Polovodičové súčiastky, ktorých činnosť je založená na modulácii odporu polovodičového materiálu priečnym elektrickým poľom, sa nazývajú tranzistory s efektom poľa. Majú iba jeden typ nosičov náboja, ktorý sa podieľa na vytváraní elektrického prúdu (elektróny alebo diery).
Tranzistory s efektom poľa sú dvoch typov: s riadiacim p-n prechodom a s kovovo-dielektricko-polovodičovou štruktúrou (MIS tranzistory).
Ryža. 2.37. Zjednodušená štruktúra tranzistora riadeného poľom s riadením (a); symboly tranzistora s kanálom typu n (b) a kanálom typu p (c); typické štruktúry (d, e): tranzistorová štruktúra s zvýšený výkon(e)
Tranzistor s riadiacim p-n prechodom (obr. 2.37) je doska (rez) z polovodičového materiálu s určitým typom elektrickej vodivosti, z ktorého koncov sú vyrobené dva závery - zvodná a zdrojová elektróda. Pozdĺž dosky je vytvorená elektrická križovatka (p-n križovatka alebo Schottkyho bariéra), z ktorej je vyvodený tretí záver - uzáver.
Vonkajšie napätia sú aplikované tak, že elektrický prúd preteká medzi kolektorovou a zdrojovou elektródou a napätie aplikované na bránu predpína elektrický spoj v opačnom smere. Odpor oblasti umiestnenej pod elektrickým prechodom, ktorý sa nazýva kanál, závisí od napätia brány. Je to spôsobené tým, že rozmery prechodu sa zväčšujú so zvyšovaním, ktoré sa naň aplikuje spätné napätie a zvýšenie v oblasti ochudobnenej o nosiče náboja vedie k zvýšeniu elektrického odporu kanála.
Prevádzka tranzistora s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom je teda založená na zmene odporu kanála v dôsledku zmeny veľkosti oblasti ochudobnenej o hlavné nosiče náboja, ku ktorej dochádza pri pôsobení spätného napätia. aplikovaný na bránu.
Elektróda, z ktorej sa v kanáli začínajú pohybovať hlavné nosiče náboja, sa nazýva zdroj a elektróda, ku ktorej sa pohybujú hlavné nosiče náboja, sa nazýva odtok. Zjednodušená štruktúra tranzistora riadeného poľom s riadiacim p-n prechodom je na obr. 2,37 hod. Symboly sú uvedené na obr. 2.37, b, c a štruktúry komerčne vyrábaných tranzistorov s efektom poľa sú znázornené na obr. 2,37, pán e.
Ak sa v polovodičovej doske, napríklad typu n, vytvoria zóny s elektrickou vodivosťou typu p, potom keď sa na prechod p-n privedie napätie, ktoré ho vychýli v opačnom smere, vytvoria sa oblasti, ktoré sú vyčerpané hlavným nábojom. nosiče (obr. 2.37, a). Odpor polovodiča medzi zdrojovou a kolektorovou elektródou sa zvyšuje, keď prúd preteká iba úzkym kanálom medzi prechodmi. Zmena napätia hradla-zdroja vedie k zmene veľkosti zóny priestorového náboja (rozmerov), t.j. k zmene odporu kanála. Kanál môže byť takmer úplne zablokovaný a potom bude odpor medzi zdrojom a odtokom veľmi vysoký (niekoľko desiatok).
Napätie medzi hradlom a zdrojom, pri ktorom odtokový prúd dosiahne vopred stanovenú nízku hodnotu, sa nazýva medzné napätie FET. Presne povedané, pri medznom napätí by sa mal tranzistor úplne uzavrieť, ale prítomnosť netesností a ťažkosti s meraním najmä malých prúdov nás nútia považovať medzné napätie za napätie, pri ktorom prúd dosiahne určitú malú hodnotu. Preto je v technických špecifikáciách tranzistor uvedený pri akom odberovom prúde bolo meranie vykonané.
Šírka pn prechodu závisí aj od prúdu pretekajúceho kanálom. Ak napríklad (obr. 2.37, a), potom prúd pretekajúci cez tranzistor vytvorí úbytok napätia pozdĺž jeho dĺžky, čo blokuje prechod medzi hradlom a kanálom.
Ryža. 2.38. Výstupné charakteristiky tranzistora riadeného poľom s jeho riadiacou vstupnou charakteristikou (6) a prenosovou charakteristikou (stoke gate) (c): I - strmá oblasť; II - rovná plocha alebo oblasť nasýtenia; III - oblasť poruchy
To vedie k zväčšeniu šírky, a teda k zníženiu prierezu a vodivosti kanála a šírka p-n prechodu sa zväčšuje, keď sa blíži k oblasti odtoku, kde dôjde k najväčšiemu poklesu napätia spôsobenému prúd na odpor kanála. Ak teda predpokladáme, že odpor tranzistora je určený iba odporom kanála, potom na okraji p-n prechodu smerom k zdroju bude pôsobiť napätie a na okraji smerujúcom k odtoku bude pôsobiť napätie . Pri nízkych a malých hodnotách napätia sa tranzistor správa ako lineárny odpor. Zvýšenie vedie k takmer lineárnemu zvýšeniu a zníženie vedie k zodpovedajúcemu zníženiu. Ako charakteristika rastie, stále viac sa odchyľuje od lineárnej, čo je spojené so zúžením kanála na konci odtoku. Pri určitej hodnote prúdu nastáva takzvaný režim saturácie (sekcia II na obr. 2.38, a), ktorý sa vyznačuje tým. že pri zvyšovaní prúdu sa prúd mierne mení. Je to preto, že pri vysokom napätí sa kanál na odtoku stiahne do úzkeho hrdla. Nastáva akási dynamická rovnováha, v ktorej zvýšenie a zvýšenie prúdu spôsobuje ďalšie zúženie kanála a tým aj pokles prúdu. Výsledkom je, že táto zostáva takmer konštantná. Napätie, pri ktorom dochádza k saturácii, sa nazýva saturačné napätie. Je to, ako je možné vidieť na obr. , mení sa pri zmene napätia. Pretože vplyv na šírku kanála na výstupe odtoku je takmer rovnaký
Takže medzné napätie, určené pri malom napätí, sa numericky rovná saturačnému napätiu pri , a saturačné napätie pri určitom hradlovom napätí sa rovná rozdielu medzi medzným napätím a napätím hradla.
Pri výraznom zvýšení napätia odtokového konca sa pozoruje rozpad p-n križovatky.
Vo výstupných charakteristikách tranzistora s efektom poľa možno rozlíšiť dve pracovné oblasti, OA a OB. Oblasť OA sa nazýva strmá charakteristická oblasť, oblasť AB sa nazýva plochá alebo nasýtená oblasť. V strmej oblasti môže byť tranzistor použitý ako ohmicky riadený odpor. V zosilňovacích stupňoch tranzistor pracuje na plochom úseku charakteristiky. Za bodom B nastáva rozpad elektrického prechodu.
Vstupná charakteristika tranzistora s riadeným poľom s riadiacim prechodom (obr. 2.38, b) je spätná vetva voltampérovej charakteristiky prechodu. Aj keď sa hradlový prúd trochu mení s napätím a dosahuje svoju najvyššiu hodnotu pri skrate svoriek zdroja a zvodu (zvodový prúd hradla) - vo väčšine prípadov ho možno zanedbať. Zmena napätia nespôsobuje výrazné zmeny v hradlovom prúde, čo je typické pre spätný prúdový prechod.
Pri prevádzke v plochej oblasti charakteristiky prúdového napätia sa odvodňovací prúd pri danom napätí 11sh určí z výrazu
kde je počiatočný odtokový prúd, pod ktorým prúd pri a odtokové napätie presahujúce saturačné napätie: .
Keďže tranzistor s efektom poľa je riadený hradlovým napätím, strmosť charakteristiky sa používa na kvantifikáciu riadiaceho účinku hradla.
Strmosť charakteristiky dosahuje maximálnu hodnotu pri . Na určenie hodnoty S pri akomkoľvek napätí rozlišujeme výraz
Pre výraz (2.73) má tvar
Dosadením (1,74) do výrazu (1,73) dostaneme .
Strmosť charakteristiky tranzistora s efektom poľa teda klesá so zvyšujúcim sa napätím aplikovaným na jeho hradlo.
Počiatočnú hodnotu strmosti charakteristiky je možné určiť pomocou grafovo-analytickej metódy. Za týmto účelom nakreslíme dotyčnicu z bodu k charakteristike odtokovej brány (obr. 2.38. c). Odreže segment na osi napätia a jeho sklon určí hodnotu .
Zosilňovacie vlastnosti tranzistorov s efektom poľa sú charakterizované ziskom
ktorý súvisí so strmosťou charakteristiky a vnútorným odporom rovnicou , kde je diferenciálny vnútorný odpor tranzistora.
Naozaj, všeobecne.
Ak so súčasnou zmenou v a , tak odkiaľ
Rovnako ako u bipolárnych tranzistorov, tranzistory s efektom poľa rozlišujú medzi režimami veľkého a malého signálu. Režim veľkého signálu sa najčastejšie počíta pomocou vstupných a výstupných charakteristík tranzistora a ekvivalentného obvodu z obr. 2,39, a. Na analýzu režimu malého signálu sa široko používajú ekvivalentné obvody s malým signálom na obr. 2,39, b-g (tranzistor s kanálom typu p). Keďže odpory uzavretých spojov v kremíkových tranzistoroch s efektom poľa sú veľké (desiatky až stovky MΩ), vo väčšine prípadov ich možno ignorovať. Pre praktické výpočty je najvhodnejší ekvivalentný obvod na obr. 2.39, d, hoci oveľa horšie odráža skutočné fyzikálne procesy vyskytujúce sa v uvažovaných tranzistoroch. Všetky kapacity hradla v obvode sú nahradené jednou ekvivalentnou kapacitou C", ktorá sa nabíja cez priemerný ekvivalentný odpor.
Ryža. 2.39. Zjednodušený ekvivalentný obvod tranzistora riadeného poľom s riadiacim p-n prechodom pre jednosmerný prúd (a); ekvivalentné obvody s malým signálom: úplné (b), zjednodušené (c), upravené (d).
Môžeme predpokladať, že sa rovná statickému odporu v strmej oblasti charakteristík - odporu medzi kolektorom a zdrojom v otvorenom stave tranzistora pri danom napätí kolektor-zdroj, menšom ako saturačné napätie. Odpor brány (ohmický) sa odráža v ekvivalentnom odpore, ktorý vzhľadom na jeho veľkú hodnotu (desiatky-stovky) možno ignorovať.
Typické hodnoty parametrov kremíkových tranzistorov zahrnutých v ekvivalentnom obvode: .
Kapacity tranzistora s efektom poľa, ako aj konečná rýchlosť nosičov náboja v kanáli určujú jeho zotrvačné vlastnosti. Zotrvačnosť tranzistora v prvej aproximácii sa berie do úvahy zavedením sklonu operátora charakteristiky
kde je medzná frekvencia, určená na úrovni 0,7 statickej hodnoty sklonu charakteristiky.
Pri zmene teploty sa parametre a charakteristiky tranzistorov s riadeným poľom menia vplyvom nasledujúcich faktorov: zmeny spätného prúdu uzavretého p-n-prechodu; zmeny rozdielu kontaktného potenciálu zmeny odporu kanála.
Spätný prúd v uzavretom prúde rastie exponenciálne so zvyšujúcou sa teplotou. Zhruba sa dá uvažovať, že sa zdvojnásobí so zvýšením teploty o 6-8 C. Ak je v obvode hradla tranzistora veľký vonkajší odpor, tak pokles napätia na ňom, spôsobený zmeneným prúdom, môže výrazne zmeniť hradlové napätie.
Rozdiel kontaktných potenciálov klesá so zvýšením teploty približne o . Pri konštantnom napätí brány to vedie k zvýšeniu odtokového prúdu. Pre tranzistory s nízkym medzným napätím je tento efekt dominantný a zmeny odberového prúdu budú pozitívne.
Pretože teplotný koeficient charakterizujúci zmenu odporu kanála je kladný, odtokový prúd klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Tým sa otvára možnosť správna voľba polohy pracovného bodu tranzistora vzájomne kompenzujú zmeny prúdu spôsobené zmenami rozdielu kontaktného potenciálu a odporu kanála. Výsledkom je, že odtokový prúd bude takmer konštantný v širokom rozsahu teplôt.
Pracovný bod, pri ktorom je zmena prietoku so zmenami teploty minimálna, sa nazýva termostabilný bod. Jeho približnú polohu možno zistiť z rovnice
Z (2.78) vidno, že pri výraznej strmosti charakteristiky v tepelne stabilnom bode je malá a z tranzistora možno získať oveľa nižšie zosilnenie ako pri práci s nízkym napätím.
Ryža. 2.40. Zaradenie tranzistora s efektom poľa do obvodov: a - so spoločným zdrojom; b - so spoločným odtokom
Moderné tranzistory s efektom poľa vyrobené na báze kremíka sú prevádzkyschopné do teploty 120-150 C. Ich zaradenie do obvodov zosilňovacích stupňov so spoločným zdrojom a spoločným odberom je znázornené na obr. 2,40, a, b. Konštantné napätie poskytuje určitú hodnotu odporu kanála a určitý odberový prúd. Keď sa použije vstupné zosilnené napätie, zmení sa potenciál brány a podľa toho sa zmenia aj odtokové a zdrojové prúdy, ako aj pokles napätia na rezistore R.
Prírastok poklesu napätia na rezistore R pri veľkej hodnote je oveľa väčší ako prírastky vstupného napätia. Tým sa signál zosilní. Vzhľadom na nízku prevalenciu nie je zobrazené zapnutie spoločnou uzávierkou. Keď zmeníte typ elektrickej vodivosti kanála, zmení sa iba polarita použitých napätí a smer prúdov, a to aj v ekvivalentných obvodoch.
Hlavnými výhodami tranzistorov s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom oproti bipolárnym sú vysoký vstupný odpor, nízky šum, jednoduchá výroba a absencia zvyškového napätia v otvorenom stave medzi zdrojom a kolektorom otvoreného tranzistora.
Tranzistory MIS môžu byť dvoch typov: tranzistory so vstavanými kanálmi (kanál je vytvorený počas výroby) a tranzistory s indukovanými kanálmi (kanál sa objavuje pod pôsobením napätia aplikovaného na riadiace elektródy).
Tranzistory prvého typu môžu pracovať ako v režime vyčerpania kanála s nosičmi náboja, tak v režime obohacovania. Tranzistory druhého typu je možné použiť iba v režime obohatenia. V MIS tranzistoroch na rozdiel od tranzistorov s riadiacim p-n prechodom je kovová brána izolovaná od polovodiča dielektrickou vrstvou a je tu prídavný výstup z kryštálu, na ktorom je zariadenie vyrobené (obr. 2.41), nazývaný substrát.
Ryža. 2.41. Štruktúry MIS tranzistora: a - planárny tranzistor s indukovaným kanálom. b - planárny tranzistor so vstavaným kanálom; , tranzistor - a .
Ryža. 2.42. Rozloženie nosičov náboja v povrchovej vrstve
Riadiace napätie môže byť aplikované ako medzi hradlo a podložku, tak aj nezávisle na podložku a hradlo. Vplyvom výsledného elektrického poľa sa v tranzistore s indukovaným kanálom objaví v blízkosti povrchu polovodiča kanál typu - typ v dôsledku odpudzovania elektrónov z povrchu do hĺbky polovodiča. V tranzistore so vstavaným kanálom je existujúci kanál rozšírený alebo zúžený. Zmenou riadiaceho napätia sa zmení šírka kanála a podľa toho aj odpor a prúd tranzistora.
Významnou výhodou tranzistorov MIS je ich vysoký vstupný odpor dosahujúci hodnoty Ohm (pre tranzistory s ovládaním Ohm).
Pozrime sa podrobnejšie na činnosť tranzistora MIS s indukovaným kanálom. Nech sa ako zdrojový materiál tranzistora použije kremík s elektrickou vodivosťou typu -. Úlohu dielektrického filmu plní oxid kremičitý. Pri absencii predpätia je povrchová vrstva polovodiča zvyčajne obohatená elektrónmi (obr. 2.42, a). Je to spôsobené prítomnosťou kladne nabitých iónov v dielektrickom filme, čo je dôsledok predchádzajúcej oxidácie kremíka a jeho fotolitografického spracovania, ako aj prítomnosti pascí na rozhraní. Pripomeňme si, že pasce sú súborom energetických úrovní umiestnených hlboko v pásme, blízko jeho stredu.
Keď sa na bránu privedie záporné napätie, elektróny blízkej povrchovej vrstvy sú odpudzované do hĺbky polovodiča a otvory sa pohybujú smerom k povrchu. Povrchová vrstva získava dierovú elektrickú vodivosť (obr. 2.42, b). V ňom sa objaví tenká inverzná vrstva, ktorá spája odtok so zdrojom. Táto vrstva hrá úlohu kanála. Ak je medzi zdrojom a odtokom aplikované napätie, potom otvory, pohybujúce sa pozdĺž kanála, vytvárajú odtokový prúd. Zmenou napätia hradla je možné rozšíriť alebo zúžiť kanál a tým zvýšiť alebo znížiť odtokový prúd.
Napätie hradla, pri ktorom je kanál indukovaný, sa nazýva prahové napätie. Pretože sa kanál objavuje postupne, ako sa napätie hradla zvyšuje, aby sa odstránila nejednoznačnosť v jeho definícii, zvyčajne sa nastaví určitá hodnota prúdu odvádzania, nad ktorou sa má za to, že potenciál hradla dosiahol prahové napätie .
So zväčšujúcou sa vzdialenosťou od povrchu polovodiča klesá koncentrácia indukovaných otvorov. Vo vzdialenosti približne rovnej hrúbke kanála sa elektrická vodivosť stáva vlastnou. Potom prichádza úsek ochudobnený o hlavné nosiče náboja (-prechod). Vďaka nemu sú odtok, zdroj a kanál izolované od substrátu; - prechod je predpätý aplikovaným napätím v opačnom smere. Je zrejmé, že jeho šírka a šírka kanála môže byť zmenená aplikáciou dodatočného napätia na substrát vzhľadom na kolektorovú a zdrojovú elektródu tranzistora. Odtokový prúd môže byť preto riadený nielen zmenou napätia hradla, ale aj zmenou napätia substrátu. Riadenie tranzistora MOS je v tomto prípade podobné ako riadenie tranzistora s efektom poľa s riadiacim prechodom. Ak chcete vytvoriť kanál, napätie väčšie ako .
Hrúbka inverznej vrstvy je oveľa menšia ako hrúbka ochudobnenej vrstvy. Ak je to stovky - tisíce nm, potom je hrúbka indukovaného kanála iba 1-5 nm. Inými slovami, otvory indukovaného kanála sú „pritlačené“ k povrchu polovodiča, preto štruktúra a vlastnosti rozhrania polovodič-izolátor hrajú v MIS tranzistoroch veľmi dôležitú úlohu.
Otvory tvoriace kanál doň vstupujú nielen zo substrátu, kde ich je málo a vznikajú pomerne pomaly, ale aj zo zdrojovej a drenážnej vrstvy, kde je ich koncentrácia prakticky neobmedzená a pole pevnosť v blízkosti týchto elektród je pomerne vysoká.
V tranzistoroch so vstavaným kanálom bude prúd v obvode kolektora tiecť aj pri nulovom hradlovom napätí. Na jeho zastavenie je potrebné priviesť na bránu kladné napätie (s kanálovou štruktúrou typu), ktoré sa rovná alebo je väčšie ako medzné napätie. V tomto prípade budú otvory z inverznej vrstvy takmer úplne vytlačené do hĺbky polovodiča a kanál zmizne. Keď sa aplikuje záporné napätie, kanál sa rozširuje a prúd sa zvyšuje. Teda. MOS tranzistory so vstavanými kanálmi pracujú v režime vyčerpania aj obohatenia.
Ryža. 2.43. Štruktúra tranzistora MIS so zmenenou šírkou kanála počas toku prúdu (a); jeho výstupné charakteristiky s indukovanými (b) a zabudovanými (c) kanálmi: I strmá oblasť; II - rovná plocha alebo oblasť nasýtenia; III - oblasť poruchy; 1 - obedová vrstva
Podobne ako poľom riadené tranzistory s riadiacim prechodom, aj MIS tranzistory sa pri nízkych napätiach (v oblasti obr. 2.43, b, c) správajú ako linearizovaný riadený odpor. Keď sa napätie zvyšuje, šírka kanála sa zmenšuje v dôsledku poklesu napätia na ňom a zmeny vo výslednom elektrickom poli. Toto je obzvlášť výrazné v tej časti kanála, ktorá sa nachádza v blízkosti odtoku (obr. 2.43, a). Pokles napätia vytvorený prúdom vedie k nerovnomernému rozloženiu intenzity elektrického poľa pozdĺž kanála a zvyšuje sa, keď sa blíži k odtoku. Pod napätím sa kanál v blízkosti odtoku natoľko zúži, že nastane dynamická rovnováha, keď zvýšenie napätia spôsobí zmenšenie šírky kanála a zvýšenie jeho odporu. V dôsledku toho sa prúd s ďalším zvýšením napätia mení len málo. Tieto procesy zmeny šírky kanála v závislosti od napätia sú rovnaké ako v tranzistoroch s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom.
Výstupné charakteristiky tranzistorov MIS sú podobné ako pri tranzistoroch riadených poľom (obr. 2.43, b, c). Môžu byť rozdelené na strmé a ploché oblasti, ako aj na oblasť rozpadu. V strmej oblasti môže tranzistor MIS pôsobiť ako elektricky riadený odpor. Plochá oblasť II sa zvyčajne používa pri konštrukcii zosilňovacích kaskád. Analytické aproximácie prúdovo-napäťových charakteristík MIS tranzistorov nie sú príliš vhodné a v inžinierskej praxi sa používajú len zriedka. Na približné odhady odtokového prúdu v oblasti nasýtenia môžete použiť rovnicu
Pre tranzistory so zabudovaným kanálom možno použiť rovnice (2.79), ak nahradíme a zohľadníme znamienka napätí a .. Charakterizujú parametre tranzistora s efektom poľa, ktorý je pre daný režim merania reprezentovaný ekvivalentným obvodom na obr. 2.44, e. Horšie odráža vlastnosti tranzistora, ale jeho parametre sú známe alebo sa dajú ľahko zmerať (vstupná kapacita, priechodná kapacita, výstupná kapacita).
Operátorská rovnica pre strmosť charakteristík MOS tranzistorov má rovnaký tvar ako pre poľom riadené tranzistory s riadiacim signálom, v tomto prípade je časová konštanta . V typickom prípade s dĺžkou kanála 5 μm leží medzná frekvencia, pri ktorej sa sklon charakteristiky znižuje faktorom 0,7, v rozmedzí niekoľkých stoviek megahertzov.
Teplotná závislosť prahového napätia a medzného napätia je spôsobená zmenou polohy Fermiho hladiny, zmenou priestorového náboja v oblasti vyčerpania a vplyvom teploty na hodnotu náboja v dielektriku. MOS tranzistory majú tiež tepelne stabilný pracovný bod, kde je odberový prúd málo ovplyvnený teplotou. Pre rôzne tranzistory je hodnota odberového prúdu v tepelne stabilnom bode v rámci. Dôležitou výhodou MIS tranzistorov oproti bipolárnym je nízky pokles napätia na nich pri spínaní malých signálov. Takže, ak je v bipolárnych tranzistoroch v režime nasýtenia napätie
Pri znižovaní sa môže znížiť na hodnotu smerujúcu k nule. Keďže tranzistory MIS s dielektrikom oxidu kremičitého sú široko používané, budeme ich ďalej nazývať tranzistory MOS.
V súčasnosti priemysel vyrába napríklad aj MOSFETy s dvoma izolovanými hradlami (tetródou). Prítomnosť druhej brány umožňuje súčasne ovládať prúd tranzistora pomocou dvoch riadiacich napätí, čo uľahčuje konštrukciu rôznych zosilňovacích a násobiacich zariadení. Ich charakteristiky sú podobné charakteristikám jednobránových tranzistorov s efektom poľa, len ich počet je väčší, keďže sú stavané na napätie každého hradla s konštantným napätím na druhom hradle. Podľa toho sa rozlišuje sklon charakteristiky pre prvé a druhé hradlo, medzné napätie prvého a druhého hradla atď.. Privedenie napätia na hradla sa nelíši od privedenia napätia na hradlo jednobránového MOSFETu.
Musí prekročiť prah. V opačnom prípade sa kanál nezobrazí a tranzistor bude zablokovaný.
Technologické možnosti a pokroky vo vývoji vysokovýkonných tranzistorov s efektom poľa viedli k tomu, že v súčasnosti nie je ťažké získať ich za prijateľnú cenu.
V tejto súvislosti vzrástol záujem rádioamatérov o použitie takýchto MOSFET tranzistorov v ich elektronických domácich produktoch a projektoch.
Za zmienku stojí skutočnosť, že MOSFETy sa výrazne líšia od svojich bipolárnych náprotivkov, a to ako z hľadiska parametrov, tak aj ich zariadenia.
Je čas lepšie sa zoznámiť so zariadením a parametrami výkonných tranzistorov MOSFET, aby ste si v prípade potreby vedomejšie vybrali analóg pre konkrétnu inštanciu a tiež aby ste mohli pochopiť podstatu určitých špecifikovaných hodnôt. v údajovom liste.
Čo je HEXFET tranzistor?
V rodine FET existuje samostatná skupina vysokovýkonných polovodičových zariadení nazývaných HEXFET. Ich princíp fungovania je založený na veľmi originálnom technickom riešení. Ich štruktúra je niekoľko tisíc MOS buniek zapojených paralelne.
Bunkové štruktúry tvoria šesťuholník. Kvôli šesťuholníkovej alebo inak šesťuholníkovej štruktúre daný typ výkonové MOSFETy a nazývajú sa HEXFET. Prvé tri písmená tejto skratky sú prevzaté z anglického slova hex agonálny- "šesťhranný".
Pri viacnásobnom zväčšení vyzerá kryštál výkonného HEXFET tranzistora takto.
Ako vidíte, má šesťhrannú štruktúru.
Ukazuje sa, že výkonný MOSFET je v skutočnosti druh super-mikroobvodu, v ktorom sú kombinované tisíce jednotlivých jednoduchých tranzistorov s efektom poľa. Spolu vytvárajú jeden výkonný tranzistor, ktorý cez seba dokáže prejsť veľký prúd a zároveň nekladie prakticky žiadny výrazný odpor.
Vďaka špeciálnej štruktúre a výrobnej technológii HEXFET, odolnosť ich kanála RDS(zapnuté) podarilo výrazne znížiť. To umožnilo vyriešiť problém spínania prúdov niekoľkých desiatok ampérov pri napätiach do 1000 voltov.
Tu je len malá oblasť použitia pre vysokovýkonné HEXFET tranzistory:
Spínacie obvody napájania.
Nabíjacie zariadenie.
Riadiace systémy motora.
Nízkofrekvenčné zosilňovače.
Napriek tomu, že HEXFET (paralelný kanál) mosfety majú relatívne nízky odpor otvoreného kanála, ich rozsah je obmedzený a používajú sa hlavne vo vysokofrekvenčných vysokoprúdových obvodoch. Vo vysokonapäťovej výkonovej elektronike sú niekedy preferované obvody na báze IGBT.
Obrázok tranzistora MOSFET na doske plošných spojov elektrické schéma(N-kanál MOS).
Podobne ako bipolárne tranzistory môžu byť štruktúry poľa buď vpred alebo vzad. To znamená s P-kanálom alebo N-kanálom. Závery sú uvedené takto:
D-odtok (zásoba);
S-zdroj (zdroj);
G-brána (uzáver).
O tom, ako sa označujú tranzistory rôznych typov s efektom poľa obvodové schémy nájdete na tejto stránke.
Základné parametre tranzistorov s efektom poľa.
Celý súbor parametrov MOSFET môže byť vyžadovaný iba vývojármi zložitých elektronických zariadení a spravidla nie je uvedený v údajovom liste (referenčný list). Stačí poznať základné parametre:
V DSS(Drain-to-Source Voltage) - napätie medzi kolektorom a zdrojom. Toto je zvyčajne napájacie napätie vášho obvodu. Pri výbere tranzistora by ste mali vždy pamätať na približne 20% rezervu.
ja D(Continuous Drain Current) - Odvodňovací prúd alebo trvalý odtokový prúd. Vždy špecifikované pri konštantnom napätí hradlového zdroja (napríklad V GS = 10 V). Technický list spravidla uvádza maximálny možný prúd.
RDS(zapnuté)(Static Drain-to-Source On-Resistance) - odpor zdroja odtoku otvoreného kanála. So zvyšujúcou sa teplotou kryštálov sa zvyšuje odpor otvoreného kanála. To je ľahko vidieť na grafe prevzatom z údajového listu jedného z výkonných HEXFET tranzistorov. Čím nižší je odpor otvoreného kanála (R DS(on)), tým lepší je mosfet. Menej sa zahrieva.
P D(Power Dissipation) - výkon tranzistora vo wattoch. Iným spôsobom sa tento parameter nazýva aj rozptylová sila. V údajovom liste pre konkrétny produkt je hodnota tohto parametra uvedená pre určitú teplotu kryštálu.
VGS(Gate-to-Source Voltage) - saturačné napätie hradla-zdroja. Toto je napätie, nad ktorým nedochádza k zvýšeniu prúdu cez kanál. V skutočnosti ide o maximálne napätie medzi bránou a zdrojom.
VGS(th)(Gate Threshold Voltage) – prahové napätie zapnutia tranzistora. Toto je napätie, pri ktorom sa otvorí vodivý kanál a začne prechádzať prúd medzi svorkou zdroja a odtokom. Ak sa medzi svorky hradla a zdroja privedie napätie menšie ako V GS(th), potom sa tranzistor uzavrie.
Graf ukazuje, ako klesá prahové napätie V GS(th) so zvyšujúcou sa teplotou kryštálu tranzistora. Pri teplote 175 0 C je to asi 1 volt a pri teplote 0 0 C asi 2,4 voltu. Preto údajový list spravidla uvádza minimum ( min.) a maximálne ( max.) prahové napätie.
Zvážte hlavné parametre výkonného tranzistora HEXFET s efektom poľa na príklade IRLZ44ZS od International Rectifier. Napriek pôsobivému výkonu má malé telo D2PAK pre povrchovú montáž. Pozrime sa na datasheet a zhodnotíme parametre tohto produktu.
Maximálne napätie odtokového zdroja (V DSS): 55 voltov.
Maximálny odberový prúd (ID): 51 Amp.
Obmedzenie napätia hradla (V GS): 16 voltov.
Odpor odtokového zdroja otvoreného kanála (R DS (zapnuté)): 13,5 mΩ.
Maximálny výkon (P D): 80 wattov.
Odpor otvoreného kanála IRLZ44ZS je iba 13,5 miliohmov (0,0135 ohmov)!
Pozrime sa na „kúsok“ z tabuľky, kde sú uvedené maximálne parametre.
Je jasne vidieť, ako pri konštantnom napätí hradla, ale so zvýšením teploty, prúd klesá (z 51A (pri t=25 0 C) na 36A (pri t=100 0 C)). Výkon pri teplote puzdra 25 0 C je 80 wattov. Uvádzajú sa aj niektoré parametre v pulznom režime.
MOSFET tranzistory sú rýchle, ale majú jednu významnú nevýhodu - veľkú kapacitu brány. V dokumentoch je vstupná kapacita hradla označená ako C iss (vstupná kapacita).
Aká je kapacita brány? Do značnej miery ovplyvňuje určité vlastnosti tranzistorov s efektom poľa. Pretože vstupná kapacita je pomerne veľká a môže dosiahnuť desiatky pikofaradov, použitie tranzistorov s efektom poľa v obvodoch vysoká frekvencia obmedzené.
Dôležité vlastnosti tranzistorov MOSFET.
Pri práci s tranzistormi s efektom poľa, najmä s izolovaným hradlom, je veľmi dôležité pamätať na to, že sú „smrteľné“ strach zo statickej elektriny. Spájkovať ich do obvodu môžete len tak, že vodiče najprv navzájom skratujete tenkým drôtikom.
Počas skladovania by mali byť všetky vodiče MOSFET skratované obyčajnou hliníkovou fóliou. Tým sa zníži riziko preskoku brány statickou elektrinou. Pri montáži na dosku s plošnými spojmi je lepšie použiť spájkovaciu stanicu a nie klasickú elektrickú spájkovačku.
Faktom je, že bežná elektrická spájkovačka nemá ochranu pred statickou elektrinou a nie je "odpojená" od siete cez transformátor. Na jeho medenom žihadle sú vždy elektromagnetické „výbery“ zo siete.
Akýkoľvek nárast napätia v sieti môže poškodiť spájkovaný predmet. Preto pri spájkovaní FETu do obvodu elektrickou spájkovačkou riskujeme poškodenie MOSFETu.
Tranzistor s efektom poľa je polovodičové zariadenie, v ktorom prúd vytvárajú iba hlavné nosiče náboja pôsobením pozdĺžneho elektrického poľa a tento prúd je riadený priečnym elektrickým poľom, ktoré vzniká napätím privedeným na riadiaca elektróda.
Niekoľko definícií:
Výstup tranzistora s efektom poľa, z ktorého prúdia hlavné nosiče náboja, sa nazýva zdroj.
Výstup tranzistora s efektom poľa, ku ktorému prúdia hlavné nosiče náboja, sa nazýva mozgov.
Výstup tranzistora s efektom poľa, na ktorý je privedené riadiace napätie, ktoré vytvára priečne elektrické pole, sa nazýva hradlo.
Úsek polovodiča, pozdĺž ktorého sa pohybujú hlavné nosiče náboja, medzi p-n prechodom, sa nazýva kanál tranzistora s efektom poľa.
Preto sú tranzistory s efektom poľa rozdelené na kanálové tranzistory typu p alebo n.
Uvažujme o princípe činnosti na príklade tranzistora s kanálom typu n.
1) Uzi = 0; Ic1 = max;
2) |Uzi| > 0; Ic2< Ic1
3) |Uzi| >> 0; Ic3 = 0
Brána je vždy napájaná takým napätím, aby boli prechody uzavreté. Napätie medzi odtokom a zdrojom vytvára pozdĺžne elektrické pole, vďaka ktorému sa hlavné nosiče náboja pohybujú kanálom a vytvárajú odtokový prúd.
1) Pri absencii napätia na bráne sú p-n prechody uzavreté vlastným vnútorným poľom, ich šírka je minimálna a šírka kanála je maximálna a odtokový prúd bude maximálny.
2) So zvyšujúcim sa blokovacím napätím na bráne, šírke p-n križovatky sa zvyšuje, zatiaľ čo šírka kanála a odtokový prúd sa zmenšujú.
3) Pri dostatočne vysokých napätiach hradla sa šírka p-n prechodov môže zväčšiť natoľko, že sa zlúčia, odtokový prúd sa stane nulovým.
Napätie hradla, pri ktorom je odtokový prúd nulový, sa nazýva medzné napätie.
Záver: tranzistor s efektom poľa je riadená polovodičová súčiastka, keďže zmenou napätia hradla je možné znížiť odberový prúd a preto sa zvykne tvrdiť, že tranzistory s efektom poľa s riadenie p-n prechody fungujú iba v režime vyčerpania kanálov.
Ako vysvetliť vysokú vstupnú impedanciu tranzistora s efektom poľa?
Pretože tranzistor s efektom poľa je riadený elektrickým poľom, potom v riadiacej elektróde nie je prakticky žiadny prúd, s výnimkou zvodového prúdu. Preto majú tranzistory s efektom poľa vysoký vstupný odpor, rádovo 10 14 ohmov.
Čo určuje odberový prúd tranzistora s efektom poľa?
Závisí od dodávaných napätí U si a U zi.
Schémy zapínania tranzistorov s efektom poľa.
Tranzistor s efektom poľa môže byť zapnutý podľa jednej z troch hlavných schém: so spoločným zdrojom (OI), spoločným kolektorom (OS) a spoločným hradlom (OZ).
V praxi sa najčastejšie používa obvod s OI, podobný obvodu na bipolárnom tranzistore s OE. Kaskáda so spoločným zdrojom poskytuje veľmi veľké prúdové a výkonové zosilnenie. Obvod s OZ je podobný obvodu s OB. Neposkytuje prúdové zosilnenie, a preto je v ňom výkonové zosilnenie mnohonásobne menšie ako v obvode OI. Kaskáda OZ má nízku vstupnú impedanciu, a preto má obmedzené praktické využitie v zosilňovacej technike.
Aký je rozdiel medzi tranzistorom s efektom poľa a bipolárnym tranzistorom?
V tranzistore s efektom poľa je prúd riadený elektrickým poľom vytvoreným aplikovaným napätím a nie základným prúdom. Preto v hradlovej elektróde nie je prakticky žiadny prúd, s výnimkou zvodových prúdov.
Statický režim zapínania tranzistora. Statické charakteristiky tranzistorov s efektom poľa.
Medzi hlavné charakteristiky patrí:
Charakteristika kolektorového hradla (obr. a) je závislosť kolektorového prúdu (Ic) od napätia hradla (Usi) pre n-kanálové tranzistory.
Odtoková charakteristika (obr. b) je závislosť Ic od Us at konštantné napätie na bráne Ic = f (Usi) pri Uzi = Konšt.
Hlavné parametre:
Medzné napätie.
Strmosť charakteristiky odtoku. Ukazuje, o koľko miliampérov sa zmení odtokový prúd, keď sa napätie brány zmení o 1 V.
Vnútorný odpor (alebo výstup) FET
Vstupná impedancia
Vysvetlite vplyv odberu napätia na prúd U zi A U si .
Vplyv vstupných napätí v riadenom tranzistore je znázornený na obrázku:
Tri hlavné prevádzkové režimy tranzistora.
V rôznych typoch tranzistorov s efektom poľa a pri rôznych vonkajších napätiach môže mať brána dva typy efektov na kanál: v prvom prípade (napríklad v tranzistoroch s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom pri napätiach na elektródach zodpovedajúcich na obr. 2-1.5), bráni toku prúdu kanálom, čím sa znižuje počet nosičov náboja, ktoré ním prechádzajú (tento režim sa nazýva režim vyčerpania kanálov), v druhom prípade (napríklad v tranzistoroch MIS s indukovaným kanálom, zapojeným podľa obr. 2-1.7), brána naopak stimuluje tok prúdu cez kanál, čím sa zvyšuje počet nábojov nosiče v prúde ( režim obohatenia kanála). Často sa len hovorí chudý režim A režim obohatenia . Všimnite si, že MIS tranzistory s indukovaným kanálom môžu byť v aktívnom režime iba v prípade režimu obohatenia kanála a pre MIS tranzistory s integrovaným kanálom to môže byť režim obohatenia aj režim vyčerpania. V FET s riadiacim p-n prechodom pokus o aplikáciu predpätia na tento prechod spôsobí jeho otvorenie a v hradlovom obvode preteká významný prúd. Reálne procesy v tranzistore v tomto prípade silne závisia od jeho konštrukcie, nie sú takmer nikdy zdokumentované a je ťažké ich predvídať. Preto nie je zvykom hovoriť o režime obohatenia pre tranzistory s efektom poľa s riadiacim prechodom a je to jednoducho zbytočné.
Režim nasýtenia - charakterizuje stav nie celého tranzistora ako celku, ako to bolo u bipolárnych zariadení, ale iba vodivého kanála medzi zdrojom a kolektorom. Tento režim zodpovedá nasýteniu kanála hlavnými nosičmi náboja. Takýto fenomén ako nasýtenia je jednou z najdôležitejších fyzikálnych vlastností polovodičov. Ukazuje sa, že keď je na polovodičový kanál privedené vonkajšie napätie, prúd v ňom lineárne závisí od tohto napätia iba do určitej hranice ( saturačné napätie), a pri dosiahnutí tejto hranice sa stabilizuje a zostáva prakticky nezmenená až do rozpadu konštrukcie. Pri použití na tranzistory s efektom poľa to znamená, že keď napätie zdroja kolektora prekročí určitú prahovú úroveň, prestane ovplyvňovať prúd v obvode. Ak pre bipolárne tranzistory režim saturácie znamenal úplnú stratu zosilňovacích vlastností, potom pre poľné tranzistory to neplatí. Tu naopak saturácia kanála vedie k zvýšeniu zisku a zníženiu nelineárneho skreslenia. Kým napätie kolektora-zdroja nedosiahne saturáciu, prúd cez kanál sa lineárne zvyšuje so zvyšujúcim sa napätím (t.j. správa sa rovnako ako v bežnom rezistore). Autorovi nie je známy žiadny ustálený názov pre takýto stav tranzistora s efektom poľa (keď kanálom tečie prúd, ale kanál nie je nasýtený), budeme ho nazývať režim desaturovaného kanála(nájde uplatnenie v analógových spínačoch na tranzistoroch s efektom poľa). Režim nasýtenia kanála je zvyčajne normálny, keď je v zosilňovacích obvodoch zapnutý tranzistor s efektom poľa, preto v budúcnosti pri zvažovaní prevádzky tranzistorov v obvodoch na to nebudeme klásť veľký dôraz, čo znamená, že medzi nimi je dostatočné napätie. odtok a zdroj tranzistora na nasýtenie kanála.
Čo charakterizuje kľúčový režim činnosti tranzistora?
Kľúč sa nazýva taký režim činnosti tranzistora, v ktorom môže byť úplne otvorený alebo úplne zatvorený a v ideálnom prípade chýba medzistav, v ktorom je komponent čiastočne otvorený. Výkon rozptýlený v tranzistore v statickom režime sa rovná súčinu prúdu tečúceho cez svorky kolektor-zdroj a napätia aplikovaného medzi týmito svorkami.
V ideálnom prípade, keď je tranzistor otvorený, t.j. v režime nasýtenia má jeho odpor medzi svorkami zdroja odtoku tendenciu k nule. Strata výkonu v otvorenom stave je výsledkom napätia rovného nule a určitého množstva prúdu. Rozptýlený výkon je teda nulový.
Ideálne je, keď je tranzistor uzavretý, t.j. v režime cutoff má jeho odpor medzi svorkami zdroja odtoku tendenciu k nekonečnu. Strata výkonu v zatvorenom stave je súčinom určitej hodnoty napätia a hodnoty prúdu rovnajúcej sa nule. Preto je strata výkonu nulová.
Ukazuje sa, že v kľúčovom režime je v ideálnom prípade strata výkonu tranzistora nulová.
Čo je to zosilňujúce štádium?
Spojenie niekoľkých zosilňovačov určených na zvýšenie parametrov elektrického signálu. Delia sa na predzosilňovacie stupne a koncové stupne. Prvé sú určené na zvýšenie úrovne napätia signálu a výstupné stupne sú navrhnuté tak, aby získali požadovaný prúd alebo výkon signálu.
Dobré popoludnie priatelia!
Nedávno sme sa spolu s tebou začali bližšie zoznamovať s fungovaním počítačového hardvéru. A stretli sme sa s jednou jeho „tehlou“ – polovodičovou diódou. je komplexný systém pozostávajúci z oddelených častí. Pochopením toho, ako tieto jednotlivé časti (veľké a malé) fungujú, získavame poznatky.
Nadobudnutím vedomostí dostaneme šancu pomôcť nášmu železnému priateľovi – počítaču, ak sa zrazu zblázni. Sme predsa zodpovední za tých, ktorých sme si skrotili, nie?
Dnes budeme pokračovať v tomto zaujímavom obchode a pokúsime sa zistiť, ako pravdepodobne funguje hlavná „tehla“ elektroniky, tranzistor. Zo všetkých typov tranzistorov (je ich veľa) sa teraz obmedzíme na zváženie fungovania tranzistorov s efektom poľa.
Prečo je tranzistor tranzistor s efektom poľa?
Slovo "tranzistor" je vytvorené z dvoch anglických slov translate a rezistor, to znamená, že inými slovami je to odporový menič.
Medzi rôznymi tranzistormi sú aj tranzistory s efektom poľa, t.j. tie, ktoré sú riadené elektrickým poľom.
Elektrické pole je vytvorené napätím. Tranzistor s efektom poľa je teda napäťovo riadené polovodičové zariadenie.
V anglickej literatúre sa používa pojem MOSFET (MOS Field Effect Transistor). Existujú aj iné typy polovodičových tranzistorov, najmä bipolárne, ktoré sú riadené prúdom. V tomto prípade sa určitá energia vynakladá aj na riadenie, pretože na vstupné elektródy musí byť privedené určité napätie.
FET kanál je možné otvoriť iba napätím, pričom cez vstupné elektródy nepreteká žiadny prúd (okrem veľmi malého unikajúceho prúdu). Tie. riadiaci výkon sa nepoužíva. V praxi sa však tranzistory s efektom poľa väčšinou používajú nie v statickom režime, ale spínajú sa na určitej frekvencii.
Konštrukcia tranzistora s efektom poľa určuje prítomnosť vnútornej prechodovej kapacity v ňom, cez ktorú pri spínaní preteká určitý prúd v závislosti od frekvencie (čím vyššia frekvencia, tým väčší prúd). Takže, prísne vzaté, stále sa minie určitá kontrolná sila.
Kde sa používajú tranzistory s efektom poľa?
Súčasná úroveň technológie umožňuje, aby bol odpor otvoreného kanála výkonného tranzistora s efektom poľa (FET) dostatočne malý - v niekoľkých stotinách alebo tisícinách ohmu!
A to je veľká výhoda, keďže aj pri prúde desať ampérov výkon rozptýlený vo FET nepresiahne desatiny či stotiny wattu.
Od objemných radiátorov sa teda môže upustiť alebo ich rozmery sa môžu výrazne zmenšiť.
FET sú široko používané v počítačových a nízkonapäťových spínacích regulátoroch pre počítače.
Z celej škály typov FET sa na tieto účely používajú FET s indukovaným kanálom.
Ako funguje tranzistor s efektom poľa?
FET s indukovaným kanálom obsahuje tri elektródy - zdroj (source), drain (drain) a gate (gate).
Princíp činnosti PT je napoly jasný z grafického označenia a názvu elektród.
PT kanál je „vodné potrubie“, do ktorého prúdi „voda“ (prúd nabitých častíc, ktoré tvoria elektrický prúd) cez „zdroj“ (zdroj).
"Voda" tečie z druhého konca "potrubia" cez "odtok" (odtok). Brána je "kohútik", ktorý otvára alebo zatvára tok. Aby „voda“ prešla „rúrou“, je potrebné v nej vytvoriť „tlak“, t.j. aplikujte napätie medzi odtok a zdroj.
Ak nie je privedené žiadne napätie („žiadny tlak v systéme“), v kanáli nebude prúd.
Ak je aplikované napätie, potom "otvorte kohútik" možno použiť privedením napätia na bránu vzhľadom na zdroj.
Čím väčšie napätie je aplikované, tým viac je „kohútik“ otvorený, tým väčší prúd je v kanáli „zdroj odtoku“ a tým menší je odpor kanála.
V napájacích zdrojoch sa FET používa v kľúčovom režime, t.j. kanál je buď úplne otvorený alebo úplne zatvorený.
Úprimne povedané, princípy PT sú oveľa zložitejšie, môže to fungovať nielen v kľúčovom režime. Jeho dielo je opísané mnohými nejasnými vzorcami, ale to všetko tu nebudeme opisovať, ale obmedzíme sa na tieto jednoduché analógie.
Povieme len, že FETy môžu byť s n-kanálom (v tomto prípade je prúd v kanáli tvorený záporne nabitými časticami) a p-kanálom (prúd je tvorený kladne nabitými časticami). Na grafickom obrázku pre PT s n-kanálom šípka ukazuje dovnútra, pre PT s p-kanálom ukazuje von.
V skutočnosti je „rúrka“ kus polovodiča (najčastejšie kremíka) s nečistotami chemických prvkov rôzne druhy, ktorý určuje prítomnosť kladných alebo záporných nábojov v kanáli.
Teraz prejdime k praxi a rozprávajme sa o tom
Ako otestovať tranzistor s efektom poľa?
Normálne je odpor medzi akýmikoľvek svorkami FET nekonečne veľký.
A ak tester vykazuje mierny odpor, potom je PT s najväčšou pravdepodobnosťou zlomený a je potrebné ho vymeniť.
Mnohé FETy majú vstavanú diódu medzi kolektorom a zdrojom na ochranu kanála pred spätným napätím (napätie s obrátenou polaritou).
Ak teda pripojíte „+“ testera (červená sonda pripojená k „červenému“ vstupu testera) k zdroju a „-“ (čierna sonda pripojená k čiernemu vstupu testera) k odtoku, potom kanál „zazvoní“, ako bežná dióda smerom dopredu.
To platí pre n-kanálové FET. Pre p-kanálové FETy bude polarita sond obrátene.
Ako otestovať diódu digitálnym testerom je popísané v príslušnom. Tie. v časti "odtok - zdroj" klesne napätie 500-600 mV.
Ak zmeníte polaritu sond, na diódu sa privedie spätné napätie, tá sa uzavrie a tester to opraví.
Zdravie ochrannej diódy však ešte nevypovedá o zdravotnom stave tranzistora ako celku. Navyše, ak PT „prezvoníte“ bez toho, aby ste ho prispájkovali z obvodu, tak kvôli paralelne zapojeným obvodom nie je vždy možné vyvodiť jednoznačný záver ani o zdraví ochrannej diódy.
V takýchto prípadoch môžete tranzistor odspájkovať a pomocou malej schémy na testovanie jednoznačne odpovedzte na otázku- či PT funguje alebo nie.
IN pôvodný stav tlačidlo S1 je otvorené, napätie brány vzhľadom na odtok je nulové. PT je zatvorený a LED HL1 nesvieti.
Po zatvorení tlačidla sa na rezistore R3, aplikovanom medzi zdrojom a hradlom, objaví pokles napätia (asi 4 V). PT sa otvorí a rozsvieti sa LED HL1.
Tento obvod je možné zostaviť ako modul s FET konektorom. Tranzistory v balení D2 (ktoré je určené pre montáž na dosku plošných spojov) nie je možné zasunúť do konektora, ale je možné vložiť vodiče k jeho elektródam a už ich vložiť do konektora. Na testovanie FET s p-kanálom je potrebné obrátiť polaritu napájacieho zdroja a LED.
Niekedy polovodičové zariadenia zlyhajú prudko, s pyrotechnickými, dymovými a svetelnými efektmi.
V tomto prípade sa na puzdre vytvoria otvory, praskne alebo sa rozbije na kúsky. A môžete urobiť jednoznačný záver o ich poruche bez toho, aby ste sa uchýlili k zariadeniam.
Na záver povieme, že písmená MOS v skratke MOSFET znamenajú kov - oxid - polovodič (kov - oxid - polovodič). Toto je štruktúra FET - kovová brána ("faucet") je oddelená od polovodičového kanála vrstvou dielektrika (oxid kremíka).
Dúfam, že ste dnes prišli na „potrubia“, „kohútiky“ a iné „inštalatérske práce“.
Avšak teória, ako viete, bez praxe je mŕtva! S terénnymi pracovníkmi je potrebné experimentovať, hrabať sa hlbšie, vŕtať sa v ich kontrole, takpovediac cítiť.
Mimochodom, kúpiť sú možné tranzistory s efektom poľa.
V polovodičovej elektronike spolu s bipolárnymi tranzistormi sú tranzistory riadené podľa elektrické pole, jeden z pozitívne vlastnosti ktorý je vysoká vstupná impedancia(je 1-10 MΩ alebo viac). Takéto tranzistory sa nazývajú lúka(unipolárne).
Zariadenie a princíp činnosti
FETnazývané polovodičové zariadenia, v ktorých je vznik elektrického prúdu spôsobený pohybom nosičov náboja rovnakého znamienka pôsobením pozdĺžne elektrické pole a riadenie výstupného prúdu je založené na modulácia odporu polovodičový materiál priečne elektrické pole.
Princíp činnosti tranzistorov s efektom poľa môže byť založený na:
V závislosti od odporu polovodiča od prierezu jeho vodivej oblasti (čím menší prierez, tým nižší prúd; implementované v tranzistoroch s efektom poľa s manažérom r-p- prechod);
V závislosti od vodivosti polovodiča od koncentrácie hlavných nosičov (implementované v tranzistoroch s efektom poľa s izolovaná bránaštruktúry kov-izolant-polovodič(MIS tranzistory)).
Tranzistor s efektom poľa s manažérom r-p- prechod (PTUP) je tenký polovodičový plátok s jedným r-p-prechod a s neopravujúce okrajové kontakty. Elektrická vodivosť materiálu dosky môže byť P-typ resp R-typ. Ako príklad uvažujme tranzistor, ktorého hlavná doska pozostáva z polovodiča n-typ (obrázok 1.32).
Obrázok 1.32 - Štruktúra tranzistora riadeného poľom s riadením r-p-prechod
Hlavné oblasti v štruktúre tranzistora s efektom poľa s manažérom r-p- prechod sú:
región zdroj- oblasť, z ktorej sa začínajú pohybovať nosiče náboja;
región odtok- oblasť, do ktorej sa prepravcovia pohybujú;
región uzávierka- oblasť, pomocou ktorej je riadený tok médií;
región kanál- oblasť, ktorou sa nosiče pohybujú.
Výstupy z príslušných oblastí tranzistora majú podobné názvy: zdroj(A), zásob(C) a brána(3) (Obrázok 1.32).
Obrázok 1.33 znázorňuje grafické symboly tranzistorov s efektom poľa s ovládaním r-p- prechod: s kanálom P-typ (obrázok 1.33, A) a kanál R-typ (obrázok 1.33, b).
a b
Obrázok 1.33 - UGO tranzistory s efektom poľa s riadením r-p-prechod
Zvážte princíp fungovania PTUP. Zdroje napätia sú pripojené k tranzistoru tak, že medzi kolektorovou a zdrojovou elektródou prúdi elektrický prúd a napätie aplikované na bránu vychýlilo prechod elektrón-diera v opačnom smere.
Obrázok 1.34 ukazuje spôsob pripojenia zdrojov napätia na výstupy PTUP s kanálom P-typ.
Obrázok 1.34 - Pripojenie zdrojov napätia na svorky PTUP
Pod vplyvom napätia zdroja E SI elektróny sa budú pohybovať zo zdroja do odtoku, čím sa vo vonkajšom obvode vytvorí drenážny prúd ja C.
Koncentrácie nosičov náboja v polovodičovom materiáli kanála a hradla sa volia tak, že keď sa medzi hradlom a zdrojom použije spätné predpätie r-p- prechod sa rozšíri do oblasti kanála. To vedie k zníženiu plochy prierezu vodivej časti kanála a následne k zníženiu odtokového prúdu ja C.
Odpor oblasti umiestnenej pod elektrickým prechodom vo všeobecnosti závisí od napätia brány. Je to spôsobené tým, že rozmery prechodu sa zväčšujú so zvyšovaním spätného napätia, ktoré je naň aplikované, a zvýšenie oblasti ochudobnenej o nosiče náboja vedie k zvýšeniu elektrického odporu kanála (a teda, k poklesu prúdu pretekajúceho kanálom).
teda prevádzka tranzistora s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom je založená na zmene odporu kanála v dôsledku zmeny veľkosti oblasti ochudobnenej o hlavné nosiče náboja, ku ktorému dochádza pri pôsobení aplikovaného na uzáver spätné napätie.
Napätie medzi bránou a zdrojom, pri ktorom je kanál úplne zablokovaný a odtokový prúd dosahuje minimálnu hodnotu ( ja C» 0) sa nazývajú vypínacie napätie(U ots) tranzistor s efektom poľa.
Na rozdiel od PTUP, v ktorom uzávierka má elektrický kontakt s kanálom, v tranzistoroch s efektom poľa s izolovaná brána Brána (PTIS) je tenký film kovu izolovaný od polovodiča. V závislosti od typu izolácie sa rozlišujú tranzistory MIS a MOS (v tomto poradí kov - dielektrikum - polovodič a kov - oxid - polovodič, napríklad oxid kremičitý SiO 2).
V počiatočnom stave môže byť kanál PTIZ vyčerpaný nosiče náboja resp obohatený ich. V závislosti od toho sa rozlišujú dva typy tranzistorov s efektom poľa s izolovanou bránou: vstavaný kanál(Obrázok 1.35, A) (kanál vzniká pri výrobe) a tranzistormi MIS s indukovaný kanál(Obrázok 1.35, b) (kanál sa objaví pod pôsobením napätia aplikovaného na riadiace elektródy). V PTIZ je dodatočný výstup z kryštálu, na ktorom je zariadenie vyrobené (obrázok 1.35), tzv. substrát.
a b
Obrázok 1.35 - Zariadenie tranzistorov s efektom poľa s izolovaným hradlom
Pri PTIZ sú odtokové a zdrojové elektródy umiestnené na oboch stranách brány a sú v priamom kontakte s polovodičovým kanálom.
Kanál sa volá vstavaný ak je to pôvodne obohatený nosiče nábojov. V tomto prípade riadiace elektrické pole povedie k ochudobnenie kanál podľa nosičov náboja. Ak je kanál pôvodný vyčerpaný dopravcov elektrické náboje, potom sa volá vyvolané. V tomto prípade riadiace elektrické pole (medzi bránou a zdrojom) obohatí kanál o nosiče elektrického náboja (to znamená, že zvýši jeho vodivosť).
Kanál vodivosť môže byť elektronické alebo perforovaný. Ak má kanál elektronickú vodivosť, potom sa nazýva P- kanál. Kanály s dierovým vedením sa nazývajú R-kanály. V dôsledku toho rozlišujte štyri typy tranzistory s efektom poľa s izolovanou bránou: s kanálom P- buď R-typy, z ktorých každý môže mať vyvolané alebo vstavaný kanál. Bežné grafické označenia menovaných typov tranzistorov s efektom poľa sú na obrázku 1.36.
Riadiace napätie možno predložiť spoločnosti PTIZ as medzi uzávierkou A substrát, a nezávisle od substrátu a brány. Uvažujme ako príklad princíp riadenia prúdu v tranzistoroch s efektom poľa, ktorých štruktúry sú znázornené na obrázku 1.35.
Obrázok 1.36 - Tranzistory UGO s efektom poľa s izolovaným hradlom
Ak sa na bránu aplikuje kladné napätie, potom pod vplyvom výsledného elektrického poľa v blízkosti povrchu polovodiča (obrázok 1.35, b) zobrazí sa kanál P -typ v dôsledku odpudzovania otvorov z povrchu do hĺbky polovodiča. V tranzistore vstavaný kanál (obrázok 1.35, A) dochádza k rozšíreniu existujúceho kanála pri použití kladného napätia alebo k zúženiu - pri použití záporného napätia. Zmenou ovládacieho napätia sa zmení šírka kanála a podľa toho odpor A tranzistorový prúd.
nevyhnutné výhodu PTIZ pred PTUP je , dosahujúce hodnoty 10 10 - 10 14 Ohm (pre tranzistory s riad. r-p-prechod - 10 7 - 10 9 Ohm).
Dôležitou výhodou tranzistorov s efektom poľa oproti bipolárnym je nízky pokles napätia na nich pri prepínaní slabých signálov.
Okrem toho by mal zdôrazniť také výhody, ako sú:
- vysoká vstupná impedancia;
- malé zvuky;
- jednoduchosť výroby;
- neprítomnosť zvyškového napätia medzi zdrojom a kolektorom otvoreného tranzistora v otvorenom stave.
Voltampérové charakteristiky a základné parametre tranzistorov riadených poľom
Z predchádzajúcej diskusie vyplýva, že celkovo existuje šesť typov tranzistorov s efektom poľa. Ich typické prenosové charakteristiky sú znázornené na obrázku 1.37. Pomocou týchto charakteristík môžete nastaviť polaritu riadiaceho napätia, smer prúdu v kanáli a rozsah riadiaceho napätia. Zo všetkých vyššie uvedených typov tranzistorov sa v súčasnosti nevyrábajú iba PTIZ s integrovaným kanálom. R-typ.
Obrázok 1.37 - Prenosové charakteristiky tranzistorov s efektom poľa
Poďme sa pozrieť na niektoré z týchto funkcií. Všetky charakteristiky tranzistorov s efektom poľa s kanálom P-typy sa nachádzajú v hornej polovici grafu a preto majú kladný prúd, ktorý zodpovedá kladnému napätiu odtoku. Naopak, všetky charakteristiky zariadení s kanálom R-typy sa nachádzajú v dolnej polovici grafu, a preto majú zápornú hodnotu prúdu a záporné vypúšťacie napätie. Charakteristiky PTUP pri nulovom napätí hradla majú maximálnu hodnotu prúdu, ktorá sa nazýva počiatočná I Od začiatku. So zvýšením blokovacieho napätia klesá aj odberový prúd s medzným napätím U ots sa blíži k nule.
Charakteristika PTIZ s vyvolaným kanál pri nulovom hradlovom napätí má nulový prúd. Výskyt odtokového prúdu v takýchto tranzistoroch nastáva, keď je napätie na bráne väčšie ako prahová hodnota U od. Zvýšením napätia brány sa zvýši odtokový prúd.
Charakteristika PTIZ s integrovaným kanál pri nulovom napätí hradla majú počiatočnú hodnotu prúdu I C. začiatok. Takéto tranzistory môžu pracovať v režime obohacovania aj v režime vyčerpania. Keď sa napätie hradla zvyšuje, kanál sa stáva bohatším a zvyšuje sa odtokový prúd, a keď sa napätie hradla znižuje, kanál sa vyčerpáva a odtokový prúd klesá.
Obrázok 1.38 zobrazuje charakteristiky výstupného prúdu a napätia PTUP s kanálom n-typ. Charakteristiky iných typov tranzistorov majú podobnú formu, ale líšia sa hradlovým napätím a polaritou použitých napätí.
Obrázok 1.38 - Výstup VAC PTUP
Na CVC tranzistora s efektom poľa možno rozlíšiť dve oblasti: lineárne A nasýtenia.
V lineárnej oblasti sú I–V charakteristiky až po inflexný bod rovné čiary, ktorých sklon závisí od napätia hradla. V oblasti nasýtenia sú charakteristiky prúdového napätia takmer horizontálne, čo nám umožňuje hovoriť o nezávislosti odtokového prúdu od odtokového napätia. V tejto oblasti sú výstupné charakteristiky tranzistorov s efektom poľa všetkých typov podobné charakteristikám vákuových pentód. Vlastnosti týchto charakteristík určujú použitie tranzistorov s efektom poľa. V lineárnej oblasti sa FET používa ako odpor, riadené napätím brány, a v oblasti nasýtenia - as výstužný prvok.
Maximálne napätie aplikované medzi kolektorom a zdrojom FET sa líši pre každý typ tranzistora. Ale vo všeobecnom prípade, ako je znázornené na obrázku 1.39, keď je prekročená určitá hodnota Vzorky U SI odtokový prúd sa prudko zvyšuje, čo môže viesť k poruche tranzistora v dôsledku poruchy.
Obrázok 1.39 - Skupina výstupných IV charakteristík tranzistora s efektom poľa
Hlavné parametre tranzistorov s efektom poľa sú:
Sklon brány
Typické hodnoty: S= 0,1-500 mA/V;
Sklon charakteristiky na substráte
Typické hodnoty: S p= 0,1-1 mA/V;
Počiatočný odtokový prúd I Od začiatku- odberový prúd pri nulovom napätí U ZI.
Pre tranzistory s ovládaním R-P-prechod ja C= 0,2-600 mA, so vstavaným kanálom - I Od začiatku= 0,1-100 mA, s indukovaným kanálom - I Od začiatku= 0,01-0,5 uA;
Medzné napätie U ZI ots(typické hodnoty U ZI ots= 0,2-10 V);
Odpor zdroja odtoku pri otvorenom stave R SI otvorené(typické hodnoty R SI otvorené= 2-300 Ohm);
Zvyškový odtokový prúd I C odpočinok- odber prúdu pri napätí U ZI ots (I C odpočinok= 0,001-10 mA);
Maximálna frekvencia zosilnenia fp- frekvencia, pri ktorej sa zosilnenie rovná jednotke (typické hodnoty fp- desiatky - stovky MHz).