Veldeffecttransistors: werkingsprincipe, circuits, bedrijfsmodi en modellering

We hebben het al beoordeeld apparaat van bipolaire transistoren en hun werkingLaten we nu eens kijken wat veldeffecttransistors zijn. Veldeffecttransistors komen veel voor in zowel oude schakelingen als modern. Tegenwoordig worden apparaten met een geïsoleerde poort in grotere mate gebruikt, we zullen het hebben over de soorten veldeffecttransistors en hun kenmerken vandaag. In het artikel zal ik vergelijkingen maken met bipolaire transistoren op afzonderlijke plaatsen.

definitie

Een veldeffecttransistor is een volledig bestuurbare halfgeleidertoets die wordt bestuurd door een elektrisch veld. Dit is het belangrijkste verschil vanuit het oogpunt van de praktijk van bipolaire transistoren die worden geregeld door stroom. Een elektrisch veld wordt gecreëerd door een spanning op de poort ten opzichte van de bron. De polariteit van de stuurspanning is afhankelijk van het type transistorkanaal. Er is een goede analogie met elektronische vacuümbuizen.

Een andere naam voor veldeffecttransistors is unipolair. "UNO" betekent een. In veldeffecttransistors, afhankelijk van het type kanaal, wordt de stroom uitgevoerd door slechts één type drager door gaten of elektronen. In bipolaire transistoren werd de stroom gevormd uit twee soorten ladingsdragers - elektronen en gaten, ongeacht het type apparaten. Veldeffecttransistors kunnen in het algemeen worden onderverdeeld in:

• transistoren met een controle pn-overgang;

• geïsoleerde gate transistors.

Beiden kunnen n-kanaal en p-kanaal zijn, een positieve stuurspanning moet worden aangelegd op de poort van de eerste om de sleutel te openen, en voor de laatste negatief ten opzichte van de bron.

Alle soorten veldeffecttransistors hebben drie uitgangen (soms 4, maar zelden ontmoette ik alleen in de Sovjet-Unie en het was verbonden met de zaak).

1. Bron (dragerbron, analoog van bipolaire zender).

2. Stoke (een bron van ladingsdragers van de bron, een analoog van de collector van een bipolaire transistor).

3. Sluiter (stuurelektrode, analoog van een rooster op lampen en bases op bipolaire transistoren).

PN Transistor Transistor

De transistor bestaat uit de volgende gebieden:

1. kanaal;

2. Voorraad;

3. De bron;

4. Sluiter.

In de afbeelding ziet u een schematische structuur van een dergelijke transistor, de conclusies zijn verbonden met de gemetalliseerde secties van de poort, bron en afvoer. 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 p-n-verbindingsgebied bevindt zich om deze reden meer in het p-gebied.

Voorwaardelijke grafische aanduiding:

 

a - veldeffecttransistor n-type, b - veldeffecttransistor p-type

Om het onthouden gemakkelijker te maken, onthoudt u de aanduiding van de diode, waarbij de pijl van het p-gebied naar het n-gebied wijst. Ook hier.

De eerste status is om externe spanning toe te passen.

Als een spanning wordt aangebracht op een dergelijke transistor, plus op de afvoer, en minus naar de bron, stroomt er een grote stroom door, dan wordt deze alleen beperkt door de kanaalweerstand, externe weerstanden en interne weerstand van de stroombron. U kunt een analogie tekenen met een normaal gesloten sleutel. Deze stroom wordt Istart genoemd of de initiële afvoerstroom bij Us = 0.

Een veldeffecttransistor met een pn-junctiebesturing, zonder aangelegde stuurspanning op de poort, is zo open mogelijk.

De spanning naar de afvoer en de bron wordt op deze manier aangelegd:

De belangrijkste ladingdragers worden via de bron geïntroduceerd!

Dit betekent dat als de transistor een p-kanaal is, de positieve uitgang van de voedingsbron is verbonden met de bron, omdat de belangrijkste dragers zijn gaten (positieve ladingsdragers) - dit is de zogenaamde geleidbaarheid van gaten.Als de n-kanaal transistor is aangesloten op de bron, is de negatieve uitgang van de stroombron, omdat daarin zijn de belangrijkste ladingsdragers elektronen (negatieve ladingsdragers).

De bron is de bron van de belangrijkste ladingsdragers.

Hier zijn de resultaten van het modelleren van een dergelijke situatie. Links is een p-kanaal en rechts is een n-kanaal transistor.

De tweede status - breng spanning op de sluiter

Wanneer een positieve spanning wordt aangelegd op de poort ten opzichte van de bron (Us) voor het p-kanaal en negatief voor het n-kanaal, verschuift deze in de tegenovergestelde richting, het p-n-verbindingsgebied breidt zich uit naar het kanaal. Als gevolg waarvan de kanaalbreedte afneemt, neemt de stroom af. De poortspanning waarbij de stroom door de sleutel stopt met stromen wordt de afschakelspanning genoemd.

De sleutel begint te sluiten.

De uitschakelspanning is bereikt en de sleutel is volledig gesloten. De afbeelding met de simulatieresultaten toont een dergelijke status voor de toetsen p-kanaal (links) en n-kanaal (rechts). Trouwens, in het Engels wordt zo'n transistor JFET genoemd.

Bedrijfsmodi

De bedrijfsmodus van de transistor met een spanning Uзи is nul of omgekeerd. Vanwege de omgekeerde spanning kunt u "de transistor bedekken", deze wordt gebruikt in klasse A-versterkers en andere circuits waarvoor een soepele regeling nodig is.

De cutoff-modus treedt op wanneer Uzi = U-cutoff voor elke transistor anders is, maar in ieder geval wordt het in de tegenovergestelde richting toegepast.

Kenmerken, CVC

Een uitgangskarakteristiek is een grafiek die de afhankelijkheid van de afvoerstroom van Uci (toegepast op de aansluitingen van de afvoer en de bron) bij verschillende poortspanningen weergeeft.

Kan in drie gebieden worden verdeeld. Aan het begin (aan de linkerkant van de grafiek) zien we het ohmse gebied - in dit interval gedraagt ​​de transistor zich als een weerstand, de stroom neemt bijna lineair toe en bereikt een bepaald niveau, gaat naar het verzadigingsgebied (in het midden van de grafiek).

Rechts in de grafiek zien we dat de stroom weer begint te groeien, dit is het afbraakgebied, hier moet de transistor zich niet bevinden. De bovenste vertakking in de figuur is de stroom op nul Us, we zien dat de stroom hier de grootste is.

Hoe hoger de spanning Uzi, hoe lager de afvoerstroom. Elk van de takken verschilt met 0,5 volt bij de poort. Wat we hebben bevestigd door modellering.

De afvoerpoortkarakteristiek, d.w.z. afhankelijkheid van de drainstroom van de gate-spanning bij dezelfde drain-source-spanning (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 drainstroom.

In bipolaire transistoren was er een parameter als de huidige overdrachtscoëfficiënt of versterking, deze werd aangeduid als B of H21e of Hfe. In het veld wordt de steilheid gebruikt om het vermogen om de spanning te verhogen weer te geven. Dit wordt aangegeven door de letter S

S = dIc / dU

Dat wil zeggen, de steilheid toont hoeveel milliampère (of ampères) de drainstroom groeit met een toename van de gate-source spanning met het aantal volt bij een onveranderde drain-source spanning. Het kan worden berekend op basis van de gate-gate-karakteristiek; in het bovenstaande voorbeeld is de helling ongeveer 8 mA / V.

Schakelschema's

Net als bipolaire transistors zijn er drie typische bedradingsschema's:

1. Met een gemeenschappelijke bron (a). Het wordt het meest gebruikt, geeft winst in stroom en vermogen.

2. Met een gemeenschappelijke sluiter (b). Zelden gebruikt, lage ingangsimpedantie, geen versterking.

3. Met een totale afvoer (c). De spanningsversterking is bijna 1, de ingangsimpedantie is groot en de uitgangsimpedantie is laag. Een andere naam is een bronvolger.

Kenmerken, voordelen, nadelen

• Het belangrijkste voordeel van de veldeffecttransistor hoge ingangsimpedantie. Ingangsweerstand is de verhouding tussen stroom en gate-source spanning. Het werkingsprincipe ligt in de besturing met behulp van een elektrisch veld en wordt gevormd wanneer spanning wordt aangelegd. Dat is veldeffecttransistors.

• Veldeffecttransistor verbruikt praktisch geen stuurstroom, het is zo vermindert besturingsverlies, signaalvervorming, huidige overbelasting van de signaalbron ...

• Gemiddelde frequentie Veldeffecttransistoren presteren beter dan bipolairdit is te wijten aan het feit dat minder tijd nodig is voor de "resorptie" van ladingsdragers in de gebieden van een bipolaire transistor. Sommige moderne bipolaire transistors kunnen zelfs die van het veld overtreffen, dit komt door het gebruik van meer geavanceerde technologieën, waardoor de breedte van de basis wordt verkleind, en meer.

• Het lage geluidsniveau van veldeffecttransistoren is te wijten aan het ontbreken van een ladingsinjectieproces, zoals in bipolaire.

• Stabiliteit met temperatuur.

• Laag stroomverbruik in geleidende toestand - grotere efficiëntie van uw apparaten.

Het eenvoudigste voorbeeld van het gebruik van een hoge ingangsimpedantie is het aanpassen van apparaten voor het aansluiten van elektro-akoestische gitaren met piëzo-pickups en elektrische gitaren met elektromagnetische pickups op lineaire ingangen met lage ingangsimpedantie.

Een lage ingangsimpedantie kan een daling van het ingangssignaal veroorzaken, waardoor de vorm in verschillende mate vervormt, afhankelijk van de frequentie van het signaal. Dit betekent dat u dit moet vermijden door een cascade met een hoge ingangsimpedantie te introduceren. Hier is het eenvoudigste diagram van een dergelijk apparaat. Geschikt voor het aansluiten van elektrische gitaren op de lijningang van de geluidskaart van de computer. 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 nemen met je geëlektrificeerde handen en het zal onmiddellijk falen, dit is een gevolg van het beheren van de sleutel met behulp van het veld. Ze worden aanbevolen om met hen te werken in diëlektrische handschoenen, verbonden via een speciale armband met aarde, met een laagspanningssoldeerbout met een geïsoleerde punt, en de transistorleidingen kunnen met draad worden vastgebonden om ze tijdens de installatie kort te sluiten.

Moderne apparaten zijn hier praktisch niet bang voor, want bij de ingang ervan kunnen beschermende apparaten zoals zenerdiodes worden ingebouwd, die werken wanneer de spanning wordt overschreden.

Soms, voor beginnende radioamateurs, bereiken angsten het punt van absurditeit, zoals het plaatsen van foliekappen op het hoofd. Alles hierboven beschreven, hoewel het verplicht is, maar geen enkele voorwaarde in acht neemt, garandeert niet dat het apparaat uitvalt.

Transistoren met veldeffect met geïsoleerde poort

Dit type transistor wordt actief gebruikt als een halfgeleider gestuurde sleutel. Bovendien werken ze meestal in de toetsmodus (twee standen "aan" en "uit"). Ze hebben verschillende namen:

1. MOS-transistor (metaal-diëlektrische halfgeleider).

2. MOS-transistor (metaaloxide-halfgeleider).

3. MOSFET-transistor (metaaloxide-halfgeleider).

Onthoud - dit zijn slechts varianten van dezelfde naam. Het diëlektricum, of zoals het ook oxide wordt genoemd, speelt de rol van een isolator voor de poort. In het onderstaande diagram wordt een isolator weergegeven tussen het n-gebied bij de sluiter en de sluiter in de vorm van een witte zone met stippen. Het is gemaakt van siliciumdioxide.

Het diëlektricum elimineert elektrisch contact tussen de poortelektrode en het substraat. In tegenstelling tot de besturingspn-junctie werkt het niet op het principe van het uitbreiden van de overgang en kanaaloverlap, maar op het principe van het veranderen van de concentratie van ladingsdragers in de halfgeleider onder invloed van een extern elektrisch veld. MOSFET's zijn van twee soorten:

1. Met geïntegreerd kanaal.

2. Met geïnduceerd kanaal

Kanaalgeïntegreerde transistors

In het diagram ziet u een transistor met een geïntegreerd kanaal. Men kan er al uit raden dat het werkingsprincipe lijkt op een veldeffecttransistor met een besturingspn-overgang, d.w.z. wanneer de poortspanning nul is, stroomt de stroom door de schakelaar.

Nabij de bron en de gootsteen worden twee regio's met een hoog gehalte aan onzuiverheidsladingsdragers (n +) met verhoogde geleidbaarheid gecreëerd. Een substraat is een P-type basis (in dit geval).

Let op: het kristal (substraat) is verbonden met de bron, het is getekend op vele conventionele grafische symbolen.Wanneer de poortspanning toeneemt, ontstaat een dwars elektrisch veld in het kanaal, het stoot ladingdragers (elektronen) af en het kanaal sluit wanneer de drempelwaarde Uz wordt bereikt.

Bedrijfsmodi

Wanneer een negatieve gate-source spanning wordt aangelegd, daalt de drain-stroom, begint de transistor te sluiten - dit wordt de lean-modus 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 een verrijkingsmodus.

Al het bovenstaande geldt voor MOS-transistors met een geïntegreerd kanaal van het N-type. Als het p-type kanaal alle woorden "elektronen" vervangt door "gaten", is de polariteit van de spanning omgekeerd.

modellering

Transistor met ingebouwd n-type kanaal met nulpoortspanning:

We passen -1V toe op de sluiter. Stroom daalde met 20 keer.

Volgens het gegevensblad voor deze transistor hebben we een drempelspoort-bronspanning in het bereik van één volt en de typische waarde is 1,2 V, controleer dit.

 

De stroom is geworden in microampes. Als u de spanning iets meer verhoogt, verdwijnt deze volledig.

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, we zullen de verrijkingsmodus controleren.

Bij een gate-spanning van 1 V nam de stroom vier keer toe in vergelijking met wat het was bij 0 V (eerste foto in deze sectie). Hieruit volgt dat het, in tegenstelling tot het vorige type transistoren en bipolaire transistoren, zowel kan werken om de stroom te verhogen als te verlagen zonder extra omsnoering. Deze verklaring is zeer onbeleefd, maar heeft in een eerste benadering bestaansrecht.

kenmerken van

Hier is alles bijna hetzelfde als in een transistor met een besturingsovergang, behalve de aanwezigheid van een verrijkingsmodus in de uitgangskarakteristiek.

Op de drain-gate-karakteristiek is duidelijk te zien dat een negatieve spanning de modus van uitputting en sluiting van de sleutel veroorzaakt, en een positieve spanning bij de gate verrijking en grotere opening van de sleutel veroorzaakt.

Kanaalgeïnduceerde transistoren

MOSFET's met een geïnduceerd kanaal geleiden geen stroom wanneer er geen spanning op de poort is, of liever gezegd, er is stroom, maar deze is extreem klein, omdat dit is de retourstroom tussen het substraat en de hooggelegeerde gebieden van de afvoer en de bron.

Veldeffecttransistor met een geïsoleerde poort en een geïnduceerd kanaal is een analoog van een normaal open schakelaar, er vloeit geen stroom.

In aanwezigheid van een gate-source spanning, zoals we beschouwen het n-type van het geïnduceerde kanaal, de spanning is positief, negatieve dragers worden aangetrokken naar het poortgebied door de actie van het veld.

Er is dus een 'gang' voor elektronen van bron naar 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 heel weinig negatieve dragers, maar onder invloed van het veld maken ze los van hun atomen en begint hun beweging. Vandaar het gebrek aan geleidbaarheid bij afwezigheid van spanning.

kenmerken van

De uitgangskarakteristiek herhaalt precies hetzelfde verschil met de vorige, alleen dat de spanningen Uz positief worden.

De close-gate karakteristiek toont hetzelfde, de verschillen weer in de gate-spanningen.

Bij het overwegen van de stroomspanningskarakteristieken is het uiterst belangrijk om zorgvuldig naar de waarden langs de assen te kijken.

modellering

Een spanning van 12 V werd aangelegd op de sleutel en we hadden 0. Bij de gate stroomt er geen stroom door de transistor.

Voeg 1 volt toe aan de poort, maar de stroom dacht niet te vloeien ...

Door één volt toe te voegen, ontdekte ik dat de stroom vanaf 4V begint te groeien.

Met nog 1 Volt steeg de stroom sterk tot 1.129 A.

Het gegevensblad geeft de drempelspanning aan voor het openen van deze transistor in een sectie van 2 tot 4 volt, en het maximum op een gate-to-gate van -20 tot +20 V, verdere spanningsstappen leverden geen resultaten op bij 20 volt (meerdere milliampères ik niet Ik denk in dit geval).

Dit betekent dat de transistor volledig open zou zijn, anders zou de stroom in dit circuit 12/10 = 1,2 A zijn. Later heb ik onderzocht hoe deze transistor werkt en ontdekte dat hij bij 4 volt begint te openen.

Elk 0,1V optellend, merkte ik op dat met elke tiende van een volt, de stroom meer en meer groeit, en met 4,6 volt de transistor bijna volledig open is, het verschil met de poortspanning van 20V in de afvoerstroom is slechts 41 mA, bij 1,1 A het onzin.

Dit experiment weerspiegelt het feit dat de transistor met een geïnduceerd kanaal alleen wordt geopend wanneer de drempelspanning wordt bereikt, waardoor deze perfect kan werken als een sleutel in pulscircuits. Eigenlijk is IRF740 een van de meest voorkomende in schakelende voedingen.

De resultaten van metingen van de poortstroom toonden aan dat veldeffecttransistoren bijna geen stuurstroom verbruiken. Bij een spanning van 4,6 volt was de stroom slechts 888 nA (nano !!!).

Bij een spanning van 20 V was dit 3,55 μA (micro). Voor een bipolaire transistor zou deze in de orde van 10 mA zijn, afhankelijk van de versterking, die tienduizenden keren meer is dan een versterking met veldeffect.

Niet alle sleutels worden geopend door dergelijke spanningen, dit is te wijten aan het ontwerp en de functies van de schakelingen van apparaten waar ze worden gebruikt.

Kenmerken van het gebruik van toetsen met een geïsoleerde sluiter

Twee geleiders, en tussen hen een diëlektricum - wat is het? Dit is een transistor, de poort zelf heeft een parasitaire capaciteit, het vertraagt ​​het proces van het schakelen van de transistor. Dit wordt het Miller Plateau genoemd, in het algemeen is deze vraag een apart serieus materiaal waardig met nauwkeurige modellering, met behulp van andere software (heeft deze functie niet aangevinkt in multisim).

Een ontladen capaciteit op het eerste moment van de tijd vereist een grote laadstroom, en zeldzame besturingsapparaten (PWM-controllers en microcontrollers) hebben sterke uitgangen, dus ze gebruiken drivers voor veldluiken, zowel in veldeffecttransistors als in IGBT (bipolair met een geïsoleerde sluiter). Dit is zo'n versterker die het ingangssignaal omzet in een uitgang met een dergelijke grootte en stroomsterkte, voldoende om de transistor in en uit te schakelen. De laadstroom wordt ook beperkt door een weerstand die in serie is geschakeld met de poort.

Tegelijkertijd kunnen sommige poorten vanaf de microcontroller-poort worden bestuurd via een weerstand (dezelfde IRF740). We hebben dit onderwerp besproken. in de arduino-materiaalcyclus.

Voorwaardelijke grafische weergave

Ze lijken op veldeffecttransistors met een stuurpoort, maar verschillen daarin dat op de UGO, zoals in de transistor zelf, de poort wordt gescheiden van het substraat en de pijl in het midden het type kanaal aangeeft, maar van het substraat naar het kanaal wordt geleid, als het een n-kanaal mosfet is - naar de sluiter en vice versa.

Voor toetsen met geïnduceerd kanaal:

Het kan er zo uitzien:

Let op de Engelse namen van de conclusies, deze worden vaak aangegeven op de datasheet en op de diagrammen.

Voor toetsen met een ingebouwd kanaal: