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Transistor ad effetto di campo: principio di funzionamento, circuiti, modalità operative e modellizzazione
Abbiamo già recensito dispositivo di transistor bipolari e loro lavoroOra scopriamo quali sono i transistor ad effetto di campo. I transistor ad effetto di campo sono molto comuni sia nei circuiti vecchi che in quelli moderni. Al giorno d'oggi, i dispositivi con un gate isolato vengono utilizzati in misura maggiore, parleremo oggi dei tipi di transistor ad effetto di campo e delle loro caratteristiche. Nell'articolo, confronterò i transistor bipolari in luoghi separati.
definizione
Un transistor ad effetto di campo è una chiave a semiconduttore completamente controllabile controllata da un campo elettrico. Questa è la principale differenza dal punto di vista della pratica rispetto ai transistor bipolari, che sono controllati dalla corrente. Un campo elettrico viene creato da una tensione applicata al gate rispetto alla sorgente. La polarità della tensione di controllo dipende dal tipo di canale a transistor. Esiste una buona analogia con i tubi elettronici per il vuoto.
Un altro nome per i transistor ad effetto di campo è unipolare. "UNO" significa uno. Nei transistor ad effetto di campo, a seconda del tipo di canale, la corrente viene eseguita da un solo tipo di vettore da fori o elettroni. Nei transistor bipolari, la corrente era formata da due tipi di portatori di carica: elettroni e lacune, indipendentemente dal tipo di dispositivi. I transistor ad effetto di campo nel caso generale possono essere suddivisi in:
-
transistor con una giunzione pn di controllo;
-
transistor gate isolati.
Entrambi possono essere n-channel e p-channel, una tensione di controllo positiva deve essere applicata al gate del primo per aprire la chiave, e per il secondo, negativa rispetto alla sorgente.
Tutti i tipi di transistor ad effetto di campo hanno tre uscite (a volte 4, ma raramente mi sono incontrato solo in Soviet ed era collegato al caso).
1. Sorgente (sorgente portante, analizzatore di emettitore bipolare).
2. Stoke (una fonte di portatori di carica dalla sorgente, un analogo del collettore di un transistor bipolare).
3. Otturatore (elettrodo di controllo, analogo di una griglia su lampade e basi su transistor bipolari).
Transistor PN Transistor
Il transistor è costituito dalle seguenti aree:
1. Canale;
2. Stock;
3. La fonte;
4. Otturatore.
Nell'immagine si vede una struttura schematica di tale transistor, i risultati sono collegati alle sezioni metallizzate della porta, della sorgente e dello scarico. In un circuito specifico (questo è un dispositivo a canale p), il gate è uno strato n, ha meno resistività rispetto alla regione del canale (strato p), e la regione di giunzione p-n è più localizzata nella regione p per questo motivo.
Designazione grafica condizionale:
a - transistor ad effetto di campo tipo n, b - transistor ad effetto di campo tipo p
Per semplificare il ricordo, ricordare la designazione del diodo, in cui la freccia punta dalla p-regione alla n-regione. Anche qui
Il primo stato è applicare la tensione esterna.
Se una tensione viene applicata a tale transistor, è più per lo drain e meno per la sorgente, una grande corrente scorrerà attraverso di essa, sarà limitata solo dalla resistenza del canale, dalle resistenze esterne e dalla resistenza interna della fonte di alimentazione. Puoi disegnare un'analogia con una chiave normalmente chiusa. Questa corrente si chiama Istart o la corrente di drain iniziale a Us = 0.
Un transistor ad effetto di campo con un controllo di giunzione pn, senza la tensione di controllo applicata al gate, è il più aperto possibile.
La tensione allo drain e alla sorgente viene applicata in questo modo:
I principali portatori di carica vengono introdotti attraverso la fonte!
Ciò significa che se il transistor è un canale p, l'uscita positiva della fonte di alimentazione è collegata alla sorgente, perché i vettori principali sono fori (portatori di carica positiva) - questa è la cosiddetta conduttività del foro.Se il transistor n-channel è collegato alla sorgente, l'uscita negativa della fonte di alimentazione, perché in esso, i principali portatori di carica sono gli elettroni (portatori di carica negativa).
La fonte è la fonte dei principali vettori di carica.
Ecco i risultati della modellazione di una situazione del genere. A sinistra è presente un canale p, a destra un transistor a canale n.
Il secondo stato: applica la tensione all'otturatore
Quando viene applicata una tensione positiva al gate rispetto alla sorgente (Us) per il canale p e negativa per il canale n, si sposta nella direzione opposta, la regione di giunzione p-n si espande verso il canale. Di conseguenza, la larghezza del canale diminuisce, la corrente diminuisce. La tensione di gate alla quale la corrente attraverso il tasto smette di fluire viene chiamata tensione di interruzione.
La chiave inizia a chiudersi.
Viene raggiunta la tensione di interruzione e la chiave è completamente chiusa. L'immagine con i risultati della simulazione mostra un tale stato per i tasti canale p (sinistro) e canale n (destro). A proposito, in inglese un tale transistor si chiama JFET.
Modalità operative
La modalità operativa del transistor con una tensione Uзи è zero o inversa. A causa della tensione inversa, è possibile "coprire il transistor", viene utilizzato in amplificatori di classe A e altri circuiti in cui è necessaria una regolazione regolare.
La modalità di taglio si verifica quando Uzi = U di taglio per ciascun transistor è diverso, ma in ogni caso viene applicato nella direzione opposta.
Caratteristiche, CVC
Una caratteristica di uscita è un grafico che mostra la dipendenza della corrente di drain su Uci (applicata ai terminali del drain e della sorgente) a varie tensioni di gate.
Può essere diviso in tre aree. All'inizio (sul lato sinistro del grafico) vediamo la regione ohmica - in questo intervallo il transistor si comporta come una resistenza, la corrente aumenta quasi linearmente, raggiungendo un certo livello, entra nella regione di saturazione (al centro del grafico).
Nella parte destra del grafico vediamo che la corrente ricomincia a crescere, questa è la regione di rottura, qui il transistor non dovrebbe essere localizzato. Il ramo più in alto mostrato nella figura è la corrente a zero Us, vediamo che la corrente qui è la più grande.
Maggiore è la tensione Uzi, minore è la corrente di drain. Ciascuno dei rami differisce di 0,5 volt al cancello. Ciò che abbiamo confermato dalla modellazione.
La caratteristica gate di drenaggio, ovvero dipendenza della corrente di drain dalla tensione di gate alla stessa tensione di source di drain (in questo esempio 10V), qui anche il pitch della griglia è 0,5V, vediamo di nuovo che più la tensione Uzi è vicina a 0, maggiore è la corrente di drain.
Nei transistor bipolari, esisteva un parametro come il coefficiente di trasferimento corrente o il guadagno, che era indicato come B o H21e o Hfe. Nel campo, la pendenza viene utilizzata per visualizzare la capacità di aumentare la tensione ed è indicata dalla lettera S
S = dIc / dU
Cioè, la pendenza mostra quanti milliampere (o ampere) cresce la corrente di drain con un aumento della tensione gate-source del numero di volt a una tensione costante di drain-source. Può essere calcolato sulla base della caratteristica gate-gate; nell'esempio sopra, la pendenza è di circa 8 mA / V.
Schemi di commutazione
Come i transistor bipolari, ci sono tre schemi elettrici tipici:
1. Con una fonte comune (a). È usato più spesso, dà guadagno in corrente e potenza.
2. Con un otturatore comune (b). Usato raramente, bassa impedenza di ingresso, nessun guadagno.
3. Con uno scarico totale (c). Il guadagno di tensione è vicino a 1, l'impedenza di ingresso è grande e l'impedenza di uscita è bassa. Un altro nome è un seguace della fonte.
Caratteristiche, vantaggi, svantaggi
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Il vantaggio principale del transistor ad effetto di campo alta impedenza d'ingresso. La resistenza di ingresso è il rapporto tra corrente e tensione gate-source. Il principio di funzionamento risiede nel controllo che utilizza un campo elettrico e si forma quando viene applicata la tensione. Questo è transistor ad effetto di campo.
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Transistor ad effetto di campo praticamente non consuma corrente di controllo, lo è riduce la perdita di controllo, la distorsione del segnale, sovraccarico di corrente della sorgente del segnale ...
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Frequenza media I transistor ad effetto di campo hanno prestazioni migliori rispetto ai bipolari, ciò è dovuto al fatto che è necessario meno tempo per il "riassorbimento" dei portatori di carica nelle aree di un transistor bipolare. Alcuni transistor bipolari moderni possono persino superare quelli sul campo, ciò è dovuto all'uso di tecnologie più avanzate, che riducono la larghezza della base e altro ancora.
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Il basso livello di rumore dei transistor ad effetto di campo è dovuto all'assenza di un processo di iniezione di carica, come in quelli bipolari.
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Stabilità con la temperatura.
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Basso consumo energetico nello stato conduttivo - maggiore efficienza dei dispositivi.
L'esempio più semplice di utilizzo di un'impedenza di ingresso elevata è la corrispondenza dei dispositivi per il collegamento di chitarre elettroacustiche con pickup piezoelettrici e chitarre elettriche con pickup elettromagnetici per gli ingressi di linea con impedenza di ingresso bassa.
Una bassa impedenza di ingresso può causare una caduta del segnale di ingresso, distorcendone la forma a vari gradi a seconda della frequenza del segnale. Ciò significa che è necessario evitarlo introducendo una cascata con un'impedenza di ingresso elevata. Ecco il diagramma più semplice di un tale dispositivo. Adatto per il collegamento di chitarre elettriche all'ingresso di linea della scheda audio del computer. Con esso, il suono diventerà più luminoso e il timbro sarà più ricco.
Lo svantaggio principale è che tali transistor hanno paura dell'elettricità statica. Puoi prendere un elemento con le tue mani elettrificate e fallirà immediatamente, questa è una conseguenza della gestione della chiave usando il campo. Si consiglia di lavorare con loro in guanti dielettrici, collegati a terra tramite un braccialetto speciale, con un saldatore a bassa tensione con una punta isolata e che i cavi dei transistor possono essere legati con un filo per cortocircuitarli durante l'installazione.
I dispositivi moderni non hanno praticamente paura di questo, perché all'ingresso possono essere integrati dispositivi di protezione come i diodi zener, che funzionano quando viene superata la tensione.
A volte, per i radioamatori principianti, le paure raggiungono il punto di assurdità, come mettere cappucci di alluminio sulla testa. Tutto quanto sopra descritto, sebbene sia obbligatorio, ma non osservare alcuna condizione non garantisce il guasto del dispositivo.
Transistor ad effetto di campo gate isolati
Questo tipo di transistor viene utilizzato attivamente come chiave controllata da semiconduttore. Inoltre, funzionano più spesso nella modalità chiave (due posizioni "on" e "off"). Hanno diversi nomi:
1. Transistor MOS (metallo-dielettrico-semiconduttore).
2. Transistor MOS (semiconduttore a ossido di metallo).
3. Transistor MOSFET (metallo-ossido-semiconduttore).
Ricorda: queste sono solo varianti con lo stesso nome. Il dielettrico, o come viene anche chiamato ossido, svolge il ruolo di isolante per il cancello. Nel diagramma seguente, un isolante è mostrato tra la regione n vicino all'otturatore e l'otturatore sotto forma di una zona bianca con punti. È fatto di biossido di silicio.
Il dielettrico elimina il contatto elettrico tra l'elettrodo di gate e il substrato. Contrariamente alla giunzione pn di controllo, non funziona sul principio di espansione della giunzione e sovrapposizione del canale, ma sul principio di cambiare la concentrazione dei portatori di carica nel semiconduttore sotto l'influenza di un campo elettrico esterno. I MOSFET sono di due tipi:
1. Con canale integrato.
2. Con canale indotto
Transistor a canale integrati
Nel diagramma vedi un transistor con un canale integrato. Si può già indovinare da esso che il principio del suo funzionamento ricorda un transistor ad effetto di campo con una giunzione p-n di controllo, cioè quando la tensione di gate è zero, la corrente scorre attraverso l'interruttore.
Vicino alla sorgente e al pozzo, vengono create due regioni con un alto contenuto di portatori di carica di impurità (n +) con maggiore conduttività. Un substrato è una base di tipo P (in questo caso).
Si noti che il cristallo (substrato) è collegato alla sorgente, è disegnato su molti simboli grafici convenzionali.Quando la tensione di gate aumenta, nel canale si verifica un campo elettrico trasversale, che respinge i portatori di carica (elettroni) e il canale si chiude quando viene raggiunto il valore di soglia Uz.
Modalità operative
Quando viene applicata una tensione di gate-source negativa, la corrente di drain diminuisce, il transistor inizia a chiudersi - questa è chiamata modalità lean.
Quando viene applicata una tensione positiva alla gate-source, si verifica il processo inverso: gli elettroni vengono attratti, la corrente aumenta. Questa è una modalità di arricchimento.
Tutto quanto sopra vale per i transistor MOS con un canale di tipo N integrato. Se il canale di tipo p sostituisce tutte le parole "elettroni" con "buchi", la polarità della tensione viene invertita.
modellismo
Transistor con canale di tipo n incorporato con tensione di gate zero:
Applichiamo -1V all'otturatore. La corrente è diminuita di 20 volte.
Secondo la scheda tecnica per questo transistor, abbiamo una tensione di soglia gate-source nella regione di un volt e il suo valore tipico è 1,2 V, controlla questo.
La corrente è diventata in microamperes. Se aumenti un po 'di più la tensione, scomparirà completamente.
Ho scelto un transistor a caso, e mi sono imbattuto in un dispositivo abbastanza sensibile. Proverò a cambiare la polarità della tensione in modo che il gate abbia un potenziale positivo, controlleremo la modalità di arricchimento.
A una tensione di gate di 1 V, la corrente è aumentata di quattro volte, rispetto a quella a 0 V (prima immagine in questa sezione). Ne consegue che, a differenza del precedente tipo di transistor e transistor bipolari, può funzionare sia per aumentare la corrente che per diminuire senza ulteriore reggetta. Questa affermazione è molto scortese, ma in una prima approssimazione ha il diritto di esistere.
caratteristiche
Qui, tutto è quasi lo stesso di un transistor con una transizione di controllo, ad eccezione della presenza di una modalità di arricchimento nella caratteristica di uscita.
Sulla caratteristica drain-gate, si vede chiaramente che una tensione negativa provoca la modalità di esaurimento e chiusura della chiave, e una tensione positiva alla porta provoca l'arricchimento e una maggiore apertura della chiave.
Transistor indotti da canale
I MOSFET con un canale indotto non conducono corrente quando non c'è tensione sul gate, o meglio, c'è corrente, ma è estremamente piccola, perché questa è la corrente di ritorno tra il substrato e le aree ad alta lega del drenaggio e della sorgente.
Transistor ad effetto di campo con un gate isolato e un canale indotto è un analogo di un interruttore normalmente aperto, la corrente non scorre.
In presenza di una tensione gate-source, come consideriamo il tipo n del canale indotto, la tensione è positiva, i vettori negativi sono attratti dalla regione di gate dall'azione del campo.
Quindi esiste un "corridoio" per gli elettroni dalla sorgente allo drain, quindi appare un canale, il transistor si apre e la corrente inizia a fluire attraverso di esso. Abbiamo un substrato di tipo p, i principali in esso sono portatori di carica positiva (fori), ci sono pochissimi portatori negativi, ma sotto l'influenza del campo si staccano dai loro atomi e il loro movimento inizia. Da qui la mancanza di conduttività in assenza di tensione.
caratteristiche
La caratteristica di uscita ripete esattamente la stessa differenza rispetto alle precedenti, solo che le tensioni Uz diventano positive.
La caratteristica del gate chiuso mostra la stessa cosa, le differenze nelle tensioni del gate.
Quando si considerano le caratteristiche di corrente-tensione, è estremamente importante esaminare attentamente i valori scritti lungo gli assi.
modellismo
Una tensione di 12 V è stata applicata alla chiave, e abbiamo avuto 0. Al gate, la corrente non scorre attraverso il transistor.
Aggiungi 1 volt al gate, ma la corrente non ha pensato di fluire ...
Aggiungendo un volt, ho scoperto che la corrente inizia a crescere da 4v.
Aggiungendo un altro 1 Volt, la corrente è aumentata bruscamente a 1.129 A.
La scheda tecnica indica la tensione di soglia per l'apertura di questo transistor in una sezione da 2 a 4 volt e il massimo su un gate-to-gate da -20 a +20 V, ulteriori incrementi di tensione non hanno dato risultati a 20 volt (diversi milliampere non l'ho fatto Penso in questo caso).
Ciò significa che il transistor sarebbe completamente aperto, se non lo fosse, la corrente in questo circuito sarebbe 12/10 = 1,2 A. Successivamente ho studiato come funziona questo transistor e ho scoperto che a 4 volt inizia ad aprirsi.
Aggiungendo 0,1 V ciascuno, ho notato che con ogni decimo di volt, la corrente cresce sempre di più e di 4,6 volt il transistor è quasi completamente aperto, la differenza con la tensione di gate di 20 V nella corrente di drain è di soli 41 mA, a 1,1 A nonsense.
Questo esperimento riflette il fatto che il transistor con un canale indotto si apre solo quando viene raggiunta la tensione di soglia, il che gli consente di funzionare perfettamente come chiave nei circuiti a impulsi. In realtà, IRF740 è uno dei più comuni nella commutazione di alimentatori.
I risultati delle misurazioni della corrente di gate hanno mostrato che i transistor ad effetto di campo quasi non consumano corrente di controllo. A una tensione di 4,6 volt, la corrente era solo 888 nA (nano !!!).
A una tensione di 20 V, era di 3,55 μA (micro). Per un transistor bipolare, sarebbe nell'ordine di 10 mA, a seconda del guadagno, che è decine di migliaia di volte più di un campo.
Non tutte le chiavi sono aperte da tali tensioni, ciò è dovuto al design e alle caratteristiche dei circuiti dei dispositivi in cui vengono utilizzati.
Funzionalità di utilizzo dei tasti con otturatore isolato
Due conduttori e tra loro un dielettrico: che cos'è? Questo è un transistor, il gate stesso ha una capacità parassita, rallenta il processo di commutazione del transistor. Questo è chiamato il Plateau Miller, in generale, questa domanda è degna di un materiale serio separato con una modellazione accurata, usando altri software (non ha verificato questa funzione in multisim).
Una capacità scarica al primo momento richiede una grande corrente di carica e i rari dispositivi di controllo (controller PWM e microcontrollori) hanno uscite potenti, quindi usano i driver per gli otturatori di campo, sia nei transistor ad effetto di campo che in IGBT (bipolare con otturatore isolato). Questo è un tale amplificatore che converte il segnale di ingresso in un'uscita di tale intensità e intensità di corrente, sufficiente per accendere e spegnere il transistor. La corrente di carica è inoltre limitata da una resistenza collegata in serie al gate.
Allo stesso tempo, alcuni gate possono essere controllati dalla porta del microcontrollore attraverso un resistore (lo stesso IRF740). Abbiamo toccato questo argomento. nel ciclo del materiale arduino.
Grafica condizionale
Assomigliano a transistor ad effetto di campo con un gate di controllo, ma differiscono in quello sull'UGO, come nel transistor stesso, il gate è separato dal substrato e la freccia al centro indica il tipo di canale, ma è diretta dal substrato al canale, se si tratta di un mosfet n-channel - verso l'otturatore e viceversa.
Per chiavi con canale indotto:
Potrebbe apparire così:
Presta attenzione ai nomi inglesi delle conclusioni, che sono spesso indicati sui fogli dati e sui diagrammi.
Per le chiavi con un canale integrato:
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