Transistores de efecto de campo: principio de funcionamiento, circuitos, modos de funcionamiento y modelado.

Ya hemos revisado dispositivo de transistores bipolares y su trabajoAhora veamos qué son los transistores de efecto de campo. Los transistores de efecto de campo son muy comunes tanto en los circuitos antiguos como en los modernos. Hoy en día, los dispositivos con una puerta aislada se utilizan en mayor medida, hablaremos sobre los tipos de transistores de efecto de campo y sus características hoy. En el artículo, haré comparaciones con transistores bipolares en lugares separados.

Definición

Un transistor de efecto de campo es una llave semiconductora totalmente controlable controlada por un campo eléctrico. Esta es la principal diferencia desde el punto de vista de la práctica de los transistores bipolares, que están controlados por la corriente. Un campo eléctrico es creado por un voltaje aplicado a la puerta en relación con la fuente. La polaridad del voltaje de control depende del tipo de canal del transistor. Existe una buena analogía con los tubos electrónicos de vacío.

Otro nombre para los transistores de efecto de campo es unipolar. "UNO" significa uno. En los transistores de efecto de campo, dependiendo del tipo de canal, la corriente se lleva a cabo por un solo tipo de portador por agujeros o electrones. En los transistores bipolares, la corriente se formó a partir de dos tipos de portadores de carga: electrones y agujeros, independientemente del tipo de dispositivos. Los transistores de efecto de campo en el caso general se pueden dividir en:

• transistores con una unión de control pn;

• transistores de puerta aislados.

Ambos pueden ser canal n y canal p, se debe aplicar un voltaje de control positivo a la puerta del primero para abrir la llave, y para el segundo, negativo con respecto a la fuente.

Todos los tipos de transistores de efecto de campo tienen tres salidas (a veces 4, pero rara vez, me encontré solo en soviético y estaba conectado al caso).

1. Fuente (fuente portadora, emisor bipolar analógico).

2. Stoke (una fuente de portadores de carga de la fuente, un análogo del colector de un transistor bipolar).

3. Obturador (electrodo de control, análogo de una rejilla en lámparas y bases en transistores bipolares).

Transistor PN Transistor

El transistor consta de las siguientes áreas:

1. canal;

2. Stock;

3. La fuente;

4. Persiana.

En la imagen se ve una estructura esquemática de dicho transistor, los resultados están conectados a las secciones metalizadas de la puerta, fuente y drenaje. En un circuito específico (este es un dispositivo de canal p), la puerta es una capa n, tiene menos resistividad que la región del canal (capa p), y la región de unión p-n está más ubicada en la región p por esta razón.

Designación gráfica condicional:

 

a - transistor de efecto de campo tipo n, b - transistor de efecto de campo tipo p

Para que sea más fácil de recordar, recuerde la designación del diodo, donde la flecha apunta desde la región p a la región n. Aquí también

El primer estado es aplicar voltaje externo.

Si se aplica voltaje a dicho transistor, más al drenaje y menos a la fuente, una gran corriente fluye a través de él, estará limitado solo por la resistencia del canal, las resistencias externas y la resistencia interna de la fuente de alimentación. Puede dibujar una analogía con una clave normalmente cerrada. Esta corriente se llama Istart o la corriente de drenaje inicial en Us = 0.

Un transistor de efecto de campo con un control de unión pn, sin el voltaje de control aplicado a la puerta, está lo más abierto posible.

El voltaje al drenaje y la fuente se aplica de esta manera:

¡Los principales portadores de carga se introducen a través de la fuente!

Esto significa que si el transistor es canal p, entonces la salida positiva de la fuente de alimentación está conectada a la fuente, porque los portadores principales son agujeros (portadores de carga positiva): esta es la llamada conductividad del agujero.Si el transistor de canal n está conectado a la fuente, la salida negativa de la fuente de alimentación, porque en él, los principales portadores de carga son electrones (portadores de carga negativa).

La fuente es la fuente de los principales portadores de carga.

Aquí están los resultados de modelar tal situación. A la izquierda hay un canal p, y a la derecha hay un transistor de canal n.

El segundo estado: aplique voltaje al obturador

Cuando se aplica un voltaje positivo a la puerta en relación con la fuente (Us) para el canal p y negativo para el canal n, se desplaza en la dirección opuesta, la región de unión p-n se expande hacia el canal. Como resultado de lo cual disminuye el ancho del canal, disminuye la corriente. El voltaje de la puerta al que la corriente a través de la tecla deja de fluir se llama voltaje de corte.

La llave comienza a cerrarse.

Se alcanza el voltaje de corte y la llave está completamente cerrada. La imagen con los resultados de la simulación muestra dicho estado para las teclas p-channel (izquierda) y n-channel (derecha). Por cierto, en inglés dicho transistor se llama JFET.

Modos de funcionamiento

El modo de operación del transistor con un voltaje Uзи es cero o inverso. Debido al voltaje inverso, puede "cubrir el transistor", utilizado en amplificadores de clase A y otros circuitos donde se necesita una regulación suave.

El modo de corte ocurre cuando Uzi = U corte para cada transistor es diferente, pero en cualquier caso se aplica en la dirección opuesta.

Características, CVC

Una característica de salida es un gráfico que representa la dependencia de la corriente de drenaje en Uci (aplicada a los terminales del drenaje y la fuente) en varios voltajes de puerta.

Se puede dividir en tres áreas. Al principio (en el lado izquierdo del gráfico) vemos la región óhmica: en este intervalo, el transistor se comporta como una resistencia, la corriente aumenta casi linealmente, alcanzando un cierto nivel, entra en la región de saturación (en el centro del gráfico).

En la parte derecha del gráfico vemos que la corriente comienza a crecer nuevamente, esta es la región de descomposición, aquí el transistor no debe ubicarse. La rama superior que se muestra en la figura es la corriente en cero Us, vemos que la corriente aquí es la más grande.

Cuanto mayor es el voltaje Uzi, menor es la corriente de drenaje. Cada una de las ramas difiere en 0.5 voltios en la puerta. Lo que confirmamos por modelado.

La característica de la compuerta de drenaje, es decir Dependencia de la corriente de drenaje del voltaje de la compuerta con el mismo voltaje de fuente de drenaje (en este ejemplo 10 V), aquí el paso de la red también es de 0.5 V, nuevamente vemos que cuanto más cercano es el voltaje Uzi a 0, mayor es la corriente de drenaje.

En los transistores bipolares, había un parámetro como el coeficiente de transferencia actual o ganancia, se denotaba como B o H21e o Hfe. En el campo, la inclinación se usa para mostrar la capacidad de aumentar el voltaje, se indica con la letra S

S = dIc / dU

Es decir, la inclinación muestra cuántos miliamperios (o amperios) crece la corriente de drenaje con un aumento en el voltaje de la fuente de compuerta por el número de voltios con un voltaje de fuente de drenaje sin cambios. Se puede calcular sobre la base de la característica puerta-puerta; en el ejemplo anterior, la pendiente es de aproximadamente 8 mA / V.

Esquemas de cambio

Al igual que los transistores bipolares, hay tres diagramas de cableado típicos:

1. Con una fuente común (a). Se usa con mayor frecuencia, da ganancia en corriente y potencia.

2. Con un obturador común (b). Raramente utilizado, baja impedancia de entrada, sin ganancia.

3. Con un drenaje total (c). La ganancia de voltaje es cercana a 1, la impedancia de entrada es grande y la impedancia de salida es baja. Otro nombre es un seguidor fuente.

Características, ventajas, desventajas.

• La principal ventaja del transistor de efecto de campo alta impedancia de entrada. La resistencia de entrada es la relación entre la corriente y el voltaje de la fuente de puerta. El principio de funcionamiento radica en el control que utiliza un campo eléctrico, y se forma cuando se aplica voltaje. Eso es transistores de efecto de campo.

• Transistor de efecto de campo prácticamente no consume corriente de control, es reduce la pérdida de control, distorsión de señal, sobrecarga de corriente de la fuente de señal ...

• Frecuencia media Los transistores de efecto de campo funcionan mejor que los bipolares, esto se debe al hecho de que se requiere menos tiempo para la "reabsorción" de los portadores de carga en las áreas de un transistor bipolar. Algunos transistores bipolares modernos pueden incluso superar los de campo, esto se debe al uso de tecnologías más avanzadas, a la reducción del ancho de la base, y más.

• El bajo nivel de ruido de los transistores de efecto de campo se debe a la ausencia de un proceso de inyección de carga, como en los bipolares.

• Estabilidad con la temperatura.

• Bajo consumo de energía en estado conductivo: mayor eficiencia de sus dispositivos.

El ejemplo más simple del uso de una alta impedancia de entrada es la combinación de dispositivos para conectar guitarras electroacústicas con pastillas piezoeléctricas y guitarras eléctricas con pastillas electromagnéticas a entradas de línea con baja impedancia de entrada.

Una baja impedancia de entrada puede causar una caída en la señal de entrada, distorsionando su forma en grados variables dependiendo de la frecuencia de la señal. Esto significa que debe evitar esto introduciendo una cascada con una alta impedancia de entrada. Aquí está el diagrama más simple de dicho dispositivo. Adecuado para conectar guitarras eléctricas a la entrada de línea de la tarjeta de audio de la computadora. Con él, el sonido se vuelve más brillante y el timbre es más rico.

La principal desventaja es que tales transistores tienen miedo a la estática. Puede tomar un elemento con sus manos electrificadas e inmediatamente fallará, esto es una consecuencia de administrar la clave usando el campo. Se recomienda trabajar con ellos en guantes dieléctricos, conectados a través de un brazalete especial a tierra, con un soldador de bajo voltaje con una punta aislada, y los cables del transistor se pueden atar con un cable para cortocircuitarlos durante la instalación.

Los dispositivos modernos prácticamente no tienen miedo de esto, porque en la entrada a ellos se pueden incorporar dispositivos de protección como diodos zener, que funcionan cuando se excede el voltaje.

A veces, para los radioaficionados principiantes, los miedos alcanzan el punto de lo absurdo, como poner tapas de aluminio en la cabeza. Todo lo descrito anteriormente, aunque es obligatorio, pero no observar ninguna condición no garantiza la falla del dispositivo.

Transistores de efecto de campo de puerta aislada

Este tipo de transistor se usa activamente como una llave controlada por semiconductores. Además, funcionan con mayor frecuencia en el modo clave (dos posiciones "encendido" y "apagado"). Tienen varios nombres:

1. Transistor MOS (metal-dieléctrico-semiconductor).

2. Transistor MOS (semiconductor de óxido de metal).

3. Transistor MOSFET (semiconductor de óxido de metal).

Recuerde: estas son solo variaciones del mismo nombre. El dieléctrico, o como también se le llama óxido, desempeña el papel de un aislante para la puerta. En el siguiente diagrama, se muestra un aislante entre la región n cerca del obturador y el obturador en forma de una zona blanca con puntos. Está hecho de dióxido de silicio.

El dieléctrico elimina el contacto eléctrico entre el electrodo de puerta y el sustrato. A diferencia de la unión pn de control, no funciona con el principio de expandir la unión y superponer el canal, sino con el principio de cambiar la concentración de portadores de carga en el semiconductor bajo la influencia de un campo eléctrico externo. Los MOSFET son de dos tipos:

1. Con canal integrado.

2. Con canal inducido

Transistores integrados de canal

En el diagrama puede ver un transistor con un canal integrado. Ya se puede suponer que el principio de su funcionamiento se asemeja a un transistor de efecto de campo con una unión de control p-n, es decir. cuando el voltaje de la puerta es cero, la corriente fluye a través del interruptor.

Cerca de la fuente y el sumidero, se crean dos regiones con un alto contenido de portadores de carga de impurezas (n +) con mayor conductividad. Un sustrato es una base de tipo P (en este caso).

Tenga en cuenta que el cristal (sustrato) está conectado a la fuente, se dibuja en muchos símbolos gráficos convencionales.Cuando aumenta el voltaje de la puerta, surge un campo eléctrico transversal en el canal, repele los portadores de carga (electrones) y el canal se cierra cuando se alcanza el valor umbral Uз.

Modos de funcionamiento

Cuando se aplica un voltaje negativo de fuente de compuerta, la corriente de drenaje cae, el transistor comienza a cerrarse, esto se llama modo de inclinación.

Cuando se aplica un voltaje positivo a la fuente de la puerta, se produce el proceso inverso: los electrones son atraídos y la corriente aumenta. Este es un modo de enriquecimiento.

Todo lo anterior es cierto para los transistores MOS con un canal integrado de tipo N. Si el canal tipo p reemplaza todas las palabras "electrones" con "agujeros", la polaridad del voltaje se invierte.

Modelado

Transistor con canal incorporado de tipo n con voltaje de puerta cero:

Aplicamos -1V al obturador. La corriente disminuyó 20 veces.

De acuerdo con la hoja de datos para este transistor, tenemos un umbral de voltaje de fuente de puerta en la región de un voltio, y su valor típico es 1.2 V, verifique esto.

 

La corriente se ha convertido en microamperios. Si aumenta el voltaje un poco más, desaparecerá por completo.

Elegí un transistor al azar, y me encontré con un dispositivo bastante sensible. Intentaré cambiar la polaridad del voltaje para que la puerta tenga un potencial positivo, verificaremos el modo de enriquecimiento.

Con un voltaje de puerta de 1 V, la corriente aumentó cuatro veces, en comparación con lo que era a 0 V (primera imagen en esta sección). De ello se deduce que, a diferencia del tipo anterior de transistores y transistores bipolares, puede funcionar tanto para aumentar la corriente como para disminuir sin flejes adicionales. Esta afirmación es muy grosera, pero en una primera aproximación tiene derecho a existir.

Caracteristicas

Aquí, todo es casi lo mismo que en un transistor con una transición de control, excepto por la presencia de un modo de enriquecimiento en la característica de salida.

En la característica de compuerta de drenaje, se ve claramente que un voltaje negativo hace que el modo agote y cierre la llave, y un voltaje positivo en el obturador provoca el enriquecimiento y una mayor apertura de la llave.

Transistores inducidos por canal

Los MOSFET con un canal inducido no conducen corriente cuando no hay voltaje en la puerta, o más bien, hay corriente, pero es extremadamente pequeña, porque Esta es la corriente de retorno entre el sustrato y las áreas de alta aleación del drenaje y la fuente.

El transistor de efecto de campo con una puerta aislada y un canal inducido es un análogo de un interruptor normalmente abierto, la corriente no fluye.

En presencia de un voltaje de fuente de puerta, como consideramos el tipo n del canal inducido, el voltaje es positivo, los portadores negativos son atraídos a la región de la puerta por la acción del campo.

Por lo tanto, hay un "corredor" para que los electrones de la fuente drenen, por lo que aparece un canal, el transistor se abre y la corriente comienza a fluir a través de él. Tenemos un sustrato tipo p, los principales son portadores de carga positiva (agujeros), hay muy pocos portadores negativos, pero bajo la influencia del campo se desprenden de sus átomos y comienza su movimiento. De ahí la falta de conductividad en ausencia de voltaje.

Caracteristicas

La característica de salida repite exactamente la misma diferencia de las anteriores, solo que los voltajes Uz se vuelven positivos.

La característica de puerta cerrada muestra lo mismo, las diferencias nuevamente en los voltajes de la puerta.

Al considerar las características de voltaje de corriente, es extremadamente importante observar cuidadosamente los valores escritos a lo largo de los ejes.

Modelado

Se aplicó un voltaje de 12 V a la llave, y tuvimos 0. En la puerta, la corriente no fluye a través del transistor.

Agregue 1 voltio a la puerta, pero la corriente no pareció fluir ...

Agregando un voltio, descubrí que la corriente comienza a crecer desde 4v.

Añadiendo otro 1 voltio, la corriente aumentó bruscamente a 1.129 A.

La hoja de datos indica el voltaje de umbral para abrir este transistor en una sección de 2 a 4 voltios, y el máximo en una puerta de puerta de -20 a +20 V, los incrementos de voltaje adicionales no dieron resultados a 20 voltios (no hice varios miliamperios Pienso en este caso).

Esto significa que el transistor estaría completamente abierto, si no fuera así, la corriente en este circuito sería 12/10 = 1.2 A. Luego estudié cómo funciona este transistor y descubrí que a 4 voltios comienza a abrirse.

Agregando 0.1V cada uno, noté que con cada décima de voltio, la corriente crece más y más, y en 4.6 voltios el transistor está casi completamente abierto, la diferencia con el voltaje de la puerta de 20V en la corriente de drenaje es de solo 41 mA, a 1.1 A sin sentido

Este experimento refleja el hecho de que el transistor con un canal inducido se abre solo cuando se alcanza el voltaje de umbral, lo que le permite funcionar perfectamente como una clave en los circuitos de pulso. En realidad, IRF740 es uno de los más comunes. en el cambio de fuentes de alimentación.

Los resultados de las mediciones de la corriente de compuerta mostraron que los transistores de efecto de campo casi no consumen corriente de control. A un voltaje de 4.6 voltios, la corriente era de solo 888 nA (nano !!!).

A un voltaje de 20 V, fue de 3,55 μA (micro). Para un transistor bipolar, sería del orden de 10 mA, dependiendo de la ganancia, que es decenas de miles de veces más que uno de efecto de campo.

No todas las teclas se abren con tales voltajes, esto se debe al diseño y las características de los circuitos de los dispositivos donde se usan.

Características del uso de llaves con un obturador aislado

Dos conductores, y entre ellos un dieléctrico, ¿qué es? Este es un transistor, la puerta en sí tiene una capacidad parásita, ralentiza el proceso de conmutación del transistor. Esto se llama Miller Plateau, en general, este problema es digno de un material serio separado con modelado preciso, utilizando otro software (no verifiqué esta función en multisim).

Una capacidad descargada en el primer momento requiere una gran corriente de carga, y los dispositivos de control raros (controladores PWM y microcontroladores) tienen salidas fuertes, por lo que utilizan controladores para persianas de campo, tanto en transistores de efecto de campo como en IGBT (bipolar con un obturador aislado). Este es un amplificador que convierte la señal de entrada en una salida de tal magnitud y intensidad de corriente, suficiente para encender y apagar el transistor. La corriente de carga también está limitada por una resistencia conectada en serie con la puerta.

Al mismo tiempo, algunas puertas pueden controlarse desde el puerto del microcontrolador a través de una resistencia (el mismo IRF740). Tocamos este tema. en el ciclo de material arduino.

Gráficos condicionales

Se parecen a los transistores de efecto de campo con una puerta de control, pero difieren en eso en el UGO, ya que en el transistor en sí, la puerta está separada del sustrato y la flecha en el centro indica el tipo de canal, pero se dirige desde el sustrato al canal, si es un mosfet de canal n - hacia la persiana y viceversa.

Para llaves con canal inducido:

Podría verse así:

Preste atención a los nombres en inglés de las conclusiones, a menudo se indican en la hoja de datos y en los diagramas.

Para teclas con un canal incorporado: