Transistor ad effetto di campo: tipo e designazione, vantaggi e svantaggi, principio di funzionamento per manichini

Nell'elettronica e nell'ingegneria radiofonica, i dispositivi a semiconduttore sono molto spesso utilizzati, tra cui i transistor. I transistor ad effetto di campo (FET) consumano significativamente meno energia elettrica, grazie alla quale vengono utilizzati in vari dispositivi a bassa potenza. Inoltre, esistono modelli che funzionano ad alte correnti con bassi consumi della tensione di alimentazione (U).

Informazione Generale

FET o FET è un dispositivo a semiconduttore che, quando il controllo U cambia, regola I (corrente). Questo tipo di transistor è anche chiamato unipolare. È apparso più tardi del solito transistor (bipolare), ma con la crescita della tecnologia si è diffuso tra i dispositivi digitali grazie al suo basso consumo energetico. Il principale la differenza sta nel metodo di controllo I. In quello bipolare, la regolazione I viene eseguita con l'aiuto del controllo I e nel campo - con la U (Figura 1).

Figura 1 - La differenza tra campo e T bipolare.

Il PT non ha il controllo I e ha un'alta impedenza di ingresso (R), che raggiunge diverse centinaia di GΩ (GigaOhm) o TOM (TerraOhm). Per scoprire la portata del PT, è necessario studiarlo attentamente. I portatori di carica sono elettroni o lacune, mentre la carica bipolare è costituita da elettroni e lacune.

Classificazione e dispositivo

I PT sono di diversi tipi, hanno caratteristiche e dispositivi diversi. Si dividono in 2 tipologie:

1. Con controllo pn - giunzione (JFET).
2. Cancello isolato (MOSFET).

Inoltre, ogni tipo è dotato di canali N e P. Per un PT con un canale N, i portatori di carica sono elettroni, e per un canale P, lacune. Il principio di funzionamento per P e N è simile, l'unica differenza consiste nel fornire U di polarità diversa come controllo.

Il dispositivo JFET PT (Figura 2) è semplice. L'area N forma un canale tra le aree P. Gli elettrodi sono collegati alle estremità del canale N, che sono convenzionalmente chiamate drain (C) e source (I), poiché tutto dipende dallo schema di connessione. La porta (Z) è un tipo di elettrodo che si forma quando i semiconduttori P vengono cortocircuitati. Ciò è dovuto al collegamento elettrico quando esposto a U. Vicino a C e I c'è una regione di maggiore concentrazione o drogaggio di (N +) elettroni, che porta ad un miglioramento della conduttività del canale. La presenza della zona di drogaggio riduce significativamente la formazione di giunzioni pn - parassite formatesi con l'aggiunta di alluminio.

Figura 2 - Dispositivo schematico del tipo JFET PT.

MOFSET è chiamato MOS o MDP e sono anche divisi in tipi - con canali integrati e indotti. Ognuno di questi tipi ha modelli con canali P e N. Il transistor ad effetto di campo, la cui designazione è mostrata nella Figura 3, a volte ha 4 conduttori.

Figura 3 - Designazione del transistor MOS.

Il dispositivo è abbastanza semplice ed è mostrato in Figura 4. Per un FET con un canale N, il substrato (rivestito con SiO2) ha una conduttività di tipo P. Attraverso lo strato dielettrico vengono fatti passare gli elettrodi di drain e source dalle zone drogate, nonché un'uscita che viene cortocircuitata con la sorgente. Lo strato di gate si trova sopra il dielettrico.

Figura 4 - Tipico dispositivo TP con un canale indotto.

Come funziona JFET

JFET opera in 2 modalità. Questa caratteristica è dovuta al fatto che al gate viene applicata la tensione dei componenti positivo e negativo (Fig. 5). Quando si collega U> 0 al drain, e la terra alla sorgente, è necessario collegare il gate alla terra (Uzi = 0). Durante un graduale aumento di U tra C e I (Uis), il PT è un conduttore ordinario. A bassi valori di Uis, la larghezza del canale è massima.

Ad alti valori di Uis, grandi valori di flusso di corrente tra la sorgente e il drenaggio attraverso il canale (Iis). Questo stato è chiamato regione ohmica (OO). In un semiconduttore di tipo N, cioè nelle zone di giunzione p-n, si verifica una diminuzione della concentrazione di elettroni liberi. La crescita asimmetrica dello strato di diminuzione della concentrazione di elettroni liberi è chiamata strato di esaurimento. La crescita eccessiva si verifica dal lato dell'alimentatore collegato. Un forte restringimento del canale si verifica con un aumento di Uis, a seguito del quale Iis cresce in modo insignificante. Il funzionamento del PT in questa modalità è chiamato saturazione.

Figura 5 - Schema dell'operazione JFET (Uzi = 0).

Quando viene fornita una U bassa negativa al gate, si verifica un forte restringimento del canale e una diminuzione di Iis. Con una diminuzione di U, il canale verrà chiuso e il PT funzionerà in modalità di interruzione e U, a cui si interrompe l'alimentazione di Iis, è chiamata tensione di interruzione (Uotc). La Figura 6 mostra una rappresentazione grafica del funzionamento del PT a Uzi <0:

Figura 6 - Rappresentazione grafica del principio di funzionamento di un transistor ad effetto di campo di tipo JFET.

Quando utilizzato in modalità saturazione, il segnale viene amplificato (Fig. 7) poiché con variazioni insignificanti in Uis c'è un cambiamento significativo in Se:

Figura 7 - Esempio S JFET.

Questo parametro è il guadagno del JFET ed è chiamato pendenza del gate (S). L'unità di misura è mA/V (migliaAmp/Volt).

Caratteristiche del lavoro MOFSET

Quando U è collegato tra gli elettrodi C e E di qualsiasi polarità a MOFSET con un canale N indotto, la corrente non è scorrerà, poiché tra lo strato legittimo c'è uno strato con conducibilità P, che non trasmette elettroni. Il principio di funzionamento con il canale di tipo P è lo stesso, solo è necessario fornire U negativo. Se si applica Uz positivo al gate, apparirà un campo elettrico, spingendo i fori fuori dalla zona P nella direzione del substrato (Fig. 8).

Sotto il cancello, la concentrazione dei portatori di carica liberi inizierà a diminuire e il loro posto sarà preso dagli elettroni, che sono attratti dalla carica positiva del cancello. Quando Uzi raggiunge il valore di soglia, la concentrazione di elettroni sarà molto più alta della concentrazione del buco. Di conseguenza, tra C e I si formerà un canale con conducibilità di tipo N, attraverso il quale scorrerà Iis. Si può concludere che la dipendenza di Ic da Uz è direttamente proporzionale: con un aumento di U, il canale si espande e Ic aumenta. Questo processo è una delle modalità PT - arricchimento.

Figura 8 - Illustrazione del funzionamento di un TP con canale indotto (tipo N).

La caratteristica I - V di un FET con gate isolato è approssimativamente la stessa di una giunzione di controllo (Fig. 9). L'area in cui Iis cresce in proporzione diretta alla crescita di Uis è la regione ohmica (saturazione). L'area alla massima espansione del canale, in cui Ic non cresce, è un'area attiva.

Quando il valore di soglia U viene superato, la giunzione pn si rompe e il PT è un conduttore ordinario. In questo caso, il componente radio si guasta.

Figura 9 - Caratteristica I - V di un terminale con porta isolata.

La differenza tra FET con canali incorporati e indotti è la presenza di un canale conduttivo tra C e I. Se si collegano U di polarità diversa a un TP con un canale integrato tra drain e source e leave il gate è acceso (Uzi = 0), quindi Iis scorrerà attraverso il canale (il flusso dei portatori di carica gratuita è elettroni). Quando U <0 è connesso al gate, appare un campo elettrico che spinge gli elettroni verso il substrato. Ci sarà una diminuzione della concentrazione di portatori di carica gratuita e la resistenza aumenterà, quindi Ic - diminuirà. Questo stato è la modalità di impoverimento.

Quando U> 0 è collegato al gate, sorge un campo elettromagnetico che attirerà gli elettroni dal drain, dalla sorgente e dal substrato. Di conseguenza, il canale si espanderà e la sua conduttività aumenterà e Iis aumenterà. Il PT inizierà a funzionare in modalità di arricchimento. La caratteristica corrente-tensione (VAC) è mostrata nella Figura 10.

Figura 10 - Caratteristica I - V di un terminale con canale integrato.

Nonostante la loro versatilità, i PT presentano vantaggi e svantaggi. Questi svantaggi derivano dal dispositivo, dalla modalità di esecuzione e dalla caratteristica I - V dei dispositivi.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi e svantaggi sono concetti convenzionali presi dal confronto tra transistor ad effetto di campo e bipolari. Una delle proprietà del PT è un Rin ad alta resistenza. Inoltre, per MOFSET, il suo valore è di diversi ordini di grandezza superiore a quello di JFET. I FET praticamente non consumano corrente dalla sorgente del segnale che deve essere amplificata.

Ad esempio, se prendi un normale circuito che genera un segnale basato su un microcontrollore a microcircuito. Questo circuito controlla il funzionamento del motore elettrico, ma ha un valore di corrente basso, che non è sufficiente per questo scopo. In questo caso è necessario un amplificatore che consumi una piccola quantità di I e generi una corrente elevata in uscita. In un amplificatore di questo tipo dovrebbe essere utilizzato un JFET, che ha un Rin alto. JFET ha un guadagno U basso. Quando si costruisce un amplificatore basato su JFET (1 pz.), Il guadagno massimo sarà di circa 20, quando si utilizza uno bipolare - diverse centinaia.

Gli amplificatori di alta qualità utilizzano entrambi i tipi di transistor. Con l'aiuto del FET, l'amplificazione avviene in I e quindi, con l'aiuto di un bipolare, il segnale viene amplificato in U. Tuttavia, i PT hanno una serie di vantaggi rispetto a quelli bipolari. Questi vantaggi sono i seguenti:

1. High Rin, grazie al quale c'è un consumo minimo di I e U.
2. Alto guadagno in I.
3. Affidabilità di funzionamento e immunità al rumore: in assenza di I fluisce attraverso il gate, a seguito del quale il circuito di controllo del gate è isolato dallo scarico e dalla sorgente.
4. Elevata velocità di transizione da uno stato all'altro, che consente l'utilizzo del PT alle alte frequenze.

Inoltre, nonostante il loro uso diffuso, i FET presentano diversi inconvenienti che non consentono di eliminare completamente dal mercato i transistor bipolari. Gli svantaggi includono quanto segue:

1. Aumento del calo in U.
2. Temperatura di distruzione del dispositivo.
3. Consumare più energia alle alte frequenze.
4. L'emergere di un transistor bipolare parassita (PBT).
5. Sensibile all'elettricità statica.

L'aumento della caduta di U si verifica a causa dell'elevata R tra drain e source durante lo stato aperto. Il PT viene distrutto quando la temperatura supera i 150 gradi Celsius e quella bipolare - 200. Il PT ha un basso consumo energetico solo alle basse frequenze. Al di sopra di 1,6 GHz, il consumo di energia aumenta in modo esponenziale. Sulla base di ciò, le frequenze dei microprocessori hanno cessato di crescere e l'enfasi è sulla creazione di macchine con un gran numero di core.

Quando viene utilizzato un potente PT, nella sua struttura si forma un PBT, all'apertura del quale il PT fallisce. Per risolvere questo problema, il substrato viene cortocircuitato con I. Tuttavia, ciò non risolve completamente il problema, poiché un salto in U può portare all'apertura del PBT e al guasto del PT, nonché delle catene di parti ad esso collegate.

Uno svantaggio significativo dei PT è la loro sensibilità all'elettricità statica. Questo svantaggio deriva dalle caratteristiche di progettazione del PT. Lo strato dielettrico (isolante) è sottile e molto facilmente distrutto dall'elettricità statica, che può raggiungere centinaia o migliaia di volt. Per evitare guasti in caso di esposizione all'elettricità statica, il substrato è messo a terra e cortocircuitato con la sorgente. Inoltre, in alcuni tipi di FET, è presente un diodo tra il drain e la source. Quando si lavora con circuiti integrati su PT, è necessario utilizzare misure antistatiche: braccialetti speciali e trasporto in confezioni antistatiche sottovuoto.

Schemi di collegamento

Il PT è collegato più o meno allo stesso modo di uno ordinario, ma ci sono alcune peculiarità. Esistono 3 schemi per l'accensione dei transistor ad effetto di campo: con una sorgente comune (OI), drain (OS) e gate (OZ). Molto spesso viene utilizzato uno schema di connessione con un OI (schema 1). Questa connessione consente un significativo guadagno di potenza. Tuttavia, la connessione OI viene utilizzata negli amplificatori a bassa frequenza e ha anche un'elevata caratteristica capacitiva di ingresso.

Schema 1 - Accensione con OI.

Quando viene attivato con il sistema operativo (schema 2), si ottiene una cascata con un follower, che viene chiamata sorgente. Il vantaggio è la bassa capacità di ingresso. Viene utilizzato per la produzione di cascate di separazione del buffer (ad esempio un sensore piezoelettrico).

Schema 2 - Connessione con il sistema operativo.

Quando è collegato a OZ (Schema 3), non vi è alcuna amplificazione di corrente significativa, il guadagno di potenza è inferiore rispetto a quando è collegato a OI e OS. Tuttavia, con questo tipo di connessione è possibile evitare completamente l'effetto Miller. Questa funzione consente di aumentare la frequenza di guadagno massima (guadagno microonde).

Schema 3 - Accensione con OZ.

Pertanto, i PT sono ampiamente utilizzati nel campo della tecnologia dell'informazione. Tuttavia, i transistor bipolari non sono stati in grado di estromettere i transistor bipolari dal mercato dei componenti radio. Ciò è dovuto principalmente alle carenze del PT, che risiedono nel principio di funzionamento e nelle caratteristiche del design. Lo svantaggio principale è l'elevata sensibilità ai campi di elettricità statica.