Feldeffekttransistoren: Funktionsprinzip, Schaltungen, Betriebsarten und Modellierung

Wir haben bereits überprüft Gerät von Bipolartransistoren und deren ArbeitLassen Sie uns nun herausfinden, was Feldeffekttransistoren sind. Feldeffekttransistoren sind sowohl in alten als auch in modernen Schaltkreisen sehr verbreitet. Heutzutage werden Geräte mit einem isolierten Gate in größerem Umfang verwendet. Wir werden heute über die Arten von Feldeffekttransistoren und ihre Merkmale sprechen. In dem Artikel werde ich Vergleiche mit Bipolartransistoren an verschiedenen Stellen anstellen.

Definition

Ein Feldeffekttransistor ist ein vollständig steuerbarer Halbleiterschlüssel, der von einem elektrischen Feld gesteuert wird. Dies ist der Hauptunterschied aus Sicht der Praxis von Bipolartransistoren, die durch Strom gesteuert werden. Ein elektrisches Feld wird durch eine Spannung erzeugt, die relativ zur Quelle an das Gate angelegt wird. Die Polarität der Steuerspannung hängt von der Art des Transistorkanals ab. Es gibt eine gute Analogie zu elektronischen Vakuumröhren.

Ein anderer Name für Feldeffekttransistoren ist unipolar. "UNO" bedeutet eins. Bei Feldeffekttransistoren wird der Strom je nach Kanaltyp nur von einem Trägertyp durch Löcher oder Elektronen ausgeführt. In Bipolartransistoren wurde der Strom aus zwei Arten von Ladungsträgern gebildet - Elektronen und Löchern, unabhängig von der Art der Bauelemente. Feldeffekttransistoren können im allgemeinen Fall unterteilt werden in:

• Transistoren mit einem Steuer-pn-Übergang;

• isolierte Gate-Transistoren.

Beide können n-Kanal und p-Kanal sein, eine positive Steuerspannung muss an das Gate des ersteren angelegt werden, um den Schlüssel zu öffnen, und für das letztere negativ in Bezug auf die Quelle.

Alle Arten von Feldeffekttransistoren haben drei Ausgänge (manchmal 4, aber selten habe ich mich nur auf sowjetisch getroffen und es war mit dem Fall verbunden).

1. Quelle (Trägerquelle, bipolares Emitteranalog).

2. Stoke (eine Quelle von Ladungsträgern von der Quelle, ein Analogon des Kollektors eines Bipolartransistors).

3. Verschluss (Steuerelektrode, analog eines Gitters an Lampen und Sockel an Bipolartransistoren).

PN Transistor Transistor

Der Transistor besteht aus folgenden Bereichen:

1. Kanal;

2. Lager;

3. Die Quelle;

4. Verschluss.

In der Abbildung sehen Sie eine schematische Struktur eines solchen Transistors. Die Ergebnisse sind mit den metallisierten Abschnitten von Gate, Source und Drain verbunden. In einer bestimmten Schaltung (dies ist eine p-Kanal-Vorrichtung) ist das Gate eine n-Schicht, hat einen geringeren spezifischen Widerstand als der Kanalbereich (p-Schicht) und der pn-Übergangsbereich befindet sich aus diesem Grund mehr im p-Bereich.

Bedingte grafische Bezeichnung:

 

a - Feldeffekttransistor n-Typ, b - Feldeffekttransistor p-Typ

Denken Sie zur leichteren Erinnerung an die Bezeichnung der Diode, bei der der Pfeil vom p-Bereich zum n-Bereich zeigt. Auch hier.

Der erste Zustand ist das Anlegen einer externen Spannung.

Wenn an einen solchen Transistor eine Spannung angelegt wird, plus an den Drain und minus an die Source, fließt ein großer Strom durch ihn, der nur durch den Kanalwiderstand, die externen Widerstände und den Innenwiderstand der Stromquelle begrenzt wird. Sie können eine Analogie mit einem normalerweise geschlossenen Schlüssel zeichnen. Dieser Strom wird Istart oder der anfängliche Drainstrom bei Us = 0 genannt.

Ein Feldeffekttransistor mit einer pn-Sperrschichtsteuerung ohne die an das Gate angelegte Steuerspannung ist so offen wie möglich.

Die Spannung an Drain und Source wird folgendermaßen angelegt:

Die Hauptladungsträger werden durch die Quelle eingeführt!

Dies bedeutet, dass, wenn der Transistor ein p-Kanal ist, der positive Ausgang der Stromquelle mit der Quelle verbunden ist, weil Die Hauptträger sind Löcher (positive Ladungsträger) - dies ist die sogenannte Lochleitfähigkeit.Wenn der n-Kanal-Transistor an die Quelle angeschlossen ist, ist der negative Ausgang der Stromquelle, weil darin sind die Hauptladungsträger Elektronen (negative Ladungsträger).

Die Quelle ist die Quelle der Hauptladungsträger.

Hier sind die Ergebnisse der Modellierung einer solchen Situation. Links ist ein p-Kanal und rechts ist ein n-Kanal-Transistor.

Der zweite Zustand - Legen Sie eine Spannung an den Verschluss an

Wenn eine positive Spannung an das Gate relativ zur Source (Us) für den p-Kanal und eine negative für den n-Kanal angelegt wird, verschiebt sie sich in die entgegengesetzte Richtung, der pn-Übergangsbereich dehnt sich in Richtung des Kanals aus. Infolgedessen nimmt die Kanalbreite ab, der Strom nimmt ab. Die Gate-Spannung, bei der der Strom durch den Schlüssel nicht mehr fließt, wird als Abschaltspannung bezeichnet.

Der Schlüssel beginnt sich zu schließen.

Die Abschaltspannung ist erreicht und der Schlüssel ist vollständig geschlossen. Das Bild mit den Simulationsergebnissen zeigt einen solchen Zustand für die Tasten p-Kanal (links) und n-Kanal (rechts). Im Englischen heißt ein solcher Transistor übrigens JFET.

Betriebsarten

Die Betriebsart des Transistors mit einer Spannung Uзи ist entweder Null oder umgekehrt. Aufgrund der Sperrspannung können Sie den Transistor "abdecken". Er wird in Verstärkern der Klasse A und anderen Schaltkreisen verwendet, in denen eine reibungslose Regelung erforderlich ist.

Der Abschaltmodus tritt auf, wenn Uzi = U-Abschaltung für jeden Transistor unterschiedlich ist, aber in jedem Fall in die entgegengesetzte Richtung angewendet wird.

Eigenschaften, CVC

Eine Ausgangskennlinie ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Drainstroms von Uci (an die Anschlüsse von Drain und Source angelegt) bei verschiedenen Gatespannungen darstellt.

Kann in drei Bereiche unterteilt werden. Zu Beginn (auf der linken Seite des Diagramms) sehen wir den ohmschen Bereich - in diesem Intervall verhält sich der Transistor wie ein Widerstand, der Strom steigt fast linear an, erreicht einen bestimmten Pegel und geht in den Sättigungsbereich (in der Mitte des Diagramms).

Im rechten Teil des Diagramms sehen wir, dass der Strom wieder zu wachsen beginnt. Dies ist der Durchbruchbereich. Hier sollte sich der Transistor nicht befinden. Der in der Abbildung gezeigte oberste Zweig ist der Strom bei Null Us, wir sehen, dass der Strom hier der größte ist.

Je höher die Spannung Uzi ist, desto niedriger ist der Drainstrom. Jeder der Zweige unterscheidet sich am Gate um 0,5 Volt. Was wir durch Modellierung bestätigt haben.

Die Drain-Gate-Charakteristik, d.h. Abhängigkeit des Drainstroms von der Gate-Spannung bei gleicher Drain-Source-Spannung (in diesem Beispiel 10V), hier beträgt der Gitterabstand ebenfalls 0,5V. Wir sehen wieder, dass der Drain-Strom umso größer ist, je näher die Spannung Uzi an 0 liegt.

In Bipolartransistoren gab es einen Parameter wie den Stromübertragungskoeffizienten oder die Stromverstärkung, der als B oder H21e oder Hfe bezeichnet wurde. Im Feld wird die Steilheit verwendet, um die Fähigkeit zur Spannungserhöhung anzuzeigen. Sie wird durch den Buchstaben S angezeigt

S = dIc / dU

Das heißt, die Steilheit zeigt, wie viel Milliampere (oder Ampere) der Drainstrom mit einer Erhöhung der Gate-Source-Spannung um die Anzahl der Volt bei einer unveränderten Drain-Source-Spannung wächst. Sie kann auf der Basis der Gate-Gate-Charakteristik berechnet werden, im obigen Beispiel beträgt die Steigung etwa 8 mA / V.

Schaltschemata

Wie bei Bipolartransistoren gibt es drei typische Schaltpläne:

1. Mit einer gemeinsamen Quelle (a). Es wird am häufigsten verwendet, gibt Strom- und Leistungsgewinn.

2. Mit einem gemeinsamen Verschluss (b). Selten verwendet, niedrige Eingangsimpedanz, keine Verstärkung.

3. Mit einem Gesamtablauf (c). Die Spannungsverstärkung liegt nahe bei 1, die Eingangsimpedanz ist groß und die Ausgangsimpedanz ist niedrig. Ein anderer Name ist ein Quellenfolger.

Eigenschaften, Vor- und Nachteile

• Der Hauptvorteil des Feldeffekttransistors hohe Eingangsimpedanz. Der Eingangswiderstand ist das Verhältnis von Strom zu Gate-Source-Spannung. Das Funktionsprinzip liegt in der Steuerung über ein elektrisches Feld und entsteht beim Anlegen einer Spannung. Also Feldeffekttransistoren.

• Feldeffekttransistor verbraucht praktisch keinen Steuerstrom, Das reduziert Kontrollverlust, Signalverzerrung, Stromüberlastung der Signalquelle ...

• Durchschnittliche Häufigkeit Feldeffekttransistoren arbeiten besser als bipolarDies liegt an der Tatsache, dass weniger Zeit für die "Resorption" von Ladungsträgern in den Bereichen eines Bipolartransistors benötigt wird. Einige moderne Bipolartransistoren können sogar Feldtransistoren übertreffen. Dies ist auf die Verwendung fortschrittlicherer Technologien, die Verringerung der Basisbreite und vieles mehr zurückzuführen.

• Der niedrige Rauschpegel von Feldeffekttransistoren ist auf das Fehlen eines Ladungsinjektionsprozesses zurückzuführen, wie bei bipolaren.

• Stabilität mit der Temperatur.

• Geringer Stromverbrauch im leitenden Zustand - höhere Effizienz Ihrer Geräte.

Das einfachste Beispiel für die Verwendung einer hohen Eingangsimpedanz sind Anpassungsvorrichtungen zum Verbinden von elektroakustischen Gitarren mit Piezo-Tonabnehmern und elektrischen Gitarren mit elektromagnetischen Tonabnehmern mit linearen Eingängen mit niedriger Eingangsimpedanz.

Eine niedrige Eingangsimpedanz kann zu einem Abfall des Eingangssignals führen und dessen Form je nach Frequenz des Signals in unterschiedlichem Maße verzerren. Dies bedeutet, dass Sie dies vermeiden müssen, indem Sie eine Kaskade mit einer hohen Eingangsimpedanz einführen. Hier ist das einfachste Diagramm eines solchen Geräts. Geeignet zum Anschließen von E-Gitarren an den Line-Eingang der Audiokarte des Computers. Dadurch wird der Klang heller und das Timbre reicher.

Der Hauptnachteil besteht darin, dass solche Transistoren Angst vor statischer Aufladung haben. Sie können ein Element mit Ihren elektrifizierten Händen nehmen und es wird sofort versagen. Dies ist eine Folge der Verwaltung des Schlüssels über das Feld. Es wird empfohlen, mit ihnen in dielektrischen Handschuhen zu arbeiten, die über ein spezielles Armband mit einem Niederspannungslötkolben mit isolierter Spitze mit Masse verbunden sind. Die Transistorleitungen können mit Draht verbunden werden, um sie während der Installation kurzzuschließen.

Moderne Geräte haben praktisch keine Angst davor, denn am Eingang können Schutzvorrichtungen wie Zenerdioden eingebaut werden, die bei Überschreitung der Spannung arbeiten.

Für Anfänger-Funkamateure erreichen Ängste manchmal den Punkt der Absurdität, wie das Aufsetzen von Folienkappen auf den Kopf. Alles, was oben beschrieben wurde, obwohl es obligatorisch ist, aber keine Bedingungen beachtet, garantiert nicht den Ausfall des Geräts.

Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate

Dieser Transistortyp wird aktiv als halbleitergesteuerter Schlüssel verwendet. Darüber hinaus arbeiten sie am häufigsten im Tastenmodus (zwei Positionen „Ein“ und „Aus“). Sie haben mehrere Namen:

1. MOS-Transistor (Metall-Dielektrikum-Halbleiter).

2. MOS-Transistor (Metalloxidhalbleiter).

3. MOSFET-Transistor (Metalloxid-Halbleiter).

Denken Sie daran - dies sind nur Variationen des gleichen Namens. Das Dielektrikum oder auch Oxid genannt, spielt die Rolle eines Isolators für das Gate. In der folgenden Abbildung ist ein Isolator zwischen dem n-Bereich in der Nähe des Verschlusses und dem Verschluss in Form einer weißen Zone mit Punkten dargestellt. Es besteht aus Siliziumdioxid.

Das Dielektrikum eliminiert den elektrischen Kontakt zwischen der Gateelektrode und dem Substrat. Im Gegensatz zum Steuer-pn-Übergang funktioniert er nicht nach dem Prinzip der Erweiterung des Übergangs und der Überlappung des Kanals, sondern nach dem Prinzip der Änderung der Ladungsträgerkonzentration im Halbleiter unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes. Es gibt zwei Arten von MOSFETs:

1. Mit integriertem Kanal.

2. Mit induziertem Kanal

Kanalintegrierte Transistoren

Im Diagramm sehen Sie einen Transistor mit integriertem Kanal. Daraus kann man bereits erraten, dass das Prinzip seines Betriebs einem Feldeffekttransistor mit einem pn-Steuerübergang ähnelt, d.h. Wenn die Gate-Spannung Null ist, fließt Strom durch den Schalter.

In der Nähe von Quelle und Senke werden zwei Regionen mit einem hohen Gehalt an Verunreinigungsladungsträgern (n +) mit erhöhter Leitfähigkeit erzeugt. Ein Substrat ist eine Basis vom P-Typ (in diesem Fall).

Bitte beachten Sie, dass der Kristall (Substrat) mit der Quelle verbunden ist und auf vielen herkömmlichen Grafiksymbolen gezeichnet ist.Wenn die Gate-Spannung ansteigt, entsteht im Kanal ein elektrisches Querfeld, das Ladungsträger (Elektronen) abstößt und der Kanal schließt, wenn der Schwellenwert Uз erreicht ist.

Betriebsarten

Wenn eine negative Gate-Source-Spannung angelegt wird, fällt der Drain-Strom ab, der Transistor beginnt zu schließen - dies wird als Mager-Modus bezeichnet.

Wenn eine positive Spannung an die Gate-Quelle angelegt wird, tritt der umgekehrte Prozess auf - die Elektronen werden angezogen, der Strom steigt an. Dies ist ein Anreicherungsmodus.

All dies gilt für MOS-Transistoren mit einem integrierten Kanal vom N-Typ. Wenn der p-Kanal alle Wörter "Elektronen" durch "Löcher" ersetzt, wird die Polarität der Spannung umgekehrt.

Modellierung

Transistor mit eingebautem n-Kanal mit Gate-Spannung Null:

Wir legen -1V an den Verschluss an. Der Strom nahm um das 20-fache ab.

Gemäß dem Datenblatt für diesen Transistor haben wir eine Gate-Source-Schwellenspannung im Bereich von einem Volt, und ihr typischer Wert beträgt 1,2 V. Überprüfen Sie dies.

 

Der Strom ist in Mikroampere geworden. Wenn Sie die Spannung etwas weiter erhöhen, verschwindet sie vollständig.

Ich habe zufällig einen Transistor ausgewählt und bin auf ein ziemlich empfindliches Gerät gestoßen. Ich werde versuchen, die Polarität der Spannung so zu ändern, dass das Gate ein positives Potential hat. Wir werden den Anreicherungsmodus überprüfen.

Bei einer Gate-Spannung von 1 V erhöhte sich der Strom um das Vierfache gegenüber 0 V (erstes Bild in diesem Abschnitt). Daraus folgt, dass es im Gegensatz zu den vorherigen Arten von Transistoren und Bipolartransistoren sowohl zur Erhöhung des Stroms als auch zur Verringerung ohne zusätzliche Umreifung arbeiten kann. Diese Aussage ist sehr unhöflich, hat aber in erster Näherung ein Existenzrecht.

Eigenschaften

Hier ist fast alles das gleiche wie bei einem Transistor mit Steuerübergang, außer dass ein Anreicherungsmodus in der Ausgangscharakteristik vorhanden ist.

An der Drain-Gate-Charakteristik ist deutlich zu erkennen, dass eine negative Spannung die Art der Verarmung und des Schließens des Schlüssels verursacht und eine positive Spannung am Gate eine Anreicherung und ein größeres Öffnen des Schlüssels bewirkt.

Kanalinduzierte Transistoren

MOSFETs mit einem induzierten Kanal leiten keinen Strom, wenn keine Spannung am Gate vorhanden ist, oder vielmehr, wenn Strom vorhanden ist, aber er ist extrem klein, weil Dies ist der Rückstrom zwischen dem Substrat und den hochlegierten Bereichen von Drain und Source.

Feldeffekttransistor mit einem isolierten Gate und einem induzierten Kanal ist ein Analogon eines normalerweise offenen Schalters, es fließt kein Strom.

Bei Vorhandensein einer Gate-Source-Spannung als Wir betrachten den n-Typ des induzierten Kanals, die Spannung ist positiv, negative Ladungsträger werden durch die Wirkung des Feldes vom Gate-Bereich angezogen.

Es gibt also einen „Korridor“ für Elektronen von Source zu Drain, sodass ein Kanal erscheint, der Transistor sich öffnet und Strom durch ihn fließt. Wir haben ein Substrat vom p-Typ, die wichtigsten sind positive Ladungsträger (Löcher), es gibt nur sehr wenige negative Ladungsträger, aber unter dem Einfluss des Feldes lösen sie sich von ihren Atomen und ihre Bewegung beginnt. Daher der Mangel an Leitfähigkeit bei fehlender Spannung.

Eigenschaften

Die Ausgangskennlinie wiederholt genau den gleichen Unterschied zu den vorherigen, nur dass die Spannungen Uz positiv werden.

Die Close-Gate-Charakteristik zeigt das gleiche, die Unterschiede wieder in den Gate-Spannungen.

Bei der Betrachtung der Strom-Spannungs-Eigenschaften ist es äußerst wichtig, die entlang der Achsen angegebenen Werte sorgfältig zu betrachten.

Modellierung

An den Schlüssel wurde eine Spannung von 12 V angelegt, und wir hatten 0. Am Gate fließt kein Strom durch den Transistor.

Fügen Sie dem Gate 1 Volt hinzu, aber der Strom glaubte nicht zu fließen ...

Beim Hinzufügen von einem Volt stellte ich fest, dass der Strom von 4 V an zu wachsen beginnt.

Durch Hinzufügen von weiteren 1 Volt stieg der Strom stark auf 1,129 A an.

Das Datenblatt gibt die Schwellenspannung zum Öffnen dieses Transistors in einem Abschnitt von 2 bis 4 Volt und das Maximum bei einem Gate-zu-Gate von -20 bis +20 V an. Weitere Spannungsinkremente ergaben keine Ergebnisse bei 20 Volt (einige Milliampere habe ich nicht Ich denke in diesem Fall).

Dies bedeutet, dass der Transistor vollständig geöffnet wäre, wenn dies nicht der Fall wäre. Der Strom in dieser Schaltung wäre 12/10 = 1,2 A. Später habe ich untersucht, wie dieser Transistor funktioniert, und festgestellt, dass er bei 4 Volt zu öffnen beginnt.

Beim Hinzufügen von jeweils 0,1 V bemerkte ich, dass der Strom mit jedem Zehntel Volt immer mehr wächst und der Transistor um 4,6 Volt fast vollständig offen ist. Die Differenz zur Gate-Spannung von 20 V im Drain-Strom beträgt nur 41 mA bei 1,1 A. Unsinn.

Dieses Experiment spiegelt die Tatsache wider, dass der Transistor mit einem induzierten Kanal erst öffnet, wenn die Schwellenspannung erreicht ist, wodurch er perfekt als Schlüssel in Impulsschaltungen arbeiten kann. Tatsächlich ist IRF740 eines der am häufigsten verwendeten beim Schalten von Netzteilen.

Die Ergebnisse von Messungen des Gate-Stroms zeigten, dass Feldeffekttransistoren fast keinen Steuerstrom verbrauchen. Bei einer Spannung von 4,6 Volt betrug der Strom nur 888 nA (Nano !!!).

Bei einer Spannung von 20 V betrug sie 3,55 μA (Mikro). Für einen Bipolartransistor würde er in der Größenordnung von 10 mA liegen, abhängig von der Verstärkung, die zehntausende Male höher ist als eine Feldverstärkung.

Nicht alle Tasten werden durch solche Spannungen geöffnet. Dies ist auf das Design und die Merkmale der Schaltkreise der Geräte zurückzuführen, in denen sie verwendet werden.

Merkmale der Verwendung von Schlüsseln mit isoliertem Verschluss

Zwei Leiter und dazwischen ein Dielektrikum - was ist das? Dies ist ein Transistor, das Gate selbst hat eine parasitäre Kapazität, es verlangsamt den Prozess des Schaltens des Transistors. Dies wird als Miller-Plateau bezeichnet. Im Allgemeinen verdient diese Frage ein gesondertes ernstes Material mit genauer Modellierung unter Verwendung anderer Software (diese Funktion wurde in Multisim nicht überprüft).

Eine entladene Kapazität im ersten Moment erfordert einen großen Ladestrom, und seltene Steuergeräte (PWM-Controller und Mikrocontroller) haben starke Ausgänge, sodass sie Treiber für Feldverschlüsse sowohl in Feldeffekttransistoren als auch in Feldern verwenden IGBT (bipolar mit einem isolierten Verschluss). Dies ist ein solcher Verstärker, der das Eingangssignal in einen Ausgang mit einer solchen Größe und Stromstärke umwandelt, die ausreicht, um den Transistor ein- und auszuschalten. Der Ladestrom wird auch durch einen Widerstand begrenzt, der in Reihe mit dem Gate geschaltet ist.

Gleichzeitig können einige Gates vom Mikrocontroller-Port über einen Widerstand (der gleiche IRF740) gesteuert werden. Wir haben dieses Thema angesprochen. im Arduino-Materialkreislauf.

Bedingte Grafiken

Sie ähneln Feldeffekttransistoren mit einem Steuergatter, unterscheiden sich jedoch darin, dass beim UGO wie beim Transistor selbst das Gate vom Substrat getrennt ist und der Pfeil in der Mitte den Kanaltyp angibt, jedoch vom Substrat zum Kanal gerichtet ist, wenn es sich um einen n-Kanal-Mosfet handelt. in Richtung Verschluss und umgekehrt.

Für Tasten mit induziertem Kanal:

Es könnte so aussehen:

Achten Sie auf die englischen Namen der Schlussfolgerungen, die häufig auf dem Datenblatt und in den Diagrammen angegeben sind.

Für Schlüssel mit integriertem Kanal: