях могат да бъдат вградени защитни устройства като ценерови диоди, които работят при превишаване на напрежението.
Понякога за начинаещи радиолюбители страховете стигат до абсурд, като например поставяне на фолио на главата. Всичко описано по-горе, въпреки че е задължително, но неспазването на никакви условия не гарантира повреда на устройството.
Полеви транзистори с изолиран затвор
Този тип транзистори се използва активно като полупроводникови управлявани ключове. Освен това те работят най-често в режим на клавиш (две позиции „включено“ и „изключено“). Те имат няколко имена:
1. MIS транзистор (метал-диелектрик-полупроводник).
2. MOSFET (метал-оксид-полупроводник).
3. MOSFET транзистор (метал-оксид-полупроводник).
Запомнете – това са само вариации на едно и също име. Диелектрикът или оксидът, както още го наричат, играе ролята на изолатор за портата. На диаграмата по-долу изолаторът е показан между n-областта близо до портата и портата като бяла зона с точки. Изработен е от силициев диоксид.
Диелектрикът предотвратява електрически контакт между електрода на затвора и субстрата. За разлика от контролния p-n преход, той не работи на принципа на разширяване на кръстовището и припокриване на канали, а на принципа на промяна на концентрацията на носители на заряд в полупроводник под действието на външно електрическо поле. MOSFET се предлагат в два вида:
1. С вграден канал.
2. С индуциран канал
На диаграмата виждате транзистор с вграден канал. От него вече се досещате, че принципът на неговото действие наподобява полеви транзистор с контролен p-n преход, т.е. когато напрежението на портата е нула, токът протича през превключвателя.
В близост до източника и дрена се създават две области с високо съдържание на примесни носители на заряд (n+) с повишена проводимост. Субстратът е основа от Р-тип (в този случай).
Моля, имайте предвид, че кристалът (субстратът) е свързан с източника; на много конвенционални графични символи той е нарисуван по този начин. Когато напрежението на портата се увеличи, в канала се появява напречно електрическо поле, което отблъсква носителите на заряд (електрони) и каналът се затваря при достигане на прага Uz.
Когато се приложи отрицателно напрежение порта-източник, токът на изтичане пада, транзисторът започва да се затваря - това се нарича режим на изчерпване.
Когато се приложи положително напрежение към порта-източник, настъпва обратният процес - електроните се привличат, токът се увеличава. Това е режимът на обогатяване.
Всичко по-горе е вярно за MOSFET с вграден N-тип канал. Ако канал от p-тип промени всички думи "електрони" на "дупки", полярностите на напрежението се обръщат.
Според листа с данни за този транзистор, праговото напрежение порта-източник е в района на един волт, а типичната му стойност е 1,2 V, нека проверим това.
Токът е в микроампера. Ако увеличите напрежението още малко, то ще изчезне напълно.
Избрах произволно транзистор и попаднах на доста чувствително устройство. Ще се опитам да променя полярността на напрежението, така че портата да има положителен потенциал, проверете режима на обогатяване.
При напрежение на порта от 1V, токът се увеличи четири пъти в сравнение с това, което беше при 0V (първата снимка в този раздел). От това следва, че за разлика от предишния тип транзистори и биполярни транзистори, без допълнително свързване, той може да работи както за увеличаване на тока, така и за неговото намаляване. Това твърдение е много грубо, но в първо приближение има право на съществуване.
Всичко тук е почти същото като в транзистор с контролен преход, с изключение на наличието на режим на обогатяване в изходната характеристика.
На характеристиката drain-gate ясно се вижда, че отрицателното напрежение причинява режим на изчерпване и затваряне на ключа, а положителното напрежение на порта - обогатяване и по-голямо отваряне на ключа.
MOSFET с индуциран канал не провеждат ток при липса на напрежение на портата, или по-скоро има ток, но е изключително малък, т.к. това е обратният ток между субстрата и силно легираните области на дренаж и източник.
Полевият транзистор с изолирана порта и индуциран канал е аналог на нормално отворен ключ, не тече ток.
При наличие на напрежение порта-източник, т.к разглеждаме индуцирания канал n-тип, тогава напрежението е положително, под действието на полето носителите на отрицателен заряд се привличат към областта на портата.
Така се появява „коридор“ за електрони от източника към изтичането, като по този начин се появява канал, транзисторът се отваря и през него започва да тече ток. Имаме субстрат от p-тип, основните в него са носители на положителен заряд (дупки), има много малко отрицателни носители, но под действието на полето те се откъсват от атомите си и започва тяхното движение. Оттук и липсата на проводимост при липса на напрежение.
Изходната характеристика точно се повтаря същото за предишните, единствената разлика е, че напреженията Uzi стават положителни.
Характеристиката drain-gate показва същото нещо, разликите отново са в напреженията на портата.
Когато разглеждате характеристиките на токовото напрежение, е изключително важно внимателно да разгледате стойностите, предписани по осите.
На ключа беше приложено напрежение от 12 V, а на порта имаме 0. Токът не протича през транзистора.
Това означава, че транзисторът е напълно отворен, ако го нямаше, токът в тази верига би бил 12/10 = 1,2 A. По-късно проучих как работи този транзистор и разбрах, че при 4 волта той започва да се отваря.
Като добавих по 0,1V всеки, забелязах, че с всяка десета от волта токът нараства все повече и повече и с 4,6 волта транзисторът е почти напълно отворен, разликата с напрежението на порта от 20V в тока на изтичане е само 41 mA , при 1.1 A това е глупост.
Този експеримент отразява факта, че индуцираният канален транзистор се включва само при достигане на праговото напрежение, което му позволява да работи перфектно като превключвател в комутационни вериги. Всъщност IRF740 е един от най-разпространените.
Измерванията на тока на портата показаха, че транзисторите с полеви ефект всъщност не консумират почти никакъв контролен ток. При напрежение от 4,6 волта токът беше само 888 nA (нано!!!).
При напрежение 20V беше 3,55 μA (микро). За биполярен транзистор той би бил от порядъка на 10 mA, в зависимост от усилването, което е десетки хиляди пъти по-голямо, отколкото за полеви транзистор.
Не всички клавиши се отварят с такива напрежения, това се дължи на дизайна и характеристиките на схемата на устройствата, където се използват.
Разреденият капацитет в първия момент от време изисква голям ток на зареждане, а редките управляващи устройства (pwm контролери и микроконтролери) имат силни изходи, така че те използват драйвери за полеви врати, както в полеви транзистори, така и в (биполярни с изолиран затвор ). Това е усилвател, който преобразува входния сигнал в изходен сигнал с такава величина и сила на тока, достатъчни за включване и изключване на транзистора. Токът на зареждане също е ограничен от резистор, включен последователно с портата.
В същото време някои порти могат да се управляват и от порта на микроконтролера чрез резистор (същият IRF740). Засегнахме тази тема.
Те приличат на полеви транзистори с контролен порт, но се различават по това, че на UGO, както и в самия транзистор, портата е отделена от субстрата, а стрелката в центъра показва вида на канала, но е насочена от субстрат към канала ако е n-канален mosfet - към затвора и обратно.
За ключове с индуциран канал:
Може да изглежда така:
Обърнете внимание на английските имена на щифтовете, те често са посочени в листове с данни и диаграми.
За ключове с вграден канал:
