Tranzystor polowy: rodzaj i oznaczenie, zalety i wady, zasada działania manekinów

W elektronice i radiotechnice bardzo często stosuje się urządzenia półprzewodnikowe, do których należą tranzystory. Tranzystory polowe (FET) zużywają znacznie mniej energii elektrycznej, dzięki czemu są stosowane w różnych urządzeniach małej mocy. Ponadto istnieją modele pracujące przy dużych prądach przy niskim poborze napięcia zasilania (U).

Informacje ogólne

FET lub FET to urządzenie półprzewodnikowe, które, gdy zmienia się sterowanie U, reguluje I (prąd). Ten typ tranzystora jest również nazywany jednobiegunowym. Pojawił się później niż zwykły tranzystor (bipolarny), ale wraz z rozwojem technologii stał się powszechny wśród urządzeń cyfrowych ze względu na niski pobór mocy. Główny różnica polega na sposobie sterowania I. W dwubiegunowej regulacja I odbywa się za pomocą sterowania I, aw polu - za pomocą U (rysunek 1).

Rysunek 1 - Różnica między T polowym a bipolarnym.

PT nie ma kontroli I i ma wysoką impedancję wejściową (R), która sięga kilkuset GΩ (GigaOhm) lub TOM (TerraOhm). Aby poznać zakres PT, musisz go dokładnie przestudiować. Nośnikami ładunku są elektrony lub dziury, a ładunkiem dwubiegunowym są elektrony i dziury.

instagram viewer

Klasyfikacja i urządzenie

PT są kilku typów, mają różne cechy i urządzenia. Są podzielone na 2 typy:

1. Ze sterowaniem pn - złącze (JFET).
2. Izolowana brama (MOSFET).

Ponadto każdy typ jest wyposażony w kanały N i P. Dla PT z kanałem N nośnikami ładunku są elektrony, a dla kanału P dziury. Zasada działania dla P i N jest podobna, jedyną różnicą jest dostarczanie U o innej biegunowości jako sterowanie.

Urządzenie JFET PT (rysunek 2) jest proste. Obszar N tworzy kanał pomiędzy obszarami P. Elektrody są połączone z końcami kanału N, które umownie nazywa się drenem (C) i źródłem (I), ponieważ wszystko zależy od schematu połączenia. Bramka (Z) jest rodzajem elektrody, która powstaje, gdy półprzewodniki P są zwarte. Wynika to z połączenia elektrycznego po wystawieniu na działanie U. W pobliżu C i I znajduje się obszar zwiększonej koncentracji lub domieszkowania elektronów (N +), co prowadzi do poprawy przewodnictwa kanału. Obecność strefy domieszkowania znacznie ogranicza powstawanie pasożytniczych połączeń pn - powstających po dodaniu glinu.

Rysunek 2 - Urządzenie schematyczne JFET typu PT.

MOFSET nazywa się MOS lub MDP i również dzieli się na typy - z kanałami wbudowanymi i indukowanymi. Każdy z tych typów ma modele z kanałami P i N. Tranzystor polowy, którego oznaczenie pokazano na rysunku 3, czasami ma 4 przewody.

Rysunek 3 - Oznaczenie tranzystora MOS.

Urządzenie jest dość proste i pokazano na rysunku 4. W przypadku FET z kanałem N podłoże (pokryte SiO2) ma przewodność typu P. Przez warstwę dielektryczną przechodzą elektrody dren i źródło ze stref domieszkowanych, a także wyjście, które jest zwarte ze źródłem. Warstwa bramkowa znajduje się nad dielektrykiem.

Rysunek 4 - Typowe urządzenie PT z kanałem indukowanym.

Jak działa JFET

JFET działa w 2 trybach. Ta cecha wynika z faktu, że do bramki przykładane jest napięcie składowej dodatniej i ujemnej (rys. 5). Przy podłączaniu U>0 do odpływu, a uziemienia do źródła, konieczne jest połączenie bramki z masą (Uzi = 0). Podczas stopniowego wzrostu U między C i I (Uis), PT jest zwykłym przewodnikiem. Przy niskich wartościach Uis szerokość kanału jest maksymalna.

Przy wysokich wartościach Uis występują duże wartości przepływu prądu między źródłem a odpływem przez kanał (Iis). Ten stan nazywa się regionem omowym (OO). W półprzewodniku typu N, a mianowicie w strefach p-n-złączy, następuje zmniejszenie stężenia wolnych elektronów. Asymetryczny wzrost warstwy spadku koncentracji wolnych elektronów nazywamy warstwą zubożoną. Przerost następuje od strony podłączonego zasilacza. Wraz ze wzrostem Uis następuje silne zwężenie kanału, w wyniku czego Iis nieznacznie rośnie. Działanie PT w tym trybie nazywa się nasyceniem.

Rysunek 5 - Schemat działania JFET (Uzi = 0).

Gdy na bramce jest dostarczany niski ujemny U, następuje silne zwężenie kanału i spadek Iis. Wraz ze spadkiem U kanał zostanie zamknięty, a PT będzie działał w trybie odcięcia, a U, przy którym zatrzymuje się zasilanie Iis, nazywamy napięciem odcięcia (Uotc). Rysunek 6 przedstawia graficzną reprezentację działania PT przy Uzi <0:

Rysunek 6 - Graficzne przedstawienie zasady działania tranzystora polowego typu JFET.

W trybie nasycenia sygnał jest wzmacniany (rys. 7), ponieważ z nieznacznymi zmianami w Uis nastąpiła istotna zmiana jeśli:

Rysunek 7 - Przykład S JFET.

Ten parametr jest wzmocnieniem JFET i jest nazywany nachyleniem bramki (S). Jednostką miary jest mA / V (mileAmp / Volt).

Funkcje pracy MOFSET

Gdy U jest podłączony między elektrodami C i And o dowolnej polaryzacji do MOFSET z indukowanym kanałem N, prąd nie jest popłynie, ponieważ pomiędzy właściwą warstwą znajduje się warstwa o przewodności P, która nie przepuszcza elektrony. Zasada działania z kanałem typu P jest taka sama, tylko konieczne jest podanie ujemnego U. Jeżeli na bramkę zostanie przyłożone dodatnie Uz, to pojawi się pole elektryczne wypychające otwory ze strefy P w kierunku podłoża (rys. 8).

Pod bramką koncentracja nośników ładunków swobodnych zacznie się zmniejszać, a ich miejsce zajmą elektrony, które przyciąga dodatni ładunek bramki. Gdy Uzi osiągnie wartość progową, koncentracja elektronów będzie znacznie wyższa niż koncentracja dziur. W wyniku tego pomiędzy C i I powstanie kanał o przewodności typu N, przez który popłynie Iis. Można stwierdzić, że zależność Ic od Uz jest wprost proporcjonalna: wraz ze wzrostem U kanał rozszerza się, a Ic rośnie. Ten proces jest jednym z trybów PT - wzbogacania.

Rysunek 8 - Ilustracja działania PT z kanałem indukowanym (typ N).

Charakterystyka I - V FET z izolowaną bramką jest w przybliżeniu taka sama jak w przypadku złącza sterującego (ryc. 9). Obszar, w którym Iis rośnie wprost proporcjonalnie do wzrostu Uis, jest regionem omowym (nasycenie). Obszar przy maksymalnej ekspansji kanału, w którym Ic nie rośnie, jest obszarem aktywnym.

Po przekroczeniu wartości progowej U następuje przebicie złącza pn, a PT jest zwykłym przewodnikiem. W takim przypadku element radiowy ulega awarii.

Rysunek 9 - I - V charakterystyka PT z izolowaną bramką.

Różnica między FET z kanałami wbudowanymi i indukowanymi polega na obecności kanału przewodzącego między C i I. Jeśli podłączysz U o różnej polaryzacji do PT z wbudowanym kanałem między odpływem a źródłem i wyjściem brama jest załączona (Uzi = 0), wtedy I przepłynie przez kanał (przepływ wolnych nośników jest elektrony). Gdy U <0 jest połączone z bramką, pojawia się pole elektryczne, które popycha elektrony w kierunku podłoża. Nastąpi zmniejszenie stężenia nośników ładunków swobodnych, a opór wzrośnie, dlatego Ic - zmniejszy się. Ten stan jest trybem zubożenia.

Gdy U>0 jest połączone z bramką, powstaje pole elektromagnetyczne, które będzie przyciągać elektrony z drenu, źródła i podłoża. W wyniku tego kanał rozszerzy się, a jego przewodnictwo wzrośnie, a Iis wzrośnie. PT zacznie pracować w trybie wzbogacania. Charakterystykę prądowo-napięciową (VAC) przedstawiono na rysunku 10.

Rysunek 10 - Charakterystyka I - V PT z wbudowanym kanałem.

Pomimo swojej wszechstronności, PT mają zalety i wady. Wady te wynikają z urządzenia, sposobu wykonania oraz charakterystyki I – V urządzeń.

Zalety i wady

Zalety i wady to konwencjonalne koncepcje zaczerpnięte z porównania tranzystorów polowych i bipolarnych. Jedną z właściwości PT jest wysoka odporność Rin. Co więcej, w przypadku MOFSET jego wartość jest o kilka rzędów wielkości wyższa niż w przypadku JFET. FET praktycznie nie pobierają prądu ze źródła sygnału, które należy wzmocnić.

Na przykład, jeśli weźmiesz zwykły obwód, który generuje sygnał w oparciu o mikrokontroler mikroukładowy. Obwód ten steruje pracą silnika elektrycznego, ale ma niską wartość prądu, co nie wystarcza do tego celu. W takim przypadku potrzebny jest wzmacniacz, który pobiera niewielką ilość I i generuje duży prąd na wyjściu. We wzmacniaczu tego typu należy zastosować JFET, który ma wysoki Rin. JFET ma niskie wzmocnienie U. Przy budowie wzmacniacza opartego na JFET (1 szt.) maksymalne wzmocnienie wyniesie około 20, przy użyciu bipolarnego - kilkaset.

Wysokiej jakości wzmacniacze wykorzystują oba typy tranzystorów. Za pomocą FET sygnał jest wzmacniany w I, a następnie za pomocą bipolarnego sygnał w U jest wzmacniany. Jednak PT mają wiele zalet w porównaniu z bipolarnymi. Korzyści te są następujące:

1. Wysoka Rin, dzięki której występuje minimalne zużycie I i U.
2. Wysoki zysk w I.
3. Niezawodność działania i odporność na zakłócenia: przy braku przepływam przez bramkę, w wyniku czego obwód sterowania bramą jest odizolowany od drenu i źródła.
4. Duża szybkość przejścia z jednego stanu do drugiego, co pozwala na zastosowanie PT przy wysokich częstotliwościach.

Ponadto, pomimo powszechnego stosowania, tranzystory FET mają kilka wad, które nie pozwalają na całkowite wyparcie tranzystorów bipolarnych z rynku. Wady obejmują:

1. Zwiększony spadek U.
2. Temperatura zniszczenia urządzenia.
3. Zużywa więcej energii przy wysokich częstotliwościach.
4. Pojawienie się pasożytniczego tranzystora bipolarnego (PBT).
5. Wrażliwy na elektryczność statyczną.

Zwiększony spadek U występuje z powodu wysokiego R między drenem a źródłem w stanie otwartym. PT ulega zniszczeniu, gdy temperatura przekroczy 150 stopni Celsjusza, a dwubiegunowy - 200. PT ma niski pobór mocy tylko przy niskich częstotliwościach. Powyżej 1,6 GHz zużycie energii rośnie wykładniczo. Na tej podstawie częstotliwości mikroprocesorów przestały rosnąć, a nacisk kładzie się na tworzenie maszyn z dużą liczbą rdzeni.

Kiedy używany jest potężny PT, w jego strukturze powstaje PBT, po otwarciu PT ulega awarii. Aby rozwiązać ten problem, podłoże jest zwarte z I. Jednak nie rozwiązuje to całkowicie problemu, ponieważ skok w U może prowadzić do otwarcia PBT i awarii PT, a także łańcuchów części, które są z nim połączone.

Istotną wadą PT jest ich wrażliwość na elektryczność statyczną. Ta wada wynika z cech konstrukcyjnych PT. Warstwa dielektryczna (izolacyjna) jest cienka i bardzo łatwo niszczona przez elektryczność statyczną, która może osiągnąć setki lub tysiące woltów. Aby zapobiec awariom pod wpływem elektryczności statycznej, podłoże jest uziemione i zwarte ze źródłem. Ponadto w niektórych typach FET między drenem a źródłem znajduje się dioda. Podczas pracy z układami scalonymi na PT należy stosować środki antystatyczne: specjalne bransoletki oraz transport w próżniowych opakowaniach antystatycznych.

Schematy połączeń

PT jest podłączony mniej więcej w taki sam sposób jak zwykły, ale są pewne osobliwości. Istnieją 3 schematy włączania tranzystorów polowych: ze wspólnym źródłem (OI), drenem (OS) i bramką (OZ). Najczęściej stosowany jest schemat połączenia z IO (schemat 1). To połączenie pozwala na znaczny przyrost mocy. Jednak połączenie OI jest używane we wzmacniaczach niskiej częstotliwości, a także ma wysoką charakterystykę pojemnościową wejścia.

Schemat 1 - Włączenie z IO.

Po włączeniu z systemem operacyjnym (schemat 2) uzyskuje się kaskadę ze zwolennikiem, która nazywa się źródłem. Zaletą jest niska pojemność wejściowa. Służy do produkcji kaskad dzielących bufory (na przykład czujnik piezoelektryczny).

Schemat 2 - Połączenie z systemem operacyjnym.

W połączeniu z OZ (Schemat 3) nie ma znaczącego wzmocnienia prądu, zysk mocy jest niższy niż w przypadku połączenia z OI i OS. Jednak przy tego typu połączeniu można całkowicie uniknąć efektu Millera. Ta funkcja umożliwia zwiększenie maksymalnej częstotliwości wzmocnienia (wzmocnienie mikrofal).

Schemat 3 - Włączenie z OZ.

W związku z tym PT są szeroko stosowane w dziedzinie technologii informatycznych. Tranzystory bipolarne nie mogły jednak wyprzeć tranzystorów bipolarnych z rynku komponentów radiowych. Wynika to przede wszystkim z wad PT, które leżą w zasadzie działania i cech konstrukcyjnych. Główną wadą jest wysoka wrażliwość na pola elektryczności statycznej.