טרנזיסטור אפקט שדה: סוג וייעוד, יתרונות וחסרונות, עקרון הפעולה עבור בובות

בהנדסת אלקטרוניקה ורדיו, נעשה שימוש לעתים קרובות מאוד במכשירי מוליכים למחצה, הכוללים טרנזיסטורים. טרנזיסטורי אפקט שדה (FET) צורכים משמעותית פחות אנרגיה חשמלית, בשל כך הם משמשים במכשירים שונים בעלי הספק נמוך. בנוסף, ישנם דגמים הפועלים בזרמים גבוהים עם צריכה נמוכה של מתח האספקה ​​(U).

מידע כללי

FET או FET הוא התקן מוליכים למחצה שכאשר הבקרה U משתנה, מווסת את I (זרם). סוג זה של טרנזיסטור נקרא גם חד קוטבי. הוא הופיע מאוחר יותר מהטרנזיסטור הרגיל (דו-קוטבי), אך עם צמיחת הטכנולוגיה הוא הפך לנפוץ בקרב מכשירים דיגיטליים בשל צריכת החשמל הנמוכה שלו. הראשי ההבדל טמון בשיטת הבקרה I. בדו-קוטבי וויסות ה-I מתבצע בעזרת ה-Control I, ובשטח - עם ה-U (תמונה 1).

איור 1 - ההבדל בין שדה ל-T דו קוטבי.

ל-PT אין בקרת I, ויש לו עכבת כניסה גבוהה (R), שמגיעה לכמה מאות GΩ (GigaOhm) או TOM (TerraOhm). על מנת לגלות את היקף ה-PT, עליך ללמוד אותו בקפידה. נושאי המטען הם אלקטרונים או חורים, ואילו המטען הדו-קוטבי הוא אלקטרונים וחורים.

סיווג ומכשיר

PTs הם מכמה סוגים, בעלי מאפיינים ומכשיר שונים. הם מחולקים ל-2 סוגים:

1. עם בקרה pn - צומת (JFET).
2. שער מבודד (MOSFET).

בנוסף, כל סוג מגיע עם ערוצי N ו-P. עבור PT עם ערוץ N, נושאי המטען הם אלקטרונים, ועבור ערוץ P, חורים. עקרון הפעולה של P ו-N דומה, ההבדל היחיד הוא באספקת U של קוטביות שונה כפקד.

התקן JFET PT (איור 2) הוא פשוט. אזור N יוצר ערוץ בין אזורים P. אלקטרודות מחוברות לקצוות של ערוץ N, הנקראים בדרך כלל ניקוז (C) ומקור (I), מכיוון שהכל תלוי בסכימת החיבור. השער (Z) הוא סוג של אלקטרודה שנוצרת כאשר מוליכים למחצה P קצרים. זה נובע מהחיבור החשמלי בעת חשיפה ל-U. ליד C ו-I יש אזור של ריכוז מוגבר או סימום של (N+) אלקטרונים, מה שמוביל לשיפור מוליכות הערוץ. הנוכחות של אזור הסימום מפחיתה באופן משמעותי את היווצרות pn טפילי - צמתים הנוצרים בתוספת אלומיניום.

איור 2 - מכשיר סכמטי מסוג JFET PT.

MOFSET נקרא MOS או MDP, והם גם מחולקים לסוגים - עם ערוצים מובנים ומושרה. לכל אחד מהסוגים הללו יש דגמים עם ערוצי P ו-N. לטרנזיסטור אפקט השדה, שהייעוד שלו מוצג באיור 3, יש לפעמים 4 מובילים.

איור 3 - ייעוד הטרנזיסטור MOS.

המכשיר די פשוט ומוצג באיור 4. עבור FET עם תעלת N, למצע (מצופה ב- SiO2) יש מוליכות מסוג P. דרך השכבה הדיאלקטרית מועברות אלקטרודות ניקוז ומקור מהאזורים המסוימים, כמו גם פלט שמקוצר עם המקור. שכבת השער ממוקמת מעל הדיאלקטרי.

איור 4 - מכשיר PT טיפוסי עם ערוץ מושרה.

איך JFET עובד

JFET פועל ב-2 מצבים. תכונה זו נובעת מהעובדה שהמתח של הרכיבים החיוביים והשליליים מופעל על השער (איור. 5). כאשר מחברים את U> 0 לניקוז, ואת האדמה למקור, יש צורך לחבר את השער לאדמה (עוזי = 0). במהלך עלייה הדרגתית ב-U בין C ל-I (Uis), ה-PT הוא מוליך רגיל. בערכים נמוכים של Uis, רוחב הערוץ הוא מקסימלי.

בערכים גבוהים של Uis, ערכים גדולים של זרם זורמים בין המקור לניקוז דרך הערוץ (Iis). מצב זה נקרא האזור האוהמי (OO). במוליך למחצה מסוג N, כלומר באזורי צומת p-n, מתרחשת ירידה בריכוז האלקטרונים החופשיים. הצמיחה הא-סימטרית של שכבת הירידה בריכוז האלקטרונים החופשיים נקראת שכבת הדלדול. צמיחת היתר מתרחשת מהצד של ספק הכוח המחובר. צמצום חזק של הערוץ מתרחש עם עלייה ב-Uis, וכתוצאה מכך Iis גדל באופן לא משמעותי. פעולת ה-PT במצב זה נקראת רוויה.

איור 5 - סכימה של פעולת JFET (Uzi = 0).

כאשר מסופק U שלילי נמוך בשער, מתרחשת היצרות חזקה של הערוץ וירידה ב-Iis. עם ירידה ב-U, הערוץ ייסגר, וה-PT יפעל במצב ניתוק, ו-U, שבו אספקת ה-Iis נעצרת, נקרא מתח הניתוק (Uotc). איור 6 מציג ייצוג גרפי של פעולת ה-PT בעוזי <0:

איור 6 - ייצוג גרפי של עקרון הפעולה של טרנזיסטור אפקט שדה מסוג JFET.

בשימוש במצב רוויה, האות מוגבר (איור. 7), שכן עם שינויים לא משמעותיים ב-Uis יש שינוי משמעותי באם:

איור 7 - דוגמה S JFET.

פרמטר זה הוא הרווח של ה-JFET והוא נקרא שיפוע השער (S). יחידת המדידה היא mA / V (מייל אמפר / וולט).

תכונות של עבודת MOFSET

כאשר U מחובר בין אלקטרודות C ו- And של כל קוטביות ל- MOFSET עם ערוץ N מושרה, הזרם אינו יזרום, שכן בין השכבה הלגיטימית יש שכבה עם מוליכות P, שאינה משדרת אלקטרונים. עקרון הפעולה עם הערוץ מסוג P זהה, רק שיש צורך לספק U שלילי. אם Uz חיובי מוחל על השער, יופיע שדה חשמלי, שדוחף חורים אל מחוץ לאזור P לכיוון המצע (איור. 8).

מתחת לשער, ריכוז נושאי המטען החופשי יתחיל לרדת, ואת מקומם יתפוס אלקטרונים, הנמשכים על ידי המטען החיובי של השער. כאשר עוזי מגיע לערך הסף, ריכוז האלקטרונים יהיה גבוה בהרבה מריכוז החור. כתוצאה מכך תיווצר בין C ל-I תעלה בעלת מוליכות מסוג N, שדרכה יזרום Iis. ניתן להסיק שהתלות של Ic ב-Uz פרופורציונלית: עם עלייה ב-U, הערוץ מתרחב ו-Ic גדל. תהליך זה הוא אחד ממצבי ה-PT - העשרה.

איור 8 - איור של פעולת PT עם תעלה מושרה (סוג N).

המאפיין I - V של FET עם שער מבודד זהה בערך לזה של צומת בקרה (איור. 9). האזור שבו Iis גדל ביחס ישר לצמיחה של Uis הוא האזור האוהמי (רוויה). השטח בהרחבת הערוץ המקסימלית, שבו Ic לא גדל, הוא אזור פעיל.

כאשר חריגה מערך הסף U, צומת pn פורץ, וה-PT הוא מוליך רגיל. במקרה זה, רכיב הרדיו נכשל.

איור 9 - I - V מאפיין PT עם שער מבודד.

ההבדל בין FETs עם ערוצים מובנים וערוצים מושרים הוא הנוכחות של ערוץ מוליך בין C ל-I. אם תחבר U בקוטביות שונה ל-PT עם תעלה מובנית בין ניקוז למקור ותעזוב השער מופעל (Uzi = 0), ואז Iis יזרום דרך הערוץ (זרימת נושאי המטען החופשיים היא אלקטרונים). כאשר U <0 מחובר לשער, מופיע שדה חשמלי שדוחף אלקטרונים לעבר המצע. תהיה ירידה בריכוז נושאי המטען החופשיים, וההתנגדות תגדל, לכן, Ic - תקטן. מצב זה הוא מצב ההתרוששות.

כאשר U> 0 מחובר לשער, נוצר שדה אלקטרומגנטי, שימשוך אלקטרונים מהניקוז, המקור והמצע. כתוצאה מכך, הערוץ יתרחב והמוליכות שלו תגדל, וה-Iis תגדל. ה-PT יתחיל לעבוד במצב העשרה. מאפיין הזרם-מתח (VAC) מוצג באיור 10.

איור 10 - I - V מאפיין PT עם ערוץ מובנה.

למרות הרבגוניות שלהם, ל-PTs ​​יש יתרונות וחסרונות. חסרונות אלו נובעים מהמכשיר, דרך הביצוע ומאפיין ה-I - V של המכשירים.

יתרונות וחסרונות

יתרונות וחסרונות הם מושגים קונבנציונליים שנלקחו מהשוואה בין אפקט שדה וטרנזיסטורים דו-קוטביים. אחד המאפיינים של ה-PT הוא Rin עמידות גבוהה. יתרה מכך, עבור MOFSET, הערך שלו גבוה בכמה סדרי גודל מזה של JFET. FETs כמעט אינם צורכים זרם ממקור האות שיש להגביר.

לדוגמה, אם אתה לוקח מעגל רגיל שיוצר אות המבוסס על מיקרו-בקר מיקרו-מעגל. מעגל זה שולט על פעולת המנוע החשמלי, אך יש לו ערך זרם נמוך, שאינו מספיק למטרה זו. במקרה זה, יש צורך במגבר שצורך כמות קטנה של I ויוצר זרם גבוה במוצא. במגבר מסוג זה יש להשתמש ב-JFET בעל רין גבוה. ל-JFET יש רווח U נמוך. בעת בניית מגבר המבוסס על JFET (1 pc.), הרווח המקסימלי יהיה כ-20, כאשר משתמשים במגבר דו-קוטבי - כמה מאות.

מגברים באיכות גבוהה משתמשים בשני סוגי הטרנזיסטור. בעזרת ה-FET מתרחשת הגברה ב-I, ולאחר מכן, בעזרת דו-קוטבי, האות מוגבר ב-U. עם זאת, ל-PTs ​​יש מספר יתרונות על פני דו-קוטביים. יתרונות אלה הם כדלקמן:

1. High Rin, שבגללו יש צריכה מינימלית של I ו-U.
2. רווח גבוה ב-I.
3. אמינות תפעולית וחסינות רעשים: בהיעדר I זורם דרך השער, וכתוצאה מכך מעגל בקרת השער מבודד מהניקוז ומהמקור.
4. מהירות מעבר גבוהה ממצב אחד למשנהו, המאפשרת שימוש ב-PT בתדרים גבוהים.

בנוסף, למרות השימוש הנרחב, ל-FET יש מספר חסרונות שאינם מאפשרים עקירה מוחלטת של טרנזיסטורים דו-קוטביים מהשוק. החסרונות כוללים את הדברים הבאים:

1. ירידה מוגברת ב-U.
2. טמפרטורת ההרס של המכשיר.
3. צריכת יותר אנרגיה בתדרים גבוהים.
4. הופעתו של טרנזיסטור דו-קוטבי טפילי (PBT).
5. רגיש לחשמל סטטי.

הירידה המוגברת ב-U מתרחשת עקב ה-R הגבוה בין הניקוז למקור במהלך המצב הפתוח. ה-PT נהרס כאשר הטמפרטורה עולה על 150 מעלות צלזיוס, והדו-קוטבי - 200. ל-PT יש צריכת חשמל נמוכה רק בתדרים נמוכים. מעל 1.6 גיגה-הרץ, צריכת החשמל עולה באופן אקספוננציאלי. בהתבסס על כך, התדרים של המיקרו-מעבדים הפסיקו לצמוח, והדגש מושם על יצירת מכונות עם מספר רב של ליבות.

כאשר משתמשים ב-PT חזק, נוצר PBT במבנה שלו, עם פתיחתו ה-PT נכשל. כדי לפתור בעיה זו, המצע מקוצר עם I. עם זאת, זה לא פותר לחלוטין את הבעיה, שכן קפיצה ב-U עלולה להוביל לפתיחת ה-PBT ולכשל של ה-PT, כמו גם לשרשראות החלקים המחוברים אליו.

חסרון משמעותי של PTs הוא הרגישות שלהם לחשמל סטטי. חסרון זה נובע מתכונות העיצוב של ה-PT. השכבה הדיאלקטרית (הבידודית) דקה ונהרסת בקלות רבה על ידי חשמל סטטי, שיכול להגיע למאות או אלפי וולט. כדי למנוע תקלה בעת חשיפה לחשמל סטטי, המצע מוארק ומקוצר עם המקור. בנוסף, בחלק מסוגי FET, יש דיודה בין הניקוז למקור. כאשר עובדים עם מיקרו-מעגלים משולבים על PTs, יש להשתמש באמצעים אנטי-סטטיים: צמידים מיוחדים והובלה באריזות אנטי-סטטיות ואקום.

דיאגרמות חיבור

ה-PT מחובר בערך באותו אופן כמו רגיל, אבל יש כמה מוזרויות. ישנן 3 סכמות להפעלת טרנזיסטורי אפקט שדה: עם מקור משותף (OI), ניקוז (OS) ושער (OZ). לרוב, נעשה שימוש בסכימת חיבור עם OI (תרשים 1). חיבור זה מאפשר רווח משמעותי בכוח. עם זאת, חיבור OI משמש במגברים בתדר נמוך, ויש לו גם מאפיין קיבולי כניסה גבוה.

סכימה 1 - הפעלה עם OI.

כאשר מופעל עם מערכת ההפעלה (סכמה 2), מתקבל מפל עם עוקב, אשר נקרא המקור. היתרון הוא קיבולת הקלט הנמוכה. הוא משמש לייצור אשדות חלוקת חיץ (לדוגמה, חיישן פיזואלקטרי).

תכנית 2 - חיבור עם מערכת הפעלה.

בחיבור עם OZ (Scheme 3), אין הגברה משמעותית של זרם, רווח ההספק נמוך יותר מאשר בחיבור עם OI ו-OS. עם זאת, בחיבור מסוג זה ניתן להימנע לחלוטין מאפקט מילר. תכונה זו מאפשרת לך להגדיל את תדר ההגבר המקסימלי (הגברת המיקרוגל).

סכימה 3 - הפעלה עם OZ.

לפיכך, PTs נמצאים בשימוש נרחב בתחום טכנולוגיית המידע. עם זאת, טרנזיסטורים דו-קוטביים לא יכלו להדיח טרנזיסטורים דו-קוטביים משוק רכיבי הרדיו. זה נובע בעיקר מהחסרונות של ה-PT, הטמונים בעיקרון הפעולה ותכונות העיצוב. החיסרון העיקרי הוא הרגישות הגבוהה לשדות חשמל סטטי.