Veldeffecttransistoren zijn actieve halfgeleiderinrichtingen waarbij de uitgangsstroom wordt geregeld door een elektrisch veld (bij bipolaire transistoren wordt de uitgangsstroom geregeld door de ingangsstroom). Veldeffecttransistoren worden ook unipolair genoemd, omdat er slechts één type drager betrokken is bij het proces van de stroom van elektrische stroom.
Er zijn twee soorten veldeffecttransistoren: met een stuurovergang en met een geïsoleerde poort. Ze hebben allemaal drie elektroden: source (bron van stroomdragers), gate (stuurelektrode) en drain (elektrode waar dragers stromen).
Transistor met regelingP- N-overgang . De schematische weergave ervan wordt getoond in Fig. 1.21 een de conventionele grafische aanduiding van deze transistor is in Fig. 1.22 een, B (P- en N-soorten, respectievelijk). De pijl geeft de richting van de laag aan R laag zetten P(evenals de pijl in de afbeelding van de emitter van een bipolaire transistor). In geïntegreerde schakelingen kunnen de lineaire afmetingen van transistoren aanzienlijk kleiner zijn dan 1 micron.
Rijst. 1.22 Transistorapparaat
Rijst. 1.23 Grafische weergave:een - p-type kanaal; b - kanaal n-type
Weerstand van de laag N(poort) is veel minder dan de soortelijke weerstand van de laag R(kanaal), dus het gebied R-N-junctie, uitgeput in mobiele ladingsdragers en met een zeer hoge soortelijke weerstand, bevindt zich voornamelijk in de laag R.
Als de soorten geleidbaarheid van de halfgeleiderlagen in de beschouwde transistor worden omgekeerd, krijgen we een veldeffecttransistor met een besturingselement
R-N- overgang en kanaal N-type. Als er een positieve spanning wordt aangelegd tussen de gate en source van een p-kanaaltransistor: en zi > 0,
dan zal het bewegen P—N- overgang in tegengestelde richting.
Met een toename van de sperspanning op de kruising, breidt deze voornamelijk uit vanwege het kanaal (vanwege het bovengenoemde verschil in soortelijke weerstand). Het vergroten van de breedte van de overgang vermindert de dikte van het kanaal en verhoogt bijgevolg de weerstand ervan. Dit resulteert in een afname van de stroom tussen source en drain. Het is dit fenomeen waarmee u de stroom kunt regelen met behulp van spanning en het bijbehorende elektrische veld. Als de spanning en zo groot genoeg is, wordt het kanaal volledig bedekt door het gebied P—N-overgang (uitschakelspanning).
In werkmodus R—N- de overgang moet onder sper- of nulspanning staan. Daarom is de poortstroom in de bedrijfsmodus ongeveer gelijk aan nul ( ik heb? 0 ), en de afvoerstroom is bijna gelijk aan de bronstroom.
per breedte R—N-junctie en kanaaldikte worden ook direct beïnvloed door de spanning tussen de source en drain. Laat jijzi= 0 en positieve spanning toegepast jijis(Afb. 1.24). Deze spanning zal ook worden toegepast op de gate-drain gap, d.w.z. het blijkt dat jijzs= jijis en R—N- de overgang staat onder sperspanning.
Omgekeerde spanning in verschillende gebieden R—N- overgang is anders. In regio's nabij de source is deze spanning praktisch nul en in regio's nabij de drain is deze spanning ongeveer gelijk aan jijis . Dus P—N- de overgang wordt breder in die gebieden die dichter bij de afvoer liggen. We kunnen aannemen dat de spanning in het kanaal van de source naar de drain lineair toeneemt.
Bij jijis =jijziots het kanaal zal bij de afvoer volledig verstopt raken (Fig. 1.25). Met verdere toename van de spanning jijis dit deel van het kanaal, waarin het is geblokkeerd, zal uitbreiden.
Transistorschakelcircuits . Zowel voor een veldeffecttransistor als voor een bipolaire transistor zijn er drie schakelcircuits: circuits met een gemeenschappelijke poort (03), een gemeenschappelijke bron (OI) en een gemeenschappelijke afvoer (OS). De meest gebruikte circuits met een gemeenschappelijke bron (Fig. 1.26).
Sinds in werkmodus ik heb? 0, dan wordt er meestal geen rekening gehouden met de ingangskenmerken.
Uitvoer (voorraad) kenmerken . De uitvoerkarakteristiek wordt de afhankelijkheid van de vorm genoemd
waar F is een functie.
Uitgangskarakteristieken voor een transistor met R—N-overgang en n-type kanaal worden getoond in Fig. 1.27.
Laten we ons wenden tot het kenmerk dat overeenkomt met de voorwaarde u zi= 0. In het lineaire gebied ( jij bent < 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.
Bij jij bent> 4 V het kanaal in het afvoergebied is verstopt. Een verdere toename van de spanning leidt tot een zeer lichte toename van de stroom, omdat bij toenemende spanning het gebied waarin het kanaal is geblokkeerd, groter wordt. In dit geval neemt de weerstand van de source-drain gap toe en de stroom ik heb verandert praktisch niet. Dit is het gebied van verzadiging. Afvoerstroom in verzadigingsgebied u zi = 0 en bij een gegeven spanning en zo wordt de initiële afvoerstroom genoemd en aangeduid met ik kan beginnen. Voor de overwogen kenmerken: ik kan beginnen= 5 mA bij en zo= 10 V.
De parameters die de eigenschappen van een transistor kenmerken om de spanning te versterken zijn:
1) Poort helling S(hellingskarakteristieken van de veldeffecttransistor):
2) Interne differentiële weerstand Ris diff
3) Winst
Het kan gezien worden dat
Geïsoleerde poorttransistors. Een veldeffecttransistor met geïsoleerde poort is een transistor waarvan de poort elektrisch van het kanaal is gescheiden door een diëlektrische laag. De fysieke basis voor de werking van dergelijke transistors is het veldeffect, dat bestaat uit het veranderen van de concentratie van vrije ladingsdragers in het nabije oppervlaktegebied van de halfgeleider onder invloed van een extern elektrisch veld. In overeenstemming met hun structuur worden dergelijke transistoren genoemd MIS-transistors (metaal-isolator-halfgeleider) of MOSFET's (metaaloxide-halfgeleider). Er zijn twee soorten MOS-transistoren: met geïnduceerde en met ingebouwde kanalen.
Op afb. 1.28 toont het principe van een transistorapparaat met een ingebouwd kanaal.
De basis (substraat) is een siliciumplaat met elektrische geleidbaarheid P-type. Het heeft twee gebieden met elektrische geleidbaarheid: N+ -type met verhoogde geleidbaarheid. Deze gebieden zijn de bron en de put, en daaruit worden conclusies getrokken. Tussen de afvoer en de bron bevindt zich een kanaal in de buurt van het oppervlak met elektrische geleidbaarheid van het n-type. Het gearceerde gebied is de diëlektrische laag van siliciumdioxide (de dikte is gewoonlijk 0,1 - 0,2 µm). Bovenop de diëlektrische laag bevindt zich een poort in de vorm van een dunne metaalfilm. Het kristal van een dergelijke transistor is meestal verbonden met de bron en de potentiaal ervan wordt als nul beschouwd. Soms wordt uit een kristal een aparte conclusie getrokken.
Als er nulspanning op de poort wordt toegepast, zal er een stroom door het kanaal vloeien wanneer een spanning wordt aangelegd tussen de afvoer en de bron, wat een stroom elektronen is. Er zal geen stroom door het kristal vloeien, aangezien een van P—N-overgangen staan onder sperspanning. Wanneer een spanning met negatieve polariteit ten opzichte van de bron (en dus het kristal) op de poort wordt aangelegd, wordt een transversaal elektrisch veld gevormd in het kanaal, dat elektronen uit het kanaal duwt in het gebied van de bron, afvoer en kristal . Het kanaal raakt uitgeput van elektronen, de weerstand neemt toe en de stroom neemt af. Hoe hoger de poortspanning, hoe lager de stroom. Deze modus heet magere modus
. Als er een positieve spanning op de poort wordt aangelegd, zullen elektronen onder invloed van het veld uit de gebieden van de afvoer, bron en kristal in het kanaal komen. De kanaalweerstand daalt, de stroom neemt toe. Deze modus heet
verrijkingsregime
. Als het kristal N-type, dan moet het kanaal p-type zijn en is de spanningspolariteit omgekeerd.
Een ander type is transistor met geïnduceerd (invers) kanaal (Afb. 1.29). Het verschilt van de vorige doordat het kanaal alleen verschijnt wanneer een spanning van een bepaalde polariteit op de poort wordt toegepast.
Bij afwezigheid van spanning aan de poort, is er geen kanaal tussen de source en drain
N+ -type alleen kristal bevindt zich P-type en op een van pn+ -juncties produceren een sperspanning. In deze toestand is de weerstand tussen drain en source hoog en is de transistor gesloten. Wanneer een spanning van positieve polariteit op de poort wordt aangelegd, zullen onder invloed van het poortveld geleidingselektronen uit de afvoer- en brongebieden bewegen en P- gebied in de richting van de sluiter. Wanneer de spanning op de poort zijn ontgrendelings- (drempelwaarde) (een eenheid van volt) bereikt, neemt de concentratie van elektronen in de nabije oppervlaktelaag zo veel toe dat deze de concentratie van gaten overschrijdt, en de zogenaamde inversie
type elektrische geleidbaarheid, d.w.z. er wordt een dun kanaal gevormd N-type, en de transistor begint stroom te geleiden. Hoe hoger de poortspanning, hoe hoger de afvoerstroom. Het is duidelijk dat zo'n transistor alleen in de verrijkingsmodus kan werken. Als het substraat N-type, dan krijgen we een geïnduceerd kanaal P-type. Geïnduceerde kanaaltransistors worden vaak aangetroffen in schakelapparatuur. Velzijn vergelijkbaar met bipolaire schakelcircuits. Opgemerkt moet worden dat u met de veldeffecttransistor een veel hogere versterking kunt krijgen dan met een bipolaire. Met een hoge ingangsimpedantie (en een laag uitgangsvermogen) vervangen veldeffecttransistoren geleidelijk bipolaire transistoren.
Volgens de elektrische geleidbaarheid van het kanaal onderscheiden ze: P-kanaal en N- kanaal MIS-transistors. Het symbool voor deze apparaten op de elektrische circuits wordt getoond in afb. 1.30 . Er is een classificatie van MIS-transistors op basis van hun ontwerp en technologische kenmerken (vaker volgens het type poortmateriaal).
Rijst. 1.30 Symbolen voor veldeffecttransistoren
met een geïsoleerde poort: a - met een ingebouwd p-kanaal; b - met ingebouwde
n-kanaal; c - met geïnduceerd p-kanaal; d - met geïnduceerd n-kanaal
Geïntegreerde schakelingen die zowel p . bevatten — kanaal- en n-kanaal MOS-transistoren worden complementair genoemd (afgekort KMOS-IC). KMDP-IC's onderscheiden zich door een hoge ruisimmuniteit, een laag stroomverbruik en hoge snelheid.
Frequentie-eigenschappen FET's worden gedefinieerd door de tijdconstante RC- rolluikkettingen. Aangezien de ingangscapaciteit: METzi voor transistoren met R—N-overgang is groot (tientallen picofarads), hun gebruik in versterkingstrappen met een grote ingangsimpedantie is mogelijk in het frequentiebereik van niet meer dan honderden kilohertz - eenheden van megahertz.
Bij het werken in schakelcircuits wordt de schakelsnelheid volledig bepaald door de tijdconstante van het RC-poortcircuit. FET's met geïsoleerde poort hebben een veel lagere ingangscapaciteit, dus hun frequentie-eigenschappen zijn veel beter dan pn-junctie-FET's.
In halfgeleiderelektronica, samen met bipolaire transistors, transistors die worden bestuurd door elektrisch veld, waarvan een van de positieve kenmerken is: hoge ingangsimpedantie(is 1-10 MΩ of meer). Dergelijke transistoren worden genoemd veld(unipolair).
Apparaat en werkingsprincipe
FET'szogenaamde halfgeleiderapparaten waarin het creëren van een elektrische stroom te wijten is aan de beweging van ladingsdragers van hetzelfde teken onder invloed van longitudinaal elektrisch veld, en de uitgangsstroomregeling is gebaseerd op: weerstandsmodulatie: halfgeleidermateriaal: transversaal elektrisch veld.
Het werkingsprincipe van veldeffecttransistoren kan gebaseerd zijn op:
Afhankelijk van de weerstand van een halfgeleider van de doorsnede van zijn geleidende gebied (hoe kleiner de doorsnede, hoe lager de stroom; geïmplementeerd in veldeffecttransistoren met de manager r-p- overgang);
Over de afhankelijkheid van de halfgeleidergeleiding van de concentratie van de hoofddragers (geïmplementeerd in veldeffecttransistoren met geïsoleerde poort structuren metaal-isolator-halfgeleider(MIS-transistors)).
Veldeffecttransistor met de manager r-p- transitie (PTUP) is een dunne halfgeleiderwafer met één r-p-overgang en met niet-rectificerend rand contacten. De elektrische geleidbaarheid van het plaatmateriaal kan zijn: P-type of R-type. Beschouw als voorbeeld een transistor waarvan de hoofdplaat uit een halfgeleider bestaat N-type (Figuur 1.32).
Figuur 1.32 - Structuur van een veldeffecttransistor met een controle r-p-overgang
De belangrijkste gebieden in de structuur van de veldeffecttransistor: met de manager r-p- overgang zijn:
Regio bron- het gebied van waaruit ladingdragers beginnen te bewegen;
Regio afvloeiing- het gebied waar de dragers naartoe gaan;
Regio Luik- het gebied met behulp waarvan de mediastroom wordt geregeld;
Regio kanaal- het gebied waar de dragers doorheen bewegen.
De uitgangen van de overeenkomstige gebieden van de transistor hebben vergelijkbare namen: bron(EN), voorraad(C) en hek(3) (Figuur 1.32).
Figuur 1.33 toont de grafische symbolen van veldeffecttransistoren met een controle r-p- overgang: met kanaal P-type (Figuur 1.33, een) en kanaal R-type (Figuur 1.33, B).
een b
Afbeelding 1.33 - UGO-veldeffecttransistoren met besturing r-p-overgang
Overweeg het werkingsprincipe van PTUP. Spanningsbronnen zijn zo met de transistor verbonden dat er een elektrische stroom vloeit tussen de drain- en source-elektroden, en spanning die op de poort wordt toegepast, heeft de elektron-gatovergang in de tegenovergestelde richting voorgespannen.
Afbeelding 1.34 toont de methode om spanningsbronnen aan te sluiten op de uitgangen van PTUP met een kanaal P-type.
Afbeelding 1.34 - Spanningsbronnen aansluiten op PTUP-klemmen
Onder invloed van de bronspanning E SI elektronen zullen van de bron naar de afvoer gaan en zorgen voor een afvoerstroom in het externe circuit ik C.
De concentraties van ladingsdragers in het halfgeleidermateriaal van het kanaal en de poort zijn zo gekozen dat wanneer een sperspanning wordt aangelegd tussen de poort en de bron r-p- de overgang breidt zich uit naar het kanaalgebied. Dit leidt tot een afname van het dwarsdoorsnede-oppervlak van het geleidende deel van het kanaal en bijgevolg tot een afname van de afvoerstroom ik C.
De weerstand van het gebied onder de elektrische overgang hangt in het algemeen af van: van poortspanning. Dit komt door het feit dat de afmetingen van de overgang toenemen met een toename van de sperspanning die erop wordt toegepast, en een toename van het gebied zonder ladingsdragers leidt tot een toename van de elektrische weerstand van het kanaal (en dienovereenkomstig, tot een afname van de stroom die in het kanaal vloeit).
Op deze manier, de werking van een veldeffecttransistor met een controle-pn-overgang is gebaseerd op een verandering in de kanaalweerstand als gevolg van een verandering in de grootte van het gebied dat is uitgeput door de hoofdladingsdragers, die optreedt onder de actie van de toegepast op de sluiter omgekeerde spanning:.
De spanning tussen de poort en de bron waarbij het kanaal volledig wordt geblokkeerd en de afvoerstroom een minimumwaarde bereikt ( ik C» 0) worden genoemd afsnijspanning(U ots) veldeffecttransistor.
In tegenstelling tot PTUP, waarbij de poort elektrisch contact heeft met het kanaal, in veldeffecttransistoren met geïsoleerde poort(PTIS) poort is een dunne film van metaal geïsoleerd van een halfgeleider. Afhankelijk van het type isolatie worden MIS- en MOS-transistors onderscheiden (respectievelijk metaal - diëlektricum - halfgeleider en metaal - oxide - halfgeleider, bijvoorbeeld siliciumdioxide SiO 2).
In de begintoestand kan het PTIZ-kanaal uitgeput ladingdragers of verrijkt hen. Afhankelijk hiervan worden twee typen veldeffecttransistors met een geïsoleerde poort onderscheiden: ingebouwd kanaal(Figuur 1.35, een) (het kanaal wordt gemaakt tijdens de fabricage) en MIS-transistors met geïnduceerd kanaal(Figuur 1.35, B) (het kanaal verschijnt onder invloed van een spanning die op de stuurelektroden wordt aangelegd). In PTIZ is er een extra uitgang van het kristal waarop het apparaat is gemaakt (Figuur 1.35), genaamd substraat.
een b
Figuur 1.35 - Het apparaat van veldeffecttransistoren met een geïsoleerde poort
In PTIZ bevinden de drain- en source-elektroden zich aan beide zijden van de gate en staan ze in direct contact met het halfgeleiderkanaal.
Het kanaal heet ingebouwd als het oorspronkelijk is verrijkt lading dragers. In dit geval zal het elektrische stuurveld leiden tot: verarming kanaal door ladingsdragers. Als het kanaal oorspronkelijk is uitgeput dragers van elektrische ladingen, wordt het genoemd geïnduceerd. In dit geval zal het elektrische stuurveld (tussen de poort en de bron) het kanaal verrijken met elektrische ladingsdragers (dat wil zeggen, de geleidbaarheid ervan vergroten).
De kanaalgeleiding kan zijn: elektronisch of geperforeerd. Als het kanaal elektronische geleidbaarheid heeft, wordt het genoemd P-kanaal. Kanalen met gatengeleiding worden genoemd R-kanalen. Als resultaat, onderscheid vier soorten veldeffecttransistors met geïsoleerde poort: met kanaal P- een van beide R-types, die elk kunnen hebben geïnduceerd of ingebouwd kanaal. Conventionele grafische aanduidingen van de genoemde typen veldeffecttransistoren worden getoond in figuur 1.36.
stuurspanning: kan worden ingediend bij PTIZ als tussen luiken en substraat, en onafhankelijk op substraat en poort. Beschouw als voorbeeld het principe van stroomregeling in veldeffecttransistoren, waarvan de structuren worden getoond in figuur 1.35.
Afbeelding 1.36 - UGO-veldeffecttransistoren met een geïsoleerde poort
Als er een positieve spanning op de poort wordt aangelegd, dan onder invloed van het resulterende elektrische veld nabij het oppervlak van de halfgeleider (Figuur 1.35, B) het kanaal verschijnt P -type vanwege de afstoting van gaten van het oppervlak in de diepte van de halfgeleider. In een transistor ingebouwd kanaal (Figuur 1.35, een) er is een uitbreiding van een bestaand kanaal wanneer een positieve spanning wordt aangelegd of een vernauwing - wanneer een negatieve spanning wordt aangelegd. Door de stuurspanning te veranderen, verandert de kanaalbreedte en dienovereenkomstig weerstand en transistor stroom.
Essentieel voordeel PTIZ voordat PTUP is , bereiken waarden van 10 10 - 10 14 Ohm (voor transistors met een controle) r-p-overgang - 10 7 - 10 9 Ohm).
Een belangrijk voordeel van veldeffecttransistors ten opzichte van bipolaire is: lage spanningsval over hen bij het schakelen van zwakke signalen.
Bovendien moet het voordelen benadrukken zoals:
- hoge ingangsimpedantie;
- kleine geluiden;
- gemak van fabricage;
- de afwezigheid in de open toestand van restspanning tussen de source en drain van een open transistor.
Volt-ampère-karakteristieken en basisparameters van veldeffecttransistoren
Uit de vorige bespreking volgt dat er in totaal zes typen veldeffecttransistoren zijn. Hun typische overdrachtskenmerken worden weergegeven in figuur 1.37. Met behulp van deze kenmerken kunt u de polariteit van de stuurspanning, de richting van de stroom in het kanaal en het bereik van de stuurspanning instellen. Van alle bovengenoemde typen transistoren worden momenteel alleen PTIZ met een geïntegreerd kanaal niet geproduceerd. R-type.
Figuur 1.37 - Overdrachtskarakteristieken van veldeffecttransistoren
Laten we eens kijken naar enkele van deze kenmerken. Alle kenmerken van veldeffecttransistoren met een kanaal P-types bevinden zich in de bovenste helft van de grafiek en hebben daarom een positieve stroom, wat overeenkomt met een positieve afvoerspanning. Integendeel, alle kenmerken van apparaten met een kanaal R-typen bevinden zich in de onderste helft van de grafiek en hebben daarom een negatieve stroomwaarde en een negatieve afvoerspanning. Kenmerken van PTUP bij nulpoortspanning hebben een maximale stroomwaarde, die de initiële wordt genoemd ik vanaf het begin. Met een toename van de blokkeerspanning neemt ook de afvoerstroom af met een afsnijspanning U ots bijna nul wordt.
Kenmerken van PTIZ met geïnduceerde kanaal bij nulpoortspanning hebben nulstroom. Het verschijnen van een afvoerstroom in dergelijke transistors treedt op wanneer de spanning aan de poort groter is dan de drempelwaarde jij sinds. Het verhogen van de poortspanning verhoogt de afvoerstroom.
Kenmerken van PTIZ met geïntegreerde kanaal bij nulpoortspanning hebben de beginwaarde van de stroom I C. begin. Dergelijke transistoren kunnen zowel in de verrijkingsmodus als in de uitputtingsmodus werken. Naarmate de poortspanning toeneemt, wordt het kanaal rijker en neemt de afvoerstroom toe, en naarmate de poortspanning afneemt, raakt het kanaal uitgeput en neemt de afvoerstroom af.
Afbeelding 1.38 toont de uitgangsstroom-spanningskarakteristieken van een PTUP met een kanaal N-type. De kenmerken van andere typen transistoren hebben een vergelijkbare vorm, maar verschillen in de poortspanning en de polariteit van de aangelegde spanningen.
Afbeelding 1.38 - Uitgang VAC van PTUP
Op de CVC van een veldeffecttransistor zijn twee gebieden te onderscheiden: lineair en verzadiging.
In het lineaire gebied zijn de I-V-karakteristieken tot aan het buigpunt rechte lijnen, waarvan de helling afhangt van de poortspanning. In het verzadigingsgebied zijn de stroom-spanningskarakteristieken bijna horizontaal, wat ons in staat stelt te spreken over de onafhankelijkheid van de afvoerstroom van de afvoerspanning. In dit gebied zijn de uitgangskarakteristieken van alle typen veldeffecttransistoren vergelijkbaar met die van vacuümpentodes. Kenmerken van deze kenmerken bepalen het gebruik van veldeffecttransistoren. In het lineaire gebied wordt de FET gebruikt als weerstand, gate spanning gecontroleerd, en in het verzadigingsgebied - as versterkend element.
De maximale spanning die wordt aangelegd tussen de drain en source van een FET is voor elk type transistor anders. Maar in het algemene geval, zoals weergegeven in figuur 1.39, wanneer een bepaalde waarde wordt overschreden U SI-monsters drainstroom neemt sterk toe, wat kan leiden tot uitval van de transistor als gevolg van uitval.
Afbeelding 1.39 - Familie van output IV-karakteristieken van een veldeffecttransistor
De belangrijkste parameters van veldeffecttransistoren zijn:
Poort helling
Typische waarden: S= 0,1-500 mA/V;
De helling van het kenmerk op het substraat
Typische waarden: S p= 0,1-1 mA/V;
Initiële afvoerstroom ik vanaf het begin- afvoerstroom bij nulspanning U ZI.
Voor transistoren met een controle R-P-overgang ik C= 0,2-600 mA, met ingebouwd kanaal - ik vanaf het begin= 0,1-100 mA, met geïnduceerd kanaal - ik vanaf het begin= 0,01-0,5 A;
Afsnijspanning: U ZI ots(typische waarden U ZI ots= 0,2-10 V);
Afvoerbronweerstand bij open R SI open(typische waarden R SI open= 2-300 Ohm);
Resterende afvoerstroom I C rust- afvoerstroom bij spanning U ZI ots (I C rust= 0,001-10 mA);
Maximale versterkingsfrequentie fp- frequentie waarbij de vermogensversterking gelijk is aan één (typische waarden fp- tientallen - honderden MHz).
Technologische mogelijkheden en vooruitgang in de ontwikkeling van veldeffecttransistoren met hoog vermogen hebben ertoe geleid dat het momenteel niet moeilijk is om ze tegen een betaalbare prijs te verwerven.
In dit opzicht is de interesse van radioamateurs voor het gebruik van dergelijke MOSFET-transistors in hun elektronische zelfgemaakte producten en projecten toegenomen.
Het is vermeldenswaard dat MOSFET's aanzienlijk verschillen van hun bipolaire tegenhangers, zowel wat betreft parameters als hun apparaat.
Het is tijd om het apparaat en de parameters van krachtige MOSFET-transistors beter te leren kennen, om, indien nodig, bewuster een analoog voor een bepaald geval te kiezen, en ook om de essentie van bepaalde gespecificeerde waarden te begrijpen in het gegevensblad.
Wat is een HEXFET-transistor?
In de FET-familie is er een aparte groep van krachtige halfgeleiderapparaten die HEXFET's worden genoemd. Hun werkingsprincipe is gebaseerd op een zeer originele technische oplossing. Hun structuur is enkele duizenden MOS-cellen die parallel zijn geschakeld.
Cellulaire structuren vormen een zeshoek. Vanwege de hexagonale of anderszins hexagonale structuur wordt dit type power-MOSFET HEXFET genoemd. De eerste drie letters van deze afkorting zijn ontleend aan het Engelse woord hex agonaal- "zeshoekig".
Onder meervoudige vergroting ziet het kristal van een krachtige HEXFET-transistor er zo uit.
Zoals je kunt zien, heeft het een zeshoekige structuur.
Het blijkt dat een krachtige MOSFET in feite een soort supermicroschakeling is, waarin duizenden individuele eenvoudige veldeffecttransistoren zijn gecombineerd. Samen vormen ze één krachtige transistor die een grote stroom door zichzelf kan sturen en tegelijkertijd praktisch geen noemenswaardige weerstand biedt.
Vanwege de speciale structuur en productietechnologie van HEXFET, de weerstand van hun kanaal RDS(aan) aanzienlijk weten te verminderen. Dit maakte het mogelijk om het probleem van het schakelen van stromen van enkele tientallen ampères bij spanningen tot 1000 volt op te lossen.
Hier is slechts een klein toepassingsgebied voor krachtige HEXFET-transistors:
Schakelcircuits voor voeding.
Oplaadapparaat.
Motor controle systemen.
Laagfrequente versterkers.
Ondanks het feit dat HEXFET (parallel kanaal) mosfets een relatief lage open kanaalweerstand hebben, is hun reikwijdte beperkt en worden ze voornamelijk gebruikt in hoogfrequente hoogstroomcircuits. In hoogspannings-vermogenselektronica wordt soms de voorkeur gegeven aan op IGBT gebaseerde circuits.
Schematische weergave van een MOSFET-transistor (N-kanaal MOS).
Net als bipolaire transistors kunnen veldstructuren zowel voorwaarts als achterwaarts zijn. Dat wil zeggen, met een P-kanaal of een N-kanaal. De conclusies zijn als volgt weergegeven:
D-drain (voorraad);
S-bron (bron);
G-poort (luik).
Hoe veldeffecttransistoren van verschillende typen worden aangeduid op schakelschema's, vindt u op deze pagina.
Basisparameters van veldeffecttransistoren.
De volledige set MOSFET-parameters is mogelijk alleen vereist door ontwikkelaars van complexe elektronische apparatuur en wordt in de regel niet aangegeven in de datasheet (referentieblad). Het is voldoende om de basisparameters te kennen:
V DSS(Drain-to-Source Voltage) - spanning tussen drain en source. Dit is meestal de voedingsspanning van uw circuit. Houd bij het kiezen van een transistor altijd rekening met een marge van 20%.
ID KAART(Continue afvoerstroom) - afvoerstroom of continue afvoerstroom. Altijd gespecificeerd bij een constante gate-source spanning (bijvoorbeeld V GS = 10V). Het gegevensblad geeft in de regel de maximaal mogelijke stroom aan.
RDS(aan)(Static Drain-to-Source On-Resistance) - drain-source weerstand van een open kanaal. Naarmate de kristaltemperatuur stijgt, neemt de weerstand van het open kanaal toe. Dit is gemakkelijk te zien op een grafiek uit de datasheet van een van de krachtige HEXFET-transistors. Hoe lager de open kanaalweerstand (R DS(on)), hoe beter de mosfet. Het warmt minder op.
P D(Power Dissipation) - het vermogen van de transistor in watt. Op een andere manier wordt deze parameter ook wel het verstrooiingsvermogen genoemd. In de datasheet van een specifiek product wordt de waarde van deze parameter aangegeven voor een bepaalde kristaltemperatuur.
VGS(Gate-to-Source Voltage) - gate-source verzadigingsspanning. Dit is de spanning waarboven geen toename van de stroom door het kanaal optreedt. In feite is dit de maximale spanning tussen de poort en de bron.
VGS(e)(Gate Threshold Voltage) - transistor inschakeldrempelspanning. Dit is de spanning waarbij het geleidende kanaal opent en het begint stroom door te laten tussen de source- en drain-aansluitingen. Als er een spanning van minder dan V GS(th) wordt aangelegd tussen de gate- en source-aansluitingen, wordt de transistor gesloten.
De grafiek laat zien hoe de drempelspanning V GS(th) afneemt met toenemende temperatuur van het transistorkristal. Bij een temperatuur van 175 ° C is het ongeveer 1 volt en bij een temperatuur van 0 0 C ongeveer 2,4 volt. Daarom geeft het gegevensblad in de regel het minimum aan ( min.) en maximaal ( maximaal) drempelspanning.
Overweeg de belangrijkste parameters van een krachtige HEXFET-transistor met veldeffect aan de hand van een voorbeeld: IRLZ44ZS door internationale gelijkrichter. Ondanks de indrukwekkende prestaties heeft hij een kleine body D2PAK voor opbouwmontage. Laten we de datasheet eens bekijken en de parameters van dit product evalueren.
Maximale afvoer-bronspanning (V DSS): 55 volt.
Maximale afvoerstroom (ID): 51 Amp.
Gate-source spanningslimiet (V GS): 16 volt.
Open kanaal afvoer-bron weerstand (R DS (aan)): 13,5 mΩ.
Maximaal vermogen (PD): 80 watt.
De open kanaalweerstand van de IRLZ44ZS is slechts 13,5 milliohm (0,0135 ohm)!
Laten we eens kijken naar het "stuk" uit de tabel, waar de maximale parameters worden aangegeven.
Duidelijk is te zien hoe bij een constante poortspanning, maar bij temperatuurstijging, de stroom afneemt (van 51A (op t=25 0 C) naar 36A (op t=100 0 C)). Het vermogen bij een behuizingstemperatuur van 25°C is 80 watt. Sommige parameters in de pulsmodus worden ook aangegeven.
MOSFET-transistoren zijn snel, maar ze hebben één belangrijk nadeel: een grote poortcapaciteit. In documenten wordt poortingangscapaciteit aangeduid als: C iss (ingangscapaciteit:).
Wat is de poortcapaciteit? Het beïnvloedt grotendeels bepaalde eigenschappen van veldeffecttransistoren. Omdat de ingangscapaciteit vrij groot is en tientallen picofarads kan bereiken, is het gebruik van veldeffecttransistoren in hoogfrequente circuits beperkt.
Belangrijke kenmerken van MOSFET-transistoren.
Het is erg belangrijk om bij het werken met veldeffecttransistors, vooral met een geïsoleerde poort, te onthouden dat ze "dodelijk" zijn bang voor statische elektriciteit. Je kunt ze alleen in het circuit solderen door eerst de draden met een dunne draad aan elkaar kort te sluiten.
Tijdens opslag moeten alle kabels van de MOSFET worden kortgesloten met gewone aluminiumfolie. Dit verkleint de kans op flashover van de poort door statische elektriciteit. Bij montage op een printplaat is het beter om een soldeerstation te gebruiken en geen conventionele elektrische soldeerbout.
Een conventionele elektrische soldeerbout heeft namelijk geen bescherming tegen statische elektriciteit en is niet via een transformator "ontkoppeld" van het lichtnet. Op zijn koperen steek zijn er altijd elektromagnetische "picks" van het lichtnet.
Elke spanningsstoot in het lichtnet kan het gesoldeerde item beschadigen. Daarom, door de FET in het circuit te solderen met een elektrische soldeerbout, lopen we het risico de MOSFET te beschadigen.
Verzadigingsstroom I c0 in het afvoercircuit van een transistor aangesloten volgens een circuit met een gemeenschappelijke bron, met een poort die is kortgesloten met een bron (dwz bij U ci = 0) - het is typisch alleen voor veldeffecttransistoren met een besturings-pn-overgang .
De afvoerstroom op het werkpunt kan worden bepaald met de volgende formule:
I s \u003d I s0 (1-U c.i / U ots) 2 (1)
waar U ots - afsnijspanning.
Vergelijking (1) is een benadering voor de transmissiekarakteristiek van elke FET (vooral die met lage afsnijspanningen).
Uitschakelspanning Uc- een van de belangrijkste parameters die de veldeffecttransistor kenmerken. Wanneer de poortspanning numeriek gelijk is aan de afsnijspanning, is het FET-kanaal bijna volledig geblokkeerd en neigt de afvoerstroom naar nul.
Het is nogal moeilijk om de werkelijke waarde van de afsnijspanning te meten (met het kanaal volledig geblokkeerd), aangezien men in dit geval te maken heeft met extreem lage afvoerstromen, die bovendien afhankelijk zijn van de isolatieweerstand. De referentiegegevens voor veldeffecttransistoren geven altijd aan bij welke waarde van de afvoerstroom de afsnijspanning werd gemeten. Zo werden bijvoorbeeld voor transistoren KP102 spanningen U ots verkregen bij een afvoerstroom van 20 A en voor een transistor KP103 bij een afvoerstroom van 10 A.
De steilheid van de stromingskarakteristiek. De ingangsweerstand van veldeffecttransistoren vanaf de zijkant van de stuurelektrode is 10 7 - 10 9 ohm voor transistors met een pn-overgang. Omdat de ingangsstromen van veldeffecttransistoren extreem klein zijn, wordt de stroom in het uitgangscircuit geregeld door de ingangsspanning. Daarom is het raadzaam om de steilheid van de doorlaatkarakteristiek te karakteriseren vanwege de versterkende eigenschappen van een veldeffecttransistor, evenals van elektronenbuizen.
De helling van de veldeffecttransistoren
De maximale waarde van de helling van de karakteristiek Smax wordt bereikt wanneer U C. en =0. In dit geval is de numerieke waarde van Smax gelijk aan de geleidbaarheid van het FET-kanaal bij nul voorspanningen op zijn elektroden.
De steilheid van de kenmerken van veldeffecttransistoren is 1-2 orden van grootte minder dan die van bipolaire transistors, daarom is bij lage belastingsweerstanden de versterking van de cascade op een veldeffecttransistor minder dan de versterking van een vergelijkbare cascade op een bipolaire transistor.
De uitdrukking voor de steilheid van de karakteristiek op het werkpunt van de PT wordt verkregen met behulp van (1):
waarbij U c.i - gate-source spanning waarbij S wordt berekend;
Relatie (3) stelt ons in staat om de derde te berekenen uit twee bekende parameters.
doorslagspanning. Het doorslagmechanisme van een veldeffecttransistor kan worden verklaard door het optreden van een lawineproces in de poortkanaalovergang. De sperspanning van de poortkanaaldiode varieert over de lengte van de poort en bereikt een maximale waarde aan het afvoeruiteinde van het kanaal. Het is hier dat de storing van de veldeffecttransistor optreedt. Als de drain- en source-aansluitingen worden verwisseld, zal de doorslagspanning niet veel veranderen. Voor een KP102-transistor treedt bijvoorbeeld doorslag op wanneer de totale spanning tussen de gate en de drain 30 V is. Deze spanning is minimaal; in feite is de doorslagspanning gemiddeld ongeveer 55 V en in sommige gevallen bereikt deze 120 V.
Een storing leidt niet tot uitval van de FET met een controle p-n-overgang, als het gedissipeerde vermogen de toegestane niet overschrijdt. Na een storing in de normale bedrijfsmodus herstellen deze transistors hun prestaties. Deze eigenschap van pn-junctietransistoren geeft ze een zeker voordeel ten opzichte van MOS-transistoren, waarbij een storing ondubbelzinnig leidt tot apparaatstoring.
Wel moet worden opgemerkt dat doorslag niet altijd ongevaarlijk is voor FET's met een pn-overgang. De mate van invloed op de parameters van de transistor wordt bepaald door de waarde en de duur van de stroom die door de poort vloeit. Dus als gevolg van een storing kan de lekstroom van de poort in de normale modus toenemen.
Kanaal dynamische weerstand r tot wordt gedefinieerd door de uitdrukking
Deze weerstand bij U s.i \u003d 0 en een willekeurige bias U s.i kan worden uitgedrukt in termen van transistorparameters:
Bij een lage afvoer-bronspanning nabij de oorsprong gedraagt de FET zich als een variabele ohmse weerstand, afhankelijk van de poortspanning. Dit blijft waar, zelfs als de polariteit van de afvoerspanning wordt omgekeerd (zie figuur 4); het is alleen nodig dat de spanning op de gate groter is dan die op de drain.
Laten we nu eens kijken wat veldeffecttransistors zijn. Veldeffecttransistoren komen veel voor in zowel oude als moderne circuits. Nu worden apparaten met een geïsoleerde poort in grotere mate gebruikt, en vandaag zullen we het hebben over de soorten veldeffecttransistors en hun kenmerken. In het artikel zal ik vergelijkingen maken met bipolaire transistors, op verschillende plaatsen.
Definitie
Een veldeffecttransistor is een volledig regelbare halfgeleiderschakelaar die wordt bestuurd door een elektrisch veld. Dit is het belangrijkste verschil in de praktijk van bipolaire transistoren, die worden bestuurd door stroom. Het elektrische veld wordt gecreëerd door de spanning die op de poort wordt aangelegd ten opzichte van de bron. De polariteit van de stuurspanning is afhankelijk van het type transistorkanaal. Er is hier een goede analogie met elektronische vacuümbuizen.
Een andere naam voor veldeffecttransistors is unipolair. "UNO" betekent één. In veldeffecttransistoren wordt de stroom, afhankelijk van het type kanaal, uitgevoerd door slechts één type dragers, gaten of elektronen. In bipolaire transistors werd de stroom gevormd door twee soorten ladingsdragers - elektronen en gaten, ongeacht het type apparaten. Veldeffecttransistoren kunnen over het algemeen worden onderverdeeld in:
transistors met een controle pn-junctie;
geïsoleerde poorttransistors.
Beide kunnen n-kanaal en p-kanaal zijn, een positieve stuurspanning moet worden toegepast op de poort van de eerste om de sleutel te openen, en voor de tweede - negatief met betrekking tot de bron.
Alle soorten veldeffecttransistors hebben drie uitgangen (soms 4, maar zelden ontmoette ik alleen Sovjet-transistors en deze was verbonden met de behuizing).
1. Bron (bron van ladingsdragers, analoog van de zender op een bipolaire).
2. Drain (ontvanger van ladingsdragers van de bron, analoog van de collector van een bipolaire transistor).
3. Poort (stuurelektrode, analoog van het rooster op lampen en bases op bipolaire transistors).
Transistor met controle pn junction
De transistor bestaat uit de volgende gebieden:
4. Sluiter.
In de afbeelding zie je een schematische opbouw van zo'n transistor, de leidingen zijn verbonden met de gemetalliseerde delen van de gate, source en drain. In een specifiek circuit (dit is een p-kanaalapparaat), is de poort een n-laag, heeft minder weerstand dan het kanaalgebied (p-laag), en het pn-overgangsgebied bevindt zich hiervoor meer in het p-gebied reden.
a - n-type veldeffecttransistor, b - p-type veldeffecttransistor
Om het gemakkelijker te onthouden, onthoud de aanduiding van de diode, waar de pijl van het p-gebied naar het n-gebied wijst. Hier ook.
De eerste toestand is het toepassen van een externe spanning.
Als er een spanning op zo'n transistor wordt gezet, plus op de afvoer en min op de bron, zal er een grote stroom doorheen vloeien, deze wordt alleen beperkt door de kanaalweerstand, externe weerstanden en de interne weerstand van de stroombron. Een analogie kan worden getrokken met een normaal gesloten sleutel. Deze stroom wordt Isnach genoemd of de initiële afvoerstroom bij Uzi=0.
Een veldeffecttransistor met een stuur-pn-overgang, zonder stuurspanning op de poort, is zo open mogelijk.
De spanning op de drain en source wordt op deze manier toegepast:
De belangrijkste ladingdragers worden via de bron ingevoerd!
Dit betekent dat als de transistor p-kanaal is, de positieve pool van de stroombron is verbonden met de bron, omdat. de belangrijkste dragers zijn gaten (positieve ladingsdragers) - dit is de zogenaamde gatengeleiding. Als de n-kanaaltransistor is aangesloten op de bron, de negatieve pool van de stroombron, omdat daarin zijn de belangrijkste ladingsdragers elektronen (negatieve ladingsdragers).
De bron is de bron van de hoofdladingsdragers.
Hier zijn de resultaten van een simulatie van een dergelijke situatie. Aan de linkerkant is een p-kanaal en aan de rechterkant is een n-kanaaltransistor.
Tweede staat - zet spanning op de poort
Wanneer een positieve spanning op de poort wordt toegepast ten opzichte van de bron (Uzi) voor het p-kanaal en negatief voor het n-kanaal, wordt deze in de tegenovergestelde richting verschoven, het gebied van de pn-junctie breidt zich uit naar het kanaal . Als gevolg hiervan neemt de kanaalbreedte af, de stroom neemt af. De poortspanning waarbij geen stroom door de schakelaar vloeit, wordt de afsnijspanning genoemd.
De uitschakelspanning is bereikt en de sleutel is volledig gesloten. De afbeelding met de simulatieresultaten toont een dergelijke toestand voor de p-kanaal (links) en n-kanaal (rechts) dongle. Trouwens, in het Engels wordt zo'n transistor JFET genoemd.
De bedrijfsmodus van de transistor wanneer de spanning Uzi nul of omgekeerd is. Vanwege de sperspanning kunt u "de transistor afdekken", deze wordt gebruikt in klasse A-versterkers en andere circuits waar een soepele regeling nodig is.
De cutoff-modus treedt op wanneer Uzi = Ucutoff voor elke transistor anders is, maar in ieder geval in de tegenovergestelde richting wordt toegepast.
Eigenschappen, VAC
De uitgangskarakteristiek is een grafiek die de afhankelijkheid van de afvoerstroom van Usi (toegepast op de afvoer- en bronaansluitingen) bij verschillende poortspanningen weergeeft.
Het kan worden onderverdeeld in drie gebieden. Eerst (aan de linkerkant van de grafiek) zien we het ohmse gebied - in deze opening gedraagt de transistor zich als een weerstand, de stroom neemt bijna lineair toe, bereikt een bepaald niveau, gaat naar het verzadigingsgebied (in het midden van de grafiek).
Aan de rechterkant van de grafiek zien we dat de stroom weer begint te groeien, dit is het doorslaggebied, de transistor zou hier niet moeten zijn. De bovenste tak in de figuur is de stroom bij nul Uzi, we zien dat de stroom hier het grootst is.
Hoe hoger de Uzi-spanning, hoe lager de afvoerstroom. Elk van de takken verschilt 0,5 volt bij de poort. Wat we hebben bevestigd door simulatie.
De drain-gate-karakteristiek wordt hier getoond, d.w.z. de afhankelijkheid van de afvoerstroom van de poortspanning bij dezelfde afvoer-bronspanning (in dit voorbeeld 10V), hier is de rastersteek ook 0,5V, we zien opnieuw dat hoe dichter de spanning Uzi bij 0 ligt, hoe groter de afvoer stroom.
In bipolaire transistors was er een parameter als de stroomoverdrachtscoëfficiënt of versterking, deze werd aangeduid als B of H21e of Hfe. In het veld wordt, om de mogelijkheid om de spanning te versterken weer te geven, de steilheid gebruikt, aangeduid met de letter S
Dat wil zeggen, de helling geeft aan hoeveel milliampère (of Ampère) de afvoerstroom groeit met een toename van de poort-bronspanning met het aantal volt met een constante afvoer-bronspanning. Het kan worden berekend uit de drain-gate-karakteristiek, in het bovenstaande voorbeeld is de helling ongeveer 8 mA/V.
Schakelschema's
Net als bipolaire transistors zijn er drie typische schakelcircuits:
1. Met een gemeenschappelijke bron (a). Het wordt het vaakst gebruikt, geeft winst in stroom en vermogen.
2. Met een gemeenschappelijk rolluik (b). Zelden gebruikt, lage ingangsimpedantie, geen versterking.
3. Met een gemeenschappelijke afvoer (c). De spanningsversterking ligt dicht bij 1, de ingangsimpedantie is hoog en de uitgang is laag. Een andere naam is een bronvolger.
Kenmerken, voordelen, nadelen
- verbruikt praktisch geen stuurstroom, het vermindert controleverlies, signaalvervorming, signaalbron huidige overbelasting...
Het belangrijkste voordeel van de veldeffecttransistor: hoge ingangsimpedantie. Ingangsweerstand is de verhouding tussen stroom en poort-bronspanning. Het werkingsprincipe ligt in de besturing met behulp van een elektrisch veld en wordt gevormd wanneer een spanning wordt aangelegd. Dat is FET's zijn spanningsgestuurd.
Gemiddelde frequentie FET-prestaties zijn beter dan bipolair Dit komt doordat er minder tijd nodig is voor de "resorptie" van ladingsdragers in de gebieden van de bipolaire transistor. Sommige moderne bipolaire transistors kunnen zelfs superieur zijn aan veldeffecttransistors, dit komt door het gebruik van meer geavanceerde technologieën, een vermindering van de basisbreedte en andere dingen.
Het lage ruisniveau van veldeffecttransistoren is te wijten aan het ontbreken van een ladingsinjectieproces, zoals bij bipolaire.
Stabiliteit onder temperatuurverandering.
Laag stroomverbruik in geleidende toestand - grotere efficiëntie van uw apparaten.
Het eenvoudigste voorbeeld van het gebruik van een hoge ingangsimpedantie is het afstemmen van apparaten voor het aansluiten van akoestische akoestische gitaren met piëzo-pickups en elektrische gitaren met elektromagnetische pickups op lijningangen met een lage ingangsimpedantie.
Een lage ingangsimpedantie kan ervoor zorgen dat het ingangssignaal daalt, waardoor de vorm in verschillende mate wordt vervormd, afhankelijk van de frequentie van het signaal. Dit betekent dat je dit moet vermijden door een cascade met een hoge ingangsimpedantie in te voeren. Hier is het eenvoudigste diagram van een dergelijk apparaat. Geschikt voor het aansluiten van elektrische gitaren op de line-in ingang van een computer geluidskaart. Hiermee wordt het geluid helderder en het timbre rijker.
Het grootste nadeel is dat dergelijke transistors bang zijn voor statische elektriciteit. Je kunt een element met geëlektrificeerde handen pakken en het zal onmiddellijk mislukken, dit is het gevolg van het besturen van de sleutel met behulp van het veld. Het wordt aanbevolen om met hen te werken in diëlektrische handschoenen die via een speciale armband met aarde zijn verbonden, met een laagspanningssoldeerbout met een geïsoleerde punt, en de transistorkabels kunnen met draad worden vastgemaakt om ze tijdens de installatie kort te sluiten.
Moderne apparaten zijn hier praktisch niet bang voor, omdat er bij de ingang beschermende apparaten zoals zenerdiodes kunnen worden ingebouwd, die werken wanneer de spanning wordt overschreden.
Soms bereiken beginnende radioamateurs angsten tot het punt van absurditeit, zoals het plaatsen van foliedoppen op je hoofd. Alles wat hierboven is beschreven, hoewel het verplicht is, maar het niet naleven van voorwaarden, garandeert niet dat het apparaat defect raakt.
Geïsoleerde gate-veldeffecttransistoren
Dit type transistors wordt actief gebruikt als halfgeleidergestuurde schakelaars. Bovendien werken ze het vaakst in de sleutelmodus (twee standen “aan” en “uit”). Ze hebben verschillende namen:
1. MIS-transistor (metaal-diëlektrische halfgeleider).
2. MOSFET (metaaloxide-halfgeleider).
3. MOSFET-transistor (metaaloxide-halfgeleider).
Onthoud - dit zijn slechts varianten van dezelfde naam. Het diëlektricum, of oxide zoals het ook wordt genoemd, speelt de rol van een isolator voor de poort. In onderstaand schema is de isolator tussen het n-gebied bij de poort en de poort weergegeven als een witte zone met stippen. Het is gemaakt van siliciumdioxide.
Het diëlektricum voorkomt elektrisch contact tussen de poortelektrode en het substraat. In tegenstelling tot een controle pn-overgang, werkt deze niet volgens het principe van junctie-expansie en kanaaloverlap, maar volgens het principe van het veranderen van de concentratie van ladingsdragers in een halfgeleider onder invloed van een extern elektrisch veld. MOSFET's zijn er in twee soorten:
1. Met ingebouwd kanaal.
2. Met geïnduceerd kanaal:
In het schema zie je een transistor met een ingebouwd kanaal. Hieruit kun je al raden dat het principe van zijn werking lijkt op een veldeffecttransistor met een controle-pn-overgang, d.w.z. wanneer de poortspanning nul is, stroomt er stroom door de schakelaar.
Nabij de source en drain ontstaan twee gebieden met een hoog gehalte aan onzuivere ladingsdragers (n+) met verhoogde geleidbaarheid. Een substraat is een P-type basis (in dit geval).
Houd er rekening mee dat het kristal (substraat) is verbonden met de bron; op veel conventionele grafische symbolen wordt het op deze manier getekend. Wanneer de poortspanning toeneemt, verschijnt er een transversaal elektrisch veld in het kanaal, het stoot ladingsdragers (elektronen) af en het kanaal sluit wanneer de drempel Uz wordt bereikt.
Wanneer een negatieve gate-source-spanning wordt toegepast, daalt de afvoerstroom en begint de transistor te sluiten - dit wordt de uitputtingsmodus genoemd.
Wanneer een positieve spanning op de poortbron wordt aangelegd, vindt het omgekeerde proces plaats - de elektronen worden aangetrokken, de stroom neemt toe. Dit is de verrijkingsmodus.
Al het bovenstaande geldt voor MOSFET's met een ingebouwd N-type kanaal. Als een p-type kanaal alle woorden "elektronen" verandert in "gaten", worden de spanningspolariteiten omgekeerd.
Volgens de datasheet van deze transistor ligt de gate-source drempelspanning in de buurt van één volt, en de typische waarde is 1,2 V, laten we dit eens controleren.
De stroom is in microampère. Als je de spanning iets meer verhoogt, zal deze volledig verdwijnen.
Ik koos willekeurig een transistor en kwam een redelijk gevoelig apparaat tegen. Ik zal proberen de polariteit van de spanning te veranderen zodat de poort een positief potentieel heeft, controleer de verrijkingsmodus.
Bij een poortspanning van 1V nam de stroom vier keer toe in vergelijking met 0V (de eerste afbeelding in deze sectie). Hieruit volgt dat het, in tegenstelling tot het vorige type transistors en bipolaire transistors, zonder extra omsnoering, zowel kan werken om de stroom te verhogen als om deze te verlagen. Deze verklaring is erg onbeleefd, maar in de eerste benadering heeft het bestaansrecht.
Alles is hier bijna hetzelfde als in een transistor met een stuurovergang, met uitzondering van de aanwezigheid van een verrijkingsmodus in de uitgangskarakteristiek.
Op de drain-gate-karakteristiek is duidelijk te zien dat een negatieve spanning een uitputtingsmodus en sluiting van de sleutel veroorzaakt, en een positieve spanning aan de gate - verrijking en een grotere opening van de sleutel.
MOSFET's met een geïnduceerd kanaal geleiden geen stroom als er geen spanning op de poort staat, of liever gezegd, er is stroom, maar het is extreem klein, omdat. dit is de tegenstroom tussen het substraat en de sterk gedoteerde afvoer- en brongebieden.
Veldeffecttransistor met een geïsoleerde poort en een geïnduceerd kanaal is een analoog van een normaal open sleutel, er vloeit geen stroom.
In aanwezigheid van een poort-bronspanning, omdat: we beschouwen het geïnduceerde kanaal van het n-type, dan is de spanning positief, onder invloed van het veld worden negatieve ladingsdragers aangetrokken door het poortgebied.
Dit is hoe een "corridor" verschijnt voor elektronen van de bron naar de afvoer, dus er verschijnt een kanaal, de transistor gaat open en er begint stroom doorheen te stromen. We hebben een p-type substraat, de belangrijkste daarin zijn positieve ladingsdragers (gaten), er zijn maar heel weinig negatieve dragers, maar onder invloed van het veld breken ze van hun atomen af en begint hun beweging. Vandaar het gebrek aan geleiding bij afwezigheid van spanning.
De uitgangskarakteristiek herhaalt precies hetzelfde voor de vorige, het enige verschil is dat de spanningen Uzi positief worden.
De drain-gate-karakteristiek laat hetzelfde zien, de verschillen zitten weer in de gate-spanningen.
Bij het overwegen van de stroom-spanningskarakteristieken is het uiterst belangrijk om zorgvuldig te kijken naar de waarden die langs de assen zijn voorgeschreven.
Er is een spanning van 12 V op de sleutel gezet en op de poort hebben we 0. Er loopt geen stroom door de transistor.
Dit betekent dat de transistor helemaal open is, als hij er niet was, zou de stroom in dit circuit 12/10 = 1,2 A zijn. Later heb ik bestudeerd hoe deze transistor werkt, en ontdekte dat hij bij 4 volt begint te openen.
Door elk 0,1V toe te voegen, merkte ik dat met elke tiende volt de stroom meer en meer groeit, en bij 4,6 Volt staat de transistor bijna helemaal open, het verschil met de poortspanning van 20V in de afvoerstroom is slechts 41 mA , bij 1.1 A is dit onzin.
Dit experiment weerspiegelt het feit dat de geïnduceerde kanaaltransistor alleen wordt ingeschakeld wanneer de drempelspanning is bereikt, waardoor deze perfect kan werken als een schakelaar in schakelcircuits. Eigenlijk is de IRF740 een van de meest voorkomende.
Uit de gatestroommetingen bleek dat de veldeffecttransistoren eigenlijk bijna geen stuurstroom verbruiken. Bij een spanning van 4,6 volt was de stroom slechts 888 nA (nano!!!).
Bij een spanning van 20V was het 3,55 A (micro). Voor een bipolaire transistor zou het in de orde van 10 mA zijn, afhankelijk van de versterking, die tienduizenden keren groter is dan voor een veldtransistor.
Niet alle toetsen openen met dergelijke spanningen, dit komt door het ontwerp en de kenmerken van het circuit van de apparaten waar ze worden gebruikt.
Een ontladen capaciteit op het eerste moment vereist een grote laadstroom, en zeldzame besturingsapparaten (pwm-controllers en microcontrollers) hebben sterke uitgangen, dus gebruiken ze drivers voor veldpoorten, zowel in veldeffecttransistoren als in (bipolair met een geïsoleerde poort ). Dit is een versterker die het ingangssignaal omzet in een uitgang met een zodanige grootte en stroomsterkte dat de transistor aan en uit kan worden gezet. De laadstroom wordt ook begrensd door een weerstand in serie met de poort.
Tegelijkertijd kunnen sommige poorten ook worden bestuurd vanaf de microcontrollerpoort via een weerstand (dezelfde IRF740). We hebben dit onderwerp aangeroerd.
Ze lijken op veldeffecttransistoren met een stuurpoort, maar verschillen in die van de UGO, omdat in de transistor zelf de poort is gescheiden van het substraat en de pijl in het midden het type kanaal aangeeft, maar is gericht vanaf de substraat naar het kanaal als het een n-kanaals mosfet is - naar de sluiter en vice versa.
Voor toetsen met een geïnduceerd kanaal:
Het kan er als volgt uitzien:
Let op de Engelse namen van de pinnen, deze worden vaak aangegeven in datasheets en diagrammen.
Voor toetsen met ingebouwd kanaal:
