А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход.
Что нам на это скажут официальные источники?Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.
ru) Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.
Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).
Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).
Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами.
Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.
Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.
Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.
Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).
Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки. Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока. Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.
Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.
е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.
Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.
На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.
Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако).
Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления.
Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.
Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.
С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.
Полевой транзистор с изолированным затвором
Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика.
Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.
А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.
Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.
Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора.
И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е.
концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения. Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:
Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа; в − с выводом от подложки; г − с индуцированным каналом n- типа; д − с индуцированным каналом р- типа; е − с выводом от подложки.
Статические характеристики МДП-транзисторов
Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:
Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:
Экзотические МДП-структуры
Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!
Общие параметры полевых транзисторов
- Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
- Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
- Внутреннее (выходное) сопротивление.
Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
- Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
- Входное сопротивление.
Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
- Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.
Схемы включения
Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком.
По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение. Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.
Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения
Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения.
И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:
- высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
- высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
- поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
- высокая температурная стабильность;
- малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
- малое потребление мощности.
Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.
Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!
Список источников:
ru.wikipedia.org dssp.petrsu.ru zpostbox.narod.ru electrono.ru radio.cybernet.name
Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4435883 http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4436509 http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4441531
Рекомендую почитать:
«Основы на пальцах», автор DI HALT (за наводку спасибо AlexeiKozlov)
Полевой транзистор: для чего он нужен, как его открыть, схемы
Для того чтобы быстро изменить силу тока в усилительных схемах, лампочках или электрических двигателях применяют транзисторы. Они умеют ограничивать силу тока плавно и постепенно или специальным методом «импульс-пауза». Второй способ особо часто используется при широтно-импульсной модуляции и управления.
Если используется мощный источник тока, то транзистор проводит его через себя и регулирует параметр слабым значением. Если тока маловато, то используют сразу несколько транзисторов, обладающих большей чувствительностью. Соединять в таком случае их нужно каскадным образом.
В этой статье будет рассмотрено, как открыть полевой транзистор, какой принцип работы полевого транзистора для чайников и какие обозначения выводов полевой транзистор имеет.
Что это такое
Полевой транзистор — это радиоэлемент полупроводникового типа. Он используется для усиления электросигнала. В любом цифровом приборе схема с полевым транзистором исполняет роль ключа, который управляет переключением логических элементов прибора.
В этом случае использование ПТ является очень выгодным решением проблемы с точки зрения уменьшения размеров устройства и платы.
Обусловлено это тем, что цепь управления радиокомпонентами требует не очень большой мощности, а значит, что на одном кристалле могут располагаться тысячи и десятки тысяч транзисторов.
Схема подключения электротранзистора полевого типа
Материалами, из которых делают полупроводниковые элементы и транзисторы в том числе, являются:
- Фосфид индия;
- Нитрид галлия;
- Арсенид галлия;
- Карбид кремния.
График области насыщения электротранзистора
Важно! Полевые транзисторы также называют униполярными, так как при протекания через них электротока используется только один вид носителей.
Характеристики полевого транзистора
Основными характеристики полевого транзистора являются:
- Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
- Максимально допустимая рабочая частота;
- Напряжение сток-исток;
- Напряжение затвор-сток;
- Напряжение затвор-исток;
- Максимально допустимый ток стока;
- Ток утечки затвора;
- Крутизна характеристики;
- Начальный ток стока;
- Емкость затвор-исток;
- Входная ёмкость;
- Выходная ёмкость;
- Проходная ёмкость;
- Выходная мощность;
- Коэффициент шума;
- Коэффициент усиления по мощности.
Вам это будет интересно Обозначение разного электрооборудованья на схемах
Характеристика напряженности поля заряда
Как он работает
Полевой транзистор включает нескольких составных элементов — истока (источника носителя заряда наподобие эмиттера на биполярном элементе), стока (приемника заряда по аналогии с коллектором) и затвора (управляющего электрода наподобие сетки в лампах или базы).
Работа первых двух очевидна и состоит в генерации и приеме носителя электрозаряда, среди которых электроны и дырки. Затвор же нужен в первую очередь для управления электротоком, который протекает через ПТ.
То есть, получается классического вида триод с катодом, анодом и электродом управляющего типа.
Когда происходит подача напряжения на затвор, возникает электрополе, которое изменяет ширину определенных переходов и влияет на параметр электротока, протекающего от истока к стоку. Если управляющее напряжение отсутствует, то ничто не будет препятствовать потоку носителей заряда в виде электронов.
Когда напряжение управления повышается, то канал, по которому движутся электроны или дырки, наоборот, уменьшается, а при достижении некоего предела закрывается совсем, и полевой транзистор входит в так называемый режим отсечки.
Именно эта характеристика ПТ делает возможным их применение в качестве ключей.
Подключение нагрузки к электротранзистору для его открытия
Свойства усиления электротока этого радиокомпонента обусловлены тем, что сильный электрический ток, который протекает от истока к стоку, повторяет все динамические характеристика напряжения, прикладываемого к затвору. Другим языком, с выхода этого усилителя берется абсолютно такой же по форме сигнал, как и на электроде управления, только более сильный.
Строение ПТ (униполярного транзистора) немного отличается от биполярного. А именно тем, что электричество в нем пере пересекает определенные переходные зоны. Электрозаряды совершают движение по участку регуляции, который называется затвором. Его пропускная способность регулируется параметром напряжения.
Виды электротранзисторов полевого типа с маркировкой
Важно! Пространство зон транзистора под действием электрического поля уменьшается и увеличивается. Исходя из этого изменяется количество носителей зарядов — от их полного отсутствия до переизбытка.
Для чего нужен
ПТ нужны для того, чтобы управлять выходным током с помощью создаваемого электрического поля и изменять его важнейшие параметры. Структуры, созданные на основе полевого транзистора, часто используются в интегральных схемах цифрового и аналогового вида.
n- и p-канальные электротранзисторы
Именно за счет полевого управления, эти транзисторы воздействуют на величину приложенного к их затвору напряжения. Это отличает их от биполярных транзисторов, которые управляются током, который протекает через их базу.
ПТ потребляют значительно меньшее количество электроэнергии, что и определило их популярность при использовании в ждущих и следящих устройствах, а также интегральных схемах малого потребления ( при организации спящего режима).
Вам это будет интересно Как соединять конденсаторы
Важно! Одними из наиболее известных устройств, основанных на действии полевых транзисторов, являются пульты управления от телевизора, наручные часы электронного типа. Эти устройства за счет своего строения и применения ПТ могут годами работать от одного крошечного источника питания в виде батарейки.
Схематический вид электротранзистора полевого типа
Как открыть полевой транзистор
Для того чтобы полностью открыть полевой транзистор и запустить его работы в режиме ключа, напряжение базы-эмиттера должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.
Также сила электротока, текущая через базу должна быть такой, чтобы он мог спокойно протекать через коллектор-эмиттер без каких-либо препятствий.
В идеальном случае, сопротивление через коллектор-эмиттер должно быть равным нулю, в реальности же оно будет иметь сотые доли Ома. Такой режим называется «режимом насыщения транзистора».
Режим насыщения элемента через транзистор
Как видно на схеме, коллектор и эмиттер находятся в режиме насыщения и соединены накоротко, что позволяет лампочке гореть «на полную».
Схема (структура)
На схеме ниже можно увидеть примерное строение транзистора полярного типа. Его выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. Схема изображает именно p канальное устройство, затвором которого является n-слой. Он имеет гораздо меньшее удельное сопротивление, чем канальная область p-слоя. Область же перехода n-p в большей степени находится в p-слое.
Схематическое изображение электротранзистора с n-p каналами
Как подключить
Все зависит от того, каким именно образом полевой транзистор будет включаться в усилительный каскад. Таких способа есть три:
- С общим истоком;
- С общим стоком;
- С общим затвором.
Схемы включения полевого электротранзистора в цепи
Их различия заключаются в том, что они используют различные электроды подаются питающим напряжением и к каким электроцепям присоединен источник сигнала и нагрузка для него.
Общий исток наиболее часто используется для достижения максимального усиления сигнала входа.
Общий сток используется для устройств согласования, потому что усиление там используется небольшое, но сигналы входа и выхода аналогичны по фазе.
Схема с общим затвором применяется чаще всего в усилителях высокой частоты. При таком способе подключения полоса пропускания намного шире, чем в других способах.
Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа
Таким образом, полевой транзистор это очень важный полупроводниковый радиоэлемент, который способен управлять сопротивлением канала электротока путем воздействия на него поперечного электрического поля, создаваемого напряжением затвора.
Вам это будет интересно Особенности катушки индуктивности
Характеристики и параметры полевого транзистора: схемы включения, свойства, ВАХ
Кратко охарактеризуем различные схемы включения полевого транзистора и рассмотрим его характеристики и параметры.
Схемы включения транзистора
Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком.
Для понимания особенностей работы некоторого электронного устройства очень полезно уметь относить конкретное решение к той или иной схеме включения (если схема такова, что это в принципе возможно).
Моделирующие программы при замене транзистора математической моделью никак не учитывают способ включения транзистора. Важно понять, что если даже на стадии разработки математической модели имеет место ориентация на конкретную схему включения, то на стадии использования эта модель должна правильно моделировать транзистор во всех самых различных ситуациях.
При объяснении влияния напряжения uис на ширину p-n-перехода фактически использовалась схема с общим истоком (см. рис. 1.87) (Статья 1 Устройство и основные физические процессы). Рассмотрим характеристики, соответствующие этой схеме (что общепринято).
Так как в рабочем режиме iз = 0, iu ~ iс, входными характеристиками обычно не пользуются. Например, для транзистора КП10ЗЛ, подробно рассматриваемого ниже, для тока утечки затвора iз ут при t < 85°С выполняется условие iз ут< 2 мкА.
Изобразим схему с общим истоком (рис. 1.89).
Выходные (стоковые) характеристики транзистора
Выходной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uис)|uзи =const где f — некоторая функция.
Изобразим выходные характеристики для кремниевого транзистора типа КП10ЗЛ с p-n-переходом и каналом p-типа (рис. 1.90). 
Обратимся к характеристике, соответствующей условию uзи = 0.
В так называемой линейной области (uис< 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат).
Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.
При uис = 3 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока ic, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт (характеризующаяся очень большим удельным сопротивлением), расширяется. При этом сопротивление на постоянном токе промежутка исток-сток увеличивается, а ток ic практически не изменяется.
Ток стока в области насыщения при uзи= 0 и при заданном напряжении uис называют начальным током стока и обозначают через iс нач. Для рассматриваемых характеристик iс нач = 5 мА при uис= 10 В. Для транзистора типа КП10ЗЛ минимальное значение тока iс начравно 1,8 мА, а максимальное — 6,6 мА. При uис > 22 В возникает пробой p-n-перехода и начинается быстрый рост тока.
Теперь кратко опишем работу транзистора при различных напряжениях uзи. Чем больше заданное напряжение uзи , тем тоньше канал до подачи напряжения uис и тем ниже располагается характеристика.
Как легко заметить, в области стока напряжение на p-n-переходе равно сумме uзи+uис. Поэтому чем больше напряжение uзи , тем меньше напряжение uис, соответствующее началу пробоя.
Когда uзи= 3 В, канал оказывается перекрыт областью p-n-перехода уже до подачи напряжения uис . При этом до пробоя выполняется условие ic = 0. Таким образом,uзи отс = 3 В.
Для рассматриваемого типа транзистора минимальное напряжение отсечки +2 В, а максимальное +5 В. Эти величины соответствуют условию ic = 10 мкА. Это так называемый остаточный ток стока, который обозначают через ic отс.
Полевой транзистор характеризуется следующими предельными параметрами (смысл которых понятен из обозначений):uис макс,uзсмакс, Pмакc.
Для транзистора КП10ЗЛ uисмакс = 10 В,uзсмакс = 15 В, Pмакc = 120 мВт (все при t = 85°С).
Для лучшего уяснения принципа работы схем с полевыми транзисторами полезно провести графический анализ одной из них (рис. 1.91). 
Пусть Ес = 4 В; определим, в каких пределах будет изменяться напряжение uиспри изменении напряжения uзи от 0 до 2 В.
При графическом анализе используется тот же подход, который был использован при анализе схем с диодами и биполярными транзисторами. Для рассматриваемой схемы, в которой напряжение между затвором и истоком равно напряжению источника напряжения uзи, нет необходимости строить линию нагрузки для входной цепи.
Линия нагрузки для выходной цепи задается выражением Ес =iс·Rс+uис Построим линию нагрузки на выходных характеристиках транзистора, представленных на рис. 1.92. 
Из рисунка следует, что при указанном выше изменении напряжения uзинапряжение uис будет изменяться в пределах от 1 до 2,6 В, что соответствует перемещению начальной рабочей точки от точки А до точки В. При этом ток стока будет изменяться от 1,5 до 0,7 мА.
Стокозатворные характеристики (характеристики передачи, передаточные, переходные, проходные характеристики). Стокозатворной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uзи) |uис =const где f — некоторая функция.
Такие характеристики не дают принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда более удобны для использования. Изобразим стокозатворные характеристики для транзистора КП10ЗЛ (рис. 1.93).
Для некоторых транзисторов задается максимальное (по модулю) допустимое отрицательное напряжение uзи, например, для транзистора 2П103Д это напряжение не должно быть по одулю больше чем 0,5 В.
Свойства транзистора по усилению напряжения
- Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):
S= |diс/duзи|uзи – заданное, uис =const Обычно задается u зи= 0. При этом для транзисторов рассматриваемого типа крутизна максимальная. Для КП10ЗЛS = 1,8…3,8 мА/В при u ис= 0 В, uзи= 0, t = 20°С.
- Внутреннее дифференциальное сопротивление Rис диф (внутреннее сопротивление)
- Rисдиф= (duис/ diс) |uис–заданное,uзи= const
- Для КП10ЗЛ Rис диф = 25 кОм при u ис= 10 В,uзи=0.
- M = (duис/ duзи) |uзи–заданное,iс= const
- Можно заметить, что M =S· Rис диф
- Для КП10ЗЛ при S = 2 мA/B и Rис диф = 25 кОм М = 2 (мА/В) · 25 кОм = 50.
- Инверсное включение транзистора.
Полевой транзистор, как и биполярный, может работать в инверсном режиме. При этом роль истока играет сток, а роль стока — исток.
Прямые (нормальные) характеристики могут отличаться от инверсных, так как области стока и истока различаются конструктивно и технологически.
- Частотные (динамические) свойства транзистора.
В полевом транзисторе в отличие от биполярного отсутствуют инжекция неосновных носителей и их перемещение по каналу, и поэтому не эти явления определяют динамические свойства. Инерционность полевого транзистора определяется в основном процессами перезаряда барьерной емкости p-n-перехода. Свое влияние оказывают также паразитные емкости между выводами и паразитные индуктивности выводов.
В справочных данных часто указывают значения следующих дифференциальных емкостей, которые перечислим ниже:
- входная емкость Сзи — это емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи;
- проходная емкость Сзс — это емкость между затвором и стоком при разомкнутой по переменному току входной цепи;
- выходная емкость Сис — это емкость между истоком и стоком при коротком замыкании по переменному току входной цепи.
Для транзистора КП10ЗЛ Сзи < 20 пФ, Сзс
Емкость затвора и емкость Миллера на полевом МОП-транзисторе
Между стоком и затвором всегда есть емкость, которая может быть реальной проблемой. Обычным полевым МОП-транзистором является FQP30N06L (60-вольтовый логический N-канальный полевой МОП-транзистор). он имеет следующие значения емкости: —
- Входная емкость 1040 пФ (от затвора до источника)
- Выходная емкость 350 пФ (сток к источнику)
- Емкость обратного переноса 65 пФ (сток до ворот)
Емкость Миллера — это емкость обратной передачи, указанная выше, а входная емкость — емкость затвор-исток. Выходная емкость от стока до источника.
Для полевого МОП-транзистора входная емкость обычно является наибольшей из трех, потому что для получения приличной пропускной способности (изменение тока стока для изменения напряжения затвора-истока) изоляция затвора должна быть очень тонкой, и это увеличивает емкость затвора-истока.
Емкость Миллера (емкость обратной передачи), как правило, наименьшая, но она может серьезно повлиять на производительность.
Рассмотрим приведенный выше МОП-транзистор, переключающий нагрузку 10 А с напряжения питания 50 В. Если вы управляете затвором, чтобы повернуть устройство на стоке, можно ожидать падения с 50 В до 0 В в течение нескольких сотен наносекунд.
К сожалению, быстро падающее напряжение стока (при включении устройства) удаляет заряд затвора через емкость Миллера, и это может привести к отключению устройства — это называется отрицательной обратной связью и может привести к меньшему, чем идеальное, времени переключения (включения и выключения).
Хитрость заключается в том, чтобы убедиться, что ворота слегка перегружены, чтобы приспособиться к этому. Посмотрите на следующую фотографию, взятую из таблицы данных FQP30N06L: —
Он показывает, что вы можете ожидать, когда напряжение на затворе составляет 5 В, а ток стока равен 10 А — вы получите падение напряжения на устройстве примерно 0,35 В (рассеиваемая мощность 3,5 Вт).
Тем не менее, при быстром падении напряжения стока с 50 В удаление заряда из затвора может быть таким, что треть напряжения затвора временно «теряется» в процессе переключения.
Это смягчается за счет того, что напряжение возбуждения затвора исходит из низкого сопротивления источника, но, если теряется треть, в течение короткого периода времени это похоже на напряжение затвора 3,5 В, и это рассеивает больше энергии в процессе переключения.
То же самое верно при выключении MOSFET; внезапное повышение напряжения на стоке вызывает заряд в затворе, и это приводит к небольшому включению MOSFET.
Если вы хотите лучше переключаться, посмотрите на технические характеристики и перепрыгните напряжение затвора, чтобы включить его, и, если возможно, подайте отрицательное напряжение привода, чтобы выключить его. Во всех случаях используйте драйверы с низким сопротивлением. В техническом описании FQP30N06L указано, что в характеристиках времени нарастания и спада используется импеданс привода 25 Ом.
Также стоит упомянуть о том, как различные емкости зависят от напряжения. Посмотрите на эту схему: —
При очень малых напряжениях стока емкость Миллера (Crss) составляет почти 1 нФ — сравните это, когда устройство выключено (скажем, 50 В на стоке) — емкость снизилась до, вероятно, менее 50 пФ. Смотрите также, как напряжение влияет на две другие емкости.
Полевой транзистор — силовой ключ — Время переключения, встроенный диод
Переключение полевого транзистора. Входные емкости. Встроенный диод. (10+)
Полевой транзистор — силовой ключ — Время переключения, встроенный диод
Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь
Материал является пояснением и дополнением к статье:Полевой транзисторПолевой транзистор. Определение. Обозначение. Классификация
Время переключения и входные емкости полевого транзистора
Для включения (перехода в открытое состояние) полевого транзистора необходимо, чтобы напряжение на затворе достигло заданного. Для выключения, напряжение должно упасть до напряжения закрывания.
У полевого транзистора имеют место быть емкости затвор — исток и затвор — сток. Для открытия, эти емкость затвор — исток надо зарядить, а емкость затвор — сток разрядить. Для закрытия — наоборот.
Временем перезарядки этих емкостей и определяется время переключения полевого транзистора.
Емкость затвор — исток обычно намного больше емкости затвор — сток. Но первая емкость должна заряжаться до напряжения управления, а вторая до напряжения на стоке.
А это напряжение при индуктивной нагрузке может быть в разы больше коммутируемого напряжения. (Подробнее о индуктивных бросках напряжения будет отдельная статья).
Так что если мы коммутируем большое напряжение, то вклад емкости затвор — сток может быть очень существенным.
| Вашему вниманию подборка материалов:Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам |
- Проведем расчет времени переключения полевого транзистора. Зададим [Максимально возможное напряжение на стоке в закрытом состоянии в момент переключения, В], помните, что при индуктивной нагрузке оно в момент закрытия транзистора может быть в разы больше напряжения питания, в остальных случаях будет считать его равным напряжению питания (коммутируемому напряжению), [Управляющий ток, А], [Управляющее напряжение, В], [Емкость затвор — исток, нФ], [Емкость затвор — сток, нФ]
- [Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор — исток, нКл] = [Управляющее напряжение, В] * [Емкость затвор — исток, нФ]
- [Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор — сток, нКл] = ([Управляющее напряжение, В] + [Максимально возможное напряжение на стоке в закрытом состоянии в момент переключения, В]) * [Емкость затвор — сток, нФ]
- [Время переключения, мкс] = ([Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор — исток, нКл] + [Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор — сток, нКл]) / [Управляющий ток, А] / 1000
Обратный диод
Конструктивно между истоком и стоком полевого транзистора формируется диод полярности, обратной к той, в которой транзистор должен работать. Горе-разработчики нередко используют этот диод, если нужно защунтировать обратное напряжение на полевом транзисторе. Я и сам так делал в кружке технического творчества в школе. Этот диод имеет ужасные характеристики.
Например, падение напряжения на нем в прямом направлении составляет более 1.5 вольта. Время переключения просто огромное. Нередко на этом диоде рассеивается большая мощность, чем на полевом транзисторе в результате его работы в штатном режиме. Если на силовом полевом транзисторе в схеме бывает обратное напряжение, его надо шунтировать внешним обратным диодом.
Внутренний обратный диод никогда не должен открываться.
Мы обычно применяем в качестве силовых полевых ключей Высоковольтный полевой транзистор irfp450 и Мощный полевой транзистор irfp2907 в зависимости от рабочего напряжения.
(читать дальше…) :: (в начало статьи)
Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Полевые транзисторы. Полевой транзистор является потенциальным прибором
Полевой транзистор является потенциальным прибором. Чтобы перевести его из открытого состояния в закрытое и наоборот, нужно приложить к затвору относительно истока напряжение. При этом ток в цепи затвора протекает только в моменты коммутации, для поддержания открытого состояния транзистору ток не нужен – управление осуществляется электрическим полем (рис.1.9 а).
- По сравнению с биполярными полевые транзисторы MOSFET имеют ряд преимуществ.
- Поскольку они управляются электрическим полем, то схемы управления значительно проще и мощность схем управления значительно меньше.
- В полевых транзисторах отсутствует так называемая инжекция неосновных носителей в базовую область, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.
- Полевой транзистор является термоустойчивым прибором, так как рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведёт к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока.
В полевом транзисторе отсутствует вторичный пробой. Это преимущество позволяет эффективнее использовать транзистор по параметру передаваемой мощности.
К недостаткам полевых транзисторов следует отнести наличие активного сопротивления в открытом состоянии, которое невелико у транзисторов с допустимым напряжением не более 200-300 В, и значительно увеличивается при больших напряжениях “сток-исток”.
До настоящего времени технологически не удаётся изготовить мощный полевой транзистор без некоторых паразитных элементов, одним из которых является внутренний паразитный биполярный транзистор.
Для обеспечения нормальной работы полевого транзистора необходимо принять меры к исключению паразитного транзистора.
Для этого на стадии изготовления транзистора подложка подключается к истоку технологической проводящей перемычкой.
При этом исключается опасность неконтролируемого поведения паразитного транзистора, но появляется паразитный диод, основой которого служит переход “база-коллектор” паразитного транзистора.
Как и биполярный транзистор полевой транзистор имеет паразитные межэлектродные ёмкости, влияющие на процессы переключения (рис.1.9 б). Наличие паразитных ёмкостей , и в составе полевого транзистора приводит к тому, что за счёт эффекта Миллера входная ёмкость транзистора равна:
,
S – крутизна стоковой характеристики транзистора.
Чтобы гарантировано открыть транзистор, необходимо зарядить его входную ёмкость до напряжения 12-15 В. При включении транзистора (рис.1.10) вначале происходит заряд ёмкости (транзистор при этом закрыт) до некоторого порогового напряжения, составляющего 2…5 В. Время, затрачиваемое на этот процесс, называется временем задержки включения . При достижении порогового уровня транзистор открывается и вследствие эффекта Миллера входная ёмкость увеличивается до значения , скорость открытия транзистора замедляется. Процесс открывания транзистора характеризуется временем нарастания .
Часто в справочной литературе указываются суммарные времена: и . Для современных MOSFET транзисторов эти времена составляют десятки-сотни наносекунд.
В результате процесса включения импульс тока стока задерживается относительно импульса управления на время , а выключение транзистора растягивается на время . Время коммутации напрямую связано с величиной тепловых потерь на полупроводниковом приборе, которые ухудшают КПД схемы и требуют увеличения габаритов охлаждающих радиаторов.
При коммутации токов, величина которых выше предельного тока одиночного транзистора, включаются параллельно несколько транзисторов, рассчитанных на меньшие токи. Для параллельного соединения полевые транзисторы должны иметь близкие значения порогового напряжения.
Транзисторы одного типа имеют очень близкие значения порогового напряжения, поэтому транзисторы разных типов запрещается соединять параллельно. Для равномерного прогрева линейки транзисторов их нужно устанавливать на общий радиатор, по возможности ближе друг к другу.
Схема управления параллельно соединёнными транзисторами должна обеспечить расчётное время коммутации. При непосредственном соединении затворов при выключении транзисторы, оказывая влияние друг на друга через затворы, будут произвольно открываться и закрываться, не подчиняясь сигналу управления.
Для исключения этого явления в цепи затворов включаются одинаковые резисторы сопротивлением десятки-сотни Ом.
Величина тока, которую должна обеспечить схема управления, определяется из условия действия напряжения управления на параллельно соединённые затворные резисторы.
Загрузка...
