Режим насыщения полевого транзистора

Содержание

Активный режим работы полевого транзистора

Режим насыщения полевого транзистора

Полевые транзисторы (JFET), как и биполярные транзисторы, способны «удерживать» ток в режиме между отсечкой и насыщением, называемом активным режимом. Чтобы лучше понять работу полевого транзистора, давайте проведем моделирование в SPICE, аналогичное тому, что использовалось для изучения основ работы биполярного транзистора:

Схема моделирования работы полевого транзистора в SPICEjfet simulation vin 0 1 dc 1 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 2 0.05 .plot dc i(vammeter) .

end

Обратите внимание, что транзистор, обозначенный в схеме как “Q1”, представлен в списке соединений SPICE как j1.

Хотя все типы транзисторов обычно на схемах обозначаются буквой “Q” (так же как резисторы обозначаются “R”, конденсаторы – “C”), SPICE требует информации, какой это тип транзистора, с помощью разных буквенных обозначений: q – для биполярных транзисторов, j – для полевых транзисторов.

Зависимость выходного тока от напряжения питания

Здесь управляющий сигнал представляет собой постоянное напряжение 1 вольт, прикладываемое отрицательным концом к затвору полевого транзистора и положительным концом к истоку полевого транзистора, чтобы сместить в обратном направлении PN переход. В первом моделировании биполярного транзистора в главе 4, источник постоянного тока 20 мкА использовался в качестве управляющего сигнала, но помните, что полевой транзистор – это устройство, управляемое напряжением, а не током, как биполярный транзистор.

Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут стабилизировать управляемый ток на фиксированном уровне, если напряжение питания превышает определенный минимальный уровень, независимо от того, насколько высоко это напряжение может подняться.

Конечно, в реальной жизни эта стабилизация тока имеет ограничения: транзистор не может выдерживать бесконечно высокое напряжение источника питания, и при достаточно высоком напряжении сток-исток транзистор будет «разрушаться», а ток стока будет быстро увеличиваться.

Но в нормальных рабочих пределах полевой транзистор поддерживает ток стока на постоянном уровне, не зависящем от напряжения питания. Чтобы убедиться в этом, мы запустим другое компьютерное моделирование, на этот раз будем изменять напряжение питания (V1) от 0 до 50 вольт:

jfet simulation vin 0 1 dc 1 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end Зависимость выходного тока от напряжения питания

Разумеется, ток стока остается постоянным на значении 100 мкА (1.000E-04 ампер) независимо от того, насколько высоко поднято напряжение источника питания.

Поскольку входное напряжение управляет сужением канала полевого транзистора, имеет смысл, что изменение этого напряжения должно быть единственным способом, способным изменять для полевого транзистора точку стабилизации тока, так же как изменение тока базы биполярного транзистора является единственным способом изменять стабилизацию тока коллектора. Давайте уменьшим входное напряжение с 1 вольта до 0,5 вольта и посмотрим, что произойдет:

jfet simulation vin 0 1 dc 0.5 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end Зависимость выходного тока от напряжения питания при входном напряжении 0,5 вольтаКак и ожидалось, ток стока стал больше, чем был в предыдущем моделировании. При меньшем напряжении обратного смещения, приложенном к переходу затвор-исток, область истощения стала не такая широкая, как было ранее, таким образом, «открывая» канал для носителей заряда и увеличивая величину тока стока.

Обратите внимание, фактическое значение тока теперь составляет 225 мкА (2.250E-04 ампера). Предыдущее моделирование показало ток стока 100 мкА при напряжении затвор-исток 1 вольт.

Теперь, когда мы уменьшили управляющее напряжение в 2 раза (с 1 вольта до 0,5 вольта), ток стока увеличился, но не в той же пропорции 2:1! Давайте еще раз уменьшим напряжение затвор-исток снова в 2 раза (до 0,25 вольта) и посмотрим, что произойдет.

jfet simulation vin 0 1 dc 0.25 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end Зависимость выходного тока от напряжения питания при входном напряжении 0,25 вольта

При напряжении затвор-исток 0,25 вольта (в 2 раза меньше, чем было ранее) ток стока составляет 306,3 мкА. Хотя он всё еще увеличивается по сравнению с 225 мкА с предыдущего моделирования, он изменяется не пропорционально управляющему напряжению.

Чтобы получить лучшее представление о том, что здесь происходит, мы должны запустить другой тип моделирования: тот, который сохраняет напряжение источника питания постоянным и изменяет управляющий сигнал (напряжение).

Когда этот тип моделирования был запущен для биполярного транзистора, результатом был линейный график, показывающий, что у биполярного транзистора связь между входным током и выходным током линейна.

Посмотрим, какой вид связи покажет полевой транзистор:

jfet simulation vin 0 1 dc j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc 25 .model mod1 njf .dc vin 0 2 0.1 .plot dc i(vammeter) .end Зависимость выходного тока от входного напряжения

Это моделирование непосредственно показывает важную характеристику полевого транзистора: напряжение затвора нелинейно влияет на ток стока. Обратите внимание, что ток стока по мере увеличения напряжения затвор-исток уменьшается нелинейно.

У биполярного транзистора ток коллектора был прямо пропорционален току базы: выходной сигнал пропорционально следовал за входным сигналом. У полевого транзистора это не так! Управляющий сигнал (напряжение затвор-исток) при приближении к отсечке оказывает меньшее влияние на ток стока.

В данном моделировании большая часть управляющего воздействия (75 процентов уменьшения тока стока – с 400 мкА до 100 мкА) происходит в первом вольте напряжения затвор-исток (от 0 до 1 вольта), а остальные 25 процентов уменьшения тока стока требуют еще одного целого вольта входного сигнала. Отсечка происходит при 2 вольтах на входе.

Как правило, линейность для транзистора важна, поскольку она позволяет ему точно усиливать форму сигнала, не искажая её.

Если транзистор нелинеен при усилении вход/выход, форма входного сигнала будет каким-то образом искажена, что приведет к получению гармоник в выходном сигнале.

Единственный момент, когда линейность транзисторной схемы не важна, это когда она работает в крайних пределах отсечки и насыщения (выключена и включена, соответственно, как коммутатор).

Кривые характеристик полевого транзистора показывают такое же поведение регулирования тока, как и для биполярного транзистора, а нелинейность между напряжением затвор-исток и током стока очевидна в непропорциональных расстояниях между кривыми по вертикали:

Выходные характеристики полевого транзистора

Чтобы лучше понять токо-регулирующее поведение полевого транзистора, было бы полезно нарисовать модель, состоящую из более простых и более общих компонентов, как и в случае с биполярным транзистором:

Диодная модель с регулирующим диодом для полевого транзистора с каналом N-типа

В случае с полевым транзистором это с напряжение обратного смещения на диоде затвор-исток, которое устанавливает точку стабилизации тока для пары токорегулирующих диодов (CRD).

Пара противоположно направленных токорегулирующих диодов включена в модель для пропускания тока в обоих направлениях между истоком и стоком, что является следствием однополярности канала. Из-за отсутствия PN переходов в пути протекания тока между истоком и стоком, отсутствует чувствительность к полярности управляемого тока.

По этой причине полевые транзисторы часто называют двусторонними устройствами.

Сопоставление графиков характеристик полевого транзистора с графиками для биполярного транзистора обнаруживает заметную разницу: линейная (прямая) часть каждой негоризонтальной области каждого графика на удивление длинна по сравнению с соответствующими частями графиков характеристик биполярного транзистора:

Омические области на графиках выходных характеристик полевого транзистораДля сравнения графики выходных характеристик биполярного транзистора

Полевой транзистор, работающий в области триода, имеет склонность действовать очень сильно, как обычный резистор, поставленный на место между стоком и истоком.

Как и все простые сопротивления, его график зависимости тока от напряжения является прямой. По этой причине часть триодной (негоризонтальной) области графика характеристики полевого транзистора называют омической областью.

В этом режиме работы, когда напряжения сток-исток недостаточно, чтобы довести ток стока до точки стабилизации, ток стока прямо пропорционален напряжению сток-исток. Во внимательно спроектированной схеме это явление может быть использовано для получения пользы.

Работающий в этой области графика полевой транзистор действует как сопротивление, управляемое напряжением, а не как стабилизатор тока, управляемый напряжением, и соответствующая модель для транзистора отличается от предыдущей:

Диодно-реостатная модель полевого транзистора с каналом N-типа

Здесь модель транзистора с одним реостатом (переменным резистором) является подходящей.

Однако, следует помнить, что эта модель транзистора справедлива только для узкого диапазона его работы: когда он чрезвычайно насыщен (напряжение, подаваемое между стоком и истоком, гораздо меньше необходимого, чтобы ток стока достиг точки стабилизации).

Величина сопротивления (измеренная в омах) между стоком и истоком в этом режиме контролируется величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком. Чем напряжение затвор-исток меньше, тем меньше сопротивление (более крутая линия на графике).

Поскольку полевые транзисторы являются регуляторами тока, управляемыми напряжением (по крайней мере, когда они работают в активном режиме), их собственный коэффициент усиления не может быть выражен как безразмерное отношение, как у биполярного транзистора. Другими словами, для полевого транзистора нет отношения β.

Это справедливо для всех активных устройств, управляемых напряжением, включая другие типы полевых транзисторов и даже электронные лампы. Однако есть связь между управляемым током (стока) и управляющим напряжением (затвор-исток), и называется она крутизна.

Измеряется она в Сименсах, та же единица измерения, что и у проводимости (ранее известная как «мо» – «ом» наоборот).

Почему выбрана именно эта единица измерения? Потому что формула представляет собой общую форму тока (выходного сигнала), деленного на напряжение (входной сигнал).

[g_{fs} = { Delta I_с over Delta V_{зи}}]

где

  • gfs – крутизна в Сименсах;
  • ΔIс – изменение тока стока (ΔID);
  • ΔVзи – изменение напряжение затвор-исток (ΔVGS).

К сожалению, значение крутизны для любого полевого транзистора не является стабильной величиной: оно значительно меняется в зависимости от величины управляющего напряжения затвор-исток, приложенного к транзистору.

Как мы видели в моделированиях SPICE, ток стока изменяется непропорционально изменению напряжения затвор-исток. Чтобы рассчитать ток стока для любого заданного напряжения затвор-исток, существует другое уравнение.

Очевидно, оно нелинейное (обратите внимание на степень 2), что отражает нелинейное поведение, которое мы увидели при моделировании:

[I_с = I_{с0} {left( 1 – {V_{зи} over V_{зи(отс)}}
ight)} 2]

где

  • Iс – ток стока (ID);
  • Iс0 – ток стока при затворе, замкнутом накоротко с истоком, (IDSS);
  • Vзи – напряжение затвор-исток (VGS);
  • Vзи(отс) – напряжение отсечки затвор-исток (VGS(cutoff)).

Подведем итоги

  • В активном режиме полевые транзисторы регулируют ток стока в зависимости от величины напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истока, так же как биполярный транзистор регулирует ток коллектора в соответствии с током базы. Математическое соотношение между током стока (выходом) и напряжением затвор-исток (входом) называется крутизной, она измеряется в Сименсах.
  • Связь между (управляющим) напряжением затвор-исток и (управляемым) током стока не линейна: при уменьшении напряжения затвор-исток ток стока увеличивается экспоненциально. То есть крутизна полевого транзистора не является постоянной величиной во всем диапазоне его работы.
  • В своей триодной области полевые транзисторы регулируют сопротивление сток-исток в соответствии с величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком. Другими словами, они действуют как сопротивление, управляемое напряжением.

Оригинал статьи:

  • Active-mode Operation (JFET)

Теги

LTspiceSPICEАктивный режимВыходные характеристики транзистораКрутизнаМоделированиеОбучениеПолевой транзисторРежим насыщенияРежим отсечкиТриодная областьЭлектроника

Полевые транзисторы. For dummies

Режим насыщения полевого транзистора

А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход.

Что нам на это скажут официальные источники?Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.

ru)
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

  1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
  2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
  3. Внутреннее (выходное) сопротивление.

    Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).

  4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
  5. Входное сопротивление.

    Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.

  6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

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

Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения.

И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

  • 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.

Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.

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!

Список источников:

ru.wikipedia.org
dssp.petrsu.ru
zpostbox.narod.ru
electrono.ru
radio.cybernet.name

Полезные комментарии:

http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4435883
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4436509
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4441531

Рекомендую почитать:

«Основы на пальцах», автор DI HALT (за наводку спасибо AlexeiKozlov)

  • транзисторы
  • полевые транзисторы
  • MOSFET
  • электроника

Хабы:

  • Электроника для начинающих
  • 15 сентября 2020 в 12:26
  • 3 апреля 2019 в 13:27
  • 24 июня 2014 в 17:03

Полевой транзистор: для чего он нужен, как его открыть, схемы

Режим насыщения полевого транзистора

Для того чтобы быстро изменить силу тока в усилительных схемах, лампочках или электрических двигателях применяют транзисторы. Они умеют ограничивать силу тока плавно и постепенно или специальным методом «импульс-пауза». Второй способ особо часто используется при широтно-импульсной модуляции и управления.

Если используется мощный источник тока, то транзистор проводит его через себя и регулирует параметр слабым значением. Если тока маловато, то используют сразу несколько транзисторов, обладающих большей чувствительностью. Соединять в таком случае их нужно каскадным образом.

В этой статье будет рассмотрено, как открыть полевой транзистор, какой принцип работы полевого транзистора для чайников и какие обозначения выводов полевой транзистор имеет.

Что это такое

Полевой транзистор — это радиоэлемент полупроводникового типа. Он используется для усиления электросигнала. В любом цифровом приборе схема с полевым транзистором исполняет роль ключа, который управляет переключением логических элементов прибора.

В этом случае использование ПТ является очень выгодным решением проблемы с точки зрения уменьшения размеров устройства и платы.

Обусловлено это тем, что цепь управления радиокомпонентами требует не очень большой мощности, а значит, что на одном кристалле могут располагаться тысячи и десятки тысяч транзисторов.

https://www.youtube.com/watch?v=00KGIeCeZbYu0026t=1692s

Схема подключения электротранзистора полевого типа

Материалами, из которых делают полупроводниковые элементы и транзисторы в том числе, являются:

  • Фосфид индия;
  • Нитрид галлия;
  • Арсенид галлия;
  • Карбид кремния.

График области насыщения электротранзистора

Важно! Полевые транзисторы также называют униполярными, так как при протекания через них электротока используется только один вид носителей.

Характеристики полевого транзистора

Основными характеристики полевого транзистора являются:

  • Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
  • Максимально допустимая рабочая частота;
  • Напряжение сток-исток;
  • Напряжение затвор-сток;
  • Напряжение затвор-исток;
  • Максимально допустимый ток стока;
  • Ток утечки затвора;
  • Крутизна характеристики;
  • Начальный ток стока;
  • Емкость затвор-исток;
  • Входная ёмкость;
  • Выходная ёмкость;
  • Проходная ёмкость;
  • Выходная мощность;
  • Коэффициент шума;
  • Коэффициент усиления по мощности.

Вам это будет интересно  Особенности дифференциального токаХарактеристика напряженности поля заряда

Как он работает

Полевой транзистор включает нескольких составных элементов — истока (источника носителя заряда наподобие эмиттера на биполярном элементе), стока (приемника заряда по аналогии с коллектором) и затвора (управляющего электрода наподобие сетки в лампах или базы).

Работа первых двух очевидна и состоит в генерации и приеме носителя электрозаряда, среди которых электроны и дырки. Затвор же нужен в первую очередь для управления электротоком, который протекает через ПТ.

То есть, получается классического вида триод с катодом, анодом и электродом управляющего типа.

Когда происходит подача напряжения на затвор, возникает электрополе, которое изменяет ширину определенных переходов и влияет на параметр электротока, протекающего от истока к стоку. Если управляющее напряжение отсутствует, то ничто не будет препятствовать потоку носителей заряда в виде электронов.

Когда напряжение управления повышается, то канал, по которому движутся электроны или дырки, наоборот, уменьшается, а при достижении некоего предела закрывается совсем, и полевой транзистор входит в так называемый режим отсечки.

Именно эта характеристика ПТ делает возможным их применение в качестве ключей.

Подключение нагрузки к электротранзистору для его открытия

Свойства усиления электротока этого радиокомпонента обусловлены тем, что сильный электрический ток, который протекает от истока к стоку, повторяет все динамические характеристика напряжения, прикладываемого к затвору. Другим языком, с выхода этого усилителя берется абсолютно такой же по форме сигнал, как и на электроде управления, только более сильный.

Строение ПТ (униполярного транзистора) немного отличается от биполярного. А именно тем, что электричество в нем пере пересекает определенные переходные зоны. Электрозаряды совершают движение по участку регуляции, который называется затвором. Его пропускная способность регулируется параметром напряжения.

Виды электротранзисторов полевого типа с маркировкой

Важно! Пространство зон транзистора под действием электрического поля уменьшается и увеличивается. Исходя из этого изменяется количество носителей зарядов — от их полного отсутствия до переизбытка.

Для чего нужен

ПТ нужны для того, чтобы управлять выходным током с помощью создаваемого электрического поля и изменять его важнейшие параметры. Структуры, созданные на основе полевого транзистора, часто используются в интегральных схемах цифрового и аналогового вида.

n- и p-канальные электротранзисторы

Именно за счет полевого управления, эти транзисторы воздействуют на величину приложенного к их затвору напряжения. Это отличает их от биполярных транзисторов, которые управляются током, который протекает через их базу.

ПТ потребляют значительно меньшее количество электроэнергии, что и определило их популярность при использовании в ждущих и следящих устройствах, а также интегральных схемах малого потребления ( при организации спящего режима).

Вам это будет интересно  Мощность розетки 220 в

Важно! Одними из наиболее известных устройств, основанных на действии полевых транзисторов, являются пульты управления от телевизора, наручные часы электронного типа. Эти устройства за счет своего строения и применения ПТ могут годами работать от одного крошечного источника питания в виде батарейки.

Схематический вид электротранзистора полевого типа

Как открыть полевой транзистор

Для того чтобы полностью открыть полевой транзистор и запустить его работы в режиме ключа, напряжение базы-эмиттера должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

Также сила электротока, текущая через базу должна быть такой, чтобы он мог спокойно протекать через коллектор-эмиттер без каких-либо препятствий.

В идеальном случае, сопротивление через коллектор-эмиттер должно быть равным нулю, в реальности же оно будет иметь сотые доли Ома. Такой режим называется «режимом насыщения транзистора».

Режим насыщения элемента через транзистор

Как видно на схеме, коллектор и эмиттер находятся в режиме насыщения и соединены накоротко, что позволяет лампочке гореть «на полную».

Схема (структура)

На схеме ниже можно увидеть примерное строение транзистора полярного типа. Его выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. Схема изображает именно p канальное устройство, затвором которого является n-слой. Он имеет гораздо меньшее удельное сопротивление, чем канальная область p-слоя. Область же перехода n-p в большей степени находится в p-слое.

Схематическое изображение электротранзистора с n-p каналами

Как подключить

Все зависит от того, каким именно образом полевой транзистор будет включаться в усилительный каскад. Таких способа есть три:

  • С общим истоком;
  • С общим стоком;
  • С общим затвором.

Схемы включения полевого электротранзистора в цепи

Их различия заключаются в том, что они используют различные электроды подаются питающим напряжением и к каким электроцепям присоединен источник сигнала и нагрузка для него.

Общий исток наиболее часто используется для достижения максимального усиления сигнала входа.

Общий сток используется для устройств согласования, потому что усиление там используется небольшое, но сигналы входа и выхода аналогичны по фазе.

Схема с общим затвором применяется чаще всего в усилителях высокой частоты. При таком способе подключения полоса пропускания намного шире, чем в других способах.

Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа

Таким образом, полевой транзистор это очень важный полупроводниковый радиоэлемент, который способен управлять сопротивлением канала электротока путем воздействия на него поперечного электрического поля, создаваемого напряжением затвора.

Вам это будет интересно  Вычисления напряжения в сети электричества

Полевой транзистор

Режим насыщения полевого транзистора

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 1017 Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N+-типа.

Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N+-типа, называемые стоком и истоком.

Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N+ находиться область P, не пропускающая электроны.

Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока Uзи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки.

В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда Uзи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок.

Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток Iси.

Чем выше напряжение на затворе транзистора Uзи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток Iси растет прямопропорционально росту напряжения Uси.

Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток Iси практически не растет.

Этот участок называют активная область.

Когда Uси превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (Uзи = 0). В результате через канал пойдет ток Iси, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки.

Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток Iси уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока.

Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток Iси увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

  • Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
  • Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.

  • Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.

  • У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

  • У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
  • Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).

  • Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте.

    Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

  • При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора.

    В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

    Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

  • Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству.

    Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить.

    А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

    Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление.

    Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты.

    При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.