Tranzistor s efektem pole: typ a označení, výhody a nevýhody, princip činnosti pro figuríny

V elektronice a radiotechnice se velmi často používají polovodičová zařízení, mezi které patří tranzistory. Tranzistory s efektem pole (FET) spotřebovávají výrazně méně elektrické energie, díky čemuž se používají v různých zařízeních s nízkou spotřebou. Kromě toho existují modely, které pracují při vysokých proudech s nízkou spotřebou napájecího napětí (U).

Obecná informace

FET nebo FET je polovodičové zařízení, které při změně řízení U reguluje I (proud). Tento typ tranzistoru se také nazývá unipolární. Objevil se později než obvyklý tranzistor (bipolární), ale s rozvojem technologie se díky nízké spotřebě energie rozšířil mezi digitální zařízení. Hlavní rozdíl je ve způsobu ovládání I. V bipolárním se regulace I provádí pomocí ovládání I a v poli - pomocí U (obrázek 1).

Obrázek 1 - Rozdíl mezi polním a bipolárním T.

PT nemá ovládání I a má vysokou vstupní impedanci (R), která dosahuje několika stovek GΩ (GigaOhm) nebo TOM (TerraOhm). Abyste zjistili rozsah PT, musíte si jej pečlivě prostudovat. Nosiče náboje jsou elektrony nebo díry, zatímco bipolární náboj jsou elektrony a díry.

instagram viewer

Klasifikace a zařízení

PT jsou několika typů, mají různé vlastnosti a zařízení. Dělí se na 2 typy:

1. S ovládáním pn - křižovatka (JFET).
2. Izolovaná brána (MOSFET).

Kromě toho je každý typ dodáván s kanály N a P. Pro PT s N-kanálem jsou nosiči náboje elektrony a pro P-kanál díry. Princip činnosti pro P a N je podobný, rozdíl je pouze v napájení U jiné polarity jako ovládání.

Zařízení JFET PT (obrázek 2) je jednoduché. Oblast N tvoří kanál mezi oblastmi P. Elektrody jsou připojeny ke koncům kanálu N, které se běžně nazývají odtok (C) a zdroj (I), protože vše závisí na schématu připojení. Hradlo (Z) je typ elektrody, která vzniká při zkratování polovodičů P. To je způsobeno elektrickým připojením při vystavení U. V blízkosti C a I je oblast zvýšené koncentrace nebo dopování (N +) elektronů, což vede ke zlepšení vodivosti kanálu. Přítomnost dopingové zóny výrazně omezuje tvorbu parazitních pn - spojů vzniklých po přidání hliníku.

Obrázek 2 - Schematické zařízení typu JFET PT.

MOFSET se nazývá MOS nebo MDP a také se dělí na typy - s vestavěnými a indukovanými kanály. Každý z těchto typů má modely s P a N kanály. Tranzistor s efektem pole, jehož označení je na obrázku 3, má někdy 4 vývody.

Obrázek 3 - Označení tranzistoru MOS.

Zařízení je poměrně jednoduché a je znázorněno na obrázku 4. Pro FET s N-kanálem má substrát (potažený Si02) vodivost typu P. Dielektrickou vrstvou procházejí svodové a zdrojové elektrody z dotovaných zón a také výstup, který je zkratován se zdrojem. Hradlová vrstva je umístěna nad dielektrikem.

Obrázek 4 - Typické PT zařízení s indukovaným kanálem.

Jak funguje JFET

JFET pracuje ve 2 režimech. Tato vlastnost je způsobena skutečností, že napětí kladné a záporné složky je aplikováno na bránu (obr. 5). Při připojení U> 0 k odpadu a země ke zdroji je nutné připojit bránu k zemi (Uzi = 0). Během postupného nárůstu U mezi C a I (Uis) je PT obyčejný vodič. Při nízkých hodnotách Uis je šířka kanálu maximální.

Při vysokých hodnotách Uis jsou velké hodnoty toku proudu mezi zdrojem a odtokem kanálem (Iis). Tento stav se nazývá ohmická oblast (OO). V polovodiči typu N, konkrétně v zónách p-n-přechodu, dochází k poklesu koncentrace volných elektronů. Asymetrický růst vrstvy poklesu koncentrace volných elektronů se nazývá depleční vrstva. K přerůstání dochází ze strany připojeného napájecího zdroje. Se zvýšením Uis dochází k silnému zúžení kanálu, v důsledku čehož Iis nevýznamně roste. Provoz PT v tomto režimu se nazývá saturace.

Obrázek 5 - Schéma provozu JFET (Uzi = 0).

Když je na bránu přiváděno nízké záporné U, dochází k silnému zúžení kanálu a poklesu Iis. S poklesem U se kanál uzavře a PT bude pracovat v režimu cutoff a U, při kterém se zastaví dodávka Iis, se nazývá mezní napětí (Uotc). Obrázek 6 ukazuje grafické znázornění provozu PT na Uzi <0:

Obrázek 6 - Grafické znázornění principu činnosti polem řízeného tranzistoru typu JFET.

Při použití v saturačním režimu je signál zesílen (obr. 7), poněvadž s nevýznamnými změnami v Uis došlo k významné změně v If:

Obrázek 7 - Příklad S JFET.

Tento parametr je zisk JFET a nazývá se strmost brány (S). Jednotkou měření je mA / V (milesAmp / Volt).

Vlastnosti práce MOFSET

Když je U připojeno mezi elektrody C a And jakékoli polarity k MOFSET s indukovaným N-kanálem, proud není bude proudit, jelikož mezi legitimní vrstvou je vrstva s vodivostí P, která nepropouští elektrony. Princip činnosti s kanálem typu P je stejný, pouze je nutné napájet záporné U. Pokud je na bránu aplikován kladný Uz, objeví se elektrické pole, které vytlačí otvory z P zóny ve směru k substrátu (obr. 8).

Pod bránou začne klesat koncentrace volných nosičů náboje a jejich místo zaujmou elektrony, které jsou přitahovány kladným nábojem brány. Když Uzi dosáhne prahové hodnoty, koncentrace elektronů bude mnohem vyšší než koncentrace díry. V důsledku toho se mezi C a I vytvoří kanál s vodivostí typu N, kterým bude proudit Iis. Lze uzavřít, že závislost Ic na Uz je přímo úměrná: s nárůstem U se kanál rozšiřuje a Ic se zvyšuje. Tento proces je jedním z PT režimů – obohacení.

Obrázek 8 - Ilustrace činnosti PT s indukovaným kanálem (typ N).

I-V charakteristika FET s izolovaným hradlem je přibližně stejná jako u řídicího uzlu (obr. 9). Oblast, ve které Iis roste přímo úměrně s růstem Uis, je ohmická oblast (saturace). Oblast při maximální expanzi kanálu, ve které Ic neroste, je aktivní oblastí.

Při překročení prahové hodnoty U se přechod pn prolomí a PT je obyčejný vodič. V tomto případě dojde k selhání rádiové součásti.

Obrázek 9 - I - V charakteristika PT s izolovanou bránou.

Rozdíl mezi FET s vestavěnými a indukovanými kanály je přítomnost vodivého kanálu mezi C a I. Pokud připojíte U různé polarity k PT s vestavěným kanálem mezi odtokem a zdrojem a odejdete brána je zapnutá (Uzi = 0), pak Iis bude proudit kanálem (tok volných nosičů náboje je elektrony). Když je U <0 připojeno k hradlu, objeví se elektrické pole, které tlačí elektrony směrem k substrátu. Dojde ke snížení koncentrace volných nosičů náboje a odpor se zvýší, proto se Ic - sníží. Tento stav je režim zbídačení.

Když je U> 0 připojeno k bráně, vzniká elektromagnetické pole, které bude přitahovat elektrony ze svodu, zdroje a substrátu. V důsledku toho se kanál rozšíří a jeho vodivost se zvýší a Iis se zvýší. PT začne pracovat v režimu obohacení. Charakteristika proudového napětí (VAC) je znázorněna na obrázku 10.

Obrázek 10 - I - V charakteristika PT s vestavěným kanálem.

Navzdory své všestrannosti mají PT výhody i nevýhody. Tyto nevýhody vyplývají ze zařízení, způsobu provedení a I - V charakteristiky zařízení.

Výhody a nevýhody

Výhody a nevýhody jsou konvenční koncepce převzaté ze srovnání polních a bipolárních tranzistorů. Jednou z vlastností PT je vysoká odolnost Rin. Navíc pro MOFSET je jeho hodnota o několik řádů vyšší než hodnota JFET. FETy prakticky nespotřebovávají proud ze zdroje signálu, který je potřeba zesílit.

Například, pokud vezmete obyčejný obvod, který generuje signál založený na mikroobvodovém mikrokontroléru. Tento obvod řídí činnost elektromotoru, ale má nízkou hodnotu proudu, která pro tento účel nestačí. V tomto případě je potřeba zesilovač, který spotřebovává malé množství I a na výstupu generuje vysoký proud. V zesilovači tohoto typu by měl být použit JFET, který má vysoký Rin. JFET má nízký U zisk. Při stavbě zesilovače založeného na JFET (1 ks) bude maximální zisk asi 20, při použití bipolárního - několik stovek.

Vysoce kvalitní zesilovače používají oba typy tranzistorů. Pomocí FETu dochází k zesílení v I a poté pomocí bipolárního signálu k zesílení v U. PT však mají oproti bipolárním řadu výhod. Tyto výhody jsou následující:

1. Vysoký Rin, díky kterému je minimální spotřeba I a U.
2. Vysoký zisk v I.
3. Provozní spolehlivost a odolnost proti rušení: při nepřítomnosti I proudí bránou, v důsledku čehož je řídicí obvod brány izolován od odpadu a zdroje.
4. Vysoká rychlost přechodu z jednoho stavu do druhého, což umožňuje použití PT na vysokých frekvencích.

Navíc, navzdory svému širokému použití, FET mají několik nevýhod, které neumožňují úplné vytlačení bipolárních tranzistorů z trhu. Mezi nevýhody patří následující:

1. Zvýšený pokles U.
2. Teplota ničení zařízení.
3. Spotřeba více energie při vysokých frekvencích.
4. Vznik parazitního bipolárního tranzistoru (PBT).
5. Citlivé na statickou elektřinu.

Ke zvýšenému poklesu U dochází v důsledku vysokého R mezi odtokem a zdrojem během otevřeného stavu. PT se zničí, když teplota překročí 150 stupňů Celsia, a bipolární - 200. PT má nízkou spotřebu energie pouze při nízkých frekvencích. Nad 1,6 GHz spotřeba energie roste exponenciálně. Na základě toho přestaly růst frekvence mikroprocesorů a důraz je kladen na vytváření strojů s velkým počtem jader.

Při použití výkonného PT se v jeho struktuře vytvoří PBT, při jehož otevření PT selže. K vyřešení tohoto problému je substrát zkratován pomocí I. To však problém zcela neřeší, protože skok v U může vést k otevření PBT a selhání PT, stejně jako řetězů částí, které jsou k němu připojeny.

Významnou nevýhodou PT je jejich citlivost na statickou elektřinu. Tato nevýhoda pochází z konstrukčních vlastností PT. Dielektrická (izolační) vrstva je tenká a velmi snadno se ničí statickou elektřinou, která může dosahovat stovek i tisíců voltů. Aby se zabránilo selhání při vystavení statické elektřině, je substrát uzemněn a zkratován se zdrojem. Navíc u některých typů FETů je mezi kolektorem a zdrojem dioda. Při práci s integrovanými mikroobvody na PT by se měla používat antistatická opatření: speciální náramky a přeprava ve vakuových antistatických obalech.

Schémata zapojení

PT se zapojuje zhruba stejně jako obyčejný, ale jsou tu některé zvláštnosti. Existují 3 schémata pro zapínání tranzistorů s efektem pole: se společným zdrojem (OI), kolektorem (OS) a hradlem (OZ). Nejčastěji se používá schéma zapojení s OI (schéma 1). Toto zapojení umožňuje výrazné zvýšení výkonu. Zapojení OI se však používá v nízkofrekvenčních zesilovačích a má také vysokou vstupní kapacitní charakteristiku.

Schéma 1 - Zapnutí pomocí OI.

Při zapnutí s OS (schéma 2) se získá kaskáda s následovníkem, který se nazývá zdroj. Výhodou je nízká vstupní kapacita. Používá se k výrobě kaskád dělicích vyrovnávací paměti (například piezoelektrický snímač).

Schéma 2 - Spojení s OS.

Při spojení s OZ (schéma 3) nedochází k výraznému zesílení proudu, výkonový zisk je nižší než při spojení s OI a OS. U tohoto typu zapojení je však možné Millerovu efektu zcela předejít. Tato funkce umožňuje zvýšit maximální frekvenci zesílení (mikrovlnný zisk).

Schéma 3 - Zapínání pomocí OZ.

PT jsou tedy široce používány v oblasti informačních technologií. Bipolární tranzistory však nemohly vytlačit bipolární tranzistory z trhu rádiových součástek. To je způsobeno především nedostatky PT, které spočívají v principu činnosti a konstrukčních prvcích. Hlavní nevýhodou je vysoká citlivost na pole statické elektřiny.