Teraz dowiedzmy się, czym są tranzystory polowe. Tranzystory polowe są bardzo powszechne zarówno w starych, jak i nowoczesnych układach. Obecnie w większym stopniu stosuje się urządzenia z izolowaną przesłoną, o typach tranzystory polowe i ich cechy dzisiaj porozmawiamy. W artykule dokonam porównań z tranzystorami bipolarnymi, w osobnych miejscach.

Definicja

Tranzystor polowy to w pełni sterowalny przełącznik półprzewodnikowy sterowany polem elektrycznym. Jest to główna różnica pod względem praktycznym w stosunku do tranzystorów bipolarnych, które są sterowane prądem. Pole elektryczne jest wytwarzane przez napięcie przyłożone do bramki względem źródła. Biegunowość napięcia sterującego zależy od typu kanału tranzystora. Jest tu dobra analogia z elektronicznymi lampami próżniowymi.

Inną nazwą tranzystorów polowych jest unipolarny. „UNO” oznacza jeden. W tranzystorach polowych, w zależności od rodzaju kanału, prąd jest prowadzony tylko przez jeden rodzaj nośników, dziury lub elektrony. W tranzystorach bipolarnych prąd powstał z dwóch rodzajów nośników ładunku - elektronów i dziur, niezależnie od rodzaju urządzeń. Tranzystory polowe można ogólnie podzielić na:

tranzystory ze złączem sterującym p-n;

izolowane tranzystory bramkowe.

Oba mogą być n-kanałowe i p-kanałowe, do bramy pierwszego należy przyłożyć dodatnie napięcie sterujące, aby otworzyć klucz, a dla drugiego - ujemne względem źródła.

Wszystkie typy tranzystorów polowych mają trzy wyjścia (czasami 4, ale rzadko spotykałem się tylko na sowieckich i był podłączony do obudowy).

1. Źródło (źródło nośników ładunku, analog emitera na bipolarnym).

2. Drenaż (odbiornik nośników ładunku ze źródła, analog kolektora tranzystora bipolarnego).

3. Bramka (elektroda sterująca, analog siatki na lampach i bazach na tranzystorach bipolarnych).

Tranzystor ze złączem sterującym pn

Tranzystor składa się z następujących obszarów:

4. Migawka.

Na obrazku widać schematycznie budowę takiego tranzystora, wyprowadzenia są połączone z metalizowanymi sekcjami bramki, źródła i drenu. W określonym obwodzie (jest to urządzenie z kanałem p), bramka jest warstwą n, ma mniejszą rezystywność niż region kanału (warstwa p), a region połączenia p-n znajduje się bardziej w regionie p dla tego powód.

a - tranzystor polowy typu n, b - tranzystor polowy typu p

Aby ułatwić zapamiętanie, zapamiętaj oznaczenie diody, gdzie strzałka wskazuje od regionu p do regionu n. Tutaj również.

Pierwszym stanem jest podanie napięcia zewnętrznego.

Jeśli do takiego tranzystora zostanie przyłożone napięcie, plus do drenu i minus do źródła, przepłynie przez niego duży prąd, będzie on ograniczony tylko rezystancją kanału, rezystancją zewnętrzną i rezystancją wewnętrzną źródła zasilania. Analogię można wyciągnąć z normalnie zamkniętym kluczem. Ten prąd nazywa się Isnach lub początkowy prąd drenu przy Uzi=0.

Tranzystor polowy ze złączem sterującym p-n, bez napięcia sterującego przyłożonego do bramki, jest tak otwarty, jak to tylko możliwe.

Napięcie do drenu i źródła przykłada się w ten sposób:

Główne nośniki ładunku są wprowadzane przez źródło!

Oznacza to, że jeśli tranzystor jest kanałem p, to dodatni zacisk źródła zasilania jest podłączony do źródła, ponieważ. głównymi nośnikami są dziury (nośniki ładunku dodatniego) - jest to tak zwana przewodność dziurowa. Jeśli tranzystor n-kanałowy jest podłączony do źródła, ujemny zacisk źródła zasilania, ponieważ w nim głównymi nośnikami ładunku są elektrony (ujemne nośniki ładunku).

Źródłem jest źródło głównych nośników ładunku.

Oto wyniki symulacji takiej sytuacji. Po lewej stronie znajduje się kanał p, a po prawej tranzystor n-kanałowy.

Drugi stan - przyłóż napięcie do bramki

Gdy do bramki zostanie przyłożone napięcie dodatnie względem źródła (Uzi) dla kanału p i ujemne dla kanału n, jest ono przesunięte w przeciwnym kierunku, obszar złącza p-n rozszerza się w kierunku kanału . W rezultacie szerokość kanału maleje, prąd maleje. Napięcie bramki, przy którym przez przełącznik nie przepływa prąd, nazywa się napięciem odcięcia.

Osiągnięto napięcie odcięcia i kluczyk jest całkowicie zamknięty. Rysunek z wynikami symulacji pokazuje taki stan dla klucza p-kanałowego (lewy) i n-kanałowy (prawy). Przy okazji dalej język angielski taki tranzystor nazywa się JFET.

Tryb pracy tranzystora, gdy napięcie Uzi wynosi zero lub jest odwrócone. Ze względu na napięcie wsteczne można „zasłonić tranzystor”, jest on stosowany we wzmacniaczach klasy A i innych obwodach, gdzie potrzebna jest płynna regulacja.

Tryb odcięcia występuje, gdy Uzi = Ucutoff dla każdego tranzystora jest inny, ale w każdym przypadku jest stosowany w przeciwnym kierunku.

Charakterystyka, VAC

Charakterystyka wyjściowa to wykres, który pokazuje zależność prądu drenu od Us (dotyczy zacisków drenu i źródła), przy różnych napięciach bramki.

Można go podzielić na trzy obszary. Na początku (po lewej stronie wykresu) widzimy obszar omowy – w tej przerwie tranzystor zachowuje się jak rezystor, prąd rośnie prawie liniowo, osiągając pewien poziom, przechodzi w obszar nasycenia (w środku wykres).

Po prawej stronie wykresu widzimy, że prąd znowu zaczyna rosnąć, to jest obszar przebicia, nie powinno tu być tranzystora. Najwyższą gałęzią pokazaną na rysunku jest prąd przy zero Uzi, widzimy, że prąd jest tutaj największy.

Im wyższe napięcie Uzi, tym niższy prąd drenu. Każda z gałęzi różni się na bramce o 0,5 wolta. Co potwierdziliśmy symulacją.

Tutaj pokazana jest charakterystyka zasuwy drenażowej, tj. zależność prądu drenu od napięcia bramki przy tym samym napięciu dren-źródło (in ten przykład 10V), tutaj skok siatki również wynosi 0,5V, ponownie widzimy, że im napięcie Uzi jest bliższe 0, tym większy prąd drenu.

W tranzystorach bipolarnych występował taki parametr jak współczynnik przenoszenia prądu lub wzmocnienie, oznaczano go jako B lub H21e lub Hfe. W terenie, aby wyświetlić możliwość wzmocnienia napięcia, stosuje się stromość, oznaczoną literą S

Oznacza to, że nachylenie pokazuje, o ile miliamperów (lub amperów) prąd drenu rośnie wraz ze wzrostem napięcia bramka-źródło o liczbę woltów przy stałym napięciu dren-źródło. Można to obliczyć z charakterystyki dren-bramka, w powyższym przykładzie nachylenie wynosi około 8 mA/V.

Schematy przełączania

Podobnie jak w przypadku tranzystorów bipolarnych, istnieją trzy typowe obwody przełączające:

1. Ze wspólnym źródłem (a). Stosowany jest najczęściej, daje przyrost prądu i mocy.

2. Ze wspólną żaluzją (b). Rzadko używany, niska impedancja wejściowa, brak wzmocnienia.

3. Ze wspólnym odpływem (c). Wzmocnienie napięciowe jest bliskie 1, impedancja wejściowa jest wysoka, a wyjście jest niskie. Inna nazwa to obserwujący źródło.

Cechy, zalety, wady

Główna zaleta tranzystora polowego wysoka impedancja wejściowa. Rezystancja wejściowa to stosunek prądu do napięcia bramka-źródło. Zasada działania polega na sterowaniu za pomocą pola elektrycznego, które powstaje po przyłożeniu napięcia. To znaczy FET są sterowane napięciem.

• praktycznie nie pobiera prądu sterującego, to jest zmniejsza utratę kontroli, zniekształcenia sygnału, przeciążenie prądowe źródła sygnału...

Średnia częstotliwość Wydajność FET jest lepsza niż dwubiegunowa, wynika to z faktu, że na „resorpcję” nośników ładunku w obszarach tranzystora bipolarnego potrzeba mniej czasu. Niektóre nowoczesne tranzystory bipolarne mogą być lepsze od tranzystorów polowych, co wynika z zastosowania bardziej zaawansowanych technologii, zmniejszenia szerokości podstawy i innych rzeczy.

Niski poziom szumów tranzystorów polowych wynika z braku procesu wstrzykiwania ładunku, jak w przypadku bipolarnych.

Stabilność przy zmianach temperatury.

Niski pobór mocy w stanie przewodzącym - większa wydajność Twoich urządzeń.

Najprostszym przykładem zastosowania wysokiej impedancji wejściowej jest dopasowanie urządzeń do łączenia gitar akustycznych z przetwornikami piezoelektrycznymi i gitar elektrycznych z przetwornikami elektromagnetycznymi do wejść liniowych o niskiej impedancji wejściowej.

Niska impedancja wejściowa może powodować spadek sygnału wejściowego, zniekształcając jego kształt w różnym stopniu w zależności od częstotliwości sygnału. Oznacza to, że musisz tego uniknąć, wprowadzając kaskadę o wysokiej impedancji wejściowej. Tutaj najprostszy obwód takie urządzenie. Nadaje się do podłączenia gitar elektrycznych Wejście liniowe komputerowa karta dźwiękowa. Dzięki niemu dźwięk stanie się jaśniejszy, a barwa bogatsza.

Główną wadą jest to, że takie tranzystory boją się statyki. Możesz wziąć element z naelektryzowanymi rękami i natychmiast zawiedzie, jest to konsekwencja kontrolowania klucza za pomocą pola. Zaleca się pracę z nimi w rękawicach dielektrycznych połączonych specjalną bransoletą z uziemieniem, z lutownicą niskonapięciową z izolowaną końcówką, a wyprowadzenia tranzystorów można związać drutem, aby je zwierać podczas instalacji.

Nowoczesne urządzenia praktycznie się tego nie boją, ponieważ przy wejściu można wbudować w nie urządzenia ochronne, takie jak diody Zenera, które działają po przekroczeniu napięcia.

Czasami dla początkujących radioamatorów lęki sięgają punktu absurdu, jak np. zakładanie foliowych czapek na głowę. Wszystko opisane powyżej wprawdzie jest obowiązkowe, ale nie przestrzeganie żadnych warunków nie gwarantuje awarii urządzenia.

Izolowane tranzystory polowe z bramką

Ten typ tranzystorów jest aktywnie wykorzystywany jako przełączniki sterowane półprzewodnikowo. Ponadto pracują najczęściej w trybie klucza (dwie pozycje „włączone” i „wyłączone”). Mają kilka nazw:

1. Tranzystor MIS (metal-dielektryk-półprzewodnik).

2. MOSFET (półprzewodnik z tlenkiem metalu).

3. Tranzystor MOSFET (półprzewodnik z tlenkiem metalu).

Pamiętaj - to tylko odmiany o tej samej nazwie. Dielektryk lub tlenek, jak to się nazywa, pełni rolę izolatora bramki. Na poniższym schemacie izolator jest pokazany między regionem n w pobliżu bramy a bramą jako biała strefa z kropkami. Wykonany jest z dwutlenku krzemu.

Dielektryk wyklucza kontakt elektryczny między elektrodą bramkową a podłożem. W przeciwieństwie do złącza kontrolnego p-n, nie działa ono na zasadzie rozszerzania złącza i nakładania się kanałów, ale na zasadzie zmiany stężenia nośników ładunku w półprzewodniku pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. MOSFETy występują w dwóch rodzajach:

1. Z wbudowanym kanałem.

2. Z kanałem indukowanym

Na schemacie widzisz tranzystor z wbudowanym kanałem. Z tego można już się domyślać, że zasada jego działania przypomina tranzystor polowy ze złączem kontrolnym p-n, tj. gdy napięcie bramki wynosi zero, prąd przepływa przez przełącznik.

W pobliżu źródła i drenu powstają dwa regiony o wysokiej zawartości nośników ładunku domieszkowego (n+) o zwiększonej przewodności. Podłożem jest podstawa typu P (w tym przypadku).

Zwróć uwagę, że kryształ (podłoże) jest połączony ze źródłem, na wielu konwencjonalnych symbolach graficznych jest rysowany w ten sposób. Gdy napięcie bramki wzrasta, w kanale pojawia się poprzeczne pole elektryczne, które odpycha nośniki ładunku (elektrony), a kanał zamyka się po osiągnięciu progu Uz.

Po przyłożeniu ujemnego napięcia bramka-źródło prąd drenu spada, tranzystor zaczyna się zamykać - nazywa się to trybem wyczerpania.

Po przyłożeniu dodatniego napięcia do bramki-źródła następuje proces odwrotny - elektrony są przyciągane, prąd wzrasta. To jest tryb wzbogacania.

Wszystko powyższe dotyczy tranzystorów MOSFET z wbudowanym kanałem typu N. Jeśli kanał typu p zamienia wszystkie słowa „elektrony” na „dziury”, polaryzacja napięcia jest odwrócona.

Zgodnie z arkuszem danych tego tranzystora napięcie progowe bramka-źródło jest w zakresie jednego wolta, a jego typowa wartość wynosi 1,2 V, sprawdźmy to.

Prąd jest w mikroamperach. Jeśli nieco zwiększysz napięcie, zniknie ono całkowicie.

Tranzystor wybrałem na chybił trafił i trafiłem na dość czułe urządzenie. Postaram się zmienić polaryzację napięcia tak aby bramka miała potencjał dodatni, sprawdź tryb wzbogacenia.

Przy napięciu bramki 1V prąd wzrósł czterokrotnie w porównaniu do wartości 0V (pierwsze zdjęcie w tej sekcji). Wynika z tego, że w przeciwieństwie do poprzedniego typu tranzystorów i tranzystorów bipolarnych, bez dodatkowego spinania może pracować zarówno w celu zwiększenia prądu, jak i jego zmniejszenia. To stwierdzenie jest bardzo niegrzeczne, ale w pierwszym przybliżeniu ma prawo istnieć.

Wszystko tutaj jest prawie takie samo jak w tranzystorze z przejściem sterującym, z wyjątkiem obecności trybu wzbogacenia w charakterystyce wyjściowej.

Na charakterystyce dren-bramka wyraźnie widać, że ujemne napięcie powoduje stan wyczerpania i zamknięcie klucza, a dodatnie napięcie na bramce - wzbogacenie i większe otwarcie klucza.

MOSFETy z indukowanym kanałem nie przewodzą prądu przy braku napięcia na bramce, a raczej jest prąd, ale jest on bardzo mały, ponieważ. jest to prąd wsteczny między podłożem a silnie domieszkowanym obszarem drenu i źródła.

Tranzystor polowy z izolowaną bramką i kanałem indukowanym jest analogiem normalnie otwartego klucza, nie płynie prąd.

W obecności napięcia bramka-źródło, ponieważ rozważamy kanał indukowany typu n, wtedy napięcie jest dodatnie, pod działaniem pola ujemne nośniki ładunku są przyciągane do obszaru bramki.

W ten sposób pojawia się „korytarz” dla elektronów od źródła do drenu, a więc pojawia się kanał, tranzystor otwiera się i zaczyna przez niego płynąć prąd. Mamy podłoże typu p, główne w nim nośniki ładunku dodatniego (dziury), nośników ujemnych jest bardzo mało, ale pod działaniem pola odrywają się od swoich atomów i rozpoczyna się ich ruch. Stąd brak przewodzenia przy braku napięcia.

Charakterystyka wyjściowa powtarza się dokładnie tak samo dla poprzednich, jedyną różnicą jest to, że napięcia Uzi stają się dodatnie.

Charakterystyka bramki drenażu pokazuje to samo, różnice są ponownie w napięciach bramki.

Rozważając charakterystykę prądowo-napięciową, niezwykle ważne jest uważne przyjrzenie się wartościom zalecanym wzdłuż osi.

Do klucza przyłożono napięcie 12 V, a na bramce mamy 0. Przez tranzystor nie płynie prąd.

Oznacza to, że tranzystor jest całkowicie otwarty, gdyby go tam nie było, prąd w tym obwodzie wynosiłby 12/10 = 1,2 A. Później studiowałem, jak działa ten tranzystor i dowiedziałem się, że przy 4 woltach zaczyna się otwierać.

Dodając po 0,1 V każdy zauważyłem, że z każdą dziesiątą wolta prąd rośnie coraz bardziej, a przy 4,6 V tranzystor jest prawie całkowicie otwarty, różnica z napięciem bramki 20 V w prądzie drenu wynosi tylko 41 mA , przy 1,1 A to bzdura.

Ten eksperyment pokazuje, że indukowany tranzystor kanałowy włącza się dopiero po osiągnięciu napięcia progowego, co pozwala mu doskonale działać jako przełącznik w obwody impulsowe. W rzeczywistości IRF740 jest jednym z najczęstszych.

Pomiary prądu bramki wykazały, że tranzystory polowe praktycznie nie zużywają prądu sterującego. Przy napięciu 4,6 V prąd wynosił tylko 888 nA (nano!!!).

Przy napięciu 20V było to 3,55 μA (mikro). W przypadku tranzystora bipolarnego byłaby ona rzędu 10 mA, w zależności od wzmocnienia, które jest dziesiątki tysięcy razy większe niż w przypadku tranzystora polowego.

Nie wszystkie klawisze otwierają się przy takich napięciach, wynika to z konstrukcji i cech obwodów urządzeń, w których są używane.

Rozładowana pojemność w pierwszej chwili wymaga dużego prądu ładowania, a rzadko spotykane urządzenia sterujące (sterowniki pwm i mikrokontrolery) mają mocne wyjścia, więc wykorzystują sterowniki do bramek polowych, zarówno w tranzystorach polowych, jak i w (bipolarnych z izolowaną izolacją). brama). To wzmacniacz, który zamienia sygnał wejściowy na wyjście o takiej wielkości i natężeniu prądu, które wystarczają do włączania i wyłączania tranzystora. Prąd ładowania jest również ograniczany przez rezystor połączony szeregowo z bramką.

Jednocześnie niektórymi bramkami można też sterować z portu mikrokontrolera poprzez rezystor (ten sam IRF740). Poruszyliśmy ten temat.

Przypominają tranzystory polowe z bramką sterującą, ale różnią się tym, że na UGO, tak jak w samym tranzystorze, bramka jest oddzielona od podłoża, a strzałka w środku wskazuje rodzaj kanału, ale jest skierowana od podłoże do kanału jeśli jest to mosfet n-kanałowy - w kierunku przesłony i odwrotnie.

Dla kluczy z kanałem indukowanym:

Może to wyglądać tak:

Zwróć uwagę na angielskie nazwy szpilek, często są one wskazane w arkuszach danych i schematach.

Dla kluczy z wbudowanym kanałem:

Urządzenia półprzewodnikowe, których działanie opiera się na modulacji rezystancji materiału półprzewodnikowego przez poprzeczne pole elektryczne, nazywane są tranzystorami polowymi. Mają w trakcie tworzenia prąd elektryczny w grę wchodzi tylko jeden rodzaj nośników ładunku (elektrony lub dziury).

Tranzystory polowe są dwojakiego rodzaju: ze złączem sterującym p-n oraz ze strukturą metal-dielektryk-półprzewodnik (tranzystory MIS).

Ryż. 2.37. Uproszczona struktura tranzystora polowego ze sterowaniem (a); symbole tranzystora posiadającego kanał typu n (b) i kanał typu p (c); typowe struktury (d, e): struktura tranzystora o zwiększonej prędkości (e)

Tranzystor ze złączem kontrolnym p-n (ryc. 2.37) jest płytą (przekrojem) materiału półprzewodnikowego o określonym rodzaju przewodności elektrycznej, z którego końców wyprowadzone są dwa wnioski - elektrody drenażowe i źródłowe. Wzdłuż płyty wykonane jest złącze elektryczne (złącze p-n lub bariera Schottky'ego), z którego wyciąga się trzeci wniosek - migawkę.

Napięcia zewnętrzne są przykładane tak, że prąd elektryczny przepływa między elektrodami drenu i źródła, a napięcie przyłożone do bramki polaryzuje złącze elektryczne w przeciwnym kierunku. Rezystancja obszaru znajdującego się pod złączem elektrycznym, zwanego kanałem, zależy od napięcia bramki. Wynika to z faktu, że wymiary przejścia zwiększają się wraz ze wzrostem przyłożonego do niego napięcia wstecznego, a wzrost obszaru zubożonego w nośniki ładunku prowadzi do wzrostu opór elektryczny kanał.

Zatem działanie tranzystora polowego ze złączem sterującym p-n opiera się na zmianie rezystancji kanału spowodowanej zmianą wielkości obszaru zubożonego w główne nośniki ładunku, która następuje pod działaniem napięcia wstecznego zastosowane do bramy.

Elektroda, od której zaczynają przemieszczać się główne nośniki ładunku w kanale, nazywana jest źródłem, a elektroda, do której przemieszczają się główne nośniki ładunku, nazywana jest drenem. Uproszczoną strukturę tranzystora polowego ze złączem sterującym p-n pokazano na ryc. 2,37 Konwencje podano na ryc. 2,37, b, c, a struktury produkowanych komercyjnie tranzystorów polowych pokazano na ryc. 2.37, pan e.

Jeśli w płycie półprzewodnikowej, na przykład typu n, tworzone są strefy o przewodności elektrycznej typu p, to po przyłożeniu napięcia do złącza p-n, które odchyla je w przeciwnym kierunku, powstają obszary, które są niszczone przez główny ładunek nośniki (ryc. 2.37, a). Rezystancja półprzewodnika między elektrodami źródła i drenu wzrasta, ponieważ prąd płynie tylko przez wąski kanał między złączami. Zmiana napięcia bramka-źródło prowadzi do zmiany wielkości strefy ładunku kosmicznego (wymiary), tj. do zmiany rezystancji kanału. Kanał może być prawie całkowicie zablokowany i wtedy opór między źródłem a odpływem będzie bardzo duży (kilka – dziesiątki).

Napięcie między bramką a źródłem, przy którym prąd drenu osiąga określony niska wartość, nazywa się napięciem odcięcia tranzystora polowego. Ściśle mówiąc, przy napięciu odcięcia tranzystor powinien się całkowicie zamknąć, ale obecność przecieków i trudności w pomiarze szczególnie małych prądów każą nam uważać napięcie odcięcia za napięcie, przy którym prąd osiąga pewną niewielką wartość. Dlatego w specyfikacji technicznej tranzystor jest wskazany przy jakim prądzie drenu został wykonany pomiar.

Szerokość złącza pn zależy również od prądu płynącego przez kanał. Jeśli na przykład (ryc. 2.37, a), prąd przepływający przez tranzystor spowoduje spadek napięcia na długości tego ostatniego, co okazuje się blokować przejście bramka-kanał.

Ryż. 2.38. Charakterystyka wyjściowa tranzystora polowego z jego wejściową charakterystyką sterującą (6) i charakterystyką transmisyjną (bramka impulsowa) (c): I - obszar stromy; II - obszar płaski lub obszar nasycenia; III - strefa awarii

Prowadzi to do zwiększenia szerokości i odpowiednio do zmniejszenia przekroju i przewodności kanału, a szerokość złącza p-n zwiększa się w miarę zbliżania się do obszaru drenu, gdzie wystąpi największy spadek napięcia spowodowany przez prąd na rezystancji kanału. Tak więc, jeśli założymy, że rezystancja tranzystora jest określona tylko przez rezystancję kanału, to na krawędzi złącza p-n skierowanej do źródła zadziała napięcie, a na krawędzi skierowanej do drenu zadziała napięcie . Przy niskich i małych wartościach napięcia tranzystor zachowuje się jak rezystancja liniowa. Wzrost prowadzi do niemal liniowego wzrostu, a spadek do odpowiedniego spadku. Wraz ze wzrostem charakterystyki coraz bardziej odbiega ona od liniowej, co wiąże się ze zwężeniem kanału na końcu odpływu. Przy określonej wartości prądu występuje tak zwany tryb nasycenia (sekcja II na ryc. 2.38, a), który się tym charakteryzuje. że wraz ze wzrostem prądu prąd nieznacznie się zmienia. Dzieje się tak, ponieważ przy wysokim napięciu kanał przy odpływie kurczy się w wąską szyjkę. Następuje rodzaj dynamicznej równowagi, w której wzrost i wzrost prądu powodują dalsze zwężenie kanału i odpowiednio spadek prądu. W rezultacie ta ostatnia pozostaje prawie stała. Napięcie, przy którym występuje nasycenie, nazywane jest napięciem nasycenia. Jest, jak widać na ryc. , zmienia się wraz ze zmianą napięcia. Ponieważ wpływ na szerokość kanału na wyjściu odpływu jest prawie taki sam, to

Tak więc napięcie odcięcia, określone przy niskim napięciu, jest liczbowo równe napięciu nasycenia w , a napięcie nasycenia przy pewnym napięciu bramki jest równe różnicy między napięciem odcięcia a napięciem bramki-źródła.

Przy znacznym wzroście napięcia końca drenu obserwuje się awarię złącza p-n.

W charakterystyce wyjściowej tranzystora polowego można wyróżnić dwa obszary robocze, OA i OB. Obszar OA nazywany jest stromym obszarem charakterystycznym, obszar AB nazywany jest obszarem płaskim lub obszarem nasycenia. W stromym obszarze tranzystor może być używany jako rezystancja kontrolowana omowo. W stopniach wzmacniających tranzystor pracuje na płaskim odcinku charakterystyki. Poza punktem B następuje awaria przejścia elektrycznego.

Charakterystyka wejściowa tranzystora polowego ze złączem sterującym (ryc. 2.38, b) jest odwrotną gałęzią charakterystyki woltamperowej złącza. Chociaż prąd bramki zmienia się nieco wraz z napięciem i osiąga największa wartość podlega zwarciu zacisków źródła i spustu (prąd upływu bramki) - w większości przypadków można to pominąć. Zmiana napięcia nie powoduje znaczących zmian prądu bramki, co jest typowe dla złącza prądu wstecznego.

Podczas pracy w płaskim obszarze charakterystyki prądowo-napięciowej prąd drenu przy danym napięciu 11sh jest określany z wyrażenia

gdzie jest początkowy prąd drenu, pod którym prąd przy i napięcie drenu przekracza napięcie nasycenia: .

Ponieważ tranzystor polowy jest sterowany napięciem bramki, stromość charakterystyki służy do ilościowego określenia działania sterującego bramki

Nachylenie charakterystyki osiąga maksymalną wartość przy . Aby określić wartość S przy dowolnym napięciu, różnicujemy wyrażenie

Dla , wyrażenie (2.73) przyjmuje postać

Podstawiając (1.74) do wyrażenia (1.73), otrzymujemy .

Tak więc nachylenie charakterystyki tranzystora polowego zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia przyłożonego do jego bramki.

Początkową wartość stromości charakterystyki można określić metodą grafowo-analityczną. W tym celu rysujemy styczną z punktu do charakterystyki drenażu (rys. 2.38. c). Odetnie segment na osi naprężenia, a jego nachylenie określi wartość .

Wzmacniające właściwości tranzystorów polowych charakteryzują się wzmocnieniem

co jest związane z nachyleniem charakterystyki i rezystancją wewnętrzną równaniem , gdzie jest różnicową rezystancją wewnętrzną tranzystora.

Rzeczywiście, ogólnie.

Jeśli z jednoczesną zmianą w i , to skąd

Podobnie jak w przypadku tranzystorów bipolarnych, tranzystory polowe rozróżniają tryby dużego i małego sygnału. Tryb dużego sygnału jest najczęściej obliczany na podstawie charakterystyki wejściowej i wyjściowej tranzystora oraz równoważnego obwodu z ryc. 2,39,a. Aby przeanalizować reżim małego sygnału, na ryc. 2,39, b-g (tranzystor z kanałem typu p). Ponieważ rezystancje złączy zamkniętych w krzemowych tranzystorach polowych są duże (od kilkudziesięciu do kilkuset MΩ), w większości przypadków można je zignorować. Do praktycznych obliczeń najwygodniejszy jest obwód równoważny na ryc. 1. 2,39,d, chociaż znacznie gorzej odzwierciedla rzeczywiste procesy fizyczne zachodzące w rozważanych tranzystorach. Wszystkie pojemności bramek w obwodzie są zastępowane przez jedną równoważną pojemność C”, która jest ładowana przez średnią równoważną rezystancję.

Ryż. 2.39. Uproszczony obwód zastępczy FET ze złączem sterującym p-n dla prąd stały(a); małosygnałowe obwody zastępcze: kompletne (b), uproszczone (c), zmodyfikowane (d).

Można przyjąć, że jest on równy rezystancji statycznej w stromym obszarze charakterystyki - rezystancji między drenem a źródłem w stanie otwartym tranzystora przy danym napięciu dren-źródło, mniejszym niż napięcie nasycenia. Rezystancja bramki (omowa) odbita równoważny opór, który ze względu na swoją dużą wartość (dziesiątki setek) można zignorować.

Typowe wartości parametrów tranzystorów krzemowych wchodzących w skład obwodu zastępczego: .

Pojemności tranzystora polowego oraz końcowa prędkość nośników ładunku w kanale determinują jego właściwości bezwładnościowe. Bezwładność tranzystora w pierwszym przybliżeniu uwzględnia się wprowadzając nachylenie operatora charakterystyki

gdzie jest częstotliwością graniczną, wyznaczoną na poziomie 0,7 statycznej wartości nachylenia charakterystyki.

Wraz ze zmianą temperatury parametry i charakterystyki tranzystorów polowych ze sterowaniem zmieniają się pod wpływem następujących czynników: zmiany prądu wstecznego zamkniętego złącza p-n; zmiany różnicy potencjałów stykowych zmiany rezystywności kanału.

Prąd wsteczny na zamkniętym wzrasta wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury. Wstępnie można uznać, że podwaja się wraz ze wzrostem temperatury o 6-8 C. Jeżeli w obwodzie bramki tranzystora występuje duża rezystancja zewnętrzna, to spadek napięcia na nim spowodowany zmianą prądu może znacząco zmienić napięcie bramki.

Różnica potencjałów stykowych maleje wraz ze wzrostem temperatury o około . Przy stałym napięciu bramki prowadzi to do wzrostu prądu drenu. W przypadku tranzystorów o niskim napięciu odcięcia efekt ten jest dominujący, a zmiany prądu drenu będą dodatnie.

Ponieważ współczynnik temperaturowy charakteryzujący zmianę rezystywności kanału jest dodatni, prąd drenu maleje wraz ze wzrostem temperatury. Otwiera to możliwość prawidłowego doboru położenia punktu pracy tranzystora w celu wzajemnej kompensacji zmian prądu spowodowanych zmianami różnicy potencjałów stykowych i rezystywności kanału. W rezultacie prąd drenu będzie prawie stały w szerokim zakresie temperatur.

Punkt pracy, w którym zmiana natężenia przepływu wraz ze zmianą temperatury ma minimalna wartość, nazywany jest punktem termostabilnym. Jego przybliżoną pozycję można znaleźć z równania

Z (2.78) widać, że przy znacznej stromości charakterystyki w punkcie stabilnym termicznie jest niewielka i można uzyskać znacznie mniejsze wzmocnienie z tranzystora niż przy pracy z niskim napięciem.

Ryż. 2.40. Włączenie tranzystora polowego do obwodów: a - ze wspólnym źródłem; b - ze wspólnym odpływem

Nowoczesne tranzystory polowe wykonane na bazie krzemu działają do temperatury 120-150 C. Ich włączenie do obwodów stopni wzmacniających ze wspólnym źródłem i wspólnym drenem pokazano na ryc. 2,40,a,b. Stałe napięcie zapewnia określoną wartość rezystancji kanału i określony prąd drenu. Po przyłożeniu wzmocnionego napięcia wejściowego zmienia się potencjał bramki i odpowiednio zmieniają się prądy drenu i źródła, a także spadek napięcia na rezystorze R.

Przyrost spadku napięcia na rezystorze R przy dużej wartości jest znacznie większy niż przyrosty napięcia wejściowego. To wzmacnia sygnał. Ze względu na niską powszechność nie jest pokazywane włączanie ze wspólną migawką. Po zmianie rodzaju przewodności elektrycznej kanału zmienia się tylko polaryzacja przyłożonych napięć i kierunek prądów, w tym w obwodach równoważnych.

Głównymi zaletami tranzystorów polowych ze złączem kontrolnym p-n nad bipolarnymi są wysoka rezystancja wejściowa, niski poziom szumów, łatwość wykonania i brak napięcia resztkowego w stanie otwartym między źródłem a drenem otwartego tranzystora.

Tranzystory MIS mogą być dwojakiego rodzaju: tranzystory z wbudowanymi kanałami (kanał jest tworzony podczas produkcji) i tranzystory z kanałami indukowanymi (kanał pojawia się pod działaniem napięcia przyłożonego do elektrod sterujących).

Tranzystory pierwszego typu mogą pracować zarówno w trybie wyczerpywania kanału z nośnikami ładunku, jak iw trybie wzbogacania. Tranzystory drugiego typu mogą być używane tylko w trybie wzbogacania. W tranzystorach MIS, w przeciwieństwie do tranzystorów ze złączem sterującym p-n, metalowa bramka jest izolowana od półprzewodnika warstwą dielektryczną i istnieje dodatkowe wyjście z kryształu, na którym wykonane jest urządzenie (ryc. 2.41), zwane podłożem.

Ryż. 2.41. Struktury tranzystora MIS: a - tranzystor planarny z kanałem indukowanym. b - tranzystor planarny z wbudowanym kanałem; , tranzystor - i .

Ryż. 2.42. Rozkład nośników ładunku w warstwie powierzchniowej

Napięcie sterujące może być przyłożone zarówno pomiędzy bramką a podłożem oraz niezależnie do podłoża i bramki. Pod wpływem powstałego pola elektrycznego kanał typu - pojawia się w pobliżu powierzchni półprzewodnika z powodu odpychania elektronów z powierzchni w głąb półprzewodnika w tranzystorze z kanałem indukowanym. W tranzystorze z wbudowanym kanałem istniejący kanał jest rozszerzany lub zwężany. Zmiana napięcia sterującego zmienia szerokość kanału i odpowiednio rezystancję i prąd tranzystora.

Istotną zaletą tranzystorów MIS jest ich wysoka rezystancja wejściowa, osiągająca wartości Ohm (dla tranzystorów ze złączem sterującym Ohm).

Rozważmy bardziej szczegółowo działanie tranzystora MIS z indukowanym kanałem. Niech jak materiał źródłowy Tranzystor wykorzystuje krzem o przewodności elektrycznej typu. Rolę warstewki dielektrycznej pełni dwutlenek krzemu. W przypadku braku polaryzacji warstwa przypowierzchniowa półprzewodnika jest zwykle wzbogacona w elektrony (ryc. 2.42, a). Tłumaczy się to obecnością dodatnio naładowanych jonów w warstwie dielektrycznej, co jest konsekwencją wcześniejszego utleniania krzemu i jego obróbki fotolitograficznej, a także obecnością pułapek na granicy faz. Przypomnijmy, że pułapki to zestaw poziomów energetycznych zlokalizowanych głęboko w przerwie energetycznej, blisko jej środka.

Gdy do bramki zostanie przyłożone napięcie ujemne, elektrony warstwy przypowierzchniowej są odpychane w głąb półprzewodnika, a otwory przesuwają się w kierunku powierzchni. Warstwa powierzchniowa przejmuje przewodność elektryczną otworu (ryc. 2.42, b). Pojawia się w nim cienka odwrócona warstwa łącząca odpływ ze źródłem. Ta warstwa pełni rolę kanału. Jeśli między źródłem a odpływem zostanie przyłożone napięcie, to otwory poruszające się wzdłuż kanału tworzą prąd odpływowy. Zmieniając napięcie bramki, można rozszerzyć lub zwęzić kanał, a tym samym zwiększyć lub zmniejszyć prąd drenu.

Napięcie bramki, przy którym kanał jest indukowany, nazywa się napięciem progowym. Ponieważ kanał pojawia się stopniowo, wraz ze wzrostem napięcia bramki, w celu wyeliminowania niejednoznaczności w jego definicji, zwykle ustala się pewną wartość prądu drenu, powyżej której uważa się, że potencjał bramki osiągnął napięcie progowe.

Wraz ze wzrostem odległości od powierzchni półprzewodnika zmniejsza się koncentracja indukowanych dziur. W odległości w przybliżeniu równej grubości kanału przewodność elektryczna staje się samoistna. Następnie pojawia się sekcja pozbawiona głównych nośników ładunku (-przejście). Dzięki niemu odpływ, źródło i kanał są odizolowane od podłoża; - złącze jest spolaryzowane przez przyłożone napięcie w przeciwnym kierunku. Oczywiście jego szerokość i szerokość kanału można zmienić, podając do podłoża dodatkowe napięcie względem elektrod drenu i źródła tranzystora. Dlatego prąd drenu można kontrolować nie tylko poprzez zmianę napięcia bramki, ale także poprzez zmianę napięcia podłoża. W tym przypadku sterowanie tranzystorem MOS jest podobne do sterowania tranzystorem polowym ze złączem sterującym. Aby utworzyć kanał, napięcie większe niż .

Grubość warstwy odwróconej jest znacznie mniejsza niż grubość warstwy zubożonej. Jeśli ta ostatnia wynosi setki - tysiące nm, to grubość indukowanego kanału wynosi tylko 1-5 nm. Innymi słowy, otwory indukowanego kanału są „dociskane” do powierzchni półprzewodnika, dlatego struktura i właściwości interfejsu półprzewodnik-izolator odgrywają bardzo ważną rolę w tranzystorach MIS.

Otwory tworzące kanał wchodzą do niego nie tylko z podłoża typu, gdzie jest ich niewiele i są generowane stosunkowo wolno, ale także z warstw typu źródłowego i drenażowego, gdzie ich koncentracja jest praktycznie nieograniczona, oraz natężenie pola w pobliżu tych elektrod jest dość wysokie.

W tranzystorach z wbudowanym kanałem prąd w obwodzie drenu będzie również płynął przy zerowym napięciu bramki. Aby go zatrzymać, konieczne jest doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia (w przypadku struktury kanału typu) równego lub więcej napięcia odcięcia . W takim przypadku dziury z warstwy odwrotnej zostaną prawie całkowicie wciśnięte w głębokość półprzewodnika i kanał zniknie. Po przyłożeniu napięcia ujemnego kanał rozszerza się, a prąd wzrasta. W ten sposób. Tranzystory MOS z wbudowanymi kanałami działają zarówno w trybie zubożenia, jak i wzbogacenia.

Ryż. 2.43. Struktura tranzystora MIS ze zmienioną szerokością kanału podczas przepływu prądu (a); jego charakterystyka wyjściowa z kanałami indukowanymi (b) i wbudowanymi (c): I obszar stromy; II - obszar płaski lub obszar nasycenia; III - strefa awarii; 1 - warstwa obiadowa

Podobnie jak tranzystory polowe ze złączem sterującym, tranzystory MIS przy niskich napięciach (w obszarze ryc. 2.43, b, c) zachowują się jak linearyzowana kontrolowana rezystancja. Wraz ze wzrostem napięcia szerokość kanału zmniejsza się z powodu spadku napięcia na nim i zmiany wynikowego pola elektrycznego. Jest to szczególnie widoczne w tej części kanału, która znajduje się w pobliżu odpływu (ryc. 2.43, a). Spadki napięcia wytworzone przez prąd prowadzą do nierównomiernego rozkładu natężenia pola elektrycznego wzdłuż kanału, które wzrasta w miarę zbliżania się do drenu. Pod napięciem kanał w pobliżu drenu staje się tak wąski, że pojawia się równowaga dynamiczna, gdy wzrost napięcia powoduje zmniejszenie szerokości kanału i wzrost jego rezystancji. W rezultacie prąd zmienia się nieznacznie wraz z dalszym wzrostem napięcia. Te procesy zmiany szerokości kanału w zależności od napięcia są takie same jak w przypadku tranzystorów polowych ze złączem sterującym p-n.

Charakterystyki wyjściowe tranzystorów MIS są podobne do charakterystyk tranzystorów polowych z kontrolą (ryc. 2.43, b, c). Można je podzielić na strome i płaskie regiony, a także region awarii. W stromym obszarze tranzystor MIS może działać jako rezystancja sterowana elektrycznie. Płaski obszar II jest zwykle używany do budowy kaskad wzmacniających. Przybliżenia analityczne charakterystyka woltamperowa Tranzystory MIS nie są zbyt wygodne i są rzadko stosowane w praktyce inżynierskiej. Aby uzyskać przybliżone oszacowanie prądu drenu w obszarze nasycenia, możesz użyć równania

Dla tranzystorów z wbudowanym kanałem można zastosować równania (2.79), jeśli wymienimy i uwzględnimy znaki napięć i.. Charakteryzują one parametry tranzystora polowego, który dla danego trybu pomiaru jest reprezentowany przez równoważny obwód na ryc. 2.44, e. Gorzej oddaje cechy tranzystora, ale jego parametry są znane lub można je łatwo zmierzyć (pojemność wejściowa, poprzez pojemność, pojemność wyjściowa).

Równanie operatorowe na zbocze charakterystyk tranzystorów MOS ma taką samą postać jak dla tranzystorów polowych z sygnałem sterującym.W tym przypadku stała czasowa wynosi . W typowym przypadku, przy długości kanału 5 μm, częstotliwość graniczna, przy której nachylenie charakterystyki zmniejsza się o współczynnik 0,7, mieści się w zakresie kilkuset megaherców.

Zależność temperaturowa napięcia progowego i napięcia odcięcia wynika ze zmiany położenia poziomu Fermiego, zmiany ładunku przestrzennego w obszarze zubożenia oraz wpływu temperatury na wartość ładunku w dielektryku. Tranzystory MOS mają również stabilny termicznie punkt pracy, w którym na prąd drenu ma niewielki wpływ temperatura. Na różne tranzystory wartość prądu drenu w punkcie termostabilnym mieści się w zakresie . Ważną zaletą tranzystorów MIS nad bipolarnymi jest niski spadek napięcia na nich podczas przełączania małych sygnałów. Tak więc, jeśli w tranzystorach bipolarnych w trybie nasycenia napięcie

Zmniejszając się, można go zredukować do wartości zmierzającej do zera. Ponieważ tranzystory MIS z dielektrykiem dwutlenku krzemu są szeroko stosowane, będziemy je dalej nazywać tranzystorami MOS.

Obecnie przemysł produkuje również tranzystory MOSFET z dwiema izolowanymi bramkami (tetrodą). Obecność drugiej bramki pozwala na jednoczesne sterowanie prądem tranzystora za pomocą dwóch napięć sterujących, co ułatwia budowę różnych urządzeń wzmacniających i powielających. Ich charakterystyki są podobne do charakterystyk tranzystorów polowych z pojedynczą bramką, tylko ich liczba jest większa, ponieważ są one zbudowane dla napięcia każdej bramki przy stałym napięciu na drugiej bramce. W związku z tym rozróżnia się nachylenie charakterystyki dla pierwszej i drugiej bramki, napięcie odcięcia pierwszej i drugiej bramki itd. Podanie napięcia na bramkę nie różni się od podania napięcia na bramkę jednobramkowego tranzystora MOSFET.

Musi przekroczyć próg. W przeciwnym razie kanał się nie pojawi, a tranzystor zostanie zablokowany.

Tranzystory polowe to urządzenia półprzewodnikowe. Ich cechą jest to, że prąd wyjściowy jest sterowany przez pole elektryczne i napięcie o jednej biegunowości. Sygnał sterujący jest podawany do bramki i reguluje przewodność złącza tranzystora. Tym różnią się od tranzystorów bipolarnych, w których możliwy jest sygnał o innej polaryzacji. Inną charakterystyczną właściwością tranzystora polowego jest tworzenie prądu elektrycznego przez główne nośniki o tej samej polaryzacji.

Odmiany

Istnieje wiele różnych typów tranzystorów polowych, działających z własnymi charakterystykami.

• typ przewodzenia. Od tego zależy biegunowość napięcia sterującego.
• Struktura: dyfuzyjna, stopowa, MIS, bariera Schottky'ego.
• Liczba elektrod: są tranzystory z 3 lub 4 elektrodami. W wersji z 4 elektrodami podłoże stanowi oddzielną część, co umożliwia kontrolę przepływu prądu przez złącze.
• Materiał do produkcji: najpopularniejsze stały się urządzenia na bazie germanu, krzemu. W oznaczeniu tranzystora litera oznacza materiał półprzewodnika. W tranzystorach produkowanych na sprzęt wojskowy materiał jest oznaczony cyframi.
• Rodzaj aplikacji: wskazany w książkach referencyjnych, nie wskazany na etykiecie. W praktyce znanych jest pięć grup pracowników terenowych: we wzmacniaczach niskich i wysokich częstotliwości, jak klucze elektroniczne, modulatory, wzmacniacze prądu stałego.
• Zakres parametrów operacyjnych: Zbiór danych, w obrębie których mogą działać pracownicy terenowi.
• Cechy urządzenia: unitrony, gridistory, alkatrony. Wszystkie urządzenia mają swoje własne charakterystyczne dane.
• Liczba elementów konstrukcyjnych: komplementarne, bliźniacze itp.

Oprócz głównej klasyfikacji „pracowników terenowych” istnieje specjalna klasyfikacja, która ma zasadę działania:

• FET z przejście p-n to zarządza.
• Tranzystory polowe z barierą Schottky'ego.
• „Pracownicy terenowi” z izolowaną żaluzją, którzy są podzieleni:
  - z przejściem indukcyjnym;
  - z wbudowanym przejściem.

W literaturze naukowej zaproponowano klasyfikację pomocniczą. Mówi, że półprzewodnik oparty na barierze Schottky'ego musi być przypisany do oddzielnej klasy, ponieważ jest to osobna struktura. Ten sam tranzystor może zawierać jednocześnie tlenek i dielektryk, jak w tranzystorze KP 305. Takie metody są wykorzystywane do kształtowania nowych właściwości półprzewodnika lub obniżenia ich kosztów.

Na schematach pracownicy terenowi mają oznaczenia zacisków: G - brama, D - dren, S - źródło. Podłoże tranzystora nazywane jest „podłożem”.

Cechy konstrukcyjne

Elektroda sterująca tranzystora polowego w elektronice nazywana jest bramką. Jego przejście odbywa się z półprzewodnika o dowolnym rodzaju przewodności. Biegunowość napięcia sterującego może mieć dowolny znak. Pole elektryczne o określonej polaryzacji uwalnia wolne elektrony, dopóki w złączu nie wyczerpią się wolne elektrony. Osiąga się to poprzez przyłożenie pola elektrycznego do półprzewodnika, po czym aktualna wartość zbliża się do zera. Jest to działanie tranzystora polowego.

Prąd elektryczny płynie ze źródła do odpływu. Przeanalizujmy różnice między tymi dwoma zaciskami tranzystora. Kierunek elektronów nie ma znaczenia. Tranzystory polowe mają właściwość odwracalności. W inżynierii radiowej popularność zyskały tranzystory polowe, ponieważ nie wytwarzają szumów z powodu jednobiegunowości nośników ładunku.

Główną cechą tranzystorów polowych jest znaczna rezystancja wejściowa. Jest to szczególnie widoczne w prąd przemienny. Ta sytuacja jest uzyskiwana dzięki sterowaniu przez odwrotne przejście Schottky'ego z pewnym obciążeniem lub przez pojemność kondensatora w pobliżu bramki.

Materiałem podłoża jest niedomieszkowany półprzewodnik. W przypadku „pracowników terenowych” z przejściem Schottky'ego zamiast podłoża kładzie się arsenek galu, który w czystej postaci jest dobrym izolatorem.

W praktyce trudno jest stworzyć warstwę strukturalną o złożonym składzie spełniającym niezbędne warunki. Dlatego dodatkowym wymaganiem jest możliwość powolnego nadbudowywania podłoża do pożądanego rozmiaru.

Tranzystory polowe z p-nprzemiana

W takiej konstrukcji rodzaj przewodzenia bramki różni się od tego w złączu. W praktyce stosuje się różne ulepszenia. Roleta może być wykonana z kilku obszarów. W rezultacie najmniejsze napięcie może kontrolować przepływ prądu, co zwiększa wzmocnienie.

Używany w różnych schematach odwrotny widok przesunięcie przesunięcia. Im większe przesunięcie, tym mniejsza szerokość przejścia dla przepływu prądu. Przy określonej wartości napięcia tranzystor zamyka się. Stosowanie polaryzacji w przód nie jest zalecane, ponieważ obwód napędowy dużej mocy może wpływać na bramkę. Podczas otwartego przejścia przepływa znaczny prąd lub zwiększone napięcie. Praca w trybie normalnym jest tworzona przez właściwy wybór bieguny i inne właściwości źródła zasilania, a także dobór punktu pracy tranzystora.

W wielu przypadkach stosuje się specjalnie prądy bramkowe. Ten tryb może być również używany przez tranzystory, w których podłoże tworzy złącze wpisz p-n. Ładunek ze źródła dzieli się na dren i bramę. Istnieje obszar o dużym współczynniku wzmocnienia prądu. Ten tryb jest sterowany migawką. Jednak wraz ze wzrostem prądu parametry te gwałtownie spadają.

Podobne połączenie jest używane w obwodzie detektora bramki częstotliwości. Stosuje właściwości prostowania przejść między kanałami i bramkami. W tym przypadku przesunięcie w przód wynosi zero. Tranzystor jest również napędzany prądem bramki. W obwodzie spustowym generowane jest duże wzmocnienie sygnału. Napięcie na bramce zmienia się zgodnie z prawem wejścia i blokuje bramkę.

Napięcie w obwodzie spustowym ma następujące elementy:

• Stały. Nie dotyczy.
• Sygnał nośny. Odprowadzane do ziemi za pomocą filtrów.
• Sygnał częstotliwości modulacji. jest przetwarzany w celu uzyskania od niego informacji .

Jako wadę detektora migawki wskazane jest wyróżnienie znacznego współczynnika zniekształceń. Wyniki dla niego są negatywne dla silnych i słabe sygnały. Nieco lepszy wynik pokazuje detektor fazy wykonany na tranzystorze z dwiema bramkami. Sygnał odniesienia jest podawany na jedną z elektrod sterujących, a sygnał informacyjny, wzmacniany przez pracownika terenowego, pojawia się na odpływie.

Mimo znacznego zniekształcenia efekt ten ma swój cel. We wzmacniaczach selektywnych, które przepuszczają pewną dawkę określonego widma częstotliwości. Wibracje harmoniczne są filtrowane i nie wpływają na jakość programu.

Tranzystory MeP, czyli metal-półprzewodnik, ze złączem Schottky'ego praktycznie nie różnią się od tranzystorów ze złączem p-n. Ponieważ złącze MeN ma specjalne właściwości, tranzystory te mogą pracować ze zwiększoną częstotliwością. Ponadto struktura MeP jest łatwa w produkcji. Charakterystyki częstotliwościowe zależą od czasu ładowania elementu bramki.

Tranzystory MIS

Baza elementów półprzewodnikowych stale się powiększa. Każdy nowy rozwój się zmienia systemy elektroniczne. Na ich podstawie pojawiają się nowe instrumenty i urządzenia. Tranzystor MOS działa poprzez zmianę przewodności warstwy półprzewodnikowej za pomocą pola elektrycznego. Stąd wzięła się nazwa - pole.

Oznaczenie MIS oznacza metal-izolator-półprzewodnik. Daje to opis składu urządzenia. Bramka jest izolowana od źródła i odpływu cienkim dielektrykiem. Tranzystor MIS nowoczesnego typu ma bramkę o rozmiarze 0,6 mikrona, przez którą może przepływać tylko pole elektromagnetyczne. Wpływa na stan półprzewodnika.

Gdy na bramce pojawia się pożądany potencjał, powstaje pole elektromagnetyczne, które wpływa na rezystancję sekcji dren-źródło.

Zaletami takiego zastosowania urządzenia są:

• Zwiększona rezystancja wejściowa urządzenia. Ta właściwość ma zastosowanie w obwodach niskoprądowych.
• Mała pojemność sekcji dren-źródło umożliwia zastosowanie tranzystora MIS w urządzeniach o wysokiej częstotliwości. Podczas transmisji sygnału nie obserwuje się zniekształceń.
• Postępy w nowych technologiach wytwarzania półprzewodników doprowadziły do ​​opracowania tranzystorów IGBT, które obejmują: pozytywne punkty urządzenia bipolarne i polowe. Oparte na nich moduły mocy znajdują szerokie zastosowanie w softstartach i przetwornicach częstotliwości.

Przy opracowywaniu takich elementów należy wziąć pod uwagę, że tranzystory MIS są bardziej wrażliwe na wysokie napięcie i elektryczność statyczną. Tranzystor może się przepalić, jeśli dotkniesz jego pinów sterujących. Dlatego podczas ich instalowania konieczne jest zastosowanie specjalnego uziemienia.

Te tranzystory polowe mają wiele unikalnych właściwości (na przykład sterowanie polem elektrycznym), dlatego są popularne w sprzęcie elektronicznym. Należy również zauważyć, że technologia wytwarzania tranzystorów jest stale aktualizowana.

Tranzystor polowy to elektryczne urządzenie półprzewodnikowe, którego prąd wyjściowy jest kontrolowany przez pole, a więc napięcie, o tym samym znaku. Sygnał kształtujący podawany jest na bramkę, reguluje przewodność kanału typu n lub p. W przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych, gdzie sygnał ma zmienną polaryzację. Drugim znakiem jest tworzenie prądu wyłącznie przez głównych przewoźników (tego samego znaku).

Klasyfikacja tranzystorów polowych

Zacznijmy od klasyfikacji. Istnieje wiele rodzajów tranzystorów polowych, z których każdy działa zgodnie z algorytmem:

Oprócz klasyfikacji generalnej wynaleziono klasyfikację specjalistyczną, która określa zasady pracy. Wyróżnić:

1. Tranzystory polowe ze złączem sterującym p-n.
2. Tranzystory polowe z barierą Schottky'ego.
3. Izolowane tranzystory polowe z bramką:

• Z wbudowanym kanałem.
• Z kanałem indukowanym.

W literaturze struktury są dodatkowo uporządkowane w następujący sposób: niewłaściwe jest używanie oznaczenia MOS, struktury oparte na tlenkach są uważane za szczególny przypadek MIS (metal, izolator, półprzewodnik). Barierę Schottky'ego (MeB) należy wyodrębnić osobno, ponieważ jest to inna struktura. Przypomina właściwości p-n-skrzyżowanie. Dodajmy, że strukturalnie w skład tranzystora może jednocześnie wejść dielektryk (azotek krzemu), tlenek (krzem czterowartościowy), jak to miało miejsce w przypadku KP305. Taki rozwiązania techniczne używany przez ludzi szukanie metod uzyskanie unikalnych właściwości produktu, obniżenie kosztów.

Wśród obcych skrótów dla tranzystorów polowych zarezerwowana jest kombinacja FET, czasami oznacza ona rodzaj sterowania - ze złączem p-n. W tym drugim przypadku wraz z tym spotkamy JFET. Słowa-synonimy. Za granicą zwyczajowo oddziela się tranzystory polowe tlenkowe (MOSFET, MOS, MOST - synonimy), azotkowe (MNS, MNSFET). Obecność bariery Schottky'ego jest oznaczona jako SBGT. Podobno materialne znaczenie, literatura krajowa, sens faktu zostaje wyciszony.

Elektrody tranzystorów polowych na schematach są wskazane: D (dren) - dren, S (źródło) - źródło, G (bramka) - bramka. Podłoże nazywa się podłożem.

Urządzenie FET

Elektroda sterująca tranzystora polowego nazywana jest bramką. Kanał jest utworzony przez półprzewodnik o dowolnym typie przewodnictwa. W związku z tym polaryzacja napięcia sterującego jest dodatnia lub ujemna. Pole odpowiedniego znaku przemieszcza swobodne nośniki, aż przesmyk pod elektrodą bramki będzie całkowicie pusty. Osiąga się to poprzez wystawienie pola na działanie złącza p-n lub jednorodnego półprzewodnika. Prąd staje się zerowy. Tak działa tranzystor polowy.

Prąd płynie ze źródła do drenu, początkujących tradycyjnie dręczy pytanie o rozróżnienie dwóch wskazanych elektrod. Nie ma różnicy, w jakim kierunku poruszają się ładunki. Tranzystor polowy jest odwracalny. Jednobiegunowość nośników ładunku wyjaśnia niski poziom szumów. Dlatego tranzystory polowe zajmują dominującą pozycję w technologii.

Kluczową cechą urządzeń jest duża rezystancja wejściowa, zwłaszcza na prąd przemienny. Oczywisty fakt wynikający ze sterowania zaporowo spolaryzowanym złączem p-n (złącze Schottky'ego) lub pojemnością kondensatora technologicznego w obszarze izolowanej bramki.

Podłoże jest często faworyzowane przez niedomieszkowany półprzewodnik. Do tranzystorów polowych z bramką Schottky'ego - arsenek galu. W czystej postaci dobry izolator, któremu w ramach produktu stawiane są następujące wymagania:

Trudno jest stworzyć znaczną grubość warstwy, która spełnia listę warunków. Dlatego dodaje się piąty wymóg, który polega na możliwości stopniowego nadbudowywania podłoża do wymaganych wymiarów.

Tranzystory polowe ze złączem sterującym p-n i MeP

W tym przypadku rodzaj przewodności materiału bramki różni się od tego stosowanego przez kanał. W praktyce znajdziesz różne ulepszenia. Roleta składa się z pięciu obszarów zagłębionych w kanale. Niższe napięcie może kontrolować przepływ prądu. Znaczenie przyrostu wzrostu.

tranzystor bipolarny

Obwody wykorzystują odwrotną polaryzację złącza p-n, im silniejszy, tym węższy kanał, w którym przepływa prąd. Przy określonej wartości napięcia tranzystor jest zablokowany. Odchylenie w przód jest niebezpieczne w użyciu, ponieważ potężny obwód sterowany może wpływać na obwód bramki. Jeśli złącze jest otwarte, popłynie duży prąd lub a Wysokie napięcie. Zapewniony tryb normalny właściwy wybór polaryzacja i inne cechy zasilacza, wybór punktu pracy tranzystora.

Jednak w niektórych przypadkach celowo stosuje się bezpośrednie prądy bramkowe. Warto zauważyć, że ten tryb może być używany przez te tranzystory MIS, w których podłoże tworzy złącze p-n z kanałem. Ruchomy ładunek źródła jest dzielony między bramę a dren. Możesz znaleźć region, w którym uzyskuje się znaczne wzmocnienie prądu. Tryb migawki jest kontrolowany. Wraz ze wzrostem prądu iz (do 100 μA) parametry obwodu gwałtownie się pogarszają.

Podobne włączenie wykorzystuje obwód tak zwanego detektora częstotliwości bramki. Projekt wykorzystuje właściwości prostownika złącza p-n między bramką a kanałem. Odchylenie w przód jest małe lub całkowicie zerowe. Urządzenie jest nadal sterowane prądem bramki. W obwodzie drenu uzyskuje się znaczne wzmocnienie sygnału. Wyprostowane napięcie dla bramki blokuje się, zmienia się zgodnie z prawem wejściowym. Wzmocnienie sygnału jest osiągane jednocześnie z detekcją. Napięcie obwodu spustowego zawiera następujące elementy:

• stały składnik. W ogóle nie używany.
• Sygnał częstotliwości nośnej. Jest sprowadzany na ziemię za pomocą zbiorników filtrujących.
• Sygnał o częstotliwości sygnału modulującego. Przetwarzane w celu wyodrębnienia osadzonych informacji.

Za wadę detektora częstotliwości bramkowej uważa się duży współczynnik zniekształceń nieliniowych. Ponadto wyniki są równie złe dla sygnałów słabych (kwadratowa zależność charakterystyki pracy) jak i silnych (wyjście do trybu odcięcia). Nieco lepiej pokazuje detektor fazy na tranzystorze z podwójną bramką. Do jednej elektrody sterującej podawany jest sygnał odniesienia, a na drenie tworzony jest komponent informacyjny, wzmacniany przez tranzystor polowy.

Pomimo dużych zniekształceń liniowych efekt znajduje zastosowanie. Na przykład w selektywnych wzmacniaczach mocy, dozowane przechodzące w wąskim spektrum częstotliwości. Harmoniczne są odfiltrowywane i nie mają większego wpływu na ogólną wydajność obwodu.

Tranzystory z metalowymi półprzewodnikami (MeS) z barierą Schottky'ego prawie nie różnią się od tych ze złączem p-n. Przynajmniej jeśli chodzi o zasady działania. Ale ze względu na szczególne właściwości przejścia metal-półprzewodnik, produkty mogą pracować ze zwiększoną częstotliwością (dziesiątki GHz, częstotliwości odcięcia w zakresie 100 GHz). Jednocześnie struktura MeP jest łatwiejsza do wdrożenia, jeśli chodzi o procesy produkcyjne i technologiczne. Charakterystyka częstotliwości są określane przez czas ładowania bramki i mobilność nośnika (dla GaAs powyżej 10 000 cm2 / V s).

Tranzystory MIS

W konstrukcjach MIS bramka jest niezawodnie odizolowana od kanału, a sterowanie odbywa się w całości dzięki działaniu pola. Izolację wykonuje się za pomocą tlenku lub azotku krzemu. To właśnie te powłoki są łatwiejsze do nałożenia na powierzchnię kryształu. Warto zauważyć, że w tym przypadku występują również złącza metal-półprzewodnik w obszarach źródła i drenu, jak w każdym tranzystorze polarnym. Wielu autorów zapomina o tym fakcie lub wspomina o tym mimochodem, używając tajemniczej frazy kontakty omowe.

W temacie dotyczącym diody Schottky'ego postawiono to pytanie. Na styku metalu i półprzewodnika nie zawsze pojawia się bariera. W niektórych przypadkach kontakt jest omowy. Zależy to w większości od cech obróbki technologicznej i wymiarów geometrycznych. Specyfikacje rzeczywiste urządzenia silnie zależą od różnych defektów warstwy tlenkowej (azotkowej). Oto niektóre:

1. Niedoskonałość sieci krystalicznej w obszarze powierzchni wynika z przerwanych wiązań na granicy zmiany materiałów. Wpływ wywierają zarówno wolne atomy półprzewodnika, jak i zanieczyszczenia, takie jak tlen, który i tak jest obecny. Na przykład podczas korzystania z metod epitaksji. W rezultacie pojawiają się poziomy energii, które leżą głęboko w przerwie wzbronionej.
2. Na granicy między tlenkiem a półprzewodnikiem (grubość 3 nm) powstaje nadmiar ładunku, którego natura nie została jeszcze wyjaśniona. Przypuszczalnie pozytywne wakaty(dziury) wadliwych atomów samego półprzewodnika i tlenu.
3. Dryf zjonizowanych atomów sodu, potasu i innych metali alkalicznych zachodzi przy niskich napięciach na elektrodzie. Zwiększa to ładunek nagromadzony na granicy warstwy. Aby zablokować ten efekt w tlenku krzemu, stosuje się tlenek fosforu (bezwodnik).

FET Nazywa się półprzewodnikowe urządzenie wzmacniające, którego rezystancja może się zmieniać pod wpływem pola elektrycznego. Zmianę rezystancji uzyskuje się poprzez zmianę rezystywności elektrycznej warstwy półprzewodnika lub poprzez zmianę objętości półprzewodnika, przez który przepływa prąd elektryczny.

Tranzystory polowe wykorzystują różne efekty, takie jak zmiana głośności R-P- przejście, gdy zmienia się działające na niego napięcie blokujące; efekty zubożenia, wzbogacenia nośnikami ładunku lub odwrócenia typu przewodzenia w przypowierzchniowej warstwie półprzewodnika. FET są czasami określane jako jednobiegunowy, ponieważ przepływający przez nie prąd jest spowodowany nośnikami tylko jednego znaku. Tranzystory polowe są również nazywane kanał tranzystorów, ponieważ pole elektryczne sterujące pracą tranzystora stosunkowo płytko wnika w półprzewodnik, a wszystkie procesy zachodzą w cienkiej warstwie zwanej kanał.

Obwód sterujący tranzystora polowego praktycznie nie pobiera prądu i mocy. Umożliwia to wzmacnianie sygnałów ze źródeł o bardzo dużej rezystancji wewnętrznej i małej mocy. Ponadto umożliwia to umieszczenie setek tysięcy tranzystorów na jednym chipie mikroukładu.

Tranzystory polowe ze złączem sterującym pn

Tranzystor polowy może być wykonany w postaci płytki półprzewodnikowej (z P- lub R-przewodnictwo), na jednej z powierzchni której wtopiona jest warstwa metalu, zwana migawka, tworząc mieszkanie r-p-przejście (rys. 5.1). Wyprowadzenia są przymocowane do dolnych i górnych końców płytki, odpowiednio zwanych źródło oraz odpływ. Jeśli do bramki zostanie przyłożone napięcie blokujące (dodatnie do P-migawka i negatyw włączone R-przesłona), następnie w zależności od jej wartości w kanale ( r-p-transition), pojawia się warstwa zubożona w nośniki ładunku, która jest praktycznie izolatorem.

Zmieniając napięcie bramki od zera do pewnego wystarczająco dużego napięcia, zwanego napięcie odcięcia (wyłączanie napięcia, lub próg napięcia, patrz rys. 5.6), możliwe jest rozszerzenie objętości półprzewodnika zajmowanego przez r-p-przejście, że zajmie cały kanał, a ruch nośników ładunku między źródłem a drenem stanie się niemożliwy. Tranzystor całkowicie się zamknie (ryc. 5.2).

W przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych sterowanych prądem, tranzystory FET są sterowane napięciem, a ponieważ to napięcie jest przykładane do sterowania r-p- przejście w odwrotnej (blokującej) polaryzacji, wówczas prąd w obwodzie sterującym praktycznie nie płynie (przy napięciu 5 V prąd sterujący nie przekracza 10 -10 A).

Izolowane tranzystory polowe z bramką

tranzystory polowe z kanałem indukowanym

Na ryc. 5.3 pokazuje tranzystor polowy z izolowaną bramką o nazwie Tranzystor MIS. Nazwa ta wynika z konstrukcji: bramka wykonana jest z metalu (M) i jest oddzielona cienką warstwą dielektryka (D) od półprzewodnika (P), z którego wykonany jest tranzystor. Jeśli tranzystor jest wykonany z krzemu, jako dielektryk stosuje się cienką warstwę tlenku krzemu. W takim przypadku nazwa zostaje zmieniona na MOSFET(półprzewodnik z tlenkiem metalu).

Pokazano na ryc. 5.3 po lewej, tranzystor wykonany jest na podstawie płytki ( podłoża, lub fusy) z krzemu z R-przewodność. Na powierzchni płyty dwa regiony z P-przewodnictwo (źródło i odpływ), oddzielone obszarem P- kanał mający przewagę R-przewodność. W rezultacie, gdy napięcie jest przyłożone do tranzystora, prąd nie będzie płynął między źródłem a drenem, ponieważ złącza dren-baza i źródło-baza tworzą dwa tył do siebie r-p- przejście, z których jedno zostanie zamknięte przy dowolnej polaryzacji przyłożonego napięcia.

Jeśli jednak warstwa powierzchniowa R-półprzewodnik do działania z wystarczająco silnym polem elektrycznym poprzez przyłożenie napięcia o dodatniej polaryzacji między bramką a podstawą, wtedy prąd zacznie płynąć między źródłem a drenem. Tłumaczy się to tym, że z powierzchniowej warstwy półprzewodnika znajdującej się pod bramką, otwory będą odpychane przez pole elektryczne i elektrony będą zbierane, tworząc kanał (z P-przewodność pokazana na ryc. 5.3 linią przerywaną), w wyniku czego r-p- połączenia źródło-kanał i kanał-źródło przestaną istnieć. Przewodność P- Kanał będzie tym większy, im większe napięcie przyłożone między bramką a podstawą.

Nazywa się tranzystor rozważanego projektu Tranzystor MIS z kanałem indukowanym.

Podstawa jest zwykle podłączona do źródła, ale czasami napięcie jest do niej przykładane osobno i wtedy podstawa działa jak dodatkowa bramka.

Jeśli podstawa jest wykonana z P-krzem, źródło i drenaż tworzą silnie domieszkowane regiony z R- przewodności, a jako izolator stosuje się tlenek krzemu Indukowany p-kanałowy MOSFET(z przewodnictwem R) (rys. 5.3 po prawej).

tranzystory polowe z wbudowanym kanałem

MOSFETy mogą być wykonane z wbudowanym kanałem. Na przykład na ryc. 5.4 po lewej to schemat urządzenia takiego tranzystora z P-kanał. Podstawa wykonana jest z R-krzem, a źródło i odpływ mają P-przewodnictwo i otrzymywane metodą dyfuzyjną. Źródło i odpływ są połączone stosunkowo cienkim kanałem z niewielką ilością R- przewodność.

Jeśli podstawa jest wykonana z P-krzem, źródło i odpływ - z R-krzem, to tranzystor ma wbudowany kanał p (rys. 5.4 po prawej) .

praca P-kanałowy MOSFET można wyjaśnić w następujący sposób. Jeżeli do bramki zostanie przyłożone napięcie ujemne (względem bazy), to elektrony przewodzące są przemieszczane z P-kanał do podstawy, a przewodność kanału maleje, aż do całkowitego wyczerpania i zablokowania kanału .

Gdy do bramki zostanie przyłożone napięcie dodatnie P-kanał jest wzbogacony w elektrony, a jego przewodnictwo wzrasta (rys.5.6).

Klasyfikacja i charakterystyka tranzystorów polowych

Tranzystory polowe są typu zubożonego i wzbogaconego. Te pierwsze obejmują wszystkie tranzystory z r‑p-przejście i P-kanałowy typ MOSFET-ów wyczerpany. Wzbogacone tranzystory MOSFET są dostępne jako P- kanał, i R-kanał (rys. 5.5).

Tranzystory typu wzbogaconego i zubożonego różnią się tylko wartością tzw próg napięcia, uzyskany przez ekstrapolację prostoliniowego przekroju charakterystyki (rys. 5.6.).

charakterystyka wyjściowa tranzystor polowy nazywane są zależnościami prądu drenu od napięcia dren-źródło dla różnych napięć bramka-źródło.

FET jest bardzo dobrym urządzeniem pod względem przewodności wyjściowej - przy stałym napięciu bramka-źródło prąd drenu jest prawie niezależny od napięcia (z wyjątkiem obszaru niskich napięć dren-źródło). Na ryc. 5.7 pokazuje typowe zależności i od z ty si dla zakresu wartości ty zi.