Полевой транзистор для чайников: вид и обозначение, достоинства и недостатки, принцип работы для чайников

вид и обозначение, достоинства и недостатки, принцип работы для чайников

В электронике и радиотехнике очень часто применяются полупроводниковые приборы, к которым относятся и транзисторы. Полевые транзисторы (ПТ) потребляют значительно меньше электрической энергии, благодаря чему они применяются в различных маломощных устройствах. Кроме того, существуют модели, работающие на больших токах при малом потреблении питающего напряжения (U).

• Общие сведения
  • Классификация и устройство
  • Принцип работы JFET
  • Особености работы MOFSET
• Преимущества и недостатки
• Схемы подключения

Общие сведения

FET или ПТ — полупроводниковый прибор, который при изменении управляющего U, регулирует I (силу тока). Этот тип транзистора называется еще униполярным. Появился он позже обычного транзистора (биполярного), но с ростом технологии получил широкое распространение среди цифровых устройств благодаря низкому энергопотреблению. Основное отличие заключается в методе регулирования I

. В биполярном — регулирование I происходит при помощи управляющего I, а полевом — при помощи U (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Отличие полевого от биполярного Т.

У ПТ нет I управления, и он обладает высоким входным сопротивлением (R), которое достигает несколько сотен ГОм (ГигаОм) или ТОм (ТерраОм). Для того чтобы узнать сферы применения ПТ, нужно внимательно изучить его. Носителями заряда являются электроны или дырки, а у биполярного – электроны и дырки.

Классификация и устройство

ПТ бывают нескольких видов, обладают различными характеристиками и устройством. Они делятся на 2 типа:

1. С управляющим p-n – переходом (JFET).
2. С изолированным затвором (MOSFET).

Кроме того, каждый из типов бывает с N и P каналами. У ПТ с N-каналом носителями заряда являются электроны, а у P-канального – дырки. Принцип работы для P и N аналогичен, отличие лишь в подаче U другой полярности в качестве управляющего.

Устройство JFET ПТ (рисунок 2) простое. Область N образовывает канал между зонами P. К концам канала N подключаются электроды, которые называются условно стоком (С) и истоком (И), так как все зависит от схемы подключения. Затвор (З) — тип электрода, который образовывается при закорачивании полупроводников P. Это обусловлено электрическим соединением при воздействии U. Возле С и И находится область повышенной концентрации или легирование (N+) электронов, что приводит к улучшению проводимости канала. Наличие зоны легирования значительно понижает образование паразитных p-n – переходов, образующихся при присоединении алюминия.

Рисунок 2 – Схематическое устройство ПТ типа JFET.

MOFSET называется МОП или МДП, также делятся на типы — со встроенным и индуцируемым каналами. В каждом из этих типов есть модели с P и N каналами.

Полевой транзистор, обозначение которого представлено на рисунке 3, иногда обладает 4 выводами.

Рисунок 3 – Обозначение МДП-транзистора.

Устройство довольно простое и показано на рисунке 4. Для ПТ с N-каналом подложка (покрывается SiO2) обладает электропроводимостью P-типа. Через слой диэлектрика проводятся электроды стока и истока от зон с легированием, а также вывод, который закорачивается с истоком. Слой затвора находится над диэлектриком.

Рисунок 4 – Типичное устройство ПТ с индуцированным каналом.

Принцип работы JFET

JFET работает в 2 режимах. Эта особенность связана с тем, что подается на затвор напряжение положительной и отрицательной составляющей (рис. 5). При подключении U > 0 к стоку, а земли к истоку необходимо подсоединить затвор к земле (Uзи = 0). Во время постепенного повышения U между С и И (Uис) ПТ является обыкновенным проводником. При низких значениях Uис ширина канала является максимальной.

При высоких значениях Uис через канал протекают большие значения силы тока между истоком и стоком (Iис). Это состояние получило название омической области (ОО). В полупроводнике N-типа, а именно в зонах p-n – перехода происходит снижение концентрации свободных электронов. Несимметричное разрастание слоя снижения концентрации свободных электронов называется обедненным слоем. Разрастание случается со стороны подключенного источника питания. Происходит сильное сужение канала при повышении Uис, вследствие которого Iис растет незначительно. Работа ПТ в этом режиме называется насыщением.

Рисунок 5 – Схема работы JFET (Uзи = 0).

При подаче низкого отрицательного U на затворе происходит сильное сужение канала и уменьшение Iис. При уменьшении U произойдет закрытие канала, и ПТ будет работать в режиме отсечки, а U, при котором прекращается подача Iис, называется напряжением отсечки (Uотс). На рисунке 6 изображено графическое представление работы ПТ при Uзи < 0:

Рисунок 6 – Графическое представление принципа работы полевого транзистора типа JFET.

При использовании в режиме насыщения происходит усиление сигнала (рис. 7), так как при незначительных изменениях Uис происходит значительное изменение Iис:

Рисунок 7 – Пример S JFET.

Этот параметр является усилительной способностью JFET и называется крутизной стоко-затворной характеристики (S). Единица измерения — mA/В (милиАмпер/Вольт).

Особености работы MOFSET

При подключении U между электродами С и И любой полярности к MOFSET с индуцированным N-каналом ток не потечет, так как между легитивным слоем находится слой с проводимостью P, которая не пропускает электроны. Принцип работы с каналом P-типа такой же, только необходимо подавать отрицательное U. Если подать положительное Uзи на затвор, то возникнет электрическое поле, выталкивающее дырки из зоны P в направлении подложки (рис. 8).

Под затвором концентрация свободных носителей заряда начнет уменьшаться, а их место займут электроны, которые притягиваются положительным зарядом затвора.

При достижении Uзи порогового значения концентрация электронов будет значительно больше концентрации дырок. В результате этого произойдет формирование между С и И канала с проводимостью N-типа, по которому потечет Iис. Можно сделать вывод о прямо пропорциональной зависимости Iис от Uзи: при повышении Uзи происходит расширение канала и увеличение Iис. Этот процесс является одним из режимов ПТ — обогащения.

Рисунок 8 – Иллюстрация работы ПТ с индуцированным каналом (тип N).

ВАХ ПТ с изолированным затвором примерно такой же, как и с управляющим переходом (рис. 9). Участок, на котором Iис растет прямо пропорционально росту Uис, является омической областью (насыщения). Участок при максимальном расширении канала, на котором Iис не растет, является активной областью.

При превышении порогового значения U переход типа p-n пробивается, и ПТ является обычным проводником. В этом случае радиодеталь выходит из строя.

Рисунок 9 – ВАХ ПТ с изолированным затвором.

Отличие между ПТ со встроенным и индуцируемым каналами заключается в наличии между С и И канала проводящего типа. Если к ПТ со встроенным каналом подключить между стоком и истоком U разной полярности и оставить затвор включенным (Uзи = 0), то через канал потечет Iис (поток свободных носителей заряда – электронов). При подключении к затвору U < 0 возникает электрическое поле, выталкивающее электроны в направлении подложки. Произойдет уменьшение концентрации свободных носителей заряда, а сопротивление увеличится, следовательно, Iис — уменьшится. Это состояние является режимом обеднения.

При подключении к затвору U > 0 возникает электромагнитное поле, которое будет притягивать электроны из стока, истока и подложки. В результате этого произойдет расширение канала и повышение его проводимости, а Iис увеличится. ПТ начнет работать в режиме обогащения. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – ВАХ ПТ со встроенным каналом.

Несмотря на свою универсальность, ПТ обладают преимуществами и недостатками. Эти недостатки следуют из устройства, способа исполнения и ВАХ приборов.

Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки являются условными понятиями, взятыми из сравнения полевых и биполярных транзисторов. Одним из свойств ПТ является высокое сопротивление Rвх. Причем у MOFSET его значение на несколько порядков выше, чем у JFET. ПТ практически не потребляют ток у источника сигнала, который нужно усилить.

Например, если взять обыкновенную схему, генерирующую сигнал на базе микросхемы-микроконтроллера. Эта схема управляет работой электродвигателя, но обладает низким значением тока, которого недостаточно для этих целей. В этом случае необходим усилитель, потребляющий малое количества I и генерирующий на выходе ток высокой величины. В усилителе такого типа и следует применить JFET, обладающий высоким Rвх.

JFET обладает низким коэффициентом усиления по U. При построении усилителя на JFET (1 шт.) максимальный коэффициент усиления будет около 20, при использовании биполярного — несколько сотен.

В усилителях высокого качества применяются оба типа транзистора. При помощи ПТ происходит усиление по I, а затем, при помощи биполярного происходит усиление сигнала по U. Однако ПТ обладают рядом преимуществ перед биполярными. Эти преимущества заключаются в следующем:

1. Высокое Rвх, благодаря которому происходит минимальное потребление I и U.
2. Высокое усиление по I.
3. Надежность работы и помехоустойчивость: при отсутствии протекания I через затвор, в результате чего управляющая цепь затвора изолирована от стока и истока.
4. Высокое быстродействие перехода из одного состояния в другое, что позволяет применять ПТ на высоких частотах.

Кроме того, несмотря на широкое применение, ПТ обладают несколькими недостатками, не позволяющими полностью вытеснить с рынка биполярные транзисторы. К недостаткам относятся следующие:

1. Повышенное падение U.
2. Температура разрушения прибора.
3. Потребление большего количества энергии на высоких частотах.
4. Возникновение паразитного транзистора биполярного типа (ПБТ).
5. Чувствительность к статическому электричеству.

Повышенное падение U возникает из-за высокого R между стоком и истоком во время открытого состояния. ПТ разрушается при превышении температуры по Цельсию 150 градусов, а биполярный – 200. ПТ обладает низким энергопотреблением только на низких частотах. При превышении частоты 1,6 ГГц энергопотребление возрастает по экспоненте. Исходя из этого, частоты микропроцессоров перестали расти, а делается упор на создании машин с большим количеством ядер.

При использовании мощного ПТ в его структуре образовывается ПБТ, при открытии которого ПТ выходит из строя. Для решения этой проблемы подложку закорачивают с И. Однако это не решает проблему полностью, так как при скачке U может произойти открытие ПБТ и выход из строя ПТ, а также цепочки из деталей, которые подключены к нему.

Существенным недостатком ПТ является чувствительность к статическому электричеству. Этот недостаток исходит от конструктивной особенности ПТ. Слой диэлектрика (изоляционный) тонкий, и его очень легко разрушить при помощи заряда статического электричества, который может достигать сотен или тысяч вольт. Для предотвращения выхода из строя при воздействии статического электричества предусмотрено заземление подложки и закорачивание ее с истоком. Кроме того, в некоторых типах ПТ между стоком и истоком стоит диод. При работе с интегральными микросхемами на ПТ следует применять антистатические меры: специальные браслеты и транспортировка в вакуумных антистатических упаковках.

Схемы подключения

ПТ подключается примерно так же, как и обыкновенный, но есть некоторые особенности. Существует 3 схемы включения полевых транзисторов: с общими истоком (ОИ), стоком (ОС) и затвором (ОЗ). Чаще всего применяется схема подключения с ОИ (схема 1). Это подключение позволяет получить значительное усиление по мощности. Однако подключение с ОИ используется в низкочастотных усилителях, а также обладает высокой входной емкостной характеристикой.

Схема 1 – Включение с ОИ.

При включении с ОС (схема 2) получается каскад с повторителем, который называется истоковым. Преимуществом является низкая входная емкость. Его применяют для изготовления буферных разделительных каскадов (например, пьезодатчик).

Схема 2 – Подключение с ОС.

При подключении с ОЗ (схема 3) не происходит значительного усиления по току, коэффициент усиления по мощности ниже, чем при подключениях с ОИ и ОС. Однако при помощи этого типа подключения возможно полностью избежать эффекта Миллера. Эта особенность позволяет увеличить максимальную частоту усиления (усиление СВЧ).

Схема 3 – Включение с ОЗ.

Таким образом, ПТ получили широкое применение в области информационных технологий. Однако не смогли вытеснить с рынка радиодеталей биполярные транзисторы. Это связано, прежде всего, с недостатками ПТ, которые кроются в принципе работы и конструктивной особенности. Главным недостатком является высокая чувствительность к полям статического электричества.

Полевой транзистор МОП (MOSFET) – Принцип работы и параметры

Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?

Как часто вы слышали название полевой транзистор МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Это все слова синонимы и относятся к одному и тому же радиоэлементу: полевому МОП-транзистору.

Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор. Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором.

Откуда пошло название «МОП»

Если «разрезать» МОП-транзистор, то можно увидеть вот такую картину.

С точки зрения еды на вашем столе, МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа — толстый кусок хлеба, диэлектрик — тонкий слой колбасы, слой металла — тонкая пластинку сыра. В результате у нас получается вот такой бутерброд.

А как  будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр — металлическая пластинка, колбаса — диэлектрик, хлеб — полупроводник. Следовательно, получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП — Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором. А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO₂), можно сказать почти стекло, то и вместо названия «диэлектрик» взяли название «оксид, окисел», и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места).

Далее по тексту МОП-транзистор условимся называть просто полевой транзистор. Так будет проще.

Строение полевого транзистора

Давайте еще раз рассмотрим структуру полевого транзистора.

Имеем «кирпич» полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому, их концентрация намного больше, чем электронов. Но электроны также есть и в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике — это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. «Кирпич» P-полупроводника носит название Подложки. От подложки выходит вывод с таким же названием: подложка.

[quads id=1]

Другие слои — это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От  полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.

Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод. Называется этот вывод Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Мы видим, что полевой транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор и Подложка), а реальный транзистор имеет только 3 вывода.

В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:

Поэтому, следует соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.

Виды полевых транзисторов

В семействе МОП полевых транзисторов в основном выделяют 4 вида:

1) N-канальный с индуцированным каналом

2) P-канальный с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канальный со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом — сплошной.

В современном мире полевой транзистор со встроенным каналом используется все реже и реже, поэтому, в наших статьям мы их не будем рассматривать. Будем изучать только N и P — канальные полевые транзисторы с индуцированным каналом.

Принцип работы полевого транзистора

Принцип работы почти такой же, как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом (JFET-транзисторе). Исток — это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток — это вывод, куда они притекают, а Затвор — это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.

Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движение электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:

Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения PN-переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:

где

И-Исток

П-Подложка

С-Сток

Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.

Значит, в этой схеме

никакого движения электрического тока пока что не намечается.

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать некоторое напряжение на Затвор, то в Подложке начнутся волшебные превращения. В ней будет индуцироваться канал. Индукция, индуцирование — это буквально означает «наведение», «влияние». Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через магнитное или электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: «через электрическое поле».

Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в  морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются:

На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить, и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле.

Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов, так как в данный момент подложка P-типа. А раз и на Затворе положительный потенциал, а дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные  — притягиваются.

Картина будет выглядеть следующим образом.

Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому, электронам ничего другого не остается, как просто создать «вавилонское столпотворение» около слоя диэлектрика, что мы и видим на рисунке ниже.

Но смотрите, что произошло !? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.

Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Вы наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно, этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался «проводок», по которому может бежать электрический ток.

Значит, если сейчас подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину.

Как вы видите, цепь стает замкнутой, и в цепи может спокойно течь электрический ток.

Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал, следовательно, тем меньше сопротивление канала!  А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор! Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью источника питания Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, «играя» напряжением на затворе. Ну гениальнее некуда!

Работа P-канального полевого транзистора

Выше мы разобрали N-канальный транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора. Честно говоря, P-канальные полевые транзисторы используются реже, чем N-канальные.

Принцип работы показан на рисунке ниже.

Режимы работы полевого транзистора

Работа полевого транзистора в режиме отсечки

Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный полевой транзистор с индуцированным каналом. Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.

Как мы уже с вами разобрали, Затвор служит для управлением ширины канала между Стоком и Истоком. Для того, чтобы показать принцип работы, мы с вами соберем простейшую схему, которая будет управлять интенсивностью свечения лампы накаливания. Так как в данный момент нет никакого напряжения на Затворе полевого транзистора, следовательно, он будет находится в закрытом состоянии. То есть электрический ток через лампу накаливания течь не будет.

По идее, для того, чтобы управлять свечением лампы, нам достаточно менять напряжение на Затворе относительно Истока. Так как наш полевой транзистор является N-канальным, следовательно, на Затвор мы будем подавать положительное напряжение. Окончательная схема примет вот такой вид.

Вопрос в другом. Какое напряжение надо подать на Затвор, чтобы в цепи Сток-Исток побежал минимальный электрический ток?

Мой блок питания Bat2 выглядит следующим образом.

С помощью этого блока питания мы будем регулировать напряжение. Так как он стрелочный, более правильным будет измерение напряжения с помощью мультиметра.

Собираем все как по схеме и подаем на Затвор напряжение номиналом в 1 Вольт.

Лампочка не горит. На другом блоке питания (Bat1) есть встроенный амперметр, который показывает, что в цепи лампы накаливания электрический ток не течет, следовательно, транзистор не открылся. Ну ладно, будем добавлять напряжение.

 

И только уже при 3,5 Вольт амперметр на Bat1 показал, что в цепи лампы накаливания появился ток, хотя сама лампа при этом не горела.

Такого слабого тока ей просто недостаточно, чтобы накалить вольфрамовую нить. Режим, при котором в цепи Сток-Исток не протекает электрический ток, называется режимом отсечки.

Активный режим работы полевого транзистора

В нашем случае при напряжении около 3,5 Вольт наш транзистор начинает немного приоткрываться. Это значение у различных видов полевых транзисторов разное и колеблется в диапазоне от 0,5 и до 5 Вольт. В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage, в переводе с англ. яз.  —  пороговое напряжение Затвора. Указывается как V_GS(th), а в некоторых даташитах как V_GS(to) .

Как вы видите в таблице, на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions). В условиях прописано, что открытие транзистора считается при токе в 250 мкА и при условии, что напряжение на Стоке-Истоке будет такое же как и напряжение на Затворе-Стоке.

С этого момента мы можем плавно регулировать ширину канала нашего полевого транзистора, увеличивая напряжение на Затворе. Если чуть-чуть добавить напряжение, то мы можем увидеть, что нить лампы накаливания начинает накаляться. Меняя напряжение туда-сюда, мы можем добиваться нужного нам свечения лампочки накаливания. Такой режим работы полевого транзистора называется активным режимом.

В этом режиме полевой транзистор может менять сопротивление индуцируемого канала в зависимости от напряжения на Затворе. Для того, чтобы понять, как усиливает полевой транзистор, вам надо прочитать статью про принцип работы биполярного транзистора, где все это описано, иначе ничего не поймете. Читать по этой ссылке.

Активный режим работы транзистора чреват тем, что в этом режиме транзистор может очень сильно греться. Поэтому, всегда следует позаботиться об охлаждающем радиаторе, который бы рассеивал тепло от транзистора в окружающее пространство. Почему же греется транзистор? В чем дело? Да все оказывается до боли просто. Сопротивление Сток-Исток зависит от того, какое напряжение будет на Затворе. То есть схематически это можно показать вот так.

Если напряжения на Затворе нет или оно меньше, чем напряжение открытия транзистора, то сопротивление в этом случае будет бесконечно большое. Лампочка — это нагрузка, которая обладает каким-либо сопротивлением. Не спорю, что сопротивление нити горящей лампочки будет совсем другое, чем холодной, но пока пусть будет так, что лампочка — это какое-то постоянное сопротивление. Перерисуем нашу схему вот так.

Получился типичный делитель напряжения. Как я уже говорил, если нет напряжения на Затворе, то сопротивление Сток-Истока будет бесконечно большим.  Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке помноженной на силу тока через Сток-Истока: P=I_c U_си . Если выразить эту формулу через сопротивление, то получаем

P= I²_C R 

где R – это сопротивление канала Сток-Исток, Ом

I_C  – сила тока, проходящая через канал (ток Стока) , А

А что такое мощность, рассеиваемая на каком-либо радиоэлементе? Это и есть тепло.

Теперь представьте, что мы приоткрыли транзистор наполовину. Пусть в нашей цепи ток через лампу будет 1 Ампер, а сопротивление перехода Сток-Исток будет равно 10 Ом. Согласно формуле P= I²_C R  получим, что рассеиваемая мощность на транзисторе в этот момент будет 10 Ватт! Да это маленький, черт его возьми, нагреватель!

Режим насыщения полевого транзистора

Для того, чтобы полностью открыть полевой транзистор, нам достаточно подавать напряжение до тех пор, пока лампа не будет гореть во весь накал. В моем случае это напряжение более чем 4,2 Вольта.

 

В режиме насыщение сопротивление канала Сток-Исток минимально и почти не оказывает сопротивление электрическому току. Лампа ест свои честные 20,4 Ватта (12х1,7=20,4).

Немного про электрическое сопротивление.

 

На самой лампе мы видим ее мощность 21 Ватт. Спишем небольшую погрешность на наши приборы.

Самое интересное то, что транзистор в этом случае остается холодным и ни капли не греется, хотя через него проходит 1,7 Ампер! Для того, чтобы понять этот феномен, нам опять надо рассмотреть формулу P= I²_C R . Если сопротивление Стока-Истока составляет какие-то сотые доли Ома в режиме насыщения, то с чего будет греться транзистор?

Поэтому, самые щадящие режимы для полевого МОП-транзистора – это когда канал полностью открыт или когда канал полностью закрыт. При закрытом транзисторе сопротивление канала будет бесконечно большое, а ток через это сопротивление будет бесконечно мал, так как в этой цепи будет работать закон Ома. Подставляя эти значение в формулу P= I²_C R, мы увидим, что мощность рассеивания на таком транзисторе будет равна практически нулю. В режиме насыщения у нас сопротивление будет достигать сотые доли Ома, а сила тока будет зависеть от нагрузку в цепи. Следовательно, в этом режиме транзистор также будет рассеивать какие-то сотые доли Ватта.

Ключевой режим работы полевого транзистора

В этом режиме полевой транзистор работает только в режиме отсечки и насыщения.

Давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1.

Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы. В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть-то? На Затворе то у нас полный ноль, поэтому, канал закрыт.

Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь.

Даже не надо ни о чем заморачиваться! Просто подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Для нашего транзистора это +-20 Вольт. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет ну очень маленькая (микроамперы).

Как вы видите, лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал такой же, как и на Истоке, то есть ноль, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, «захватив» по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой  рабочий стол.

Но наблюдается также и интересный феномен, в отличие от ключа на биполярном транзисторе. Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!

Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого полевого транзистора. Вот эта часть вам ничего не напоминает?

Так это же конденсатор! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться-то ему некуда, поэтому он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал с Затвора и «заткнуть» канал, нам опять же надо уравнять его с нулем. Сделать это достаточно просто, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет.

Как вы видели в опыте выше, если мы отключаем напряжение на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал так и останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах — Затвор должен всегда чем-то управляться и с чем-то соединяться. Ему нельзя висеть в воздухе.

А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе:

При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается

Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель),  лампочка сразу тухнет:

Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал. А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если я снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение ;-). Не забываем золотое правило делителя напряжения. Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше). Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.

Характеристики полевого МОП транзистора

Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.

Напряжение V_GS   — это напряжение между Затвором и Истоком. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт. Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.

Максимальная сила тока I_D , которая может течь через канал Сток-Исток.

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.

 

R_DS(on) — сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока. В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока  = 25 Ампер).

 

Максимальная рассеиваемая мощность P_D  — это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия — это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.

 

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите на последних страницах.

Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала  полностью открытого транзистора от температуры кристалла:

Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.

Как проверить полевой транзистор

Для того, чтобы проверить полевой транзистор, мы должны определить, где какие у него выводы. У нас подопытным кроликом будет тот же самый транзистор: IRFZ44N.

Для этого вбиваем в любой поисковик название нашего транзистора и рядом прописываем слово «даташит». Чаще всего на первой странице даташита мы можем увидеть цоколевку транзистора.

Хотя, интернет переполнен уже готовыми распиновками и иногда все-таки бывает проще набрать»распиновка (цоколевка) *название транзистора* «. Итак, я вбил ” IRFZ44N цоколевка”  в Яндекс и нажал на вкладку “картинки”.  Яндекс мне выдал  уйму картинок с распиновкой этого транзистора:

Ну а дальше дело за малым.
Устройство и принцип работы в видео:

Проверка полевого транзистора с помощью мультиметра

Теперь, зная цоколевку и принцип работы транзистора, мы можем проверить его на работоспособность. Первым делом мы без проблем можем проверить эквивалентный диод VD2 между Стоком и Истоком. В схемотехническом обозначении его тоже часто указывают.

Как проверить диод мультиметром, я писал еще в этой статье.

Но не спешите брать мультиметр в руки и прозванивать диод! Ведь первым делом надо снять с себя статическое напряжение. Это можно сделать, если задеть метализированный слой водонагревательных труб, либо коснуться заземляющего провода. При работе с радиоэлементами, чувствительными к статическому напряжению, желательно использовать антистатический браслет, один конец которого закрепляется к заземляющему проводнику, например, к батарее отопления, а другой конец в виде ремешка надевается на запястье.

Далее замыкаем все выводы транзистора  каким-нибудь металлическим предметом. В моем случае это металлический пинцет. Для чего мы это делаем? А вдруг кто-то зарядил Затвор до нас или он уже где-то успел «хапнуть» потенциал на Затворе? Поэтому, чтобы все было честно, мы уравняем потенциал на Затворе до нуля с помощью этой нехитрой манипуляции.

Ну а теперь со спокойной совестью можно проверить диод, который образуется в полевом транзисторе между Стоком и Истоком. Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, его схемотехническое обозначение будет выглядеть вот так:

Беремся положительным (красным) щупом мультиметра за Исток, так-как там находится анод диода, а отрицательным (черным)  — за Сток
(там у нас катод диода). На мультиметре должно высветиться падение напряжения на диоде 0,5-0,7 Вольт. В моем случае, как видите, 0,56 Вольт.

 

 

Далее меняем щупы местами. Мультиметр покажет единичку, что нам говорит о том, что диод в полевом транзисторе жив и здоров.

Проверяем сопротивление канала. Мы с вами уже знаем, что в N-канальном транзисторе ток у нас будет бежать от Стока к Истоку, следовательно, встаем красным положительным щупом на Сток, а отрицательным –  на Исток, и меряем сопротивление. Оно должно быть ну о-о-о-очень большое. В моем случае даже на Мегаомах показывает единичку, что говорит о том, что сопротивление даже больше, чем 200 Мегаом. Это очень хорошо.

 

Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, чтобы его приоткрыть, нам достаточно будет подать напряжение на Затвор, относительно Истока. Чаще всего в режиме прозвонки диодов на щупах мультиметра бывает напряжение в 3-4 Вольта. Все зависит от марки мультиметра. Этого напряжения будет вполне достаточно, чтобы подать его на Затвор и приоткрыть транзистор.

Так и сделаем. Ставим черный щуп на Исток, а красный на Затвор на доли секунды. На показания мультиметра не обращаем внимания, так как мы сейчас используем его в качестве источника питания, чтобы подать потенциал на Затвор. Этим простым действием мы приоткрыли наш транзистор.

Раз мы приоткрыли транзистор, значит, сопротивление Сток-Исток должно уменьшится. Проверяем, так ли это? Ставим мультиметр в режим измерения сопротивления и смотрим, уменьшилось ли сопротивление между Стоком-Истоком? Как видите, мультиметр показал значение в 2,45 КОм.

Это говорит о том, что наш полевой транзистор полностью работоспособен.

Конечно, бывает и такое, что малого напряжения на мультиметре не хватает, чтобы приоткрыть транзистор. Здесь можно прибегнуть к источникам питания, которые выдают более-менее нормальное напряжение, например, блок питания или батарейка Крона в 9 Вольт. Так как рядом не оказалось Кроны, то мы просто выставим напряжение в 10 Вольт. Напряжение на Затвор именно этого транзистора не должно превышать 20 Вольт, иначе произойдет пробой диэлектрика, и транзистор выйдет из строя.

Итак, выставляем 10 Вольт.

 

Подаем это напряжение на Затвор транзистора на доли секунды.

 

Теперь по идее сопротивление между Стоком и Истоком должно равняться нулю. Для чистоты эксперимента замеряем сопротивление щупов самого мультиметра. Эх, дешевые китайские щупы. 2,1 Ом).

 

А теперь и замеряем сопротивление самого перехода. Практически 0 Ом!

Хотя, если верить даташиту, должно быть 17,5 миллиОм. Теперь можно утверждать со 146% вероятностью, что наш транзистор полностью жив и здоров.

Как проверить полевой транзистор с помощью транзисторметра

На рабочем столе каждого электронщика должен быть этот замечательный китайский прибор, благо он стоит недорого. Про него я писал обзор здесь.

 

Здесь все просто, как дважды два. Вставляем транзистор в кроватку и нажимаем большую зеленую кнопку. В результате прибор сразу же определил, что это полевой МОП транзистор с каналом N-типа, определил расположение выводов транзистора, а также емкость затвора и пороговое напряжение открытия, о котором мы говорили выше в статье. Ну не прибор, а чудо!

Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами

Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим PN-переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим PN переходом — 250 Вольт. Поэтому, самое важное правило при работе с такими транзисторами — это заземлить себя через антистатический браслет, или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов.

Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде бы спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.

Купить его можно на алиэкспрессе. Заходите.

Похожие статьи по теме «полевой транзистор»

Транзистор биполярный

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET-транзистор)

Транзисторметр Mega328

Читаем электрические схемы с транзистором

Мультивибратор на транзисторах

Сторожевое устройство на одном транзисторе

Полевой транзистор принцип работы для чайников

Транзисторами (transistors, англ. ) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя третьего контакта. на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

• Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
• Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся на участке n;
• Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Полевые транзисторы с n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

• устройства под управлениями р-n переходов;
• устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

Изолированные драйверы затворов

Для получения очень высоких мощностей разработчики начинают использовать такие топологии, как двухключевой прямоходовый преобразователь, полумостовой или мостовой преобразователи. Во всех этих топологиях необходимо применять плавающий ключ.

Существуют решения этой задачи с использованием полупроводниковых компонентов, но только для низковольтных применений. Интегральные драйверы верхнего плеча не предоставляют разработчику достаточной гибкости, а также не обеспечивают такого уровня защиты, изоляции, устойчивости к переходным процессам и подавления синфазных помех, который дает хорошо спроектированный и изготовленный трансформатор для управления затвором.

На рис. 4 показан самый примитивный способ получения плавающего управления затвором. Выход микросхемы драйвера подключен через разделительный конденсатор к небольшому трансформатору (обычно тороидальному для лучшей производительности). Вторичная обмотка подключена непосредственно к затвору ПТ, и любые замедляющие резисторы должны располагаться со стороны первичной обмотки трансформатора. Обратите внимание на стабилитроны в затворе для защиты от переходных процессов. На выходе драйвера необходимо использовать ограничительные диоды, ими нельзя пренебрегать, даже если при первых испытаниях не возникли проблемы с реактивными токами в трансформаторе.

Рис. 4. Простейшая изолированная схема для управления затвором

В простейшей изолированной схеме для управления затвором используется трансформатор, как показано на рис. 4. Ограничительные диоды необходимы для защиты от реактивных токов, а разделительный конденсатор предотвращает насыщение трансформатора. Конденсатор дает сдвиг уровня выходного напряжения драйвера, который зависит от относительной длительности управляющих импульсов.

Схема, представленная на рис. 4, обеспечивает отрицательное напряжение на вторичной обмотке на интервалах времени, когда ПТ выключен. Это значительно увеличивает устойчивость к синфазным помехам, что особенно важно для мостовых схем.

Однако недостаток отрицательного смещения — это уменьшение положительного напряжения, открывающего ПТ. При небольшой относительной длительности импульсов положительный импульс большой. При относительной длительности, равной 50%, половина имеющегося напряжения драйвера теряется. При большой относительной длительности положительного напряжения может не хватить для полного открывания ПТ.

Схемы с трансформаторной развязкой наиболее эффективны при относительной длительности от 0 до 50%. К счастью, именно это и нужно для прямоходовых, мостовых и полумостовых преобразователей.

Обратите внимание: на рис. 5 показано, как напряжение на разделительном конденсаторе смещается под действием низкочастотных колебаний, наложенных на выходные импульсы драйвера. Эти колебания должны тщательно подавляться для обеспечения безопасной работы. Обычно для борьбы с этим явлением увеличивают емкость конденсатора, что уменьшает Q для низкочастотных составляющих. Необходимо проверить работу схемы при всех возможных переходных процессах, особенно при старте, когда конденсатор разряжен.

Рис. 5. Колебания, возникающие в разделительном конденсаторе и влияющие на работу трансформатора

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

1. Усиления высокой частоты.
2. Усиления низкой частоты.
3. Модуляции.
4. Усиления постоянного тока.
5. Ключевых устройств (выключателей).

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке. Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

Осторожно: схема восстановления постоянной составляющей!

Иногда разработчик может столкнуться с высоковольтной схемой, в которой требуется изолированное управление затвором при относительной длительности импульсов около 100%. Раньше для таких применений рекомендовали схему, показанную на рис. 6. Но ее применение может приводить к повреждению источника питания при выключении.

Рис. 6. Высоковольтная схема с восстановлением постоянной составляющей

Диод и конденсатор на стороне вторичной обмотки восстанавливают постоянную составляющую на затворе и обеспечивают управление затвором при значениях относительной длительности до 90% и более. Однако у этой схемы есть серьезный недостаток, и использовать ее без очень тщательного анализа не рекомендуется.

Эта схема хорошо работает в установившемся режиме (рекомендуется нагрузочный резистор в затворе), но когда контроллер ШИМ выключается, разделительный конденсатор остается подключенным через трансформатор на неопределенный период времени. Это может привести к насыщению трансформатора, как показано на рис. 6б. Когда трансформатор насыщается, вторичная обмотка замыкается накоротко, и конденсатор на стороне вторичной обмотки может включить ПТ. Насыщение можно предотвратить, если использовать сердечник с зазором и конденсатор небольшой емкости, но при этом увеличится реактивный ток, необходимый для управления затвором, а это вызывает другие проблемы.

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Пробой перехода «коллектор–эмиттер»

Если «токовые» причины отказа дают время на принятие решения о защите, то перенапряжение такового времени не предоставляет, поскольку для транзистора достаточно всего несколько наносекунд, чтобы выйти из строя, а за такое время ни одна защита подключиться не успеет. Поэтому с перенапряжением следует бороться превентивными мерами. Существует два основных способа борьбы: активный и пассивный. Активный подразумевает такое управление транзистором, при котором минимизируются выбросы напряжения; сюда относится и плавное выключение. Активная защита, как правило, подключается по мере необходимости, а значит, не ведет к увеличению динамических потерь в штатном режиме работы, но уступает своим быстродействием и простотой реализации защите пассивной. Пассивная защита, в отличие от активной, включена всегда, независимо от того, нужна она в данный момент или нет. Данная защита реализуется двумя способами: снижение dU

/
dt
и ограничение. К первому относятся различного рода снабберы, ко второму — ограничители и варисторы. Далее по порядку.

Пассивная защита: снабберы

Снаббер в простейшем случае — просто конденсатор. И, как показывает практика, RC- и RCD-снабберы не обладают какими-либо существенными преимуществами в сравнении с одиночным конденсатором. К конденсатору, в свою очередь, предъявляется ряд требований: он должен быть установлен как можно ближе к силовым выводам коллектора и эмиттера транзисторного модуля; если поставить его «где-то» на шине, эффективность будет значительно меньше. В свое время проводился эксперимент: при конденсаторе, установленном внутри модуля, при напряжении питания 550 В и работе инвертора на нагрузку 5,5 кВт наблюдались выбросы амплитудой до 650 В; когда конденсатор был установлен всего лишь на шины питания (связь «пайка шин–шины модуля–винтовое крепление–силовые шины»), выбросы увеличились почти до 800 В. Разумеется, конденсатор тот же, режимы те же. Кроме того, очень желательно, чтобы конденсатор не прикручивался, а паялся, так как крепление прижимом также значительно снижает эффективность снаббера. Его эффективность падает еще и в том случае, если конденсаторы набраны последовательно (по причине увеличения паразитного активного сопротивления) или параллельно, поскольку три конденсатора по 0,1 мкФ не эквивалентны одному на 0,33 мкФ; оптимальный вариант — установка одиночного конденсатора.

Количество

Если в преобразователе имеется несколько модулей, то количество конденсаторов вовсе не должно быть таким же, что и количество силовых транзисторов. Количество снабберов определяется скорее топологией силовой схемы преобразователя, нежели собственно схемой электрической принципиальной. Самый простой пример — несколько транзисторов, включенных параллельно. Если силовые шины разведены правильно, а именно: шины широкие, шины «+» и «–» идут одна под другой, расстояние между силовыми модулями минимальное, то достаточно одного снаббера (например, 0,1 мкФ), установленного на шинах питания. Если расстояние между модулями относительно велико, а связь между ними осуществляется проводами (особенно если сечение этих проводов недостаточно), то необходима установка снабберов на каждый модуль, причем, при тех же прочих условиях, номинал каждого снаббера должен быть также по 0,1 мкФ. Объясняется это тем, что снаббер, по своей сути, предназначен для «чистки» питания, и если паразитные индуктивности связей отдельных точек питания минимальны, то нет необходимости «чистить» каждую точку отдельно. И наоборот: если индуктивность связей велика, то каждая точка питания должна «чиститься» отдельно. Это же правило относится и к схеме как таковой. Например, как показали эксперименты, нет разницы между одним снаббером, установленным на шинах питания трехфазного инвертора, и такой схемой, где конденсаторы стоят параллельно каждому транзистору. Конечно, разница будет в номиналах, но поскольку удавалось в лучшем случае добиться выбросов в 50 В, нет смысла увеличивать габариты схемы. В общем, лучше сделать упор на топологию, нежели на количество снабберов и увеличение габаритов.

Типы

Что касаемо типа конденсатора, то в подавляющем большинстве случаев достаточно обычных К73-17, а порой и вовсе К10-17. Не имея опыта общения со специализированными импортными конденсаторами, не могу сказать, есть ли «у них» конденсаторы гораздо лучше, однако, сравнивая с отечественными малоиндуктивными и специализированными конденсаторами, для себя убедился, что разницы между ними и К73-17 практически нет. Зато есть отличие между навесными и SMD-конденсаторами. В свое время была предпринята попытка замены навесного конденсатора на SMD того же типа и номинала. В результате, если за многие годы до того не было ни одного отказа навесного конденсатора, то SMD-конденсаторы взорвались в двух аварийных ситуациях из трех и, как следствие, от них пришлось отказаться. Детальные проверки по этому поводу не проводились, поэтому трудно сказать, в чем именно дело: в устойчивости к перенапряжению, в импульсной мощности или еще в чем-либо, но факт налицо.

Параметры

Безусловно, емкость должна рассчитываться согласно индуктивностям, как нагрузочным, так и паразитным, но, как показывает практика, номинал снабберного конденсатора почти всегда остается одним и тем же, по крайней мере, в области управления двигателями различных типов мощностью от сотен ватт до десятков киловатт. Это 0,1–0,4 мкФ (оптимально 0,22 и 0,33 мкФ), независимо от двигателей, режимов, напряжения и т. д. Причем дальнейшее увеличение емкости малоэффективно; изменение номинала с 0,1 мкФ на 0,33 мкФ дает выигрыш в подавлении импульса напряжения до 50%, а увеличение емкости еще на целый порядок (до 3,3 мкФ) в лучшем случае даст 10–20%, а далее подавление и вовсе начнет уменьшаться.

Пассивная защита: ограничители и варисторы

Перейдем ко второй разновидности пассивной защиты: ограничение. Если смысл снаббера заключается в снижении dU

/
dt
и, тем самым, в уменьшении пиковой амплитуды выброса напряжения, то смысл ограничения — в «обрезании» напряжения на установленном уровне. Для этих целей используются либо ограничители напряжения, либо варисторы. Последние не нашли широкого применения для транзисторов ввиду низкого быстродействия, а вот ограничители используются очень широко.

Рекомендации по установке ограничителей аналогичны рекомендациям для снабберов. Их можно набирать последовательно (но не параллельно), причем такой способ удобен не только для подбора требуемого напряжения, но и для увеличения максимальной мощности. Например, четыре ограничителя на 1,5 кВт и 200 В будут в два раза мощнее, нежели два таких же ограничителя на 400 В, хотя их номинальное пробивное напряжение останется тем же. Номинальное пробивное напряжение ограничителя следует выбирать исходя из того правила, что оно должно быть на 30% выше номинального напряжения питания и на 30% ниже предельнодопустимого напряжения «коллектор–эмиттер» транзистора. Отступление от этой точки в ту или иную сторону зависит от того, что критичней: либо перегрев ограничителей (а из этого следует увеличение габаритов), либо риск пробоя силового транзистора.

Радует тот факт, что наконец-то появились малоиндуктивные мощные высоковольтные ограничители специального назначения (производства НЗПП, г. Новосибирск), что значительно упрощает проектирование силовых устройств.

Однако ограничители имеют тот минус, что их быстродействие не идеально; как правило, задержка их срабатывания составляет от одного до нескольких десятков наносекунд. И порой это очень много. Современным транзисторам вполне под силу создать длительность выключения в 20–30 нс, а это означает, что, например, при питании 600 В и ограничителе на 800 В длительность нарастания напряжения от 800 до 1200 В (пробой для транзистора) будет составлять менее 10 нс; ограничитель не успеет открыться, как силовой транзистор уже выйдет из строя. Следовательно, длительность выключения транзистора должна составлять никак не менее 50 нс, а лучше 100 нс. Поэтому если не «подготовить» схему путем снижения dU

/
dt
, то толку от ограничителей не будет. Снизить же
dU
/
dt
можно либо тем же самым снаббером, либо путем затягивания выключения управляющего импульса. Тогда и только тогда ограничитель сможет защитить силовой транзистор.

Плавное выключение

Самый простой способ активной борьбы с перенапряжением — плавное выключение транзистора. Рассмотрим сначала плавное выключение, которое присутствует всегда, независимо от того, перешел ли управляющий драйвер в аварийный (вследствие КЗ нагрузки транзистора) режим работы или нет; о режиме КЗ и присущем ему плавном выключении будет сказано во второй части. Как правило, с целью формирования плавного выключения устанавливают затворный выключающий резистор относительно большого номинала. Как следствие, имеет место длительное рассасывание емкости затвора и, тем самым, меньшая скорость выключения. Такая практика увеличения длительности выключения общепринята, однако если драйвер не покупной, а разрабатывается собственными силами, то можно пойти на небольшую хитрость: плавное выключение лучше формировать до оконечного каскада драйвера (если этот каскад собран на биполярных транзисторах) путем установки в базы транзисторов конденсатора, заряжающегося (включение) через диод, а разряжающегося (выключение) через резистор. В смысле длительности фронта от этого ничего не изменится, но зато значительно уменьшится выходное сопротивление драйвера, а значит, увеличится помехоустойчивость и устойчивость dU/dt

драйвера в статическом запирающем режиме. Но это к слову.

Длительность фронта независимо от режимов работы и типа транзистора в идеале должна составлять 1–3 мкс; можно, если того очень требует нагрузка, расширить этот диапазон до 0,5–5 мкс. Если и дальше уменьшать длительность выключения, то это уже получается не плавное выключение, а если увеличивать, то особого улучшения тоже практически не будет, только динамические потери возрастут. Разумеется, порой динамические потери или высокая частота переключения не позволяют так затягивать фронты, но тогда, значит, этот способ просто не подходит, и тут уже ничего не поделаешь. Но если потери допустимы, то лучше все-таки перестраховаться и сделать спад хотя бы 1 мкс. При этом длительность спада должна отмеряться относительно 0 В, а не относительно отрицательного напряжения. То есть если транзистор управляется напряжением +15/–10 В, то те самые 1–3 мкс должны пройти при переходе от +15 В до 0 В, а не до –10 В; выключение до –10 В может длиться в два раза дольше. Объясняется такая точка отсчета тем, что транзистор гарантированно закрывается при напряжении 0 В, и то, как дальше будет выглядеть напряжение на его затворе, ему безразлично; это всего лишь «хвост» схемы управления, и не более того. Кстати, раньше для драйверов (например, старые драйверы Mitsubishi) нормировали плавное выключение по уровням 90–50 и 90–10%, сейчас же принято заявлять только последнее значение.

«Активная» защита

«Активная» защита (active clamping) — пожалуй, самое сложное схемное решение для реализации защиты от перенапряжения силового транзистора. В данном случае подразумевается такая схема, при которой «избыточное» напряжение с цепи «коллектор–эмиттер» передается на затвор, в результате чего транзистор приоткрывается и «подсаживает» силовое напряжение. Схемно защита представлена цепью стабилитронов (ограничителей), катодом подключенной к коллектору, а анодом, через токоограничивающий резистор, непосредственно к затвору (для надежности драйвера желательно, чтобы ток защиты шел в оконечный каскад через затворный резистор).

В такой защите есть свои плюсы: она запросто заменяет ограничитель в цепи «коллектор–эмиттер» и, благодаря тому, что она встроена в большинство драйверов plug-n-play, не требует расчетов и дополнительного обвеса. Но есть и минусы. Во-первых, для эффективной реализации данной защиты драйвер должен быть установлен непосредственно на силовой модуль, иначе паразитные индуктивности связей сведут на нет всю эффективность. Во-вторых, быстродействие «активной» защиты сопоставимо с быстродействием ограничителей, а потому приемлемо, но не идеально. В-третьих, применять такую защиту в полумостовой схеме следует с большой осторожностью. Необходимо увеличение «мертвого» времени на переключение, иначе пока один транзистор будет в процессе закрывания (в активном режиме в области отпирания/запирания), второй может открыться по сигналу управления, а значит, возникнут сквозные токи и далее, в зависимости от схемы и топологии. В-четвертых, и это самое важное, такая защита создает определенные трудности для драйвера. Сам принцип работы «активной» защиты заключается в том, что в то время, когда драйвер подает и удерживает на затворе запирающее напряжение, цепи «активной» защиты пытаются, наоборот, подать отпирающее напряжение. Если нет затворного резистора или он очень мал (не больше 1 Ом), то это можно сделать, только выводя нижний ключ оконечного каскада драйвера из состояния насыщения. И хотя данный режим длится не так уж и долго, при хроническом срабатывании защиты выходной каскад драйвера может перегреться и сгореть. Потому, в отличие от всех прочих методов, которые могут работать на каждом выключении, данный способ все-таки лучше использовать как «пожарный», особенно если мощность драйвера невелика.

Характерной ошибкой при разработке «активной» защиты является неправильный выбор токоограничивающего резистора. Например, ставится резистор 50 Ом в драйвере с выходным импульсным током 25 А при напряжении +15/–10 В. Считаем: выходное сопротивление драйвера 25 В/25 А = 1 Ом, получаем делитель с –10 В на напряжение защиты в соотношении 1 к 50 Ом. Чтобы открыть транзистор, нужно 4 В, следовательно, необходимо поднять напряжение на 14 В в средней точке делителя 1/50, то есть необходимо плюс еще 700 В к напряжению пробоя ограничителей цепи защиты. Скорее всего, такая защита работать не будет. Поэтому токоограничивающий резистор должен рассчитываться, и исходя из этого должна делаться поправка на напряжение ограничения. Впрочем, как правило, ставят резисторы номиналом в несколько ом, тогда и драйвер особо не перегружается, и транзистор отпирается почти там, где надо.

* * *

Как было показано, разновидностей схемных решений для реализации защиты от перенапряжения существует довольно много. Самым эффективным можно считать сочетание вышеуказанных способов. Основной принцип борьбы с перенапряжением сводится к тому, чтобы снизить dU

/
dt
и далее «обрезать» напряжение на приемлемом уровне. Если поставить только ограничитель, он не успеет сработать; если к нему поставить снаббер, но оставить быстрое выключение транзистора, то по причине паразитных составляющих он может не успеть затянуть скорость нарастания напряжения, а значит, нужно плавное выключение транзистора. Таким образом, плавное выключение делает скорость нарастания напряжения приемлемой для того, чтобы успел отработать снаббер; снаббер заваливает выключение, а ограничитель через какое-то время его обрезает. Это, конечно, в идеале; на практике не всегда возможно все это реализовать, к тому же борьба с перенапряжением — это всегда увеличение динамических потерь, что тоже требует компромисса. Но, тем не менее, победить перенапряжение можно: из практики известно, что транзисторный модуль трехфазного инвертора может «безбоязненно» осуществлять всего за несколько сотен миллисекунд реверс с полного хода вентильного двигателя мощностью до 7 кВт при напряжении питания 500 В при работе на очень высокоинерционный винт, а это что-нибудь да значит.

Окончание статьи.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

Достоинства:

• каскады детали расходуют малое количество энергии;
• показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
• достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
• обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.

Недостатки:

• менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
• на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
• чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.

Специализированные драйверы затворов

При увеличении мощности преобразователя становится ясно, что сопротивления резисторов в затворе ПТ необходимо уменьшить, чтобы минимизировать потери на переключение. Для схем большой мощности в промышленности, как правило, используют микросхемы драйверов с большими выходными токами. При этом уменьшается влияние помех на контроллер ШИМ, и, кроме того, получается более удачная разводка печатной платы. В продаже имеется множество хороших драйверов. Можно даже создать собственный мощный двухтактный драйвер, если необходимо увеличить производительность при снижении цены. Для устройств большой мощности используют отдельную схему драйвера затвора для достижения быстрого переключения (рис. 3). Резисторы в затворе также имеются.

Рис. 3. Отдельная схема драйвера затвора для быстрого переключения

Полевой транзистор

» Electronics Notes

Полевой транзистор (FET) представляет собой активное устройство с тремя выводами, использующее электрическое поле для управления протеканием тока, и имеет высокое входное сопротивление, что полезно во многих цепях.

---

Полевые транзисторы, полевые транзисторы Включает:
Основные сведения о полевых транзисторах Технические характеристики полевого транзистора JFET МОП-транзистор МОП-транзистор с двойным затвором Мощный МОП-транзистор MESFET / GaAs полевой транзистор ХЕМТ И ФЕМТ Технология FinFET БТИЗ Карбид кремния, SiC MOSFET GaN FET / HEMT

---

Полевой транзистор (FET) является ключевым электронным компонентом, используемым во многих областях электронной промышленности.

Полевой транзистор, используемый во многих схемах, построенных из дискретных электронных компонентов в областях от радиочастотных технологий до управления мощностью и электронного переключения до общего усиления.

Однако в основном полевые транзисторы FET используются в интегральных схемах. В этом приложении схемы на полевых транзисторах потребляют гораздо меньше энергии, чем ИС, использующие технологию биполярных транзисторов. Это позволяет работать очень большим интегральным схемам. Если бы использовалась биполярная технология, потребляемая мощность была бы на несколько порядков выше, а генерируемая мощность была бы слишком велика, чтобы рассеиваться на интегральной схеме.

Помимо использования в интегральных схемах, дискретные версии этих полупроводниковых устройств доступны как в виде электронных компонентов с выводами, так и в виде устройств для поверхностного монтажа.

Типовые полевые транзисторы

Полевой транзистор, история FET

До того, как первые полевые транзисторы были представлены на рынке электронных компонентов, концепция этих полупроводниковых устройств была известна в течение ряда лет. Было много трудностей при реализации этого типа устройства и обеспечении его работы.

Некоторые из ранних концепций полевого транзистора были изложены в статье Лилиенфилда в 1926 г. и в другой статье Хейла в 1935 г.

Следующий фундамент был заложен в 1940-х годах в Bell Laboratories, где была создана исследовательская группа по полупроводникам. Эта группа исследовала ряд областей, относящихся к полупроводникам и полупроводниковой технологии, одной из которых было устройство, которое могло бы модулировать ток, протекающий в полупроводниковом канале, путем размещения электрического поля рядом с ним.

Во время этих ранних экспериментов исследователи не смогли заставить идею работать, превратив свои идеи в другую идею и, в конечном итоге, изобрели другую форму компонента полупроводниковой электроники: биполярный транзистор.

После этого большая часть исследований полупроводников была сосредоточена на улучшении биполярного транзистора, и идея полевого транзистора какое-то время не исследовалась полностью. В настоящее время полевые транзисторы очень широко используются, обеспечивая основной активный элемент во многих интегральных схемах. Без этих электронных компонентов технология электроники сильно отличалась бы от того, чем она является сейчас.

Заметка об изобретении и истории полевого транзистора:

На разработку полевого транзистора ушло много лет. Первые идеи концепции появились в 1928 году, но только в 1960-х годах они стали широко доступны.

Подробнее об изобретении и истории полевого транзистора

Полевой транзистор – основы

Концепция полевого транзистора основана на концепции, согласно которой заряд на близлежащем объекте может притягивать заряды внутри полупроводникового канала. По сути, он работает с использованием эффекта электрического поля – отсюда и название.

Полевой транзистор состоит из полупроводникового канала с электродами на обоих концах, которые называются стоком и истоком.

Управляющий электрод, называемый затвором, расположен в непосредственной близости от канала, чтобы его электрический заряд мог воздействовать на канал.

Таким образом, затвор полевого транзистора управляет потоком носителей (электронов или дырок), протекающим от истока к стоку. Он делает это, контролируя размер и форму проводящего канала.

Полупроводниковый канал, по которому протекает ток, может быть P-типа или N-типа. Это приводит к двум типам или категориям полевых транзисторов, известных как P-канальные и N-канальные полевые транзисторы.

В дополнение к этому есть еще две категории. Увеличение напряжения на затворе может либо истощить, либо увеличить количество носителей заряда, доступных в канале. В результате существуют полевые транзисторы с режимом улучшения и полевые транзисторы с режимом истощения.

Символ цепи соединительного полевого транзистора

Поскольку только электрическое поле управляет током, протекающим в канале, говорят, что устройство работает от напряжения и имеет высокое входное сопротивление, обычно много МОм. Это может быть явным преимуществом по сравнению с биполярным транзистором, который работает от тока и имеет гораздо более низкий входной импеданс.

Переходной полевой транзистор, JFET, работающий ниже насыщения

Схемы FET

Полевые транзисторы широко используются во всех формах электронных схем, от тех, которые используются в схемах с дискретными электронными компонентами, до тех, которые используются в интегральных схемах.

Примечание по конструкции схемы полевого транзистора:

Полевые транзисторы можно использовать во многих типах схем, хотя существуют три основные конфигурации: общий исток, общий сток (истоковый повторитель) и общий затвор. Сама конструкция схемы довольно проста и может быть выполнена довольно легко.

Подробнее о Схема полевого транзистора

Поскольку полевой транзистор представляет собой полупроводниковое устройство, работающее от напряжения, а не токовое устройство, такое как биполярный транзистор, это означает, что некоторые аспекты схемы сильно отличаются: в частности, схемы смещения. Однако разработка электронных схем с полевыми транзисторами относительно проста – она ​​немного отличается от схемы с использованием биполярных транзисторов.

Используя полевые транзисторы, можно спроектировать такие схемы, как усилители напряжения, буферы или повторители тока, генераторы, фильтры и многое другое, а конструкции схем очень похожи на схемы для биполярных транзисторов и даже термоэмиссионных ламп / вакуумных ламп, хотя схемы смещения другой. Интересно, что клапаны/трубки также являются устройствами, работающими от напряжения, и поэтому их схемы очень похожи, даже с точки зрения устройств смещения.

Тип полевого транзистора

Существует множество способов определения различных типов доступных полевых транзисторов. Различные типы означают, что при проектировании электронной схемы можно выбрать правильный электронный компонент для схемы. Выбрав правильное устройство, можно получить наилучшие характеристики для данной схемы.

Полевые транзисторы

можно разделить на несколько категорий, но некоторые из основных типов полевых транзисторов можно охватить на древовидной диаграмме ниже.

Типы полевых транзисторов

На рынке существует множество различных типов полевых транзисторов, для которых существуют разные названия. Некоторые из основных категорий задерживаются ниже.

• Соединение FET, JFET:   Соединение FET или JFET использует диодный переход с обратным смещением для обеспечения соединения затвора. Структура состоит из полупроводникового канала, который может быть как N-типа, так и P-типа. Затем на канал встраивается полупроводниковый диод таким образом, что напряжение на диоде влияет на канал полевого транзистора.

  Во время работы он имеет обратное смещение, и это означает, что он эффективно изолирован от канала — между ними может протекать только обратный ток диода. JFET — это самый простой тип FET, который был разработан первым. Однако он по-прежнему обеспечивает отличный сервис во многих областях электроники.

  Подробнее о . . . . переходной полевой транзистор, JFET.

  
  

• Изолированный затвор FET/МОП-транзистор кремния FET окиси металла:   В MOSFET используется изолированный слой между затвором и каналом. Обычно это формируется из слоя оксида полупроводника.

  Название IGFET относится к любому типу полевого транзистора с изолированным затвором. Наиболее распространенной формой IGFET является кремниевый MOSFET – полевой транзистор на основе оксида металла и кремния. Здесь затвор сделан из слоя металла, нанесенного на оксид кремния, который, в свою очередь, находится на кремниевом канале. МОП-транзисторы широко используются во многих областях электроники, особенно в интегральных схемах.

  Ключевым фактором IGFET / MOSFET является чрезвычайно высокий импеданс затвора, который эти полевые транзисторы могут обеспечить. Тем не менее, будет связанная емкость, и это уменьшит входное сопротивление при повышении частоты.

  Подробнее о . . . . Полевой транзистор на основе оксида металла, полевой МОП-транзистор.

  
  

• МОП-транзистор с двумя затворами:   Это особая форма МОП-транзистора с двумя затворами, последовательно расположенными вдоль канала. Это позволяет значительно улучшить производительность, особенно в радиочастотном диапазоне, по сравнению с устройствами с одним затвором.

  Второй затвор МОП-транзистора обеспечивает дополнительную изоляцию между входом и выходом, и в дополнение к этому его можно использовать в таких приложениях, как микширование/умножение.

  Подробнее о . . . . МОП-транзистор с двойным затвором.

  
  

• MESFET:  Металл-кремниевый полевой транзистор обычно изготавливается с использованием арсенида галлия и часто называется GaAs FET. Часто полевые транзисторы GaAs используются для радиочастотных приложений, где они могут обеспечить высокий коэффициент усиления и низкий уровень шума. Одним из недостатков технологии GaAsFET является очень маленькая структура затвора, что делает ее очень чувствительной к повреждениям от статического электричества, электростатического разряда. При обращении с этими устройствами необходимо соблюдать большую осторожность.

  Подробнее о . . . . MESFET / GaAsFET.

  
  

• HEMT / PHEMT:   Транзистор с высокой подвижностью электронов и псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов являются развитием базовой концепции FET, но разработаны для работы на очень высоких частотах. Несмотря на свою дороговизну, они позволяют достичь очень высоких частот и высокого уровня производительности.

  Подробнее о . . . . ГЕМТ / ФЕМТ.

  
  

• FinFET:   В настоящее время технология FinFET используется в интегральных схемах, чтобы обеспечить более высокий уровень интеграции за счет уменьшения размеров элементов. Поскольку требуются более высокие уровни плотности и становится все труднее реализовать все более мелкие размеры элементов, технология FinFET используется все шире.

  Подробнее о . . . . ФинФЕТ.

  
  

• VMOS:  Стандарт VMOS для вертикального MOS. Это тип полевого транзистора, в котором используется вертикальный поток тока для улучшения характеристик переключения и переноса тока. Полевые транзисторы VMOS широко используются в силовых приложениях.

Хотя в литературе можно встретить и другие типы полевых транзисторов, часто эти типы являются торговыми названиями определенной технологии и являются вариантами некоторых типов полевых транзисторов, перечисленных выше.

Технические характеристики полевого транзистора

Помимо выбора определенного типа полевого транзистора для любой схемы, также необходимо понимать различные технические характеристики. Таким образом можно гарантировать, что полевой транзистор будет работать с требуемыми рабочими параметрами.

Технические характеристики полевого транзистора

включают в себя все, от максимально допустимых напряжений и токов до уровней емкости и крутизны. Все они играют роль в определении того, подходит ли какой-либо конкретный полевой транзистор для данной схемы или приложения.

Подробнее о . . . . Спецификации FET и параметры таблицы данных.

Технология полевых транзисторов может использоваться в ряде областей, где биполярные транзисторы не подходят: каждое из этих полупроводниковых устройств имеет свои преимущества и недостатки и может быть использовано во многих схемах с большим успехом. Полевой транзистор имеет очень высокий входной импеданс и является устройством, управляемым напряжением, что позволяет использовать его во многих областях.

Другие электронные компоненты:
Резисторы конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор полевой транзистор Типы памяти Тиристор Соединители ВЧ-разъемы Клапаны/трубки Батареи Переключатели Реле Технология поверхностного монтажа
    Вернуться в меню “Компоненты”. . .

Что такое униполярный/полевой транзистор?

• Задачи проектирования

Войти

Добро пожаловать! Войдите в свою учетную запись

ваше имя пользователя

ваш пароль

Забыли пароль?

Создать учетную запись

Политика конфиденциальности

Зарегистрироваться

Добро пожаловать!Зарегистрируйте аккаунт

ваш адрес электронной почты

ваше имя пользователя

Пароль будет отправлен вам по электронной почте.

Политика конфиденциальности

Восстановление пароля

Восстановите пароль

ваш адрес электронной почты

Поиск

Модифицировано: 8 февраля, 2021

FET

Категория Статьи

СОДЕРЖАНИЕ

Транзистор поля -также известный как . электроды), управляемый напряжением   полупроводниковый электронный компонент, способный усиливать электрический сигнал. Семейство полевых транзисторов состоит из группы нескольких типов различных компонентов, общей чертой которых является косвенное влияние электрического поля на сопротивление полупроводника или сопротивление тонкого непроводящего слоя. Теоретически полевым транзистором можно управлять без расхода энергии. В работе компонента принимает участие только один тип носителей нагрузки, отсюда и однополярное название, а управление выходным током осуществляется с помощью электрического поля (полевые транзисторы).

Полевой транзистор –  Внутренняя конструкция и принцип работы

Униполярный транзистор имеет три электрода:

• Слив «D» – электрод, до которого доходят носители нагрузки. Ток стока – I _D , напряжение сток-исток – V _DS ,
• Ворота «G» – электрод, управляющий потоком зарядов. Ток затвора – I _G , напряжение затвор-исток – В _ГС ,
• Источник «S» – электрод, от которого в канал стекают носители нагрузки. Ток источника обозначается как I _S .

Это эквивалент электродов в биполярных транзисторах . Два из них: Drain и Source подключены к правильно легированному полупроводниковому кристаллу. Между этими концами создается канал, по которому течет ток. Третий конец размещается вдоль канала: Ворота , благодаря которым мы можем контролировать течение тока. В случае соединения нескольких МОП-транзисторов в интегральную схему часто используется четвертый электрод: B — Body (или Bulk ) для того, чтобы смещать подложку. Но вообще этот конец связан с/с источником.

---

Полевые транзисторы – Задания для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи с полевыми транзисторами, посетите этот раздел нашего сайта, где вы можете найти самые разнообразные электронные задания.

---

Разделение полевых транзисторов

В зависимости от принципов и законов работы можно выделить два основных типа полевых транзисторов, которые далее подразделяются, как показано на рис.1. внизу:

Рис. 1. Разделение полевых транзисторов

JFET – конструкция и принцип действия

JFET транзистор состоит из полупроводникового слоя n-типа в N-канальных JFET транзисторах или полупроводника p-типа в P-канальных JFET транзисторы. Эти слои образуют канал. Электроды присоединяют к обоим концам канала. В транзисторах JFET затвор изолирован от канала переходом с обратным смещением (с очень высоким входным сопротивлением).

Транзисторы JFET должны быть поляризованы таким образом, чтобы несущие перемещались от истока к стоку, а переход затвор-канал был смещен в обратном направлении.

Существует два варианта этого перехода:

• P-N переход (PNFET),
• Соединение M-S (металл-полупроводник).

Канал, по которому будет течь ток, находится между стоком и истоком. Шириной канала (его сопротивлением) можно управлять, изменяя напряжение затвор-исток (В _ГС ). Повышение напряжения V _GS (которое смещает переход в обратном направлении) вызывает сужение канала вплоть до его полного «закрытия» — ток не будет течь. К напряжению V _GS добавляется падение напряжения между конкретной точкой канала и источником (V _DS ). Увеличение значения напряжения V _DS в конечном итоге подключит обедненные слои и заблокирует канал, насытив транзистор. Значение тока стока I _D не будет увеличиваться независимо от дальнейшего увеличения напряжения V _DS , и транзистор становится очень хорошим компонентом крутизны.

• P-N JFET (нормально включен)

Рис. 2. Символы JFETРис. 3. Внутренняя структура JFET с каналом типа «N»

MOSFET (металло-оксидно-полупроводниковый полевой транзистор) – конструкция и принцип работы

В MOSFET-транзисторе затвор изолирован от канала диэлектрическим слоем. Область, отмеченная «N+», представляет собой сильнолегированный полупроводник типа «N». В случае Э МОП-транзисторов с напряжением 9 В0295 ГС = 0, канал заблокирован (его сопротивление принимает значение МОм и ток I _D не течет). При увеличении напряжения канала V _GS увеличивается его проводимость и после достижения определенного значения, называемого пороговым напряжением V _T , через канал становится возможным протекание тока стока I _D . Ток стока MOSFET регулируется сигналом напряжения затвора величиной до нескольких вольт, что обеспечивает совместимость со всеми МОП-системами, особенно с КМОП. Мощность, необходимая для его управления, очень мала, а безопасная рабочая зона больше по сравнению с БЮТ транзисторы . Кроме того, время переключения также короче по сравнению с BJT.

Минимальное значение сопротивления канала, указанное производителем, можно найти в даташитах как rds _на (зависит от максимального напряжения транзистора V _DS . Значение тока I _D , которое будет протекать через созданный канал зависит от напряжения V _DS , но не является линейной зависимостью и описывается формулой:

β – коэффициент усиления тока
Этот ток влияет на состояние смещения затвора, изменяя его, что приводит к сужению канала вблизи стока. В случае дальнейшего увеличения напряжения затвор-исток V _GS отсечка напряжения V _GSoff будет превышена в какой-то момент, что приведет к потере созданного канала (V _GS = V _DS )

• Режим обеднения MOSFET – D MOS (нормально включен):

Рис. 4. Символы D MOS

• Режим расширения MOSFET – E MOS (обычно выключен):

Рис. 5. Символы E MOSРис. 6. Внутренняя структура E МОП с каналом типа «N»

FET – режимы работы

Существует три режима работы транзисторов:

• Режим отсечки: |V _GS | > |В _Т | в любом |V _DS |,
• Активный режим  (также известный как линейный или ненасыщенный): |V _ГС | < |В _Т | и |V _ДС | <= |V _DSsat |,
• Режим насыщения : |V _GS | < |В _Т | и |V _ДС | => |V _DSsat |.

Примечание: Во многих странах единица измерения напряжения и символ называются «V» вместо «U», как в этой статье.

FET – Основные параметры

• В _{DS max} – максимальное напряжение сток-исток,
• I _Dmax – максимальный ток стока,
• В _GSmax – максимальный ток затвор-исток,
• P _totmax – допустимая потеря мощности,
• В _Т – пороговое напряжение, при котором начинает протекать ток,
• I _DSS (V _GS =0) – ток насыщения при определенном токе V _DS ,
• г [S-Siemens] – коэффициент крутизны,
• rds _(on) – минимальное значение сопротивления канала транзистора, работающего в режиме ненасыщения,
• I _Gmax – максимально допустимый ток затвора,
• I _D(OFF) – ток стока в режиме отсечки – при напряжении |V _GS | > |V _GS(ВЫКЛ) |.

FET –  Вольт-амперные характеристики

Передаточные характеристики – описывают отношение тока стока I _D от напряжения затвор-исток V _GS к определенному напряжению сток-исток V _GS .

• JFET «N»:

Рис. 7. JFET «N»

• D MOS «N»:

Рис. 8. D MOS «N»

• E MOS «N»:

Рис. 9. Э МОП «N»

• Характеристики стока (для полевого транзистора типа «N») – описывает отношение стока I _D ток от сток-исток В _ДС напряжение с определенным затвор-исток В _ГС напряжение. Область характеристик была разделена на две части: активную и насыщенную область.

Рис. 10. Характеристики стока (для униполярного транзистора типа «N»)

Практическое применение – униполярный МОП-транзистор – транзистор NMOS

В практическом упражнении действие транзистора NMOS в его простейшей форме показано в виде транзисторного ключа . Такое использование в основном работает в приложениях микроконтроллера, оно используется для управления сигналом от микроконтроллера к внешним приемникам.

Для этого упражнения нам понадобятся следующие вещи:

• макетная плата (Elegoo 3шт MB-102 макетная плата)
• Светодиодный диод (можно и зуммер) (Взять Шанзон 100шт),
• Резистор 220 и 1 кОм (750 шт., набор резисторов 30 значений),
• Транзистор NMOS BUZ11 (Получить FAIRCHILD BUZ11),
• Батарея 3В,
• Блок питания 9В.

Схема подключения цепей выглядит следующим образом:

Рис. 11. Схема подключения цепей: V2:9В источник питания постоянного тока, D1: белый светодиод, R1: резистор 220 Ом, M1: транзистор BUZ11, R2: резистор 1 кОм, V1: батарея 3 В (на схеме синусоидальный источник используется для иллюстрации работы транзистора). Обратите внимание, что обозначения на схеме различны для транзистора, но имеют те же параметры, что и BUZ11.

Готовая подключенная схема на макетной плате показана ниже на Рис. 12:

Рис. 12. Иллюстрация подключения макетной платы

Система после подключения питания 9В не проявляла никаких действий. После подключения батареи к цепи светодиод начал светиться. Это самый простой способ проиллюстрировать принцип действия напряжения В _T (напряжение пробоя) в униполярных транзисторах. В транзисторе БУЗ11 диапазон напряжения VGSTh находится в пределах от 2,1 до 4 В. При использовании батарей 3В получаем достаточное напряжение для открытия канала между стоком и истоком в униполярном транзисторе. После этого светодиод начинает светиться.

Рис. 13. Еще одна иллюстрация подключения и работы макетной платы транзистор, между током на светодиоде I(D1). Дополнительно на осциллограмме видно напряжение VDS, вид осциллограммы зависит от времени включения транзистора.

Рис. 14. Иллюстрация подключения макетной платы

Михал

Инженер по электронике и телекоммуникациям с дипломом магистра электроэнергетики. Светодизайнер опытный инженер. В настоящее время работает в сфере IT.

Английский

Что такое FET: Руководство по FET | FET Electronics Design

Я подробно расскажу вам о FET (полевой транзистор) и расскажу обо всем, что связано с FET, включая определение FET, символ, работу, характеристики, типы и области применения.

Начнем.

Определение:

Полевой транзистор (FET) представляет собой трехвыводное электронное устройство, используемое для управления потоком тока с помощью напряжения, подаваемого на его вывод затвора. Три клеммы в этом устройстве называются стоком, истоком и затвором.

• Источник: Терминал, через который носители заряда попадают в канал.
• Слив: Это терминал, через который носители заряда покидают канал.
• Строб: Этот вывод управляет проводимостью между выводами истока и стока.

Полевые транзисторы также известны как униполярные транзисторы, в отличие от биполярных транзисторов. В полевых транзисторах для процесса проводимости используются либо дырки, либо электроны. Но в процессе проводимости не участвуют оба носителя заряда одновременно. Полевые транзисторы обычно имеют высокий входной импеданс на низких частотах и ​​демонстрируют мгновенную работу, высокую производительность, надежны и дешевы и используются во многих электрических цепях. Низкое энергопотребление и малое рассеивание мощности делают это устройство идеальным для интегральных схем.

Символ:

На следующем рисунке показаны символы MOSFET и JFET транзисторов, которые являются двумя основными типами FET транзисторов.

 

Рабочий:

Полевой транзистор — это электронное устройство, содержащее носители заряда, электроны или дырки, которые текут от клемм истока к стоку через активный канал. Процесс проводимости управляется подачей входного напряжения на клемму затвора.

Путь тока, который существует между клеммами истока и стока, известен как «канал», который может состоять из полупроводникового материала N-типа или P-типа.

Работу N-канального полевого транзистора можно описать следующим образом, взяв два разных случая:

Случай 1:

В случае 1 напряжение на выводе затвора равно нулю, а напряжение Vds приложено между стоком и терминал источника, как показано на рисунке ниже.

В этом случае два pn-перехода по сторонам стержня образуют обедненную область. В результате электроны перетекают от истока к стоку через канал, расположенный между обедненными слоями. Ширина канала и проводимость тока через стержень определяются размером обедненных слоев.

Случай 2:

Ширина обедненного слоя увеличивается при приложении обратного напряжения к клеммам затвора и истока Vgs. Это приводит к уменьшению ширины канала проводимости и увеличивает сопротивление стержня n-типа.

Следовательно, ток от клемм истока к стоку уменьшается. Однако, когда напряжение обратного смещения на выводе затвора уменьшается, это также уменьшает ширину обедненного слоя и, как следствие, увеличивает ширину проводящего канала.

Это работа N-Channel JFET, которая работает аналогично P-Channel JFET. Разница только в носителях заряда. В случае N-канального JFET носителями заряда являются электроны, а в случае P-канального JFET – дырки.

 

Characteristics:

The following figure shows the characteristics curves of JFETs:

A: Ohmic Region:

In the ohmic region when Vgs = 0 the JFET will behave as a voltage -управляемый резистор и несет в себе очень малое обеднение слоя канала.

B: Область отсечки:

Область отсечки также называется областью отсечки, где напряжения на затворе Vgs достаточно, чтобы JFET работал как разомкнутая цепь, поскольку сопротивление канала максимум.

C: Область насыщения:

Область насыщения также называется активной областью, где проводимость устройства очень высока и контролируется приложенным напряжением на клеммах затвора и истока Vgs. В этом случае напряжение сток-исток Vds практически не влияет.

D: Область пробоя:

В этой области напряжение на клеммах истока и стока Vds очень велико, что приводит к пробою резистивного канала JFET и позволяет протекать неконтролируемому максимальному току.

Ток стока Id увеличивается линейно с напряжением на клеммах истока и стока Vds. По мере увеличения Id омическое падение напряжения в области канала и на выводе истока будет смещать переход в обратном направлении, и в результате проводимость канала остается постоянной. Напряжение Vds в этом положении известно как напряжение «отсечки».

Типы:

Транзисторы FET разделены на два основных типа:

1: JFET

2: MOSFET

1: JFET

JFET (Эффект поля Джунза. устройство и представляет собой тип полевого транзистора, который в основном используется для разработки усилителей и используется в качестве переключателей с электрическим управлением. JFET — это устройства, управляемые напряжением, поскольку им не требуется ток смещения для запуска работы транзистора.

JFET находится во включенном состоянии, когда между клеммами истока и затвора отсутствует напряжение. Однако, когда напряжение подается на клеммы истока и затвора, это устройство будет оказывать сопротивление потоку тока и пропускает только ограниченный ток между клеммами истока и стока.

JFET делятся на два типа:

• N-канальные JFET, в которых проводимость осуществляется движением электронов.
• P-Channel JFET, в котором проводимость осуществляется за счет движения отверстий.

N-канальные JEFT предпочтительнее P-канальных JFET во многих электронных приложениях, поскольку подвижность электронов лучше, чем подвижность дырок.

2: МОП-транзистор

МОП-транзистор (полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника) представляет собой полупроводниковое устройство, в основном используемое для усиления и переключения в электронных устройствах.

МОП-транзистор — это устройство, управляемое напряжением, поскольку входное напряжение на клемме затвора определяет проводимость между клеммами истока и стока.

МОП-транзисторы подразделяются на два основных типа:

• N-канальные МОП-транзисторы, в которых проводимость осуществляется за счет движения электронов. Этот транзистор обладает высокой эффективностью, имеет низкое сопротивление и занимает меньшую площадь.
• P-Channel MOSFET, в котором проводимость осуществляется за счет движения отверстий. Этот транзистор менее эффективен, обладает большим сопротивлением и занимает большую площадь.

 

Приложения:

Полевые транзисторы используются в следующих приложениях.

• Аналоговый переключатель
• Ограничитель тока
• Каскодный усилитель
• Измельчитель
• Генераторы фазового сдвига
• Мультиплексор
• Буферный усилитель

Надеюсь, эта статья оказалась для вас полезной.