Транзистори са ефектом поља: принцип рада, склопови, начини рада и моделирање

Већ смо прегледали уређај биполарних транзистора и њихов радСада ћемо сазнати шта су транзистори са ефектом поља. Пољски транзистори су веома чести и у старом и у модерном кругу. Данас се уређаји са изолираном капијом у већој мери користе, данас ћемо говорити о врстама пољских транзистора и њиховим карактеристикама. У чланку ћу на различитим местима направити поређења са биполарним транзисторима.

Дефиниција

Транзистор поља са ефектом поља је полуводички кључ у потпуности контролиран електричним пољем. Ово је главна разлика са становишта праксе од биполарних транзистора, који су под контролом струје. Електрично поље настаје напоном применом на капији у односу на извор. Поларитет управљачког напона зависи од типа канала транзистора. Добра је аналогија са електронским вакуумским цевима.

Друго име транзистора са ефектом поља је униполарно. "УНО" значи једно. У транзисторима са ефектом поља, у зависности од врсте канала, струју врши само једна врста носача рупама или електронима. У биполарним транзисторима, струја је формирана из две врсте носача набоја - електрона и рупа, без обзира на врсту уређаја. Транзистори са ефектом поља у општем случају се могу поделити на:

• транзистори са контролним пн спојем;

• изоловани транзистори са капијом.

Обоје могу бити н-канални и п-канални, позитивни управљачки напон мора се применити на врата првог да би се отворио кључ, а код другог негативан у односу на извор.

Све врсте пољских транзистора имају три излаза (понекад 4, али ретко, срео сам их само у Совјетском и то је било повезано са случајем).

1. Извор (извор носача, аналог биполарног емитра).

2. Стоке (извор носача набоја од извора, аналог колектора биполарног транзистора).

3. Затварач (контролна електрода, аналог мреже на лампама и основе на биполарним транзисторима).

ПН Транзистор

Транзистор се састоји од следећих области:

1. канал;

2. Стоцк;

3. извор;

4. Ролетна.

На слици видите шематску структуру таквог транзистора, налази су повезани са метализираним пресецима капије, извора и одвода. У одређеном кругу (ово је п-канални уређај), капија је н-слој, има мање отпорности од регије канала (п-слоја), а п-н спојна регија је због тога више смештена у п-региону.

Условно графичко означавање:

 

а - транзистор поља н-типа, б - транзистор поља с ефектом п-типа

Да бисте га лакше запамтили, сјетите се ознаке диоде, гдје стрелица показује од п-регије до н-регије. И овде.

Прво стање је примена спољног напона.

Ако се напон примени на такав транзистор, то је плус за одвод, а минус за извор, кроз њега ће тећи велика струја, она ће бити ограничена само отпором канала, спољним отпорима и унутрашњим отпором извора напајања. Можете направити аналогију са нормално затвореним типком. Ова струја се назива Истарт или почетна струја одвода код Ус = 0.

Транзистор поља са ефектом пн спојнице, без примењеног управљачког напона на капији, је што је могуће отворенији.

Напон на одвод и извор се примењује на овај начин:

Главни носачи набоја уводе се путем извора!

То значи да ако је транзистор п-канални, тада је позитиван излаз извора напајања повезан са извором, јер главни носачи су рупе (носиоци позитивног наелектрисања) - то је такозвана проводљивост рупа.Ако је н-канални транзистор спојен на извор, негативан излаз извора напајања, јер у њему су главни носачи набоја електрони (негативни носачи наелектрисања).

Извор је извор главних носача набоја.

Ево резултата моделирања такве ситуације. Са леве стране је п-канал, а на десној страни је н-канални транзистор.

Друго стање - примените напон на затварач

Када се на капију примењује позитивни напон у односу на извор (Ус) за п-канал, а негативни за н-канал, он се помера у супротном смеру, п-н спојна регија шири се према каналу. Као резултат којих се ширина канала смањује, струја опада. Напон врата на којем струја кроз кључ престаје да тече назива се прекидачки напон.

Кључ се почиње затварати.

Достигнут је прекидни напон и кључ је потпуно затворен. Слика са резултатима симулације приказује такво стање за п-канал (леви) и н-канални (десни) тастер. Узгред, на енглеском се такав транзистор назива ЈФЕТ.

Режим рада

Начин рада транзистора са напоном Узи је или нула или обрнуто. Због обрнутог напона, можете „покрити транзистор“, користи се у појачавачима класе А и другим круговима где је потребна глатка регулација.

Режим искључивања се јавља када је Узи = У пресек за сваки транзистор различит, али у сваком случају се примењује у супротном смеру.

Карактеристике, ЦВЦ

Излазна карактеристика је граф који приказује зависност струје одвода од Уци (која се примењује на прикључке одвода и извора) на различитим напонима капица.

Може се поделити у три области. На почетку (на левој страни графикона) видимо охмичку област - у овом интервалу транзистор се понаша као отпорник, струја расте готово линеарно, достижући одређени ниво, прелази у подручје засићења (у средини графикона).

У десном делу графикона видимо да струја поново почиње да расте, ово је регија пукнућа, овде транзистор не би требало да буде лоциран. Највиша грана приказана на слици је струја на нули Ус, видимо да је овде струја највећа.

Што је виши напон Узи, то је нижа струја одвода. Свака грана се разликује за 0,5 волти на капији. Оно што смо потврдили моделингом.

Карактеристика капије за одвод, тј. Зависност струје одвода од напона врата на истом напону одвода (у овом примеру 10В), овде је нагиб мреже такође 0,5 В, поново видимо да што је напон Узи напон ближи 0, то је већа и струја одвода.

У биполарним транзисторима постојао је такав параметар као коефицијент преноса струје или појачање, означен је као Б или Х21е или Хфе. На терену се стрмост користи за приказ могућности повећања напона.

С = дИц / дУ

То јест, стрмост показује колико миљама (или ампера) струја одвода расте с повећањем напона на излазу за број волти при непромењеном напону одвода. Може се израчунати на основу карактеристике капија, у горњем примеру је нагиб око 8 мА / В.

Шеме пребацивања

Као и биполарни транзистори, постоје три типична дијаграма ожичења:

1. Са заједничким извором (а). Најчешће се користи, даје добит у струји и снази.

2. Са заједничким затварачем (б). Ретко коришћен, мала улазна импеданција, без појачања.

3. Са потпуним одводом (ц). Појачање напона је близу 1, улазна импеданција је велика, а излазна импеданција мала. Друго име је сљедбеник извора.

Карактеристике, предности, недостаци

• Главна предност транзистора са ефектом поља велика улазна импеданција. Улазни отпор је однос струје према напону на капији. Принцип рада лежи у управљању електричним пољем, а формира се када се примењује напон. То је поља транзистора.

• Транзистор поља практично не троши контролну струју, је смањује губитак контроле, изобличење сигнала, тренутно преоптерећење извора сигнала ...

• Просечна фреквенција Транзистори са ефектом поља делују боље од биполарних, то је због чињенице да је потребно мање времена за "ресорпцију" носача набоја у подручјима биполарног транзистора. Неки савремени биполарни транзистори могу чак и надмашити теренске, то је због употребе напреднијих технологија, смањења ширине базе и још много тога.

• Низак ниво буке транзистора са ефектом поља резултат је непостојања процеса убризгавања набоја, као у биполарним.

• Стабилност са температуром.

• Мала потрошња енергије у проводљивом стању - већа ефикасност ваших уређаја.

Најједноставнији пример употребе импеданције са високим улазом су компактни уређаји за повезивање електроакустичних гитара са пиезо пицкупима и електричних гитара с електромагнетским пикаповима на линијске улазе са ниском улазном импеданцијом.

Мала улазна импеданција може проузроковати пад улазног сигнала, изобличујући његов облик у различитом степену у зависности од фреквенције сигнала. То значи да ово требате избећи увођењем каскаде са великом улазном импеданцијом. Ево најједноставнијег дијаграма таквог уређаја. Погодно за повезивање електричних гитара на линијски улаз аудио рачунара. С њом ће звук постати свјетлији, а тембре ће бити богатији.

Главни недостатак је што се такви транзистори плаше статике. Можете узети елемент електрифицираним рукама и он ће одмах пропасти, то је последица управљања кључем помоћу поља. Препоручује се да раде са њима у диелектричним рукавицама, повезаним специјалном наруквицом до земље, нисконапонским лемилицом са изолираним врхом, а транзисторски каблови се могу везати жицом како би их кратко спојили током инсталације.

Савремени уређаји се тога практички не боје, јер се на улазу у њих могу уграђивати заштитни уређаји попут зенер диода, који раде када је напон прекорачен.

Понекад, за почетнике радиоаматере, страхови дођу до апсурда, као што је стављање капица са фолијом на главу. Све горе описано, мада је обавезно, али непоштовање било каквих услова, не гарантује квар уређаја.

Изоловани транзистори са ефектом врата

Ова врста транзистора активно се користи као полупроводнички управљани кључ. Штавише, они најчешће раде у режиму кључева (два положаја „укључено“ и „искључено“). Имају неколико имена:

1. МОС транзистор (метал-диелектрични полуводич).

2. МОС транзистор (полуводич металног оксида).

3. МОСФЕТ транзистор (метал-оксид-полуводич).

Запамтите - ово су само истоимене варијације. Диелектрик, или како га још зову оксид, игра улогу изолатора за капију. На доњем дијаграму приказан је изолатор између н-области близу затварача и затварача у облику беле зоне са тачкицама. Направљен је од силицијумског диоксида.

Диелектрик елиминише електрични контакт између електроде врата и подлоге. За разлику од контролног пн спајања, он не ради на принципу ширења спојнице и преклапања канала, већ на принципу промене концентрације носача наелектрисања у полуводичу под утицајем спољног електричног поља. МОСФЕТ-ови су две врсте:

1. Са интегрисаним каналом.

2. Са индукованим каналом

Каналски интегрисани транзистори

На дијаграму видите транзистор са интегрисаним каналом. Из ње се већ може наслутити да принцип његовог деловања подсећа на транзистор са ефектом поља с контролним п-н спојом, тј. када је напон на вратима нула, струја тече кроз прекидач.

У близини извора и умиваоника стварају се две области са високим садржајем носача набоја нечистоће (н +) са повећаном проводљивошћу. Супстрат је база типа П (у овом случају).

Имајте на уму да је кристал (супстрат) повезан са извором, црта се на многим конвенционалним графичким симболима.Када се напон на капији повећа, у каналу се појављује попречно електрично поље, оно одбија носаче набоја (електроне), а канал се затвара када се досегне вредност прага Уз.

Режим рада

Када се примени негативни напон на извору, испусна струја опадне, транзистор се почиње затварати - то се назива нагнути режим.

Када се позитивни напон примењује на извор капија, долази до обрнутог процеса - привлаче се електрони, струја расте. Ово је начин обогаћивања.

Све горе наведено важи за МОС транзисторе са интегрисаним каналом Н-типа. Ако п-тип канала све речи „електрона“ замени са „рупама“, поларитет напона је обрнут.

Моделирање

Транзистор са уграђеним н-типе каналом са нултим напоном:

На затварач наносимо -1 В. Струја је смањена за 20 пута.

Према листи података за овај транзистор, имамо напон граничног напона на подручју од једног волта, а његова типична вредност је 1,2 В, проверите ово.

 

Струја је постала у микроамперама. Ако мало више повећате напон, он ће потпуно нестати.

Насумично сам изабрао транзистор и наишао на прилично осетљив уређај. Покушаћу да променим поларитет напона тако да капија има позитиван потенцијал, проверићемо режим обогаћивања.

На напону од 1 В струја се повећала четири пута у поређењу са оним на 0 В (прва слика у овом одељку). Из тога слиједи да, за разлику од претходног типа транзистора и биполарних транзистора, може радити и на повећању струје и на смањењу без додатног везивања. Та је изјава врло непристојна, али у првом апроксимацији има право на постојање.

Карактеристике

Овде је све готово исто као у транзистору са контролним прелазом, осим присуства режима обогаћивања у излазној карактеристици.

На карактеристици одводних врата јасно се види да негативни напон изазива начин испражњења и затварања кључа, а позитивни напон на капији узрокује обогаћивање и веће отварање кључа.

Каналски транзистори

МОСФЕТ-ови са индукованим каналом не воде струју када нема напона на капији, или боље речено, постоји струја, али је изузетно мала, јер ово је повратна струја између подлоге и високо легираних подручја одвода и извора.

Транзистор са ефектом поља са изолованом капијом и индукованим каналом аналог је нормално отвореном прекидачу, струја не тече.

У присуству напона капија, као сматрамо н-тип индукованог канала, напон је позитиван, негативни носачи се привлаче у област врата дејством поља.

Дакле, постоји „коридор“ за електроне од извора до одвода па се појављује канал, транзистор се отвара и кроз њега почиње тећи струја. Имамо супстрат п-типа, главни у њему су носачи позитивног набоја (рупе), врло је мало негативних носача, али под утицајем поља они се одвајају од атома и њихово кретање почиње. Отуда недостатак проводљивости у одсуству напона.

Карактеристике

Излазна карактеристика тачно понавља исту разлику од претходних, само што напони Уз постају позитивни.

Карактеристика затворених врата показује исту ствар, опет разлике у напонима капица.

Када разматрамо карактеристике напона струје, изузетно је важно пажљиво сагледати вредности написане дуж осе.

Моделирање

На кључ је примењен напон од 12 В, а имали смо 0. На капији струја не тече кроз транзистор.

Додајте 1 волт на капију, али струја није мислила да тече ...

Додајући један волт, открио сам да струја почиње да расте од 4В.

Додајући још 1 Волт, струја је нагло порасла на 1,129 А.

Датасхеет означава праг напона за отварање овог транзистора у делу од 2 до 4 волта, а максималан на капији од капије до -20 до + 20 В, даљи прирасти напона нису дали резултате на 20 волти (неколико миксера нисам Мислим у овом случају).

То значи да би транзистор био потпуно отворен, да није њега, струја у овом кругу била би 12/10 = 1,2 А. Касније сам проучавао како овај транзистор ради и открио сам да се при 4 волта почиње отварати.

Додајући сваки по 0,1 В, приметио сам да са сваком десетином волта струја расте све више и више, а за 4,6 волт транзистор је скоро потпуно отворен, разлика са напоном од 20В у струји одвода износи само 41 мА, при 1,1 А глупости.

Овај експеримент одражава чињеницу да се транзистор са индукованим каналом отвара тек када се достигне праг напона, што му омогућава да савршено функционише као кључ у пулсним круговима. Заправо, ИРФ740 је један од најчешћих у замењивању напајања.

Резултати мерења струје врата показали су да транзистори са ефектом поља готово да не троше контролну струју. На напону од 4,6 волти, струја је износила само 888 нА (нано !!!).

На напону од 20 В био је 3,55 µА (микро). За биполарни транзистор био би реда 10 мА, зависно од појачања, који је у десетинама хиљада пута више од пољског.

Нису сви тастери отворени таквим напонима, то је због дизајна и карактеристика кола на уређајима на којима се користе.

Карактеристике употребе тастера са изолираном затварачем

Два проводника, а између њих и диелектрик - шта је то? Ово је транзистор, сама капија има паразитски капацитет, успорава процес пребацивања транзистора. То се зове Миллер Платеау, уопште, ово питање је достојно засебног озбиљног материјала с прецизним моделовањем, користећи други софтвер (нису ово функцију проверили у мултисим).

Испуњени капацитет у првом тренутку захтева велику струју пуњења, а ретки управљачки уређаји (ПВМ контролери и микроконтролери) имају снажне излазе, па оне користе покретаче за пољске затвараче, како у транзисторима са пољским ефектима, тако и у ИГБТ (биполарно са изолованим затварачем). Ово је такво појачало које претвара улазни сигнал у излаз такве величине и јачине струје, довољан да укључи и искључи транзистор. Струја наелектрисања је такође ограничена отпорником који је серијски повезан са капијом.

У исто време, неки се капти могу контролисати са порта микроконтролера преко отпорника (исти ИРФ740). Дотакли смо се ове теме. у циклусу ардуино материјала.

Условна графика

Подсећају на транзисторе са ефектом поља са контролним вратима, али се разликују по томе што је на УГО-у, као и у самом транзистору, капија одвојена од подлоге, а стрелица у средини означава врсту канала, али је усмерена од супстрата до канала, ако је то н-канални мусфет - према затварачу и обрнуто.

За кључеве са индукованим каналом:

То би могло изгледати овако:

Обратите пажњу на називе закључака на енглеском језику који су често назначени на листи података и на дијаграмима.

За кључеве са уграђеним каналом: