Dispozitivele semiconductoare a căror funcționare se bazează pe modularea rezistenței unui material semiconductor printr-un câmp electric transversal se numesc tranzistori cu efect de câmp. Sunt în devenire curent electric Sunt implicați purtători de sarcină de un singur tip (electroni sau găuri).
Tranzistoarele cu efect de câmp sunt de două tipuri: cu o joncțiune p-n de control și cu o structură metal-dielectric-semiconductor (tranzistoare MIS).
Orez. 2.37. Structura simplificată a unui tranzistor cu efect de câmp cu un control (a); simboluri ale unui tranzistor având un canal de tip n (b) și un canal de tip p (c); structuri tipice (d, e): structura unui tranzistor cu viteză crescută (e)
Un tranzistor cu o joncțiune p-n de control (Fig. 2.37) este o placă (secțiune) din material semiconductor având o conductivitate electrică de un anumit tip, de la capete ale căreia sunt realizate două terminale - electrozi de dren și sursă. O joncțiune electrică (joncțiune p-n sau barieră Schottky) este realizată de-a lungul plăcii, din care se realizează a treia ieșire - poarta.
Tensiunile externe sunt aplicate astfel încât un curent electric să circule între electrozii de scurgere și sursă, iar o tensiune aplicată la poartă polarizează joncțiunea electrică în direcția opusă. Rezistența zonei de sub joncțiunea electrică, numită canal, depinde de tensiunea porții. Acest lucru se datorează faptului că dimensiunea joncțiunii crește odată cu creșterea tensiunii inverse aplicate acesteia, iar o creștere a regiunii epuizate de purtători de sarcină duce la o creștere a rezistenței electrice a canalului.
Astfel, funcționarea unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune pn de control se bazează pe o modificare a rezistenței canalului datorită unei modificări a dimensiunii regiunii epuizate de purtătorii majoritari de sarcină, care are loc sub influența unei tensiuni inverse. aplicat la poartă.
Electrodul de la care încep să se miște purtătorii principali de sarcină din canal se numește sursă, iar electrodul la care se deplasează purtătorii principali de sarcină se numește dren. Structura simplificată a unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control este prezentată în Fig. 2.37, a. Simbolurile sunt date în fig. 2.37, b, c, iar structurile tranzistoarelor cu efect de câmp produse de industrie sunt în Fig. 2,37, g - f.
Dacă într-o placă semiconductoare, de exemplu de tip n, se creează zone cu conductivitate electrică de tip p, atunci când se aplică o tensiune la joncțiunea p-n, polarând-o în direcția opusă, se formează regiuni epuizate din purtătorii de sarcină principali ( Fig. 2.37, a). Rezistența semiconductorului dintre electrozii sursă și dren crește, deoarece curentul curge doar printr-un canal îngust între joncțiuni. O modificare a tensiunii poarta-sursă duce la o modificare a dimensiunilor zonei de încărcare spațială (dimensiuni), adică la o modificare a rezistenței canalului. Canalul poate fi blocat aproape complet și atunci rezistența dintre sursă și scurgere va fi foarte mare (câteva - zeci).
Tensiunea dintre poartă și sursă la care curentul de scurgere atinge o valoare scăzută specificată se numește tensiune de tăiere a FET. Strict vorbind, la tensiunea de întrerupere, tranzistorul ar trebui să se închidă complet, dar prezența scurgerilor și dificultatea de a măsura curenți deosebit de mici ne obligă să considerăm că tensiunea de întrerupere este tensiunea la care curentul atinge un anumit mic. valoare. Prin urmare, în specificațiile tehnice, tranzistorul este indicat la ce curent de scurgere a fost efectuată măsurarea.
Lățimea joncțiunii pn depinde și de curentul care curge prin canal. Dacă, de exemplu (Fig. 2.37, a), atunci curentul care curge prin tranzistor va crea o cădere de tensiune pe lungimea acestuia din urmă, care se dovedește a fi blocantă pentru tranziția canal-poartă.
Orez. 2.38. Caracteristicile de ieșire ale unui tranzistor cu efect de câmp cu o caracteristică de intrare de control (6) și caracteristică de transmisie (poarta de drenaj) (c): I - regiune abruptă; II - zonă plată, sau zonă de saturație; III - zona de defalcare
Acest lucru duce la o creștere a lățimii și, în consecință, la o scădere a secțiunii transversale și a conductivității canalului, iar lățimea joncțiunii p-n crește pe măsură ce se apropie de regiunea de scurgere, unde va avea loc cea mai mare cădere de tensiune cauzată de curentul prin rezistența canalului. Deci, dacă presupunem că rezistența tranzistorului este determinată numai de rezistența canalului, atunci la marginea joncțiunii p-n îndreptată spre sursă va exista o tensiune, iar la marginea îndreptată spre dren va exista o tensiune. La valori de tensiune joasă și joasă, tranzistorul se comportă ca o rezistență liniară. O creștere are ca rezultat o creștere aproape liniară, iar o scădere are ca rezultat o scădere corespunzătoare. Pe măsură ce crește, caracteristica se abate din ce în ce mai mult de la liniar, ceea ce este asociat cu o îngustare a canalului la capătul de scurgere. La o anumită valoare a curentului, apare așa-numitul mod de saturație (secțiunea II din Fig. 2.38, a), care se caracterizează prin faptul că că odată cu creșterea curentului curentul se modifică ușor. Acest lucru se întâmplă deoarece la tensiune înaltă canalul de la scurgere este tras într-un gât îngust. Are loc un fel de echilibru dinamic, în care o creștere și o creștere a curentului determină o îngustare suplimentară a canalului și, în consecință, o scădere a curentului. Drept urmare, acesta din urmă rămâne aproape constant. Tensiunea la care are loc saturația se numește tensiune de saturație. Acesta, după cum se poate observa din fig. , modificări odată cu schimbările de tensiune. Deoarece influența asupra lățimii canalului a știftului de scurgere este aproape aceeași, atunci
Deci, tensiunea de tăiere, determinată la o tensiune joasă, este numeric egală cu tensiunea de saturație la, iar tensiunea de saturație la o anumită tensiune de poartă este egală cu diferența dintre tensiunea de tăiere și tensiunea de poartă-sursă.
Cu o creștere semnificativă a tensiunii la capătul de scurgere, se observă defalcarea joncțiunii p-n.
În caracteristicile de ieșire ale unui tranzistor cu efect de câmp, se pot distinge două zone de lucru OA și OB. Regiunea OA se numește regiune caracteristică abruptă, regiunea AB se numește regiune plată sau de saturație. În regiunea abruptă, tranzistorul poate fi folosit ca rezistor controlat ohmic. În etapele de amplificare, tranzistorul operează pe o parte plată a caracteristicii. Dincolo de punctul B, are loc o întrerupere a tranziției electrice.
Caracteristica de intrare a unui tranzistor cu efect de câmp cu o tranziție de control (Fig. 2.38b) este ramura inversă a caracteristicii curent-tensiune a tranziției. Deși curentul de poartă variază ușor cu modificările și atingerea tensiunii cea mai mare valoare dat fiind scurt circuit pini de sursă și de scurgere (curent de scurgere la poartă) - în majoritatea cazurilor poate fi neglijat. Schimbarea tensiunii nu provoacă modificări semnificative ale curentului de poartă, ceea ce este tipic pentru tranziția inversă a curentului.
Când se operează într-o regiune plată a caracteristicii curent-tensiune, curentul de scurgere la o anumită tensiune 11w este determinat din expresie
unde este curentul inițial de drenaj, sub care curentul și tensiunea la dren depășesc tensiunea de saturație: .
Deoarece tranzistorul cu efect de câmp este controlat de tensiunea de la poartă, panta caracteristicii este utilizată pentru a cuantifica acțiunea de control a porții.
Panta caracteristicii atinge valoarea maximă la . Pentru a determina valoarea lui S la orice tensiune, diferențiam expresia
Când expresia (2.73) ia forma
Înlocuind (1.74) în expresia (1.73), obținem .
Astfel, panta caracteristicii tranzistorului cu efect de câmp scade pe măsură ce tensiunea aplicată porții sale crește.
Valoarea inițială a pantei caracteristicii poate fi determinată grafic. Pentru a face acest lucru, desenăm o tangentă din punct la caracteristica de drenaj (Fig. 2.38. c). Acesta va tăia un segment de pe axa tensiunii, iar panta acestuia va determina valoarea.
Proprietățile de amplificare ale tranzistoarelor cu efect de câmp sunt caracterizate de câștig
care este legat de panta caracteristicii şi rezistență internă ecuația , unde este rezistența internă diferențială a tranzistorului.
Într-adevăr, în cazul general.
Dacă cu o schimbare simultană în și , atunci unde face
La fel ca și cele bipolare, tranzistoarele cu efect de câmp au moduri de semnal mare și mic. Modul de semnal mare este cel mai adesea calculat folosind caracteristicile de intrare și de ieșire ale tranzistorului și circuitul echivalent din Fig. 2.39, a. Pentru a analiza modul de semnal mic, circuitele echivalente de semnal mic (Fig. 1) sunt utilizate pe scară largă. 2.39, b-d (tranzistor cu un canal de tip p). Deoarece rezistențele joncțiunilor închise din tranzistoarele cu efect de câmp din siliciu sunt mari (zeci - sute de MOhms), în majoritatea cazurilor acestea pot fi ignorate. Pentru calcule practice, circuitul echivalent din Fig. 2.39, d, deși reflectă mult mai rău procesele fizice reale care au loc în tranzistoarele luate în considerare. Toate capacitățile de poartă din circuit sunt înlocuite cu o capacitate echivalentă C„, care este încărcată prin rezistența echivalentă medie.
Orez. 2.39. Circuit echivalent simplificat al unui tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control pt curent continuu(A); circuite echivalente cu semnal mic: complete (b), simplificate (c), modificate (d).
Putem presupune că este egală cu rezistența statică în intervalul abrupt de caracteristici - rezistența dintre dren și sursă în starea deschisă a tranzistorului la o anumită tensiune dren-sursă mai mică decât tensiunea de saturație. Rezistența porții (ohmică) reflectată rezistență echivalentă, care datorită valorii mari (de la zeci la sute) poate fi ignorată.
Valori tipice ale parametrilor tranzistorilor de siliciu incluși în circuitul echivalent: .
Capacitatea unui tranzistor cu efect de câmp, precum și viteza finală de mișcare a purtătorilor de sarcină în canal, determină proprietățile sale inerțiale. Inerția tranzistorului este luată în considerare ca primă aproximare prin introducerea pantei operatorului caracteristicii
unde este frecvența limită, determinată la nivelul de 0,7 al valorii statice a pantei caracteristicii.
Când temperatura se modifică, parametrii și caracteristicile tranzistoarelor cu efect de câmp cu control se modifică datorită influenței următorilor factori: modificări ale curentului invers al unei joncțiuni p-n închise; modificări ale diferenței de potențial de contact modificări ale rezistivității canalului.
Curentul invers al unui circuit închis crește exponențial odată cu creșterea temperaturii. Aproximativ, putem presupune că se dublează atunci când temperatura crește cu 6-8 C. Dacă există o rezistență externă mare în circuitul porții tranzistorului, atunci căderea de tensiune pe acesta, cauzată de un curent modificat, poate schimba semnificativ tensiunea la poarta.
Diferența de potențial de contact scade pe măsură ce temperatura crește cu aproximativ . La o tensiune de poartă constantă, aceasta duce la o creștere a curentului de scurgere. Pentru tranzistoarele cu tensiune de tăiere scăzută, acest efect este predominant și modificările curentului de drenaj vor avea valori pozitive.
Deoarece coeficientul de temperatură, care caracterizează modificarea rezistivității canalului, este pozitiv, curentul de scurgere scade odată cu creșterea temperaturii. Acest lucru deschide posibilitatea de a alege corect poziția punctului de funcționare a tranzistorului pentru a compensa reciproc modificările curentului cauzate de modificările diferenței de potențial de contact și ale rezistivității canalului. Ca rezultat, curentul de scurgere va fi aproape constant pe o gamă largă de temperaturi.
Punctul de funcționare la care modificarea debitului de scurgere cu o modificare a temperaturii are o valoare minimă se numește punct termostabil. Poziția sa aproximativă poate fi găsită din ecuație
Din (2.78) este clar că, cu o pantă semnificativă a caracteristicii în punctul stabil termic, aceasta este mică și se poate obține un câștig semnificativ mai mic de la tranzistor decât atunci când funcționează cu o tensiune joasă.
Orez. 2.40. Includerea unui tranzistor cu efect de câmp în circuite: a - cu o sursă comună; b - cu scurgere comună
Tranzistoarele moderne cu efect de câmp realizate pe bază de siliciu sunt operaționale până la o temperatură de 120-150 C. Includerea lor în circuite trepte de amplificare cu o sursă comună și o scurgere comună este prezentată în Fig. 2.40, a, b. Presiune constantă oferă o anumită valoare a rezistenței canalului și un anumit curent de scurgere. Când se aplică tensiunea amplificată de intrare, potențialul de poartă se modifică, iar curenții de scurgere și sursă, precum și căderea de tensiune pe rezistorul R, se modifică în consecință.
Creșterea căderii de tensiune pe rezistorul R, atunci când valoarea acestuia este mare, este semnificativ mai mare decât creșterea tensiunii de intrare. Din acest motiv, semnalul este amplificat. Datorită prevalenței sale scăzute, comutarea cu o poartă comună nu este afișată. La schimbarea tipului de conductivitate electrică a canalului, se modifică doar polaritatea tensiunilor aplicate și direcția curenților, inclusiv în circuitele echivalente.
Principalele avantaje ale tranzistoarelor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control față de cele bipolare sunt rezistența mare de intrare, zgomotul scăzut, ușurința de fabricare și absența tensiunii reziduale în starea deschisă între sursa și drenul tranzistorului deschis.
Tranzistoarele MIS pot fi de două tipuri: tranzistoare cu canale încorporate (canalul este creat în timpul producției) și tranzistoare cu canale induse (canalul apare sub influența tensiunii aplicate electrozilor de control).
Tranzistoarele de primul tip pot funcționa atât în modul de epuizare a canalului de către purtătorii de sarcină, cât și în modul de îmbogățire. Tranzistoarele de al doilea tip pot fi utilizate numai în modul de îmbogățire. La tranzistoarele MOS, spre deosebire de tranzistoarele cu joncțiune pn de control, poarta metalică este izolată de semiconductor printr-un strat dielectric și există un terminal suplimentar din cristalul pe care este realizat dispozitivul (Fig. 2.41), numit substrat.
Orez. 2.41. Structuri de tranzistori MOS: a - tranzistor plan cu canal indus. b - tranzistor plan cu canal încorporat; , tranzistor - și .
Orez. 2.42. Distribuția purtătorilor de sarcină în stratul de suprafață
Tensiunea de control poate fi aplicată fie între poartă și substrat, fie independent pe substrat și poartă. Sub influența câmpului electric rezultat, un canal de tip - apare la suprafața semiconductorului datorită respingerii electronilor de la suprafață în adâncimea semiconductorului într-un tranzistor cu canal indus. Într-un tranzistor cu un canal încorporat, canalul existent se extinde sau se îngustează. Modificarea tensiunii de control modifică lățimea canalului și, în consecință, rezistența și curentul tranzistorului.
Un avantaj semnificativ al tranzistorilor MOS este rezistența lor mare de intrare, atingând valori Ohm (pentru tranzistoarele cu o joncțiune de control Ohm).
Să aruncăm o privire mai atentă la funcționarea unui tranzistor MOS cu un canal indus. Fie ca material de pornire al tranzistorului să fie folosit siliciu cu conductivitate electrică de tip. Rolul peliculei dielectrice este îndeplinit de dioxidul de siliciu. În absența polarizării, stratul aproape de suprafață al semiconductorului este de obicei îmbogățit cu electroni (Fig. 2.42, a). Acest lucru se explică prin prezența ionilor încărcați pozitiv în filmul dielectric, care este o consecință a oxidării anterioare a siliciului și a prelucrării sale fotolitografice, precum și a prezenței capcanelor la interfață. Să ne amintim că capcanele sunt un set de niveluri de energie situate adânc în band gap, aproape de mijlocul acestuia.
Când o tensiune negativă este aplicată pe poartă, electronii din stratul apropiat de suprafață sunt respinși adânc în semiconductor, iar găurile se deplasează spre suprafață. Stratul apropiat de suprafață capătă conductivitate electrică a găurii (Fig. 2.42, b). În el apare un strat subțire invers, care conectează scurgerea la sursă. Acest strat acționează ca un canal. Dacă se aplică o tensiune între sursă și scurgere, atunci găurile, care se deplasează de-a lungul canalului, creează un curent de scurgere. Prin schimbarea tensiunii porții, puteți lărgi sau îngusta canalul și, prin urmare, crește sau reduce curentul de scurgere.
Tensiunea de poartă la care este indus canalul se numește tensiune de prag. Deoarece canalul apare treptat pe măsură ce tensiunea de poartă crește, pentru a elimina ambiguitatea în definirea sa, de obicei se setează o anumită valoare a curentului de drenaj, peste care se consideră că potențialul de poartă a atins tensiunea de prag.
Pe măsură ce se îndepărtează de suprafața semiconductorului, concentrația de găuri induse scade. La o distanță aproximativ egală cu grosimea canalului, conductivitatea electrică devine intrinsecă. Apoi există o secțiune epuizată a purtătorilor de sarcină principali (-tranziție). Datorită acesteia, scurgerea, sursa și canalul sunt izolate de substrat; - joncțiunea este polarizată de tensiunea aplicată în sens opus. Evident, lățimea sa și lățimea canalului pot fi modificate prin aplicarea unei tensiuni suplimentare substratului în raport cu electrozii de drenaj și sursă ai tranzistorului. Prin urmare, curentul de scurgere poate fi controlat nu numai prin schimbarea tensiunii porții, ci și prin schimbarea tensiunii substratului. În acest caz, controlul tranzistorului MOS este similar cu controlul unui tranzistor cu efect de câmp cu o tranziție de control. Pentru a forma un canal, la poartă trebuie aplicată o tensiune mai mare decât .
Grosimea stratului invers este semnificativ mai mică decât grosimea stratului epuizat. Dacă acesta din urmă este de sute - mii de nm, atunci grosimea canalului indus este de numai 1-5 nm. Cu alte cuvinte, găurile canalului indus sunt „presate” pe suprafața semiconductorului, prin urmare structura și proprietățile interfeței semiconductor-dielectric joacă un rol foarte important în tranzistoarele MOS.
Găurile care formează canalul pătrund în el nu numai din tipul substrat, unde sunt puține și sunt generate relativ lent, ci și din sursa și scurgerea tip straturi, unde concentrația lor este practic nelimitată, iar câmpul. puterea în apropierea acestor electrozi este destul de mare.
În tranzistoarele cu canal încorporat, curentul din circuitul de scurgere va curge chiar și la tensiune zero la poartă. Pentru a o opri, este necesar să se aplice o tensiune pozitivă la poartă (într-o structură cu un canal de tip -) egală sau mai mare decât tensiunea de tăiere. În acest caz, găurile din stratul invers vor fi aproape complet deplasate în adâncimea semiconductorului și canalul va dispărea. Când se aplică o tensiune negativă, canalul se extinde și curentul crește. Prin urmare. Tranzistoarele MOS cu canale încorporate funcționează atât în modul de epuizare, cât și în modul de îmbogățire.
Orez. 2.43. Structura unui tranzistor MOS cu lățimea canalului schimbată atunci când curge curent (a); caracteristicile sale de ieșire cu canale induse (b) și încorporate (c): I regiune abruptă; II - zonă plată, sau zonă de saturație; III - zona de defalcare; 1 - strat de luat masa
La fel ca tranzistoarele cu efect de câmp cu o joncțiune de control, tranzistoarele MOS la tensiuni joase (în zona Fig. 2.43, b, c) se comportă ca o rezistență controlată liniarizată. Pe măsură ce tensiunea crește, lățimea canalului scade din cauza scăderii tensiunii pe el și a unei modificări a câmpului electric rezultat. Acest lucru este deosebit de pronunțat în acea parte a canalului care se află în apropierea scurgerii (Fig. 2.43, a). Căderile de tensiune create de curent duc la o distribuție neuniformă a intensității câmpului electric de-a lungul canalului și crește pe măsură ce se apropie de dren. Când se aplică tensiune, canalul din apropierea drenului devine atât de îngust încât apare echilibrul dinamic, când o creștere a tensiunii determină o scădere a lățimii canalului și o creștere a rezistenței acestuia. Ca urmare, curentul se modifică puțin cu o creștere suplimentară a tensiunii. Aceste procese de modificare a lățimii canalului în funcție de tensiune sunt aceleași ca în tranzistoarele cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control.
Caracteristicile de ieșire ale tranzistoarelor MOS sunt similare cu caracteristicile tranzistoarelor cu efect de câmp cu un control (Fig. 2.43, b, c). În ele, se pot distinge zone abrupte și plane, precum și o zonă de defalcare. În regiunea abruptă, tranzistorul MOS poate acționa ca o rezistență controlată electric. Regiunea plată II este de obicei utilizată la construirea etajelor de amplificare. Aproximațiile analitice ale caracteristicilor curent-tensiune ale tranzistoarelor MOS nu sunt foarte convenabile și sunt rareori utilizate în practica ingineriei. Pentru estimări aproximative ale curentului de scurgere în regiunea de saturație, se poate folosi ecuația
Pentru tranzistoarele cu canal încorporat, puteți utiliza ecuațiile (2.79) dacă înlocuiți și luați în considerare semnele tensiunilor și .. Ele caracterizează parametrii unui tranzistor cu efect de câmp, care, pentru un anumit mod de măsurare, este reprezentat de circuitul echivalent din Fig. 2.44, d. Reflectă mai puțin bine caracteristicile tranzistorului, dar parametrii acestuia sunt cunoscuți sau pot fi măsurați cu ușurință (capacitate de intrare, capacitate de trecere, capacitate de ieșire).
Ecuația operatorului pentru panta caracteristicii tranzistoarelor MOS are aceeași formă ca pentru tranzistoarele cu efect de câmp cu control.În acest caz, constanta de timp este . Într-un caz tipic, cu o lungime a canalului de 5 microni, frecvența limită la care panta caracteristicii scade de 0,7 ori se află în câteva sute de megaherți.
Dependența de temperatură a tensiunii de prag și a tensiunii de tăiere este cauzată de o modificare a poziției nivelului Fermi, de o modificare a sarcinii spațiului în regiunea de epuizare și de influența temperaturii asupra valorii de încărcare a dielectricului. Tranzistoarele MOS pot avea, de asemenea, un punct de funcționare stabil termic, în care curentul de scurgere depinde puțin de temperatură. Pentru diferiți tranzistori, valoarea curentului de drenaj în punctul stabil termic este în interval. Un avantaj important Tranzistoarele MOS din fața tranzistoarelor bipolare au o scădere mică de tensiune pe ele atunci când comută semnale mici. Deci, dacă în tranzistoarele bipolare în modul de saturație tensiunea
Când este redusă, poate fi redusă la o valoare care tinde spre zero. Deoarece tranzistoarele MOS cu un dielectric dioxid de siliciu au devenit larg răspândite, de acum înainte le vom numi tranzistori MOS.
În prezent, industria produce și MOSFET-uri cu poartă dublă izolată (tetrod), de ex. Prezența unei a doua porți vă permite să controlați simultan curentul tranzistorului folosind două tensiuni de control, ceea ce facilitează construirea diferitelor dispozitive de amplificare și multiplicare. Caracteristicile lor sunt similare cu cele ale tranzistoarelor cu efect de câmp cu o singură poartă, doar că sunt mai multe, deoarece sunt construite pentru tensiunea fiecărei porți menținând constantă tensiunea de la cealaltă poartă. În consecință, se disting panta caracteristicii pentru prima și a doua porți, tensiunea de tăiere a primei și a doua porți etc.. Aplicarea tensiunii la porți nu este diferită de aplicarea tensiunii la poarta unui tranzistor MOS cu o singură poartă. .
Trebuie să depășească pragul. În caz contrar, canalul nu va apărea și tranzistorul va fi blocat.
Invertoarele de putere și multe alte dispozitive electronice de astăzi, rareori se descurcă fără utilizarea de MOSFET-uri puternice (efect de câmp) sau. Acest lucru se aplică atât convertoarelor de înaltă frecvență, cum ar fi invertoarele de sudură, cât și unei varietăți de proiecte de casă, ale căror diagrame sunt pline pe Internet.
Parametrii semiconductorilor de putere produși în prezent fac posibilă comutarea curenților de zeci și sute de amperi la tensiuni de până la 1000 de volți. Alegerea acestor componente pe piața electronică modernă este destul de largă, iar alegerea unui tranzistor cu efect de câmp cu parametrii necesari nu este deloc o problemă astăzi, deoarece fiecare producător care se respectă acceptă model specific documentația tehnică a tranzistorului cu efect de câmp, care poate fi găsită întotdeauna atât pe site-ul oficial al producătorului, cât și de la dealerii oficiali.
Înainte de a începe să proiectați un dispozitiv folosind aceste componente de putere, trebuie întotdeauna să știți exact cu ce aveți de-a face, mai ales când alegeți un anumit tranzistor cu efect de câmp. Acesta este motivul pentru care apelează la fișele de date.Fișa de date este un document oficial de la producător componente electronice, care oferă o descriere, parametri, caracteristici ale produsului, diagrame tipice etc.
Să vedem ce parametri indică producătorul în fișa de date, ce înseamnă aceștia și pentru ce sunt necesari. Să ne uităm la exemplul unei foi de date pentru tranzistorul cu efect de câmp IRFP460LC. Acesta este un tranzistor de putere destul de popular realizat folosind tehnologia HEXFET.
HEXFET implică o structură cristalină în care mii de celule tranzistoare MOS de formă hexagonală conectate în paralel sunt organizate într-un singur cristal. Această soluție a făcut posibilă reducerea semnificativă a rezistenței canalului deschis Rds(on) și a făcut posibilă comutarea curenților mari. Cu toate acestea, să trecem la o revizuire a parametrilor indicați direct în fișa de date de pe IRFP460LC de la International Rectifier (IR).
Cm.
La începutul documentului, este dată o imagine schematică a tranzistorului, sunt date denumirile electrozilor săi: G-gate (poarta), D-drain (drain), S-source (sursă), precum și sunt enumerați principalii parametri și calități distinctive. În acest caz, vedem că acest tranzistor cu efect de câmp cu canal N este proiectat pentru o tensiune maximă de 500 V, rezistența sa canal deschis este de 0,27 ohmi, iar curentul maxim este de 20 A. Sarcina redusă de poartă permite acestei componente să fie utilizat în circuite de înaltă frecvență la energie de cost redus pentru controlul comutării. Mai jos este un tabel (Fig. 1) cu valorile maxime admise ale diferiților parametri în diferite moduri.
Id @ Tc = 25°C; Curent de drenaj continuu Vgs @ 10V - curentul de scurgere continuu maxim, la o temperatură a corpului tranzistorului cu efect de câmp de 25°C, este de 20 A. La o tensiune poartă-sursă de 10 V.
Id @ Tc = 100°C; Curent de drenaj continuu Vgs @ 10V - curentul de drenaj continuu maxim, la o temperatură a corpului tranzistorului cu efect de câmp de 100°C, este de 12 A. La o tensiune poartă-sursă de 10 V.
Idm @ Tc = 25°C; Curent de scurgere în impulsuri - curentul maxim de scurgere în impulsuri, pe termen scurt, la o temperatură a corpului tranzistorului cu efect de câmp de 25°C, este de 80 A. Cu condiția să se mențină o temperatură acceptabilă a joncțiunii. Figura 11 oferă o explicație a relațiilor relevante.
Pd @ Tc = 25°C Power Dissipation - puterea maximă disipată de corpul tranzistorului, la o temperatură a corpului de 25°C, este de 280 W.
Factor de reducere liniară - pentru fiecare creștere cu 1 °C a temperaturii carcasei, disiparea puterii crește cu încă 2,2 W.
Tensiune de la poartă la sursă Vgs - tensiunea maximă de la poartă la sursă nu trebuie să fie mai mare de +30 V sau mai mică de -30 V.
Eas Single Pulse Avalanche Energy - energia maximă a unui singur impuls la dren este de 960 mJ. O explicație este dată în Figura 12 (Fig 12).
Curentul de avalanșă Iar - curentul maxim întreruptibil este de 20 A.
Energia avalanșă repetitivă a urechii - energia maximă a impulsurilor repetate pe scurgere nu trebuie să depășească 28 mJ (pentru fiecare impuls).
dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt - rata maximă de creștere a tensiunii de scurgere este de 3,5 V/ns.
Intervalul de temperatură de depozitare și joncțiune de funcționare Tj, Tstg – interval de temperatură sigur de la -55°C la +150°C.
Temperatura de lipit, timp de 10 secunde - temperatura maxima admisa pentru lipit este de 300°C, si la o distanta de minim 1,6 mm fata de corp.
Cuplu de montare, șurub 6-32 sau M3 - cuplul maxim la fixarea carcasei nu trebuie să depășească 1,1 Nm.
Joncțiune Rjc la carcasă (cip la carcasă) 0,45 °C/W.
Rcs Carcasă la chiuvetă, plată, suprafață unsă (carcasa radiatorului) 0,24 °C/W.
Rja Junction-to-Ambient (cristal-ambient) depinde de radiator și de condițiile externe.
Următorul tabel conține toate caracteristicile electrice necesare ale tranzistorului cu efect de câmp la o temperatură a cristalului de 25°C (vezi Fig. 3).
V(br)dss Tensiune de întrerupere de la scurgere la sursă - tensiunea de la scurgere la sursă la care are loc defectarea este de 500 V.
ΔV(br)dss/ΔTj Breakdown Voltage Temp.Coeficient - coeficient de temperatură, tensiune de rupere, în acest caz 0,59 V/°C.
Rds(on) Static Drain-to-Source On-Resistance - rezistența de scurgere la sursă a unui canal deschis la o temperatură de 25°C, în acest caz, este de 0,27 ohmi. Depinde de temperatură, dar mai multe despre asta mai târziu.
Vgs(th) Gate Threshold Voltage - tensiune de prag pentru pornirea tranzistorului. Dacă tensiunea poartă-sursă este mai mică (în acest caz 2 - 4 V), atunci tranzistorul va rămâne închis.
gfs Forward Transconductance - Panta caracteristicii de transfer este egală cu raportul dintre modificarea curentului de scurgere și modificarea tensiunii la poartă. În acest caz, măsurată la o tensiune de scurgere-sursă de 50 V și un curent de scurgere de 20 A. Măsurat în Amperi/Volți sau Siemens.
Idss Curent de scurgere de scurgere la sursă - curent de scurgere de scurgere, depinde de tensiunea și de temperatură de la scurgere la sursă. Măsurat în microamperi.
Igss Gate-to-Source Forward Leakage și Gate-to-Source Reverse Leakage - curent de scurgere de poartă. Măsurat în nanoamperi.
Qg Total Gate Charge - sarcina care trebuie dată porții pentru a deschide tranzistorul.
Qgs Gate-to-Source Charge - încărcarea capacității de la poartă la sursă.
Încărcare Qgd Gate-to-Drain ("Miller") - sarcina corespunzătoare de la poartă la dren (capacitate Miller)
În acest caz, acești parametri sunt măsurați la o tensiune de scurgere-sursă de 400 V și un curent de drenaj de 20 A. Figura 6 oferă o explicație a relației dintre tensiunea poartă-sursă și încărcare completă poarta Qg Total Gate Charge, iar figurile 13 a și b prezintă o diagramă și un grafic al acestor măsurători.
td(on) Turn-On Delay Time - timpul de deschidere a tranzistorului.
tr Rise Time - timpul de crestere al impulsului de deschidere (marginea de avans).
td(off) Turn-Off Delay Time - timpul de închidere a tranzistorului.
tf Fall Time - timpul de decadere a impulsului (închiderea tranzistorului, marginea de fugă).
În acest caz, măsurătorile au fost efectuate la o tensiune de alimentare de 250 V, cu un curent de drenaj de 20 A, cu o rezistență de poartă de 4,3 Ohmi și o rezistență de drenaj de 20 Ohmi. Diagrama și graficele sunt prezentate în figurile 10 a și b.
Ld Internal Drain Inductance - inductanță de scurgere.
Ls Internal Source Inductance - inductanță sursă.
Acești parametri depind de designul carcasei tranzistorului. Ele sunt importante atunci când proiectați un driver, deoarece sunt direct legate de parametrii de sincronizare ai comutatorului, acest lucru este valabil mai ales atunci când se dezvoltă circuite de înaltă frecvență.
Crss Reverse Transfer Capacitance - capacitate gate-drain (capacitate Miller).
Aceste măsurători au fost efectuate la o frecvență de 1 MHz, cu o tensiune dren-sursă de 25 V. Figura 5 arată dependența acestor parametri de tensiunea dren-sursă.
Următorul tabel (vezi Fig. 4) descrie caracteristicile diodei interne integrate a tranzistorului cu efect de câmp, situată convențional între sursă și dren.
Is Continuous Source Current (Body Diode) - curent continuu maxim al diodei.
Ism Pulsed Source Current (Body Diode) - curentul pulsat maxim permis prin diodă.
Tensiunea directă a diodei Vsd este căderea de tensiune directă pe diodă la 25°C și un curent de scurgere de 20 A când poarta este de 0 V.
trr Reverse Recovery Time - timpul de recuperare invers al diodei.
Qrr Reverse Recovery Charge - taxa de recuperare a diodei.
Ton Forward Turn-On Time - timpul de pornire al diodei este determinat în principal de inductanțele drenajului și sursei.
Limitele curentului de drenaj sunt date în funcție de tensiunea dren-la-sursă și a tensiunii de la poartă-la-sursă pentru o durată de impuls de 20 µs. Prima poză este pentru o temperatură de 25°C, a doua este pentru 150°C. Influența temperaturii asupra controlabilității deschiderii canalului este evidentă.
Figura 6 prezintă grafic caracteristica de transfer a acestui tranzistor cu efect de câmp. Evident, cu cât tensiunea poarta-sursă este mai aproape de 10 V, cu atât mai bine se deschide tranzistorul. Influența temperaturii este vizibilă și aici destul de clar.
Figura 7 arată dependența rezistenței canalului deschis la un curent de scurgere de 20 A de temperatură. Evident, pe măsură ce temperatura crește, crește și rezistența canalului.
Figura 9 arată dependența căderii de tensiune directă pe dioda internă de curentul de scurgere și temperatură. Figura 8 arată zona munca sigura tranzistor în funcție de durata timpului de stare deschisă, de mărimea curentului de scurgere și de tensiunea de scurgere-sursă.
Figura 11 prezintă curentul maxim de scurgere în funcție de temperatura carcasei.
Figurile a și b prezintă o diagramă de măsurare și un grafic care arată diagrama de timp a deschiderii tranzistorului în timpul procesului de creștere a tensiunii porții și în timpul procesului de descărcare a capacității porții la zero.
Figura 14 arată dependența energiei impulsului maxim admisibil de valoarea curentului întrerupt și a temperaturii.
Figurile a și b prezintă un grafic și o diagramă a măsurătorilor sarcinii de poartă.
Figura 16 prezintă o diagramă de măsurare a parametrilor și un grafic al tranzitorilor tipici în dioda internă a tranzistorului.
Ultima figură prezintă corpul tranzistorului IRFP460LC, dimensiunile acestuia, distanța dintre terminale, numerotarea acestora: 1-poartă, 2-drain, 3-surse.
Deci, după citirea fișei de date, fiecare dezvoltator va putea selecta o putere adecvată sau nu, cu efect de câmp sau tranzistor IGBT pentru convertorul de putere proiectat sau reparat, fie acesta sau orice alt convertor de impuls de putere.
Cunoscând parametrii tranzistorului cu efect de câmp, puteți dezvolta în mod competent un driver, puteți configura controlerul, puteți efectua calcule termice și puteți selecta un radiator potrivit fără a fi nevoie să instalați altele inutile.
Acum să aflăm ce sunt tranzistoarele cu efect de câmp. Tranzistoarele cu efect de câmp sunt foarte comune atât în circuitele vechi, cât și în cele moderne. În zilele noastre, dispozitivele cu poartă izolată sunt utilizate într-o măsură mai mare; astăzi vom vorbi despre tipurile de tranzistoare cu efect de câmp și despre caracteristicile acestora. În articol voi face o comparație cu tranzistoarele bipolare, în locuri separate.
Definiție
Un tranzistor cu efect de câmp este un comutator semiconductor complet controlabil controlat de un câmp electric. Aceasta este principala diferență din punct de vedere practic tranzistoare bipolare care sunt controlate de curent. Câmpul electric este creat de o tensiune aplicată porții în raport cu sursa. Polaritatea tensiunii de control depinde de tipul canalului tranzistorului. Există o analogie bună aici cu tuburile electronice cu vid.
Un alt nume pentru tranzistoarele cu efect de câmp este unipolar. „UNO” înseamnă unul. În tranzistoarele cu efect de câmp, în funcție de tipul de canal, curentul este transportat de un singur tip de purtător: găuri sau electroni. În tranzistoarele bipolare, curentul a fost format din două tipuri de purtători de sarcină - electroni și găuri, indiferent de tipul dispozitivului. Tranzistoarele cu efect de câmp pot fi, în general, împărțite în:
tranzistoare cu joncțiune p-n de control;
tranzistoare cu poartă izolată.
Ambele pot fi pe canal n și canal p; o tensiune de control pozitivă trebuie aplicată la poarta primei pentru a deschide comutatorul, iar pentru cea din urmă trebuie aplicată o tensiune de control negativă în raport cu sursa.
Toate tipurile de tranzistoare cu efect de câmp au trei terminale (uneori 4, dar rar, le-am întâlnit doar pe cele sovietice și era conectată la corp).
1. Sursa (sursa purtătorilor de sarcină, analog al unui emițător bipolar).
2. Drain (receptor de purtători de sarcină de la sursă, analog al colectorului unui tranzistor bipolar).
3. Poarta (electrod de control, analog al grilei pe lămpi și baza pe tranzistoare bipolare).
Tranzistor cu joncțiune pn de control
Tranzistorul este format din următoarele zone:
4. Obturator.
În imagine vedeți structura schematică a unui astfel de tranzistor, bornele sunt conectate la secțiunile metalizate ale porții, sursei și scurgerii. Într-un anumit circuit (acesta este un dispozitiv cu canal p), poarta este un strat n, are rezistivitate mai mică decât regiunea canalului (stratul p), iar regiunea de joncțiune p-n este mai localizată în regiunea p pentru acest lucru motiv.
a - tranzistor cu efect de câmp de tip n, b - tranzistor cu efect de câmp de tip p
Pentru a fi mai ușor de reținut, amintiți-vă denumirea diodei, unde săgeata indică de la regiunea p la regiunea n. Si aici.
Prima stare este aplicarea tensiunii externe.
Dacă unui astfel de tranzistor se aplică o tensiune, plus drenului și minus sursei, un curent mare va curge prin el, acesta va fi limitat doar de rezistența canalului, rezistențele externe și rezistența internă a sursei de alimentare. O analogie poate fi trasă cu o cheie normal închisă. Acest curent se numește Iinit sau curentul de scurgere inițial la Uzi = 0.
Un tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control, fără o tensiune de control aplicată la poartă, este deschis maxim.
Tensiunea la dren și sursă se aplică după cum urmează:
Principalii purtători de încărcare sunt introduși prin sursă!
Aceasta înseamnă că, dacă tranzistorul este pe canal p, atunci borna pozitivă a sursei de alimentare este conectată la sursă, deoarece Purtătorii principali sunt găurile (purtători de sarcină pozitivă) - aceasta este așa-numita conductivitate a găurii. Dacă la sursă este conectat un tranzistor cu canale n, borna negativă a sursei de alimentare, deoarece în el principalii purtători de sarcină sunt electronii (purtători de sarcină negativă).
Sursa este sursa majorității purtătorilor de taxe.
Iată rezultatele modelării unei astfel de situații. În stânga este un tranzistor cu canal p, iar în dreapta este un tranzistor cu canal n.
A doua stare - aplicați tensiune la poartă
Când o tensiune pozitivă este aplicată la poartă în raport cu sursa (Uzi) pentru un canal p și negativă pentru un canal n, aceasta este deplasată în direcția opusă, iar regiunea joncțiunii p-n se extinde către canal. Ca urmare, lățimea canalului scade, curentul scade. Tensiunea de poartă la care curentul încetează să curgă prin comutator se numește tensiune de întrerupere.
Tensiunea de întrerupere a fost atinsă și cheia este complet închisă. Imaginea cu rezultatele simulării arată această stare pentru o tastă p-canal (stânga) și n-canal (dreapta). Apropo, pe Limba engleză un astfel de tranzistor se numește JFET.
Modul de funcționare al tranzistorului este atunci când tensiunea Uzi este fie zero, fie inversă. Datorită tensiunii inverse, puteți „acoperi tranzistorul”; este folosit în amplificatoare de clasa A și alte circuite în care este necesară o reglare lină.
Modul cutoff apare atunci când Uzi = Ucutoff pentru fiecare tranzistor, este diferit, dar în orice caz se aplică în sens opus.
Caracteristici, caracteristica curent-tensiune
Caracteristica de ieșire este un grafic care arată dependența curentului de scurgere de Uci (aplicat la bornele de dren și sursă) la diferite tensiuni de poartă.
Poate fi împărțit în trei zone. La început (în partea stângă a graficului) vedem regiunea ohmică - în acest interval tranzistorul se comportă ca un rezistor, curentul crește aproape liniar, atingând un anumit nivel, intră în regiunea de saturație (în centrul grafic).
În partea dreaptă a graficului vedem că curentul începe să crească din nou, aceasta este regiunea de defalcare, tranzistorul nu ar trebui să fie localizat aici. Ramura cea mai de sus prezentată în figură este curentul la zero Uzi; vedem că curentul aici este cel mai mare.
Cu cât tensiunea Uzi este mai mare, cu atât curentul de scurgere este mai mic. Fiecare ramură diferă cu 0,5 volți la poartă. Ceea ce am confirmat prin modelare.
Caracteristica poarta de scurgere este prezentată aici, de exemplu. dependența curentului de scurgere de tensiunea porții la aceeași tensiune de scurgere-sursă (în acest exemplu 10V), aici pasul grilei este, de asemenea, de 0,5 V, vedem din nou că cu cât tensiunea Uzi este mai aproape de 0, cu atât este mai mare curentul de scurgere.
În tranzistoarele bipolare a existat un astfel de parametru precum coeficientul de transfer de curent sau câștigul, acesta a fost desemnat ca B sau H21e sau Hfe. În câmp, pentru a afișa capacitatea de creștere a tensiunii, se folosește panta, notată cu litera S
Adică, panta arată câți miliamperi (sau amperi) crește curentul de scurgere atunci când tensiunea sursă-portă crește cu numărul de volți cu o tensiune sursă de scurgere constantă. Acesta poate fi calculat pe baza caracteristicii porții de scurgere; în exemplul de mai sus, panta este de aproximativ 8 mA/V.
Scheme de conectare
La fel ca tranzistoarele bipolare, există trei circuite de comutare tipice:
1. Cu o sursă comună (a). Este folosit cel mai des, dă amplificare în curent și putere.
2. Cu un obturator comun (b). Folosit rar, impedanță de intrare scăzută, fără câștig.
3. Cu o scurgere comună (c). Câștigul de tensiune este aproape de 1, impedanța de intrare este mare și impedanța de ieșire este scăzută. Un alt nume este urmatorul sursă.
Caracteristici, avantaje, dezavantaje
- nu consumă practic nici un curent de control, Acest reduce pierderea controlului, distorsiunea semnalului, supracurent al sursei de semnal...
Principalul avantaj al unui tranzistor cu efect de câmp impedanță mare de intrare. Impedanța de intrare este raportul dintre curent și tensiunea sursă de poartă. Principiul de funcționare constă în controlul folosind un câmp electric și se formează atunci când se aplică tensiune. Acesta este tranzistoarele cu efect de câmp sunt controlate de tensiune.
În frecvență medie caracteristicile tranzistoarelor cu efect de câmp sunt mai bune decât cele bipolare, acest lucru se datorează faptului că este nevoie de mai puțin timp pentru „resorbția” purtătorilor de sarcină în zonele tranzistorului bipolar. Unele tranzistoare bipolare moderne pot fi superioare tranzistoarelor cu efect de câmp, acest lucru se datorează utilizării unor tehnologii mai avansate, lățimii de bază reduse și altele.
Nivelul scăzut de zgomot al tranzistoarelor cu efect de câmp se datorează absenței unui proces de injectare a sarcinii, precum cele bipolare.
Stabilitate la schimbările de temperatură.
Consumul redus de energie într-o stare conductivă înseamnă o eficiență mai mare a dispozitivelor dvs.
Cel mai simplu exemplu de utilizare a impedanței mari de intrare este dispozitivele de potrivire pentru conectarea chitarelor electro-acustice cu pickup-uri piezo și chitarelor electrice cu pickup-uri electromagnetice la intrările de linie cu impedanță de intrare scăzută.
Impedanța scăzută de intrare poate cauza scăderi ale semnalului de intrare, distorsionându-i forma în grade diferite, în funcție de frecvența semnalului. Aceasta înseamnă că trebuie să evitați acest lucru prin introducerea unei etape cu o impedanță de intrare mare. Aici cea mai simplă schemă un astfel de dispozitiv. Potrivit pentru conectarea chitarelor electrice la intrare de linie plăci audio pentru computer. Cu el, sunetul va deveni mai luminos și timbrul mai bogat.
Principalul dezavantaj este că astfel de tranzistori se tem de statică. Puteți lua un element cu mâinile electrificate și acesta va eșua imediat; aceasta este o consecință a controlului cheii folosind câmpul. Este recomandat să lucrați cu ele în mănuși dielectrice, conectate printr-o brățară specială la masă, cu un fier de lipit de joasă tensiune cu vârf izolat, iar cablurile tranzistorului pot fi legate cu sârmă pentru a le scurtcircuita în timpul instalării.
Dispozitivele moderne practic nu se tem de acest lucru, deoarece dispozitivele de protecție, cum ar fi diodele zener, pot fi încorporate în ele la intrare, care sunt declanșate atunci când tensiunea este depășită.
Uneori, radioamatorii începători au temeri care ajung până la absurd, cum ar fi să-și pună pe cap pălării din folie de tablă. Deși tot ceea ce este descris mai sus este obligatoriu, nerespectarea oricăror condiții nu garantează defecțiunea dispozitivului.
Tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată
Acest tip de tranzistoare este utilizat în mod activ ca comutatoare controlate cu semiconductor. În plus, ele funcționează cel mai adesea în modul cheie (două poziții „pornit” și „oprit”). Au mai multe nume:
1. Tranzistor MOS (metal-dielectric-semiconductor).
2. MOSFET (metal-oxid-semiconductor).
3. Tranzistor MOSFET (metal-oxid-semiconductor).
Amintiți-vă - acestea sunt doar variații ale unui nume. Dielectricul, sau oxidul, așa cum este numit și, joacă rolul de izolator pentru poartă. În diagrama de mai jos, izolatorul este prezentat între regiunea n de lângă poartă și poartă ca o zonă albă cu puncte. Este fabricat din dioxid de siliciu.
Dielectricul elimină contactul electric dintre electrodul de poartă și substrat. Spre deosebire de joncțiunea pn de control, aceasta nu funcționează pe principiul extinderii joncțiunii și blocării canalului, ci pe principiul modificării concentrației purtătorilor de sarcină în semiconductor sub influența unui câmp electric extern. MOSFET-urile vin în două tipuri:
1. Cu canal încorporat.
2. Cu canal indus
În diagramă vedeți un tranzistor cu un canal încorporat. Din aceasta puteți deja ghici că principiul funcționării sale seamănă cu un tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control, adică. Când tensiunea la poartă este zero, curentul trece prin comutator.
Lângă sursă și scurgere sunt create două regiuni cu un conținut crescut de purtători de sarcină de impurități (n+) cu conductivitate crescută. Substratul se numește bază de tip P (în acest caz).
Vă rugăm să rețineți că cristalul (substratul) este conectat la sursă; pe multe simboluri grafice este desenat astfel. Când tensiunea de poartă crește, în canal apare un câmp electric transversal, acesta respinge purtătorii de sarcină (electroni) și canalul se închide când se atinge pragul Uzi.
Când se aplică o tensiune negativă de poartă-sursă, curentul de scurgere scade și tranzistorul începe să se oprească - acesta se numește modul de epuizare.
Când se aplică o tensiune pozitivă la sursa-portă, are loc procesul invers - electronii sunt atrași, curentul crește. Acesta este modul de îmbogățire.
Toate cele de mai sus sunt valabile pentru tranzistoarele MOS cu un canal de tip N încorporat. Dacă un canal de tip p înlocuiește toate cuvintele „electroni” cu „găuri”, polaritățile tensiunii sunt inversate.
Conform fișei de date pentru acest tranzistor, tensiunea de prag de poartă-sursă este de aproximativ un volt, iar valoarea sa tipică este de 1,2 V, să verificăm acest lucru.
Curentul a devenit în microamperi. Dacă creșteți puțin tensiunea, aceasta va dispărea complet.
Am ales un tranzistor la întâmplare și am dat peste un dispozitiv destul de sensibil. Voi încerca să schimb polaritatea tensiunii astfel încât poarta să aibă un potențial pozitiv și voi verifica modul de îmbogățire.
La o tensiune de poartă de 1V, curentul a crescut de patru ori față de ceea ce era la 0V (prima poză din această secțiune). Rezultă că, spre deosebire de tipul anterior de tranzistoare și tranzistoare bipolare, poate funcționa atât pentru a crește, cât și pentru a reduce curentul fără cablare suplimentară. Această afirmație este foarte grosieră, dar la o primă aproximare are dreptul să existe.
Aici totul este aproape la fel ca într-un tranzistor cu o tranziție de control, cu excepția prezenței unui mod de îmbogățire în caracteristica de ieșire.
Caracteristica poarta de scurgere arată în mod clar că o tensiune negativă face ca comutatorul să se epuizeze și să se închidă, iar o tensiune pozitivă pe poartă face ca comutatorul să devină mai bogat și să se deschidă mai mult.
MOSFET-urile cu canal indus nu conduc curentul în absența tensiunii la poartă, sau mai degrabă există un curent, dar este extrem de mic, deoarece acesta este curentul de retur între substrat și regiunile de dren și sursă puternic dopate.
Un tranzistor cu efect de câmp cu o poartă izolată și un canal indus este analog cu un comutator normal deschis; nu circulă curent.
În prezența tensiunii poartă-sursă, deoarece luăm în considerare un canal indus de tip n, atunci tensiunea este pozitivă, sub influența câmpului purtătorii de sarcină negativă sunt atrași în zona porții.
Acest lucru creează un „coridor” pentru electroni de la sursă la scurgere, astfel apare un canal, tranzistorul se deschide și curentul începe să curgă prin el. Substratul nostru este de tip p, principalii din el sunt purtători de sarcină pozitivă (găuri), sunt foarte puțini purtători de sarcină negativă, dar sub influența câmpului sunt separați de atomii lor, iar mișcarea lor începe. De aici lipsa conductibilitatii in absenta tensiunii.
Caracteristica de ieșire o repetă exact pe cea a precedentelor, singura diferență este că tensiunile Uzi devin pozitive.
Caracteristica dren-gate arată același lucru, diferențele sunt din nou în tensiunile de la poartă.
Când luați în considerare caracteristicile curent-tensiune, este extrem de important să priviți cu atenție valorile scrise de-a lungul axelor.
Comutatorului i se aplică o tensiune de 12 V, dar la poartă avem 0. Nu trece curent prin tranzistor.
Aceasta înseamnă că tranzistorul este complet deschis, dacă nu ar fi acolo, curentul din acest circuit ar fi 12/10 = 1,2 A. Mai târziu, am studiat cum funcționează acest tranzistor și am aflat că la 4 volți începe să se deschidă.
Adăugând 0,1V, am observat că cu fiecare zecime de volt curentul crește din ce în ce mai mult, iar cu 4,6 Volți tranzistorul este aproape complet deschis, diferența cu tensiunea de poartă de 20V în curentul de scurgere este de doar 41 mA, la 1.1 A asta este o prostie.
Acest experiment reflectă faptul că tranzistorul cu canal indus pornește numai atunci când este atinsă tensiunea de prag, ceea ce îi permite să funcționeze perfect ca un comutator în circuite de impulsuri. De fapt, IRF740 este unul dintre cele mai comune.
Rezultatele măsurătorilor curentului de poartă au arătat că tranzistoarele cu efect de câmp nu consumă aproape deloc curent de control. La o tensiune de 4,6 volți, curentul era de doar 888 nA (nano!!!).
La o tensiune de 20V a fost 3,55 µA (micro). Pentru un tranzistor bipolar ar fi de aproximativ 10 mA, în funcție de câștig, care este de zeci de mii de ori mai mult decât pentru un tranzistor cu efect de câmp.
Nu toate cheile se deschid cu astfel de tensiuni; acest lucru se datorează designului și caracteristicilor de proiectare a circuitelor dispozitivelor în care sunt utilizate.
O capacitate descărcată în primul moment necesită un curent de încărcare mare, iar dispozitivele rare de control (controlere pwm și microcontrolere) au ieșiri puternice, așa că folosesc drivere pentru porți cu efect de câmp, atât în tranzistoare cu efect de câmp, cât și în (bipolar cu poarta izolata). Acesta este un amplificator care convertește un semnal de intrare într-un semnal de ieșire de o asemenea mărime și putere de curent care este suficientă pentru a porni și opri tranzistorul. Curentul de încărcare este limitat și de un rezistor în serie cu poarta.
Mai mult, unele porți pot fi controlate și din portul microcontrolerului printr-un rezistor (același IRF740). Am atins acest subiect.
Ele seamănă cu tranzistori cu efect de câmp cu o poartă de control, dar diferă prin aceea că la UGO, ca și în tranzistorul în sine, poarta este separată de substrat, iar săgeata din centru indică tipul de canal, dar este direcționată de la substrat la canal dacă este un mosfet cu canale n - spre obturator și invers.
Pentru cheile cu canal indus:
Ar putea arăta astfel:
Acordați atenție denumirilor în engleză ale pinilor; acestea sunt adesea indicate în fișele tehnice și diagrame.
Pentru cheile cu canal încorporat:
Capacitățile tehnologice și progresele în dezvoltarea tranzistoarelor cu efect de câmp de mare putere au dus la faptul că în zilele noastre nu este dificil să le achiziționați la un preț accesibil.
În acest sens, interesul radioamatorilor în utilizarea unor astfel de tranzistoare MOSFET în lor produse electronice de casă si proiecte.
Este demn de remarcat faptul că MOSFET-urile diferă semnificativ de omologii lor bipolari, atât în ceea ce privește parametrii, cât și în designul lor.
Este timpul să aruncăm o privire mai atentă asupra dispozitivului și a parametrilor puternici tranzistoare MOSFET, astfel încât, dacă este necesar, să puteți selecta mai conștient un analog pentru o anumită instanță și, de asemenea, să puteți înțelege esența anumitor cantități indicate în fișa de date.
Ce este un tranzistor HEXFET?
În familia de tranzistori cu efect de câmp există un grup separat de dispozitive semiconductoare de putere numite HEXFET. Principiul lor de funcționare se bazează pe o soluție tehnică foarte originală. Structura lor constă din câteva mii de celule MOS conectate în paralel.
Structurile celulare formează un hexagon. Datorită structurii hexagonale sau altfel hexagonale, acest tip de tranzistoare MOS de putere se numește HEXFET. Primele trei litere ale acestei abrevieri sunt preluate din cuvântul englezesc hex agonală– „hexagonal”.
Sub mărire multiplă, cristalul unui tranzistor HEXFET puternic arată astfel.
După cum puteți vedea, are o structură hexagonală.
Se dovedește că un MOSFET puternic este în esență un fel de super-microcircuit care combină mii de tranzistori individuali cu efect de câmp simple. Împreună creează una tranzistor de putere, care poate trece un curent mare prin el însuși și în același timp practic nu oferă o rezistență semnificativă.
Datorită structurii speciale și tehnologiei de fabricație a HEXFET, rezistența canalului lor RDS(activat) a reusit sa reduca semnificativ. Acest lucru a făcut posibilă rezolvarea problemei curenților de comutare de câteva zeci de amperi la tensiuni de până la 1000 de volți.
Iată doar o mică zonă de aplicare a tranzistoarelor HEXFET de mare putere:
Circuite de comutare a sursei de alimentare.
Dispozitiv de încărcare.
Sisteme de control al motoarelor electrice.
Amplificatoare de joasă frecvență.
În ciuda faptului că mosfet-urile realizate folosind tehnologia HEXFET (canale paralele) au o rezistență relativ scăzută la canal deschis, domeniul lor de aplicare este limitat și sunt utilizate în principal în circuite de înaltă frecvență și curent ridicat. În înaltă tensiune electronica de putere se preferă uneori circuitele bazate pe IGBT.
Imaginea unui tranzistor MOSFET pe placa de circuit schema electrica(MOS cu canale N).
La fel ca tranzistoarele bipolare, structurile de câmp pot fi conducție directă sau inversă. Adică cu un canal P sau un canal N. Concluziile sunt indicate după cum urmează:
D-dren (dren);
S-sursă (sursă);
G-gate (oblon).
Despre cum sunt desemnați tranzistoarele cu efect de câmp tipuri diferite pe scheme de circuite poate fi găsit pe această pagină.
Parametrii de bază ai tranzistoarelor cu efect de câmp.
Întregul set de parametri MOSFET poate fi solicitat numai de dezvoltatorii de echipamente electronice complexe și, de regulă, nu sunt indicați în fișa de date (foșa de referință). Este suficient să cunoașteți parametrii de bază:
V DSS(Drain-to-Source Voltage) – tensiune între dren și sursă. Aceasta este de obicei tensiunea de alimentare pentru circuitul dvs. Când selectați un tranzistor, trebuie să vă amintiți întotdeauna marja de 20%.
eu D(Continuous Drain Current) – curent de scurgere sau curent de scurgere continuă. Indicat întotdeauna la o tensiune poartă-sursă constantă (de exemplu, V GS =10V). Fișa tehnică indică de obicei curentul maxim posibil.
RDS(activat)(Static Drain-to-Source On-Resistance) – rezistența de scurgere la sursă a canalului deschis. Pe măsură ce temperatura cristalului crește, rezistența canalului deschis crește. Acest lucru este ușor de văzut în graficul luat din fișa de date a unuia dintre tranzistoarele HEXFET de mare putere. Cu cât rezistența pe canal este mai mică (R DS(on)), cu atât mosfetul este mai bun. Se încălzește mai puțin.
P D(Dissiparea puterii) – puterea tranzistorului în wați. Într-un alt mod, acest parametru se mai numește și putere de disipare. În fișa de date pentru un anumit produs, valoarea acestui parametru este indicată pentru o anumită temperatură a cristalului.
VGS(Gate-to-Source Voltage) – tensiune de saturație de la poartă la sursă. Aceasta este tensiunea peste care curentul prin canal nu crește. În esență, aceasta este tensiunea maximă dintre poartă și sursă.
V GS(th)(Gate Threshold Voltage) – tensiune de prag pentru pornirea tranzistorului. Aceasta este tensiunea la care canalul conductor se deschide și începe să treacă curent între bornele sursă și dren. Dacă se aplică o tensiune mai mică de V GS(th) între bornele poartă și sursă, tranzistorul va fi oprit.
Graficul arată modul în care tensiunea de prag V GS(th) scade odată cu creșterea temperaturii cristalului tranzistorului. La o temperatură de 175 0 C este de aproximativ 1 volt, iar la o temperatură de 0 0 C este de aproximativ 2,4 volți. Prin urmare, fișa de date indică de obicei valoarea minimă ( min.) și maxim ( max.) tensiune de prag.
Să luăm în considerare principalii parametri ai unui tranzistor cu efect de câmp HEXFET puternic folosind exemplul IRLZ44ZS de la International Rectifier. În ciuda performanțelor sale impresionante, are un corp compact D 2 PAK pentru montaj la suprafață. Să ne uităm la fișa tehnică și să evaluăm parametrii acestui produs.
Limită de tensiune de scurgere-sursă (V DSS): 55 Volți.
Curent maxim de scurgere (I D): 51 Amperi.
Limită de tensiune poartă-sursă (V GS): 16 Volți.
Rezistență dren-sursă canal deschis (R DS(on)): 13,5 mOhm.
Putere maxima (P D): 80 Watt.
Rezistența canalului deschis IRLZ44ZS este de numai 13,5 miliohmi (0,0135 ohmi)!
Să aruncăm o privire la „piesa” din tabel unde sunt indicați parametrii maximi.
Se vede clar cum, la o tensiune de poartă constantă, dar cu creșterea temperaturii, curentul scade (de la 51A (la t=25 0 C) la 36A (la t=100 0 C)). Puterea la o temperatură a carcasei de 25 0 C este egală cu 80 wați. Sunt indicați și unii parametri în modul puls.
Tranzistoarele MOSFET au viteză mare, dar au un dezavantaj semnificativ - capacitatea mare a porții. În documente, capacitatea de intrare a porții este desemnată ca C iss (Capacitate de intrare).
Ce afectează capacitatea porții? Ea influențează foarte mult anumite proprietăți tranzistoare cu efect de câmp. Deoarece capacitatea de intrare este destul de mare și poate ajunge la zeci de picofarads, utilizarea tranzistoarelor cu efect de câmp în circuitele de înaltă frecvență este limitată.
Caracteristici importante ale tranzistoarelor MOSFET.
Este foarte important atunci când lucrați cu tranzistori cu efect de câmp, în special cei cu o poartă izolată, să vă amintiți că sunt „de moarte” frică de electricitatea statică. Le puteți lipi în circuit doar scurtcircuitând mai întâi cablurile împreună cu un fir subțire.
La depozitare, este mai bine să scurtcircuitați toate bornele tranzistorului MOS folosind folie de aluminiu obișnuită. Acest lucru va reduce riscul ca electricitatea statică să deterioreze poarta. Când îl montați pe o placă de circuit imprimat, este mai bine să îl utilizați statie de lipit, nu un fier de lipit electric obișnuit.
Cert este că un fier de lipit electric obișnuit nu are protecție împotriva electricității statice și nu este „izolat” de rețea printr-un transformator. Vârful său de cupru conține întotdeauna interferențe electromagnetice din rețeaua electrică.
Orice supratensiune in reteaua electrica poate deteriora elementul lipit. Prin urmare, atunci când lipiți un tranzistor cu efect de câmp într-un circuit cu un fier de lipit electric, riscăm să deterioram tranzistorul MOSFET.
Tranzistoarele cu efect de câmp sunt dispozitive semiconductoare. Particularitatea lor este că curentul de ieșire este controlat de un câmp electric și o tensiune de aceeași polaritate. Semnalul de control este trimis către poartă și reglează conductivitatea joncțiunii tranzistorului. Acest lucru diferă de tranzistoarele bipolare, în care semnalul este posibil cu polarități diferite. O altă proprietate distinctivă a unui tranzistor cu efect de câmp este formarea de curent electric de către principalii purtători de aceeași polaritate.
Soiuri
Există multe tipuri diferite tranzistoare cu efect de câmp care funcționează cu propriile caracteristici.
- Tipul de conductivitate. Polaritatea tensiunii de control depinde de aceasta.
- Structura: difuzie, aliaj, MDP, cu bariera Schottky.
- Număr de electrozi: există tranzistori cu 3 sau 4 electrozi. În versiunea cu 4 electrozi, substratul este o parte separată, ceea ce face posibilă controlul trecerii curentului prin joncțiune.
- Material de fabricație: dispozitivele pe bază de germaniu și siliciu au devenit cele mai populare. În marcajul tranzistorului, litera indică materialul semiconductor. În tranzistoarele produse pentru echipamente militare, materialul este marcat cu numere.
- Tipul de aplicare: indicat în cărțile de referință, nu este indicat pe etichetă. În practică, există cinci grupuri cunoscute de aplicații pentru „dispozitive de câmp”: în amplificatoare de joasă și înaltă frecvență, ca comutatoare electronice, modulatoare și amplificatoare DC.
- Intervalul parametrilor de operare: un set de date în care lucrătorii de teren pot opera.
- Caracteristicile dispozitivului: unitrons, gridistors, alkatrons. Toate dispozitivele au propriile lor date distinctive.
- Numărul elementelor structurale: complementare, duble etc.
Pe lângă clasificarea principală a „lucrătorilor de teren”, există o clasificare specială care are principiul de funcționare:
- Tranzistoare cu efect de câmp cu joncțiune p-n care efectuează controlul.
- Tranzistoare cu efect de câmp cu o barieră Schottky.
- „Lucrători de câmp” cu obloane izolate, care sunt împărțite în:
— cu tranziție de inducție;
- cu tranziție încorporată.
O clasificare auxiliară este propusă în literatura științifică. Se spune că un semiconductor bazat pe o barieră Schottky trebuie plasat într-o clasă separată, deoarece este o structură separată. Același tranzistor poate conține atât un oxid, cât și un dielectric, ca în tranzistorul KP 305. Astfel de metode sunt utilizate pentru a crea noi proprietăți ale unui semiconductor sau pentru a reduce costul acestora.
Pe diagrame, lucrătorii de teren au denumiri de pin: G – poartă, D – scurgere, S – sursă. Substratul tranzistorului se numește „substrat”.
Caracteristici de design
Electrodul de control al unui tranzistor cu efect de câmp din electronică se numește poartă. Joncțiunea sa este realizată dintr-un semiconductor cu orice tip de conductivitate. Polaritatea tensiunii de control poate fi de orice semn. Un câmp electric cu o anumită polaritate eliberează electroni liberi până când tranziția epuizează electroni liberi. Acest lucru se realizează prin aplicarea unui câmp electric semiconductorului, după care valoarea curentului se apropie de zero. Aceasta este acțiunea unui tranzistor cu efect de câmp.
Curentul electric trece de la sursă la scurgere. Să ne uităm la diferențele dintre aceste două terminale ale tranzistorului. Direcția mișcării electronilor nu contează. Tranzistoarele cu efect de câmp au proprietatea de reversibilitate. În ingineria radio, tranzistoarele cu efect de câmp și-au găsit popularitate deoarece nu generează zgomot din cauza unipolarității purtătorilor de sarcină.
Caracteristica principală a tranzistoarelor cu efect de câmp este valoarea semnificativă a rezistenței de intrare. Acest lucru este vizibil mai ales în curent alternativ. Această situație apare datorită controlului printr-o joncțiune Schottky inversă cu o anumită polarizare sau prin capacitatea unui condensator în apropierea porții.
Materialul substratului este un semiconductor nedopat. Pentru „lucrătorii de câmp” cu tranziție Schottky, se folosește arseniura de galiu în locul unui substrat, care formă pură este un bun izolator.
În practică, se dovedește a fi dificil să se creeze un strat structural cu o compoziție complexă care se întâlnește conditiile necesare. Prin urmare, o cerință suplimentară este capacitatea de a crește încet substratul la dimensiunea necesară.
Tranzistoare cu efect de câmp cu p-ntranziție
În acest design, tipul de conductivitate al porții diferă de conductivitatea joncțiunii. În practică, se aplică diverse modificări. Obturatorul poate fi realizat din mai multe zone. Ca rezultat, cea mai joasă tensiune poate controla fluxul de curent, ceea ce crește câștigul.
În diferite scheme, este utilizat tipul invers de tranziție cu o părtinire. Cu cât polarizarea este mai mare, cu atât lățimea joncțiunii este mai mică pentru trecerea curentului. La o anumită valoare a tensiunii, tranzistorul se închide. Utilizarea polarizării înainte nu este recomandată deoarece circuitul de control al puterii mari poate afecta poarta. În timpul unei joncțiuni deschise, curge un curent semnificativ sau o tensiune crescută. Funcționarea normală este creată de alegerea corecta poli și alte proprietăți ale sursei de alimentare, precum și selectarea punctului de funcționare al tranzistorului.
În multe cazuri, curenții direcți de poartă sunt utilizați în mod specific. Acest mod poate fi folosit și de tranzistoarele în care substratul formează o joncțiune p-n. Încărcarea de la sursă este împărțită în scurgere și poartă. Există o regiune cu un câștig mare de curent. Acest mod este controlat prin obturator. Cu toate acestea, pe măsură ce curentul crește, acești parametri scad brusc.
O conexiune similară este utilizată în circuitul detector de poartă de frecvență. Acesta aplică proprietățile de rectificare a joncțiunii de canal și poartă. În acest caz, polarizarea directă este zero. Tranzistorul este, de asemenea, controlat de curentul de poartă. Un câștig mare de semnal este generat în circuitul de scurgere. Tensiunea de poartă se modifică conform legii de intrare și este tensiunea de poartă.
Tensiunea din circuitul de scurgere are elementele:
- Constant. Nu se aplică.
- Semnal de frecvență purtătoare. Distribuit la împământare folosind filtre.
- Semnal cu frecvență de modulare. Supus prelucrării pentru a obține informații de la acesta .
Ca un dezavantaj al detectorului de obturator, este indicat să se evidențieze factorul semnificativ de distorsiune. Rezultatele pentru ea sunt negative pentru cei puternici și semnale slabe. Puțin cel mai bun rezultat prezintă un detector de fază realizat folosind un tranzistor cu dublă poartă. Semnalul de referință este furnizat unuia dintre electrozii de comandă, iar semnalul de informare, amplificat de operatorul de câmp, apare la dren.
În ciuda distorsiunii semnificative, acest efect își are scopul. În amplificatoare selective care trec o anumită doză dintr-un anumit spectru de frecvență. Oscilațiile armonice sunt filtrate și nu afectează calitatea circuitului.
Tranzistoarele MeP, care înseamnă metal-semiconductor, cu o joncțiune Schottky nu sunt practic diferite de tranzistoarele cu o joncțiune p-n. Deoarece joncțiunea MeP are proprietăți speciale, acești tranzistori pot funcționa la frecvențe mai mari. Și, de asemenea, structura MeP este ușor de fabricat. Caracteristicile frecvenței depind de timpul de încărcare al elementului de poartă.
tranzistoare MOS
Baza elementelor semiconductoare este în continuă expansiune. Fiecare nouă dezvoltare schimbă sistemele electronice. Pe baza lor apar instrumente și dispozitive noi. Un tranzistor MOS funcționează prin modificarea conductivității stratului semiconductor folosind un câmp electric. De aici provine numele - câmp.
Denumirea MIS înseamnă metal-dielectric-semiconductor. Acest lucru caracterizează compoziția dispozitivului. Poarta este izolată de sursă și drenată printr-un dielectric subțire. Un tranzistor MOS modern are o dimensiune de poartă de 0,6 microni, prin care poate circula doar un câmp electromagnetic. Afectează starea semiconductorului.
Când potențialul necesar apare la poartă, apare un câmp electromagnetic, care afectează rezistența secțiunii dren-sursă.
Avantajele acestei utilizări a dispozitivului sunt:
- Creșterea rezistenței de intrare a dispozitivului. Această proprietate este relevantă pentru utilizarea în circuite cu curent scăzut.
- Capacitatea mică a secțiunii dren-sursă face posibilă utilizarea tranzistorului MOS în dispozitive de înaltă frecvență. Nu se observă distorsiuni în timpul transmisiei semnalului.
- Progresele în noile tehnologii de fabricare a semiconductoarelor au condus la dezvoltarea tranzistoarelor IGBT, care încorporează aspectele pozitive ale dispozitivelor bipolare și cu efect de câmp. Modulele de putere bazate pe acestea sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele de pornire ușoară și convertoarele de frecvență.
La dezvoltarea unor astfel de elemente, este necesar să se țină cont de faptul că tranzistoarele MOS sunt mai sensibile la creșterea tensiunii și a electricității statice. Tranzistorul se poate arde dacă bornele sale de control sunt atinse. Prin urmare, atunci când le instalați, este necesar să folosiți împământare specială.
Astfel de tranzistori cu efect de câmp au multe proprietăți unice (de exemplu, controlul câmpului electric), deci sunt populari ca parte a echipamentelor electronice. De asemenea, trebuie remarcat faptul că tehnologia de fabricare a tranzistorilor este în permanență actualizată.
