Полевые транзисторы и их применение djvu
Обновлено: 03.07.2024
Полевые транзисторы используют как аналоговые выключатели. Применение их как выключателей в аналоговых схемах является прямым следствием их способа работы. Это обусловлено тем обстоятельством, что когда напряжение на затворе-источнике, VGS равно нулю, n-канал транзистора будет работать в области насыщения и будет действовать почти как небольшая схема.
Таким образом, напряжение на выходе будет равно нулю (Рисунок 1). С другой стороны, если отрицательное напряжение находится между выводами затвора и источника i.e., если VGS отрицательно, то транзистор работает в области выключения или в области отсечки.
Это означает, что в данном случае полевой транзистор действует как открытая схема и ток стока, ID будет равен нулю. Вследствие этого, напряжение через загрузочное сопротивление RD будет равно нулю, что порождает то обстоятельство, что VDD похоже на V0.
Рисунок 1 Полевой транзистор как аналоговый выключатель
Это свойство вести себя как выключатель может быть использовано для проектирования аналогового мультиплексора, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2 n-к-1 Мультиплексор, использующий полевые транзисторы.
Тут каждый из сигналов на входе (сигнал 1, сигнал 2, … сигнал n) проходит через выделенный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (T1, T2, … Tn) перед контактом с выводом выхода, V0. Тут лишь один сигнал среди множества сигналов на входе возникает на выводе выхода, в зависимости от напряжения VGS на выводах затвора.
К примеру, если VGS2 отрицательное, в то время как все остальные VGS равны нулю, то сигнал на выходе будет Сигналом 2. Более того, способность к выключению у биполярных транзисторов с изолированным затвором используется в двигателе внутреннего сгорания, а именно в обмотках, ответственных за возгорание, которые требуют быстрого выключения и возможностей блокировки напряжения.
Усилители
Переход в полевых транзисторах используется на стадии усиления. Он изолирует предыдущую стадию от следующей стадии и, таким образом, действует как буферные усилители (Рисунок 3). Это обусловлено тем, что такие транзисторы имеют очень высокое полное сопротивление на входе, в силу чего предыдущая стадия будет слегка загружена, вызывая полный выход Стадии 1, возникая на входе буфера.
Можно сделать так, что весь выход буфера будет возникать на входе в Стадии 2, используя данные транзисторы в конфигурации общего стока, благодаря низкому полному сопротивлению на выходе. Это даже значит, что буферные усилители способны к управлению большими нагрузками или сопротивлениями с небольшой нагрузкой.
Рисунок 3 Полевой транзистор как буферный усилитель
Полевые транзисторы являются устройствами, которые издают мало шума, по крайней мере, если сравнивать их с биполярными плоскостными транзисторами. Это делает их полезными компонентами для использования в качестве усилителя на приёмниках с внешним интерфейсом, ведь они нуждаются в минимальном уровне шума на выходе в итоге.
Стоит также отметить, что полевые транзисторы являются устройствами с контролируемым напряжением, что делает их идеальными для использования в качестве усилителей для радио частот. Причина этого в том, что за исключением усилителя для радио частот откликаются достаточно хорошо, даже когда антенны в конце приёмника принимают недельные сигналы (сигналы с очень низким током).
Полевой транзистор как усилитель в конфигурации общего источника может быть использован для управления другим полевым транзистором (усилителем) в конфигурации общего затвора, формируя каскадный усилитель, как показано на рисунке 4.
Хотя коэффициент усиления каскадного усилителя такой же, как и у усилителя в конфигурации с общим источником, его ёмкостное сопротивление на входе весьма низкое, если сравнивать с ним же у усилителя в конфигурации с общим источником. Более того, каскадный усилитель даёт очень высокое сопротивление на входе.
Генератор с фазовращателем
Полевой транзистор даёт высокое полное сопротивление на своих выводах входа, которое уменьшает эффект нагрузки. Также они могут использоваться как для усиления, так и для функций обратной связи. Эта особенность полевых транзисторов делает их подходящими для использования в схемах генераторов с фазовращателем, как показано на рисунке 5.
Рисунок 5 Полевой транзистор как генератор с фазовращателем
Модулятор
Полевой транзистор, действующий как выключатель, может быть использован как модулятор (Рисунок 6), где напряжение постоянного тока, VDS преобразуется в напряжение переменного тока с таким же уровнем амплитуды, VAC. Это вытекает из того, что квадратная форма волны напряжения используется как VGS, в результате чего транзистор действует в области выключения и в области насыщения, попеременно. Такие схемы модулятора помогают преодолеть проблему смещения, которая существует в случае усилителей с непосредственной связью.
Рисунок 6 Полевой транзистор как модулятор
Ограничитель тока
N-канальный полевой транзистор, чей терминал затвора укорочен вместе с выводом источника, действует как ограничитель тока. Это означает, что в этом размещении, полевой транзистор даёт току проходить через них, чтобы достигнуть только определённого уровня, после чего, он становится удерживаемой постоянной, безотносительной к колебаниям уровня напряжения. Эти ограничители тока из интегральной части не изменяющегося постоянного тока или стабилизирующих диодов.
Рисунок 6 Полевой транзистор как ограничитель тока
Полевые транзисторы широко используются в интегрированных схемах из-за их компактного размера. Они используются в схемах микшеров для телевизоров и радиоприемников из-за низких модуляционных искажений. Более того, полевые транзисторы также применяют в резисторах с переменным напряжением в операционных усилителях, схемах контроля звука, ведь они обеспечивают большую изоляцию между их выводами затвора и стока. Полевые транзисторы применяются в таких областях как цифровая электроника и оптоволоконные системы.
Пора подвести итоги: полевой транзистор может использоваться как аналоговый выключатель, как усилитель, как генератор с фазовращателем, как модулятор и как ограничитель тока. Каждый вариант имеет свои особенности, делающие его действительно значимым.
Вряд ли можно переоценить роль полевого транзистора в повседневной жизни. Все перечисленные пять способов его применения имеют очень существенное значение в наши дни. Сложно выделить какое-то наиболее значимое использование среди названных, ведь каждое может оказаться где-то просто незаменимым.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось - это поможет развитию канала
Название: Мощные полевые транзисторы и их применение.
Автор: Окснер Э.С.
В книге американского специалиста рассматриваются принципы работы, конструктивно-технологические особенности и характеристики основных типов мощных полевых транзисторов с управляющим р-п переходом и МДП-структурой, описываются их модели различной сложности и назначения, схемотехника многочисленных устройств, для которых наиболее перспективно использование мощных полевых транзисторов, при этом уделяется внимание режимам их работы и возможным причинам отказов. Для разработчиков электронных приборов и специалистов, занимающихся применением мощных полевых транзисторов.
В настоящее время наблюдается бурный рост производства мощных полевых транзисторов (ПТ), особенно МДП-транзисто-ров. Хотя с момента появления первых мощных ПТ прошло менее 10 лет, по допустимым напряжениям, токам и мощностям они уже достигли уровня современных мощных биполярных транзисторов, а по скоростям переключения и качеству работы на высоких частотах заметно превзошли их. Достигнутая теплоустойчивость и почти полное отсутствие вторичного пробоя в ПТ позволили расширить область безопасной работы и повысить надежность, а также обеспечить простоту их параллельного включения в случае управления более мощными сигналами. Благодаря снижению сопротивления в открытом состоянии до 0,01-0,1 Ом мощные МДП-транзисторы становятся основной элементной базой для построения различных переключающих устройств промышленной и бытовой электроники. Стремительное развитие мощных МДП-транзисторов и микропроцессоров весьма удачно совпало по времени, поскольку исключительно быстрое расширение сферы применения микропроцессорной техники было бы заметно затруднено без таких почти идеальных исполнительных элементов, какими являются мощные МДП-транзисторы, управлять которыми можно зачастую непосредственно от серийных цифровых микросхем.
Оглавление:
Предисловие редактора перевода [5]
Предисловие [6]
1. Введение [8]
1.1. Основные сведения о полевых транзисторах [8]
1.1.1. Различия между полевыми транзисторами с управляющим p-n переходом и МДП транзисторами [9]
1.2. Зачем нужны мощные полевые транзисторы? [11]
1.2.1. Сравнение мощных полевых и биполярных транзисторов [12]
1.2.2. Сравнение тиристора и мощного полевого транзистора [15]
1.2.3. Сравнение мощного полевого транзистора и симистора [16]
1.2.4. Сравнение мощного полевого транзистора и схемы Дарлингтона [17]
1.2.5. Преимущества мощных полевых транзисторов [18]
1.3. Развитие мощных полевых транзисторов [19]
1.3.1. Историческая справка [20]
2. Типы мощных полевых транзисторов [21]
2.1. Введение [21]
2.2. Полевые транзисторы с встроенным каналом [22]
2.3. Полевые транзисторы с индуцированным каналом [23]
2.4. Типы мощных полевых транзисторов [25]
2.4.1. Преимущества цилиндрических мощных полевых транзисторов [27]
2.4.2. Гридистор [32]
2.4.3. Многоканальный полевой транзистор [34]
2.4.4. Статический индукционный транзистор [35]
2.4.5. Мощный МДП-транзистор [38]
2.4.6. МДП-транзистор с коротким каналом [41]
2.5. Выбор мощного полевого транзистора [50]
3. Технология изготовления мощных полевых транзисторов [52]
3.1. Введение [52]
3.2. Статический индукционный транзистор [54]
3.3. Вертикальный МДП-транзистор, создаваемый двойной диффузией [59]
3.4. V-образный МДП-транзистор [63]
3.5. МДП-транзистор с сетчатым затвором [65]
3.6. Заключение [68]
4. Основные характеристики и моделирование мощных полевых транзисторов [68]
4.1. Введение [68]
4.2. Электрические характеристики [70]
4.2.1. Пробивное напряжение [70]
4.2.2. Выходные характеристики [73]
4.2.3. Передаточные характеристики [70]
4.2.4. Токи утечки [77]
4.2.5. Межэлектродные паразитные емкости [80]
4.2.6. Крутизна [85]
4.2.7. Сопротивление транзистора в открытом состоянии [87]
4.3. Эквивалентные схемы ПТ с учетом их паразитных элементов [92]
4.3.1. Статический индукционный транзистор [92]
4.3.2. ДМДП- и УМДП-транзисторы [93]
4.4. Моделирование процессов переключения [98]
4.5. Эквивалентные схемы полевого транзистора для усилителей [104]
4.6. Область безопасной работы [109]
5. Применение мощных полевых транзисторов в импульсных источниках питания и стабилизаторах [112]
5.1. Введение [112]
5.2. Сравнение мощных полевых и биполярных транзисторов [114]
5.3. Сравнение мощных полевых транзисторов и тиристоров [120]
5.4. Инвертор [121]
5.5. Преобразователи на мощных МДП-транзисторах [123]
5.6. Основная схема стабилизатора [136]
5.7. Стабилизатор тока [139]
5.8. Заключение [141]
6. Использование мощных полевых транзисторов для управления электродвигателями [142]
6.1. Введение [142]
6.2. Управление электродвигателями постоянного тока [145]
6.3. Управление электродвигателями переменного тока [152]
6.3.1. Модуляция управляющих сигналов [154]
6.3.2. Парафазный переключающий каскад [160]
6.4. Заключение [161]
7. Использование мощных полевых транзисторов в усилителях звуковой частоты [164]
7.1. Введение [164]
7.2. Полевые транзисторы, лампы и биполярные транзисторы [165]
7.3. Требования к высококачественному усилителю звуковой частоты [171]
7.4. Однотактный усилитель мощности звуковой частоты [174]
7.5. Двухтактный усилитель для аппаратуры высококачественного воспроизведения звука [178]
7.6. Усилитель звуковой частоты, работающий в импульсном режиме [186]
7.7. Способы улучшения динамического диапазона [191]
7.8. Заключение [192]
8. Использование мощных полевых транзисторов в выходных каскадах вычислительных устройств [193]
8.1. Введение [193]
8.2. Основные правила управления мощными МДП-транзисторами [194]
8.3. Управление мощными МДП-транзисторами [197]
8.4. Анализ переходных процессов в цепи затвора мощного МДП-транзистора [199]
8.5. Времена переключения в случае индуктивной нагрузки [204]
8.6. Использование логических схем для управления мощными МДП-транзисторами [204]
8.6.1. Управление мощными МДП-транзисторами, включенными по схеме с общим истоком [206]
8.6.2. Управление мощными МДП-транзисторами, включенными по схеме истокового повторителя [212]
8.7. Применение мощных МДП-транзисторов в схемах, работающих на линию связи [214]
8.8. Совместная работа мощных МДП-транзисторов и микропроцессоров [217]
8.9. Заключение [217]
9. Использование мощных полевых транзисторов в качестве переключателей [218]
9.1. Введение [218]
9.2. Сравнение механических переключателей и переключателей иа полевых транзисторах [219]
9.3. Сопоставление переключателей на малосигнальном и мощном полевых транзисторах [220]
9.4. Уменьшение искажений, обусловленных модуляцией сопротивления в замкнутом состоянии [223]
9.5. Передача заряда [225]
9.6. Устранение эффекта однополупериодного выпрямления [227]
9.7. Стабилизация напряжения затвора [228]
9.8. Линеаризация сопротивления аналогового переключателя на мощном МДП-транзисторе [230]
9.9. Управление аналоговым переключателем на мощном МДП-транзисторе [232]
9.10. Переключение мощных сигналов [233]
9.11. Переключение больших уровней напряжения [235]
9.12. Использование полевого транзистора в качестве резистора, управляемого напряжением [237]
9.13. Заключение [238]
10. Использование мощных полевых транзисторов в высокочастотных схемах [238]
10.1. Введение [238]
10.2. Достоинства высокочастотного мощного полевого транзистора [240]
10.3. Высокочастотная модель [243]
10.4. Факторы, определяющие качество мощных МДП-транзисторов [247]
10.5. Порядок разработки мощных высокочастотных схем [250]
10.6. Применение мощных МДП-транзисторов в линейных усилителях [255]
10.6.1. Широкополосный видеоусилитель с повышенной линейностью [255]
10.6.2. Усилитель класса АВ мощностью 100 Вт [256]
10.6.3. Линейный усилитель мощности с повышенным КПД [258]
10.7. Увеличение КПД усилителей на МДП-транзисторах с коротким каналом [260]
10.8. Применение мощных МДП-транзисторов в усилителях с распределенным усилением [262]
10.9. Использование мощных МДП-транзисторов в качестве смесителей [264]
10.10. Защита МДП-траизисторов от электромагнитных импульсов [266]
11. Выбор полевого транзистора для различных устройств [268]
11.1. Введение [268]
11.2. Выбор полевого транзистора для работы в режиме переключения [269]
11.3. Выбор мощного полевого транзистора для управления электродвигателем [272]
11.4. Выбор полевых транзисторов для усилителей звуковой частоты [273]
11.5. Выбор мощных полевых транзисторов, совместимых с логическими схемами [274]
11.6. Выбор мощных полевых транзисторов для аналоговых переключателей [275]
11.7. Выбор высокочастотных мощных полевых транзисторов [275]
Список литературы [277]
Список работ, переведенных на русский язык [283]
Дополнительный список литературы [283]
Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.
Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).
Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.
Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.
Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.
Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).
Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.
Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.
Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.
Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.
Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.
На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.
Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.
Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.
С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.
Полевой транзистор с изолированным затвором
Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.
Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.
А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.
Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.
Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.
Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:
Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.
Статические характеристики МДП-транзисторов
Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:
Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:
Экзотические МДП-структуры
Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!
Общие параметры полевых транзисторов
Схемы включения
Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.
Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения
- высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
- высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
- поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
- высокая температурная стабильность;
- малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
- малое потребление мощности.
Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!
Полевые транзисторы: принцип действия, схемы, режимы работы и моделирование
Мы уже рассмотрели устройство биполярных транзисторов и их работу, теперь давайте узнаем о том, какие бывают полевые транзисторы. Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной. Сейчас в большей степени используются приборы с изолированным затвором, о типах полевых транзисторов и их особенностях сегодня мы и поговорим. В статье я буду проводить сравнение с биполярными транзисторами, в отдельных местах.
Содержание статьи
Определение
Полевой транзистор – это полупроводниковый полностью управляемый ключ, управляемый электрическим полем. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность управляющего напряжения зависит от типа канала транзистора. Здесь прослеживается хорошая аналогия с электронными вакуумными лампами.
Другое название полевых транзисторов – униполярные. «УНО» - значит один. В полевых транзисторах в зависимости от типа канала ток осуществляется только одним типом носителей дырками или электронами.
В биполярных транзисторах ток формировался из двух типов носителей зарядов – электронов и дырок, независимо от типа приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить на:
транзисторы с управляющим p-n-переходом;
транзисторы с изолированным затвором.
И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых – отрицательное относительно истока.
У всех типов полевых транзисторов есть три вывода (иногда 4, но редко, я встречал только на советских и он был соединен с корпусом).
1. Исток (источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном).
2. Сток (приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора биполярного транзистора).
3. Затвор (управляющий электрод, аналог сетки на лампах и базы на биполярных транзисторах).
Транзистор с управляющим pn-переходом
Транзистор состоит из таких областей:
На изображении вы видите схематическую структуру такого транзистора, выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. На конкретной схеме (это p-канальный прибор) затвор – это n-слой, имеет меньше удельное сопротивление, чем область канала (p-слой), а область p-n-перехода в большей степени расположена в p-области по этой причине.
Условное графическое обозначение:
а – полевой транзистор n-типа, б – полевой транзистор p-типа
Чтобы легче было запомнить, вспомните обозначение диода, где стрелка указывает от p-области в n-область. Здесь также.
Первое состояние – приложим внешнее напряжение.
Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Можно провести аналогию с нормально-замкнутым ключом. Этот ток называется Iснач или начальный ток стока при Uзи=0.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, без приложенного управляющего напряжения к затвору является максимально открытым.
Напряжение к стоку и истоку прикладывается таким образом:
Через исток вводятся основные носители зарядов!
Это значит, что если транзистор p-канальный, то к истоку подключают положительный вывод источника питания, т.к. основными носителями являются дырки (положительные носители зарядов) – это так называемая дырочная проводимость. Если транзистор n-канальный к истоку подключают отрицательный вывод источника питания, т.к. в нем основными носителями заряда являются электроны (отрицательные носители зарядов).
Исток - источник основных носителей заряда.
Вот результаты моделирования такой ситуации. Слева расположен p-канальный, а справа n-канальный транзистор.
Второе состояние – подаём напряжение на затвор
При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока (Uзи) для p-канального и отрицательное для n-канального, он смещается в обратном направлении, область p-n-перехода расширяется в сторону канала. В резльтате чего ширина канала уменьшается, ток снижается. Напряжение затвора, при котором ток через ключ перестает протекать называется, напряжением отсечки.
Ключ начинает закрываться.
Достигнуто напряжение отсечки, и ключ полностью закрыт. На картинке с результатами моделирования отображено такое состояние для p-канального (слева) и n-канального (справа) ключа. Кстати на английском языке такой транзистор называется JFET.
Режимы работы
Рабочий режим транзистора при напряжение Uзи либо нулевое, либо обратное. За счет обратного напряжения можно «прикрывать транзистор», используется в усилителях класса А и прочих схемах где нужно плавное регулирование.
Режим отсечки наступает, когда Uзи=Uотсечки для каждого транзистора оно своё, но в любом случае прикладывается в обратном направлении.
Характеристики, ВАХ
Выходной характеристикой называют график, на котором изображена зависимость тока стока от Uси (приложенного к выводам стока и истока), при различных напряжениях затвора.
Можно разбить на три области. Вначале (в левой части графика) мы видим омическую область – в этом промежутке транзистор ведет себя как резистор, ток возрастает почти линейно, доходя до определенного уровня, переходит в область насыщения (в центре графика).
В правой части график мы видим, что ток опять начинает расти, это область пробоя, здесь транзистор находиться не должен. Самая верхняя ветвь изображенная на рисунке – это ток при нулевом Uзи, мы видим, что ток здесь самый большой.
Чем больше напряжение Uзи, тем меньше ток стока. Каждая из ветвей отличается на 0.5 вольта на затворе. Что мы подтвердили моделированием.
Здесь изображена стоко-затворная характеристика, т.е. зависимость тока стока от напряжения на затворе при одинаковом напряжении стока-исток (в данном примере 10В), здесь шаг сетки также 0.5В, мы опять видим что чем ближе напряжение Uзи к 0, тем больший ток стока.
В биполярных транзисторах был такой параметр как коэффициент передачи тока или коэффициент усиления, он обозначался как B или H21э или Hfe. В полевых же для отображения способности усиливать напряжение используется крутизна обозначается буквой S
То есть крутизна показывает, насколько миллиАмпер (или Ампер) растёт ток стока при увеличении напряжения затвор-исток на количество Вольт при неизменяемом напряжении сток-исток. Её можно вычислить исходя из стоко-затворной характеристики, на приведенном выше примере крутизна равняется порядка 8 мА/В.
Схемы включения
Как и у биполярных транзисторов есть три типовых схемы включения:
1. С общим истоком (а). Используется чаще всех, даёт усиление по току и мощности.
2. С общим затвором (б). Редко используется, низкое входное сопротивления, усиления нет.
3. С общим стоком (в). Усиление по напряжению близко к 1, большое входное сопротивление, а выходное низкое. Другое название – истоковый повторитель.
Особенности, преимущества, недостатки
Полевой транзистор практически не потребляет тока управления, это снижает потери управления, искажения сигнала, перегрузку по току источника сигнала…
В среднем частотные характеристики полевых транзисторов лучше, чем у биполярных, это связано с тем, что нужно меньше времени на «рассасывание» носителей заряда в областях биполярного транзистора. Некоторые современные биполярные транзисторы могут и превосходить полевые, это связано с использованием более совершенных технологий, уменьшения ширины базы и прочего.
Низкий уровень шумов у полевых транзисторов обусловлен отсутствием процесса инжекции зарядов, как у биполярных.
Стабильность при изменении температуры.
Малое потребление мощности в проводящем состоянии – больший КПД ваших устройств.
Простейший пример использования высокого входного сопротивление – это приборы согласователи для подключения электроакустических гитар с пьезозвукоснимателями и электрогитар с электромагнитными звукоснимателями к линейным входам с низким входным сопротивлением.
Низкое входное сопротивление может вызвать просадки входного сигнала, исказив его форму в разной степени в зависимости от частоты сигнала. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Вот простейшая схема такого устройства. Подойдет для подключения электрогитар в линейный вход аудио-карты компьютера. С ней звук станет ярче, а тембр богаче.
Главным недостатком является то, что такие транзисторы боятся статики. Вы можете взять наэлектризованными руками элемент, и он тут же выйдет из строя, это и есть следствие управления ключом с помощью поля. С ними рекомендуют работать в диэлектрических перчатках, подключенным через специальный браслет к заземлению, низковольтным паяльником с изолированным жалом, а выводы транзистора можно обвязать проволокой, чтобы закоротить их на время монтажа.
Современные приборы практически не боятся этого, поскольку по входу в них могут быть встроены защитные устройства типа стабилитронов, которые срабатывают при превышении напряжения.
Иногда у начинающих радиолюбителей опасения доходят до абсурда, типа надевания на голову шапочек из фольги. Всё описанное выше хоть и является обязательным к исполнению, но не соблюдение каких либо условий не гарантирует выход из строя прибора.
Полевые транзисторы с изолированным затвором
Этот вид транзисторов активно используется в качестве полупроводниковых управляемых ключей. Причем работают они чаще всего именно в ключевом режиме (два положения «вкл» и «выкл»). У них есть несколько названий:
1. МДП-транзистор (метал-диэлектрик-полупроводник).
2. МОП-транзистор (метал-окисел-полупроводник).
3. MOSFET-транзистор (metal-oxide-semiconductor).
Запомните – это лишь вариации одного названия. Диэлектрик, или как его еще называют окисел, играет роль изолятора для затвора. На схеме ниже изолятор изображен между n-областью около затвора и затвором в виде белой зоны с точками. Он выполнен из диоксида кремния.
Диэлектрик исключает электрический контакт между электродом затвора и подложкой. В отличие от управляющего p-n-перехода он работает не на принципе расширения перехода и перекрытия канала, а на принципе изменения концентрации носителей заряда в полупроводнике под действием внешнего электрического поля. МОП-транзисторы бывают двух типов:
1. Со встроенным каналом.
2. С индуцированным каналом
Транзисторы со встроенным каналом
На схеме вы видите транзистор с встроенным каналом. Из неё уже можно догадаться, что принцип его работы напоминает полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, т.е. когда напряжение затвора равно нулю – ток протекает через ключ.
Около истока и стока созданы две области с повышенным содержанием примесных носителей заряда (n+) с повышенной проводимостью. Подложкой называется основание P-типа (в данном случае).
Обратите внимание, что кристалл (подложка) соединена с истоком, на многих условных графических обозначениях он так и рисуется. При повышении напряжения на затворе в канале возникает поперечное электрическое поле, оно отталкивает носители зарядов (электроны) и канал закрывается при достижении порогового Uзи.
Режимы работы
При подаче отрицательного напряжения затвор-исток ток стока падает, транзистор начинает закрывать – это называется режим обеднения.
При подаче положительного напряжения на затвор-исток происходит обратный процесс – электроны притягиваются, ток возрастает. Это режим обогащения.
Всё вышесказанное справедливо для МОП-транзисторов со встроенным каналом N-типа. Если канал p-типа все слова «электроны» заменяются на «дырки», полярности напряжения изменяются на противоположные.
Моделирование
Транзистор со встроенным каналом n-типа с нулевым напряжением на затворе:
Подадим на затвор -1В. Ток снизился в 20 раз.
Согласно datasheet на этот транзистор пороговое напряжение затвор-исток у нас в районе одного вольта, а типовое его значение – 1.2 В, проверим это.
Ток стал в микроамперах. Если еще немного повысить напряжение, он исчезнет полностью.
Я выбрал транзистор наугад, и мне попался достаточно чувствительный прибор. Попробую изменить полярность напряжения, чтобы на затворе был положительный потенциал, проверим режим обогащения.
При напряжении на затворе 1В ток увеличился в четыре раза, по сравнению с тем, что был при 0В (первая картинка в этом разделе). Отсюда следует, что в отличие от предыдущего типа транзисторов и биполярных транзисторов он без дополнительной обвязки может работать как на повышение тока, так и на понижение. Это заявление весьма грубо, но в первом приближении имеет право на существование.
Характеристики
Здесь всё практически так же как и в транзисторе с управляющим переходом, за исключением наличия режима обогащения в выходной характеристике.
На стоко-затворной характеристике четко видно, что отрицательное напряжение вызывает режим обеднение и закрытие ключа, а положительное напряжение на затворе – обогащение и большее открытие ключа.
Транзисторы с индуцированным каналом
МОП-транзисторы с индуцированным каналом не проводят ток при отсутствии напряжения на затворе, вернее ток есть, но он крайне мал, т.к. это обратный ток между подложкой и высоколегированными участками стока и истока.
Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом аналог нормально-разомкнутого ключа, ток не протекает.
При наличии напряжения затвор-исток, т.к. мы рассматриваем n-тип индуцируемого канала то напряжение положительное, под действием поля притягиваются отрицательные носители зарядов в область затвора.
Так появляется «коридор» для электронов от истока к стоку, таким образом, появляется канал, транзистор открывается, и ток через него начинает протекать. Подложка у нас p-типа, в ней основными являются положительные носители зарядов (дырки), отрицательных носителей крайне мало, но под действием поля они отрываются от своих атомов, и начинается их движение. Отсюда отсутствие проводимости при отсутствии напряжения.
Характеристики
Выходная характеристика в точности повторяет такую же у предыдущих разница заключается лишь в том, что напряжения Uзи становятся положительными.
Стоко-затворная характеристика показывает то же самое, отличия опять-таки в напряжениях на затворе.
При рассмотрении вольтамперных характеристик крайне важно внимательно смотреть на величины, прописанные по осям.
Моделирование
На ключ подали напряжение 12 В, а на затворе у нас 0. Ток через транзистор не протекает.
Добавим 1 вольт на затвор, но ток и не думал протекать…
Добавляя по одному вольту я обнаружил, что ток начинает расти с 4в.
Добавив еще 1 Вольт, ток резко возрос до 1.129 А.
В Datasheet указано пороговое напряжение открытия этого транзистора на участке от 2-х до 4-х вольт, а максимальное на затвор-истор от -20, до +20 В, дальнейшие приращения напряжения не дали результатов и на 20 вольтах (несколько миллиампер я не считаю, в данном случае).
Это значит, что транзистор полностью открыт, если бы его не было, ток в этой цепи составил бы 12/10=1.2 А. В дальнейшем я изучал как работает этот транзистор, и выяснил, что на 4-х вольтах он начинает открываться.
Добавляя по 0.1В, я заметил, что с каждой десятой вольта ток растёт всё больше и больше, и уже к 4.6 Вольта транзистор практически полностью открыт, разница с напряжением на затворе в 20В в токе стока всего лишь 41 мА, при 1.1 А – это чепуха.
Этот эксперимент отражает то, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при достижении порогового напряжения, что позволяет ему отлично работать в качестве ключа в импульсных схемах. Собственно, IRF740 – один из наиболее распространенных в импульсных блоках питания.
Результаты измерений тока затвора показали, что действительно полевые транзисторы почти не потребляют управляющего тока. При напряжении в 4.6 вольта ток был, всего лишь, 888 нА (нано. ).
При напряжении в 20В он составлял 3.55 мкА (микро). У биполярного транзистора он был бы порядка 10 мА, в зависимости от коэффициента усиления, что в десятки тысяч раз больше чем у полевого.
Не все ключи открываются такими напряжениями, это связано с конструкцией и особенностями схемотехники устройств где они применяются.
Особенности использования ключей с изолированным затвором
Два проводника, а между ними диэлектрик – что это? Это транзистор, собственно затвор имеет паразитную ёмкость, она замедляет процесс переключения транзистора. Это называется плато Миллера, вообще этот вопрос достоин отдельного серьезного материала с точным моделированием, с применением другого софта (не проверял эту особенность в multisim).
Разряженная ёмкость в первый момент времени требует большого зарядного тока, да и редкие управляющие устройства (шим-контроллеры и микроконтроллеры) имеют сильные выходы, поэтому используют драйверы для полевых затворов, как в полевых транзисторах, так и в IGBT (биполярный с изолированным затвором). Это такой усилитель, который преобразует входной сигнал в выходной такой величины и силы тока, достаточный для включения и выключения транзистора. Ток заряда также ограничивается последовательно соединенным с затвором резистором.
При этом некоторые затворы могут управляться и с порта микроконтроллера через резистор (тот же IRF740). Эту тему мы затрагивали в цикле материалов об arduino.
Условные графические изображения
Они напоминают полевые транзисторы с управляющим затвором, но отличаются тем, что на УГО, как и в самом транзисторе, затвор отделен от подложки, а стрелка в центре указывает на тип канала, но направлена от подложки к каналу, если это n-канальный mosfet – в сторону затвора и наоборот.
Для ключей с индуцированным каналом:
Может выглядеть так:
Обратите внимание на англоязычные названия выводов, в datasheet’ах и на схемах часто указываются они.
Для ключей со встроенным каналом:
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:
Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;
Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;
Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.
Starter box для первых экспериментов в подарок!
После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.
Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.
Читайте также: