Полевой транзистор — 2D PCM Schematics

Полево́й (униполя́рный) транзи́стор — полупроводниковый прибор, работа которого основана на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, область, в которую они входят, называется стоком, электрод, на который подается управляющее напряжение, называется затвором.

Содержание

• 1 История создания полевых транзисторов
• 2 Классификация полевых транзисторов
  • 2.1 Транзисторы с управляющим p-n-переходом
  • 2.2 Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
    • 2.2.1 МДП-транзисторы с индуцированным каналом
    • 2.2.2 МДП-транзисторы со встроенным каналом
    • 2.2.3 МДП-структуры специального назначения
• 3 Схемы включения полевых транзисторов
• 4 Области применения полевых транзисторов
• 5 См. также
• 6 Примечания
• 7 Литература

История создания полевых транзисторов

В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом.

Впервые идея регулировки потока основных носителей электрическим полем в транзисторе с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако трудности в реализации этой идеи на практике позволили создать первый работающий прибор только в 1960 году. В 1966 году Карвер Мид (англ.)русск. усовершенствовал эту конструкцию, шунтировав электроды такого прибора диодом Шоттки.

В 1977 году Джеймс Маккаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем.

Классификация полевых транзисторов

Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик-полупроводник»)-транзисторы, которые также называют МОП («металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют: входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и некоторые другие.

Транзисторы с управляющим p-n-переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом^[1] — это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например p-типа (Рис. 1), имеет на противоположных концах электроды (исток и сток), с помощью которых она включена в управляемую цепь. Управляющая цепь подключается к третьему электроду (затвору) и образуется областью с другим типом проводимости, в данном случае n-типом.

Источник питания, включенный во входную цепь, создаёт на единственном p-n-переходе обратное напряжение. Во входную цепь также включается и источник усиливаемых колебаний. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, в связи с чем меняется толщина обедненного слоя (n-канал), то есть площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда.

Эта область называется каналом.

Электроды полевого транзистора имеют следующие названия:

• исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;
• сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;
• затвор (англ. gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

Проводимость канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током и напряжением на нагрузке, включённой последовательно к каналу полевого транзистора и источнику питания, осуществляется изменением входного напряжения, вследствие чего изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что ведёт к изменению толщины запирающего (обеднённого) слоя.

При некотором запирающем напряжении площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток в канале транзистора станет весьма малым. В связи с незначительностью обратных токов p-n-перехода, мощность источника сигнала ничтожно мала.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумной электронной лампе — триоду, но по вольт-амперным характеристикам близок к пентоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. При этом существуют и отличия, например:

• в транзисторе отсутствует катод, который требует подогрева;
• любую из функций истока и стока может выполнять любой из этих электродов;
• существуют полевые транзисторы как с n-каналом, так и с p-каналом, что используется при производстве комплементарных пар транзисторов.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Основная статья: МОП-структура

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого электрически изолирован от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости.

На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния SiO ₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U_ЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших

U_ЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом p-типа, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. {2}} — Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO₂ и толстый слой нитрида Si₃N₄. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28—30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO₂ электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO₂ предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния^[2].

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности^[3][4].

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы. В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера^[5].

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор в каскаде усиления сигнала можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике в усилительных каскадах чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ). Каскад с общим истоком даёт большое усиление по мощности. Но, с другой стороны, этот каскад наиболее низкочастотный из-за вредного влияния эффекта Миллера и существенной входной ёмкости затвор-исток (С_зи).

Схема с ОЗ аналогична схеме с общей базой (ОБ). В этой схеме ток стока равен току истока, поэтому она не даёт усиления по току, и усиление по мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет специфическое практическое применение в усилительной технике. Преимущество такого включения — практически полное подавление эффекта Миллера, что позволяет увеличить максимальную частоту усиления и такие каскады часто применяются при усилении СВЧ.

Каскад с ОС аналогичен каскаду с общим коллектором (ОК) для биполярного транзистора — эмиттерным повторителем. Такой каскад часто называют истоковым повторителем. Коэффициент усиления по напряжению в этой схеме всегда немного меньше 1, а коэффициент усиления по мощности занимает промежуточное значение между ОЗ и ОИ. Преимущество этого каскада — очень низкая входная паразитная ёмкость и его часто используют в качестве буферного разделительного каскада между высокоомным источником сигнала, например, пьезодатчиком и последующими каскадами усиления. По широкополосным свойствам этот каскад также занимает промежуточное положение между ОЗ и ОИ.

Области применения полевых транзисторов

КМОП-структуры строящиеся из комплементарной пары полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят всё более широкое применение в различных радиоустройствах, где с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью. Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где с успехом заменяют биполярные транзисторы и электронные лампы. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие биполярные и полевые транзисторы, — находят применение в устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска, где успешно вытесняют тиристоры.

См. также

• КМОП
• Спиновый полевой транзистор
• Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

This article uses material from the Wikipedia article «Полевой транзистор», which is released under the Creative Commons Attribution-Share-Alike License 3.0. There is a list of all authors in Wikipedia

Полевые транзисторы (FET) — презентация онлайн

Похожие презентации:

3D печать и 3D принтер

Видеокарта. Виды видеокарт

Анализ компании Apple

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Устройство стиральной машины LG. Электрика

Конструкции распределительных устройств. (Лекция 15)

Электробезопасность. Правила технической эксплуатации электроустановок

Магнитные пускатели и контакторы

Работа на радиостанциях КВ и УКВ диапазонов. Антенны военных радиостанций. (Тема 5.1)

1. Полевые транзисторы (FET)

2. Полевым называется транзистор, действие которого основано на использовании тока основных носителей заряда в полупроводнике

(электронов и дырок).Управление током
основных носителей осуществляется внешним
электрическим полем.
Первый полевой транзистор был создан в 1952
году В.Шокли. В настоящее время транзистор
является почти универсальным активным
компонентом радиоэлектронной аппаратуры.
Полевые транзисторы также называют униполярными.
Это значит, что в процессе протекания тока у них
участвует только один вид носителей заряда (или
электроны, или дырки).

3. Преимущества полевого транзистора перед биполярным:

► Высокое
входное сопротивление
► Малая потребляемая мощность
► Схемы с ПТ более помехоустойчивые
► Габариты ПТ значительно меньше, что
позволяет повысить плотность компоновки
интегральных схем на ПТ
недостатки:
► Чувствительность
электричеству
к статическому

4. Принцип действия полевого и биполярного транзистора

5. Имеется два типа полевых транзисторов:

► ПТ
с затвором на p-n
переходе (с
управляющим p-n
переходом)
► ПТ
с изолированным
затвором:
• со встроенным
каналом
• с индуцированным
каналом

6. Условные обозначения ПТ:

а и б — с управляющим р-п переходом;
в и г — с изолированным затвором и встроенным каналом;
д и е — с изолированным затвором и индуцированным
каналом.
(Стрелка, направленная внутрь( обозначает транзистор с
каналом типа n, а наружу — с каналом типа р).

7. ПТ с управляющим p-n переходом:

Условные обозначения:
С каналом n-типа
С каналом р-типа
С
З
С
З
И
И
Схема структуры
исток
сток
затвор
p
И-
+
n
С
канал
(n-типа)
p
+
З
UЗИ
—
Принцип действия:
Напряжение затвор исток, приложенное к pn переходу в обратном
направлении , изменяет
ширину канала, по
которому проходит ток
исток — сток и,
следовательно, его
сопротивление.

8. Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n-каналом и управляющим р-n-переходом

В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью
(например) n-типа. На противоположных концах она имеет электроды,
подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху
на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости,
к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между
затвором и n-областью под ним (каналом) возникает p-n переход.

9. Перекрытие канала в полевом транзисторе

Поскольку p-слой значительно уже канала, то большая часть
обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет
приходиться на n-слой. Соответственно, если мы подадим на переход
напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно
увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и
стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока
транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

10. Перекрытие канала в полевом транзисторе

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком
существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот
почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к
области стока.

11. Характеристики ПТ с управляющим p-n-переходом и каналом типа n:

Характеристики ПТ с управляющим pn-переходом и каналом типа n:
Выходной (стоковой) называется зависимость тока
стока от напряжения исток-сток при постоянном
напряжении затвор-исток.
На графике можно четко выделить три зоны. Первая из
них — зона резкого возрастания тока стока. Это так
называемая «омическая» область. Канал «исток-сток»
ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется
напряжением на затворе транзистора.
Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти
линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в
области стока, которое увеличивается при дальнейшем
росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и
сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень
слабо. Именно этот участок характеристики используют в
усилительной технике, поскольку здесь наименьшие
нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения
малосигнальных параметров, существенных для
усиления. К таким параметрам относятся крутизна
характеристики, внутреннее сопротивление и
коэффициент усиления.
Третья зона графика — область пробоя

12. Характеристики ПТ с управляющим p-n-переходом и каналом типа n:

Характеристики ПТ с управляющим pn-переходом и каналом типа n:
Стоко-затворная характеристика.
Она показывает то, как зависит ток
стока от напряжения затвор-исток при
постоянном напряжении между истоком
и стоком. И именно ее крутизна
является одним из основных параметров
полевого транзистора.

13. ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом:

исток затвор
изолятор
n канал
сток
n
Подложка p
З
С
И
с каналом n
З
С
И
с каналом р
Есть подложка из полупроводника с pпроводимостью, в которой сделаны две
сильно легированные области с nпроводимостью (исток и сток). Между ними
пролегает узкая приповерхностная
перемычка, проводимость которой также nтипа. Над ней на поверхности пластины
имеется тонкий слой диэлектрика (чаще
всего из диоксида кремния — отсюда
аббревиатура МОП). А уже на этом слое и
расположен затвор — тонкая
металлическая пленка. Сам кристалл
обычно соединен с истоком, хотя бывает,
что его подключают и отдельно.
Если при нулевом напряжении на затворе
подать напряжение исток-сток, то по
каналу между ними потечет ток.

14. ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом:

исток затвор
изолятор
n канал
сток
n
Подложка p
З
С
И
с каналом n
З
С
И
с каналом р
А теперь подадим на затвор отрицательное
относительно истока напряжение. Возникшее
поперечное электрическое поле «вытолкнет»
электроны из канала в подложку. Соответственно,
возрастет сопротивление канала и уменьшится
текущий через него ток. Такой режим, при котором с
возрастанием напряжения на затворе выходной ток
падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое
будет способствовать возникновению «помогающего»
электронам поля «приходить» в канал из подложки, то
транзистор будет работать в режиме обогащения.
При этом сопротивление канала будет падать, а ток
через него расти.
Конструкция транзистора с изолированным затвором
похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом
тем, что даже при нулевом токе на затворе при
ненулевом напряжении исток-сток между ними
существует так называемый начальный ток стока.

15. ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом:

1. При отсутствии управляющего
напряжения (Uзи) через
канал протекает ток между И
и С.
2. При подаче Uзи прямой
полярности (p+, n-) в канал
притягиваются электроны из
подложки его
сопротивление уменьшается,
ток через нагрузку растет.
3. При подаче напряжения
обратной полярности
электроны из канала
выталкиваются
сопротивление его
увеличивается.

16. Семейства стоковых и стоко-затворная характеристик транзистора с встроенным каналом

МДП — транзистор с индуцированным каналом
У транзистора с индуцированным каналом
канал между сильнолегированными областями
стока и истока появляется только при подаче
на затвор напряжения определенной
полярности.
Если подать напряжение только на исток и сток, ток между ними течь не будет,
поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее
электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в
подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе
определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая
инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит
концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа.
Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным
каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто
встречаются в устройствах переключения.

18. Семейства стоковых и стоко-затворная характеристик транзистора с индуцированным каналом

19. МНОП – транзистор с плавающим затвором М — металл, Н – сплав HSi3N4, О – оксид металла, П – полупроводник

Принцип действия этих
транзисторов основан на том,
что в сильных электрических
полях
электроны могут проникать в
диэлектрик на глубину до 1мкм.
В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором
выполняется двухслойным: слой оксида SiO2 и толстый слой нитрида Si3N4. Между слоями
образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры
положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой
SiO2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое
напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии
питания, так как слой SiO2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого
отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что
существенно уменьшает пороговое напряжение.
Применяются в интегральных микросхемах ЗУ в
виде ячейки для хранения 1бит информации

22. Схемы включения полевых транзисторов

Чаще всего применяется схема с общим истоком, как дающая большее
усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором усиления тока почти не дает и имеет
маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения
имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком также называют истоковым повторителем. Ее
коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное
сопротивление велико, а выходное мало.
С общим истоком
С общим стоком
С общим затвором

23. Области применения ПТ:

► для
работы во входных каскадах усилителей
низкой частоты и постоянного тока с высоким
входным сопротивлением
► для применения в широкополосных усилителях
в диапазоне частот до 150 МГц, а также в
переключающих и коммутирующих
устройствах
► для применения в охлаждаемых каскадах пред
усилителей устройств ядерной спектрометрии,
и т. д.

English     Русский Правила

Как использовать транзистор в качестве переключателя?

Вы знаете, как использовать транзистор в качестве переключателя? Хотя поначалу концепция транзисторов может показаться сложной и пугающей, на самом деле они являются невероятно универсальными и полезными компонентами, которые могут помочь в реализации проектов во всевозможных новых направлениях. Транзисторы могут действовать как переключатели и усилители, позволяя пользователям полностью контролировать поведение своей схемы. В сегодняшней записи блога мы рассмотрим, как работают транзисторы, и предложим пошаговые инструкции по их использованию в качестве переключателей — так что обязательно оставайтесь с нами!

Что такое транзистор?

Транзистор представляет собой электронное устройство, состоящее из трех выводов, которые используются для управления электрическим током и напряжением в цепи. Он действует как переключатель, позволяя электрическому току течь по цепи, когда переключатель включен, и блокируя его, когда переключатель выключен. Управляя количеством электрического тока, протекающего через цепь, транзисторы можно использовать для усиления или ослабления сигналов в электрических цепях.

Транзисторы широко используются в вычислительных приложениях, таких как память, логические элементы и интегральные схемы. Кроме того, они также часто встречаются в усилителях, блоках питания и другом аудиооборудовании. [1]

Краткое примечание о транзисторах BJT и FET

Прежде чем мы сможем определить наиболее подходящий метод использования транзистора в качестве переключателя, мы должны сначала получить представление о двух основных типах транзисторов, используемых для этой цели: BJT (биполярный переходной транзистор) и FET (полевой транзистор).

Биполярный транзистор состоит из трех выводов – коллектора, базы и эмиттера. Действуя подобно электрическому переключателю, ток, проходящий через клемму базы, позволяет электронам течь между клеммами коллектора и эмиттера. Этот тип транзистора хорошо подходит для маломощных приложений, но требует большего напряжения для переключения, чем полевой транзистор.

С другой стороны, полевые транзисторы имеют четыре вывода – затвор, исток, сток и корпус. Они относительно просты в управлении и требуют меньше энергии для переключения, чем транзисторы BJT. Полевые транзисторы обычно используются в качестве переключателей в цифровых схемах, поскольку они могут управляться источниками напряжения или тока и требуют очень небольшого тока для работы. Однако из-за своей конструкции транзисторы FET имеют гораздо более высокий входной импеданс, чем транзисторы BJT, что делает их менее подходящими для использования в аналоговых приложениях, где требуется высокий коэффициент усиления. [2]

Режимы работы транзисторов

Активный режим

В активном режиме для усиления сигналов используются транзисторы. Это наиболее распространенное использование транзисторов, и их можно найти в различных электронных схемах.

Режим отсечки

В режиме отсечки транзистор работает как открытый электрический переключатель. Это происходит, когда базовое напряжение меньше 0,7 В, а ток через переход эмиттер-база практически равен нулю. Траектория коллектор-эмиттер не будет проводить в этом состоянии, так как электроны не инжектируются в базовую область для усиления током коллектора. Для включения NPN-транзистора в режиме отсечки базовое напряжение должно превышать 0,7 В или выше.

Режим насыщения

В режиме насыщения транзистор действует как замкнутый переключатель. Это происходит, когда базового напряжения достаточно для включения транзистора и через него протекает достаточный ток. В этом состоянии путь коллектор-эмиттер будет проводить ток, поскольку электроны инжектируются в базовую область и усиливаются током коллектора. Для выключения NPN-транзистора в режиме насыщения базовое напряжение должно упасть ниже 0,7 В или ниже.

Транзистор в качестве переключателя

При использовании транзистора в качестве переключателя важно помнить о двух режимах работы — отсечка и насыщение. В режиме отсечки транзистор действует как разомкнутый ключ, не позволяя току проходить по пути коллектор-эмиттер. В режиме насыщения транзистор действует как замкнутый переключатель, позволяя току течь от коллектора к эмиттеру. Выбрав подходящее базовое напряжение для своей схемы, вы можете использовать транзисторы либо в качестве переключателя включения/выключения, либо в качестве усилителя.

Транзистор NPN в качестве переключателя

Транзисторы NPN обычно используются в качестве переключателей благодаря их способности легко включаться и выключаться. Подавая небольшой ток на базу транзистора, его можно включать или выключать, позволяя току течь по пути коллектор-эмиттер. Это делает их идеальными для использования в цепях, требующих переключателя с электрическим управлением. При использовании транзистора NPN в качестве переключателя убедитесь, что вы понимаете два режима работы — отсечка и насыщение. Выберите подходящее базовое напряжение для вашей схемы и убедитесь, что вы выбрали транзистор с достаточным коэффициентом усиления для вашего приложения. Помня об этих советах, вы сможете успешно использовать транзисторы в качестве переключателей в своих электронных проектах.

Пример NPN-транзистора в качестве переключателя

Распространенным примером использования транзистора в качестве переключателя является NPN-транзистор, такой как 2N2222. В этой конфигурации коллектор подключен к источнику положительного напряжения, а эмиттер подключен к земле. База используется в качестве входного контроля. Когда в базу не поступает ток, транзистор закрывается, а это означает, что ток не может течь от коллектора к эмиттеру.

Однако при подаче на базу небольшого тока от коллектора к эмиттеру будет протекать гораздо больший ток, что позволит электрическим устройствам, подключенным между этими двумя точками, включаться или выключаться в зависимости от наличия тока базы или нет. Может использоваться в таких схемах, как таймеры или логические контроллеры, где необходимо включать или выключать ток в зависимости от входного сигнала.

Кроме того, величиной тока, протекающего через транзистор, можно управлять, изменяя величину тока базы. Это означает, что транзисторы также можно использовать в качестве усилителей, усиливая сигналы от одного соединения к другому. Это полезно для схем, в которых необходимо усилить слабый управляющий сигнал, чтобы управлять большими нагрузками, такими как двигатели. [3]

PNP-транзистор в качестве переключателя

PNP-транзистор обычно выключен, и для его включения требуется небольшой ток на базе («насыщение»), что позволяет пропускать большие токи от коллектора к эмиттеру. Этот тип схемы полезен для включения и выключения мобильных устройств, таких как радиоприемники или другие электронные устройства.

Для использования транзисторного переключателя PNP подключите источник положительного напряжения к клемме коллектора транзистора, а контакт заземления к клемме эмиттера. Затем подайте базовый ток, чтобы включить его. Когда этот ток исчезнет, ​​транзистор снова закроется. Величина тока, который необходимо подать, зависит от точной модели используемого транзистора, поэтому для получения точной информации обратитесь к техническому описанию.

При выборе транзистора PNP в качестве переключателя важно учитывать номинальный ток и напряжение устройства. Это гарантирует, что устройство может обрабатывать ток, необходимый для вашего приложения, без повреждения или перегрева. Также убедитесь, что последовательно с клеммой базы используется резистор подходящего номинала, чтобы обеспечить безопасный уровень тока, протекающего через транзистор, и предотвратить повреждение из-за условий перегрузки по току. После того, как вы выбрали подходящий PNP-транзистор и создали свою схему, вам следует выполнить некоторые начальные испытания, прежде чем интегрировать его в вашу систему.

Проверьте правильность работы при различных условиях нагрузки путем медленного увеличения нагрузки до достижения насыщения и проверки характеристик переключения.

Пример PNP-транзистора в качестве переключателя

В этом примере PNP-транзистор используется для переключения схемы между двумя различными режимами работы. Делитель напряжения, состоящий из R1 и R2, обеспечивает ток базы для насыщения транзистора. Когда входной сигнал высокий, он включает транзистор, который соединяет выход с землей и отключает выход. Когда входной сигнал низкий, он выключает транзистор и позволяет току проходить от коллектора к эмиттеру до тех пор, пока не будет достигнуто насыщение.

Выход будет оставаться активным до тех пор, пока снова не будет достигнуто насыщение, когда на базовом терминале будет получен еще один сигнал высокого уровня. Этот тип переключения может быть эффективным способом управления несколькими цепями с помощью одного входного сигнала или изменения режима работы в сложных системах. Необходимо провести тщательное тестирование, чтобы убедиться, что все компоненты работают правильно и схема соответствует назначению.

При тщательном проектировании и правильном тестировании PNP-транзистор может быть эффективным средством включения или выключения цепей в зависимости от условий, присутствующих в вашей системе. Учитывайте номинальное напряжение и силу тока вашего устройства при выборе его для переключения приложений, а также любые другие соображения безопасности, такие как температурный диапазон или вопросы электромагнитной совместимости. [4]

Практические примеры использования транзистора в качестве переключателя

Транзистор для переключения светодиода

Это одно из самых простых применений транзистора в качестве переключателя. Для начала нам нужно создать две цепи: цепь управления (транзистор и его компоненты смещения) и цепь нагрузки (светодиод).

В этом примере мы будем использовать транзистор NPN с источником питания 5 В. Подключите положительный полюс источника питания к коллектору, а землю к эмиттеру. Затем соедините базу транзистора NPN через резистор с землей, а затем подключите кнопку между резистором и +5В. Когда вы нажмете кнопку, она замкнет цепь, позволяющую течь току от + 5 В через переход база-эмиттер, попадая в область насыщения.

Теперь для подключения цепи нагрузки мы подключим светодиод между коллектором и землей. При нажатии кнопки ток будет течь от базы к эмиттеру транзистора, позволяя току проходить от коллектора к эмиттеру через светодиод. Это заставляет его светиться. В этом примере показано, как NPN-транзистор можно использовать в качестве переключателя. Однако эта схема не идеальна для управления мощными нагрузками из-за ограниченной пропускной способности транзисторов по току. Он лучше подходит для приложений с низким энергопотреблением, таких как управление светодиодами, реле и т. д.

Транзистор для управления реле

Транзистор можно использовать для управления реле, позволяющим дистанционно управлять устройством или устройством. Для этого коллектор BJT (биполярного переходного транзистора) подключается к одной стороне катушки реле, а эмиттер подключается к земле. База должна быть переключена между 0В (выкл.) и +5В (вкл.).

Звук Raspberry Pi не работает: как исправить?

При подключении источника более высокого напряжения к двум контактам на катушке реле при подаче сигнала на базу транзистора он включится, возбуждая катушку. Это, в свою очередь, вызывает электромагнит внутри реле, который притягивает якорь и переключается на два контакта внутри, замыкая их. Это позволяет току от вашего источника более высокого напряжения проходить через реле и к тому, чем вы управляете. Как только база транзистора выключается, он больше не проводит ток, поэтому катушка реле обесточивается, заставляя якорь возвращаться в исходное положение, размыкая контакты внутри.

Этот процесс можно повторить столько раз, сколько необходимо. Использование этого метода с биполярным транзистором или транзистором любого другого типа позволяет легко дистанционно управлять устройствами, подключенными к источнику питания. Это также обеспечивает дополнительный уровень безопасности, поскольку не нужно использовать сетевое напряжение рядом с вашей цепью, а вместо этого просто сигнал низкого напряжения для их удаленной активации. [5]

Транзистор для управления двигателем

Транзистор также может использоваться для управления двигателем. Простая схема транзистора и двигателя постоянного тока показана ниже. В этой схеме резистор R2 используется для ограничения тока, протекающего в базу (В) транзистора. Резистор R1 используется для управления напряжением, подаваемым на эмиттер (Е). При подаче достаточного напряжения ток будет течь через двигатель и включать его. Когда это происходит, больший ток будет протекать от вывода коллектора (C) транзистора к земле, что позволяет большей мощности проходить через двигатель и заставлять его вращаться быстрее. Скорость вращения можно регулировать, изменяя резисторы R2 и R1, чтобы на базу протекал только достаточный ток. Используемый в этой схеме транзистор можно заменить N-канальным МОП-транзистором, имеющим более высокую скорость переключения и меньшую потребляемую мощность, чем транзистор.

Типы транзисторов

Существует два основных типа транзисторов, которые можно использовать в качестве переключателя: биполярные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET). Оба имеют свои преимущества и недостатки при использовании в качестве переключателей, поэтому важно понимать различия между ними.

Биполярный переходной транзистор (BJT): Это один из наиболее часто используемых типов транзисторов для коммутационных приложений. BJT имеют три терминала: База, коллектор и излучатель. Они подключены таким образом, что когда ток проходит через клемму базы, он создает токопроводящий путь от коллектора к эмиттеру, позволяя току течь от коллектора к эмиттеру. Преимущество биполярных транзисторов заключается в том, что они могут коммутировать большие уровни тока и напряжения при относительно низком энергопотреблении.

Полевой транзистор (FET): FET похожи на BJT тем, что они также имеют три вывода: Gate, Source и Drain. Когда затвор активируется небольшим уровнем напряжения, он действует как изолятор между истоком и стоком. Это заставляет ток течь от истока к стоку, тем самым включая устройство. Основным преимуществом полевых транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является их очень низкое энергопотребление, что делает их идеальными для приложений, где важно низкое энергопотребление.

При принятии решения о том, какой тип транзистора использовать в качестве переключателя, следует учитывать требования приложения, такие как максимальная допустимая нагрузка по току, диапазон напряжения и т. д., а затем выбрать устройство, которое наилучшим образом соответствует вашим потребностям.

После того, как вы выбрали тип используемого транзистора, важно понять, как правильно подключить и настроить его, чтобы он работал по назначению. При подключении переключателя BJT или FET обращайте внимание на такие аспекты, как полярность проводки, номинальные значения напряжения и тока, расположение цепей и т. д., так как это может повлиять на работу переключателя. При правильной установке и настройке транзисторы можно надежно использовать для коммутационных приложений.

Зачем использовать транзистор вместо переключателя?

Транзистор — это электронное устройство, которое можно использовать в качестве переключателя для управления потоком электричества в электронной цепи.

Транзисторы предпочтительнее механических переключателей, поскольку они более надежны и эффективны, но при этом содержат меньше деталей, чем традиционные переключатели.

Кроме того, для работы транзисторов требуется меньше энергии, что делает их подходящими для использования в низковольтных цепях. Они также обеспечивают лучшее управление, чем обычные переключатели, поскольку они могут работать на очень высоких скоростях и точно модулировать ток, протекающий через них.

Наконец, транзисторы обеспечивают лучшую изоляцию между входными и выходными цепями, обеспечивая улучшенную защиту от повреждений из-за коротких замыканий или других неисправностей проводки.

В целом транзисторы обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с обычными переключателями с точки зрения надежности, эффективности и безопасности. Они являются идеальным выбором для использования в широком спектре электронных приложений и стали стандартным переключающим устройством во многих отраслях промышленности. [6]

FAQ

Зачем использовать транзистор в качестве переключателя?

Транзистор используется в качестве переключателя, поскольку его свойства позволяют использовать его в качестве электронного устройства, которое может управлять величиной тока, протекающего по цепи. Используя транзистор, вы можете легко регулировать величину тока или напряжения, проходящего через определенную часть вашей схемы, не внося никаких физических изменений в компоненты схемы. Это делает его идеальным для управления большими токами, чем те, которыми можно управлять с помощью простого механического переключателя.

Какие типы транзисторов лучше всего использовать в качестве переключателей?

Самый популярный тип транзистора, используемого в качестве переключателя, обычно называется транзистором с биполярным переходом (BJT) NPN (отрицательный-положительный-отрицательный). Этот тип транзистора имеет три вывода, соединенных внутри, и его легко распознать по его трехвыводной конфигурации. Транзисторы NPN обычно используются для таких приложений, как управление светодиодными лампами, включение или выключение двигателей и реле и даже управление мощностью, протекающей через цепь.

Существуют ли другие типы транзисторов, которые можно использовать в качестве переключателей?

Да, биполярные транзисторы PNP (положительный-отрицательный-положительный) также могут использоваться в качестве переключателей в некоторых случаях. Хотя этот тип транзисторов менее распространен, чем устройства NPN, он все же имеет свои уникальные преимущества и может при необходимости обеспечивать более высокий уровень контроля тока. Кроме того, МОП-транзисторы (полевые транзисторы на основе оксидов металлов) часто используются вместо биполярных транзисторов, поскольку они часто могут обеспечить лучший контроль над током и иметь меньшие потери мощности при использовании в приложениях большой мощности.

Есть ли другие соображения, которые следует учитывать при использовании транзистора в качестве переключателя?

Да, перед подключением выводов транзистора важно убедиться, что ваша схема правильно спроектирована. Перед подключением транзистора необходимо учитывать величину напряжения или тока, протекающего по цепи; в противном случае это может привести к повреждению как компонента, так и вашей схемы. Кроме того, критически важно поддерживать надлежащий отвод тепла от транзистора; если не сделать это правильно, это может привести к преждевременному выходу компонента из строя. Наконец, убедитесь, что вы выбрали подходящий тип транзистора для вашего приложения и используете правильную конфигурацию контактов для оптимальной производительности.

Как использовать NPN-транзистор в качестве переключателя?

Использование транзистора NPN в качестве переключателя — это простой и эффективный способ управления схемой. Чтобы использовать NPN-транзистор в качестве переключателя, вам необходимо подключить базу транзистора к источнику сигнала (например, к выводу Arduino или другому микроконтроллеру). Затем вы подключаете коллектор транзистора к источнику питания, а эмиттер транзистора будет подключен к земле. Когда ток протекает через базу транзистора, он позволяет току течь между клеммами коллектора и эмиттера, эффективно включая вашу схему. Когда через базу не протекает ток, ток не течет между выводами коллектора и эмиттера, эффективно отключая вашу цепь.

Важно отметить, что для этого типа приложений переключения вы должны убедиться, что размер NPN-транзистора соответствует требованиям вашей схемы по току. Неправильный выбор размера транзистора может привести к слишком большому потреблению тока и тепла, что может привести к тепловому разгону и повреждению вашей схемы. Как только ваша схема заработает правильно и безопасно, вы сможете управлять ею с помощью цифрового сигнала от микроконтроллера или другого источника.

Где транзисторы используются в качестве переключателей?

Транзисторы используются в качестве переключателей в различных приложениях, включая компьютерные логические схемы, триггерные схемы и схемы управления питанием. Их также можно использовать для включения/выключения других компонентов, таких как двигатели, светодиоды и реле. Кроме того, транзисторы можно использовать для усиления сигналов или обеспечения усиления по току в схемах усилителей. Транзисторы можно найти во многих электронных устройствах, включая радиоприемники, телевизоры, сотовые телефоны и компьютеры. Кроме того, они широко используются в автомобильной электронике для управления скоростью вращения вентиляторов, насосов и соленоидов.

Какую мощность может выдержать транзистор?

Доступны транзисторы различной номинальной мощности. Как правило, маломощные транзисторы могут работать с током до 100 мА, а транзисторы с более высокой мощностью могут работать с током до 10 А и более. Тип используемого транзистора будет зависеть от области применения и требуемого коэффициента усиления по току/выходной нагрузки.

Падает ли напряжение на транзисторах?

Да, транзисторы создают падение напряжения при использовании в качестве переключателя. Когда транзистор находится в зоне отсечки, ток через него не течет и, следовательно, на нем нет падения напряжения. Однако, как только транзистор включается при подаче определенного тока базы (который зависит от типа используемого транзистора), возникает увеличение напряжения коллектор-эмиттер. Это вызывает падение напряжения на транзисторе, которое можно рассчитать по закону Ома (V = I * R). Точное значение этого падения напряжения будет варьироваться в зависимости от типа транзистора и величины тока, проходящего через него. Кроме того, увеличение или уменьшение приложенного базового тока может соответствующим образом изменить это падение напряжения.

Полезное видео: Использование транзистора в качестве переключателя

Заключение

В заключение хочу сказать, что транзисторы — отличный инструмент для управления электричеством и создания сложных логических комбинаций. При использовании в качестве переключателя они могут быть невероятно полезны для включения или выключения устройств с очень небольшим энергопотреблением. Транзисторы также относительно недороги и просты в использовании, что делает их экономичным и надежным вариантом для многих приложений. Обладая необходимыми знаниями, любой может быстро и легко настроить транзисторный ключ. Так что, если вы ищете эффективный способ управления электрическими сигналами в своей схеме, стоит рассмотреть транзисторный переключатель!

Ссылки

1. https://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_4.html
2. https://learn.sparkfun.com/tutorials/transistors/applications-i-switches
3. https : //www.tutorialspoint.com/transistor-as-a-switch
4. https://eepower.com/technical-articles/how-to-operate-a-transistor-as-a-switch/
5. https:/ /www.electronicshub.org/transistor-as-a-switch/
6. https://www.nutsvolts.com/magazine/article/may2015_Secura

Как проверить материнскую плату с помощью мультиметра?

FET: Дружелюбный эффективный транзистор

Если вы когда-либо работали со схемой, которая контролирует приличную величину тока, вы часто будете сталкиваться с FET — полевым транзистором. Если вы хотите управлять парой мощных светодиодов, включать и выключать USB-устройство или управлять двигателем, где-то на картинке обычно есть полевой транзистор, выполняющий тяжелую работу. Возможно, вы не знакомы с тем, как работает полевой транзистор, как его использовать и каковы предостережения — давайте рассмотрим основы.

Вот простая схема на полевых транзисторах, позволяющая переключать питание, скажем, на порт USB, что-то вроде клапана, прерывающего ток. В этой схеме используется P-FET — чтобы включить питание, откройте FET, опустив сигнал GATE на уровень земли, а чтобы выключить его, закройте FET, вернув GATE обратно, где резистор удерживает его по умолчанию. . Если вы хотите управлять им с 3,3-вольтового микроконтроллера, который не может справиться с высоким напряжением на своих выводах, вы можете добавить транзисторную секцию NPN, как показано на рисунке — это инвертирует логику, превращая ее в более интуитивно понятную схему «высокий=включен». , low=off», и вы больше не рискуете GPIO!

Эта схема называется переключателем верхнего плеча. Она позволяет переключать питание устройства по желанию через полевой транзистор. Это самый популярный вариант использования полевых транзисторов, и если вам интересно узнать больше о переключателях верхнего плеча, я настоятельно рекомендую эту блестящую статью нашего собственного [Била Херда], где он показывает вам основы переключателей верхнего плеча в простой и понятной форме. способ. В этой статье вы можете использовать эту схему в качестве справки о том, как полевые транзисторы обычно используются в цепи.

Small Talk

Существуют различные типы полевых транзисторов — MOSFET, JFET и несколько десятков менее популярных, но все же широко распространенных. Когда говорят о полевых транзисторах, люди обычно имеют в виду полевые МОП-транзисторы, и об этом пойдет речь в этой статье — другие типы не так популярны для обычных хакерских целей, и я мало что знаю о JFET с самого начала. . Однако все они являются полевыми транзисторами, братьями и сестрами другого широко распространенного типа транзисторов — BJT (транзисторов с биполярным переходом), достаточно популярных, чтобы мы обычно называли их транзисторами NPN или PNP. Все они находятся под зонтиком транзистора, но когда люди говорят «транзистор», они обычно имеют в виду BJT, а когда люди говорят «FET», они обычно имеют в виду «MOSFET».

Вы можете представить себе полевой транзистор как резистор, которым вы можете управлять, и его сопротивление может быть от доли ома (разомкнутый) или до бесконечно высокого сопротивления для целей вашей конструкции (замкнутый). Вы открываете полевой транзистор, заряжая и разряжая его затвор — в самом простом случае вы можете представить затвор как конденсатор. Подводя итог, полевой транзистор — это транзистор, который действует как резистор со встроенным конденсатором для управления сопротивлением полевого транзистора.

Это делает полевые транзисторы уникальными для таких вещей, как переключение шин питания! При управлении шиной питания устройства с помощью BJT падение напряжения не менее 0,3 В неизбежно из-за того, как работают BJT, в результате чего мощность тратится на нагрев, и это недопустимо для цифровых устройств, где напряжение питания имеет значение. Однако полевой транзистор в том же приложении будет просто встроенным субомным сопротивлением — эффективным и удобным. Это основная причина, по которой полевые транзисторы используются для приложений переключения питания, и в результате вы увидите полевые транзисторы в самых разных местах.

Теперь полевой транзистор не может мгновенно перейти от «полностью открытого» к «полностью закрытому» — как и в случае с биполярными транзисторами, которые мы все знаем и любим, также существуют промежуточные состояния, когда сопротивление не такое низкое, как у полевого транзистора. , но и не бесконечный — полевой транзистор частично открыт, или, другими словами, в его линейной области. Вы можете достичь линейной области, подав на затвор почти открытое, но не совсем напряжение, и, воспользовавшись этим, вы можете построить усилитель, электронную нагрузку или драйвер постоянного тока для некоторого светодиоды. Однако для целей переключения полевой транзистор в линейной области — это то, чего вам следует избегать — высокое сопротивление означает большие потери и необходимость каким-то образом рассеивать это тепло.

Из-за особенностей конструкции полевых транзисторов каждый полевой транзистор имеет встроенный диод, известный как «корпусной диод». Вы не можете избежать этого диода — он должен остаться; вы можете объяснить его существование только при подключении. Если диод нежелателен, можно избежать его, поставив два полевых транзистора спиной к спине. Вот как работают схемы защиты литий-ионных аккумуляторов — они должны защищать аккумулятор от переразряда, отключая протекающий ток, но они также должны защищать от перезаряда, отключая протекающий ток и соединяя два полевых транзистора последовательно с диоды, обращенные друг к другу, — один из способов добиться этого. Если вы посмотрите на литий-ионный аккумулятор BMS с более высоким током, вы неизбежно обнаружите два полевых транзистора, соединенных таким образом, или даже два ряда полевых транзисторов, соединенных параллельно!

Как полевой транзистор работает на физическом уровне без упрощений? Вот видео от [Thomas Schwenke] о полевых транзисторах, а также одно из [EEVblog], в котором рассказывается как о BJT, так и о полевых транзисторах. В Интернете также есть множество учебных материалов и примеров, таких как этот красивый GIF из Википедии. Вам не обязательно знать это, но это может помочь, и это также очень увлекательно!

Открытие

Чтобы открыть полевой транзистор, необходимо подать на затвор напряжение, превышающее напряжение полевого транзистора Vgs и не превышает значение Vgs (max). Оба из них находятся в таблице данных, конечно. Осторожно — Vgs в техническом описании (и в подборщиках запчастей в интернет-магазинах!) часто дается для некоторого приемлемого значения сопротивления, но не для самого низкого сопротивления, которого может достичь полевой транзистор, поэтому вам нужно проверить Vgs . — график сопротивления в даташите. Теперь в Vgs , G означает гейт, а S — исток, третий вывод — сток; как только полевой транзистор открывается, ток течет от истока к стоку. Конечно, управляющее напряжение затвора также должно подаваться относительно истока.

Как и в случае с NPN- и PNP-транзисторами, существуют N-FET и P-FET. N-FET похожи на NPN-транзисторы — на выводе затвора должно быть более высокое напряжение, чем на выводе истока, чтобы полевой транзистор открылся. P-FET также похожи на PNP-транзисторы — вывод затвора P-FET должен иметь более низкое напряжение, чем вывод истока, конечно, превышающее Vgs; в таблицах данных P-FET Vgs отображается как отрицательное число, скажем, «-1,7 В». Как вы, возможно, заметили, проще всего использовать P-FET для переключения верхнего плеча и N-FET для переключения нижнего плеча — до тех пор, пока ваши Vgs меньше, чем напряжение вашей шины питания, вам не нужно выходить за пределы диапазона напряжений, доступных в вашей цепи.

Теперь при подключении полевого транзистора помните о внутреннем диоде — если вы используете полевой транзистор для переключения нагрузки и подключаете его неправильно, перепутав исток и сток, ваше устройство всегда будет питаться через корпусной диод, нет. независимо от того, открыт FET или нет. С другой стороны, сверка с таблицей выводов устранит эту проблему, и при рисовании схемы символ полевого транзистора часто будет иметь внутри нарисованный диод или, по крайней мере, стрелку, идущую от того же контакта.

Что касается наименования, его легко запомнить — при переключении верхнего плеча с помощью P-FET или нижнего плеча с помощью N-FET вы подключаете источник питания к контакту источника , положительная шина в случае P-FET или отрицательная шина в случае N-FET. Даже если вам нужен полевой транзистор для другой цели, эта конкретная мнемоника может напомнить вам, от какого контакта к какому выводу идет корпусный диод! P-FET, положительный источник. N-FET, отрицательный источник.

Если у вас есть полевой транзистор, есть несколько способов включить его в схему. Если вы переключаете шину питания 3,3 В, а ваш микроконтроллер на 3,3 В, вы также можете управлять полевым транзистором напрямую с помощью GPIO — хотя зарядка затвора полевого транзистора не всегда совместима с GPIO, емкость затвора не будет иметь большого значения. нагрузка на ваш GPIO в небольшом масштабе, так что это хороший ярлык в хакерских проектах; если это вас беспокоит, вы можете добавить последовательный резистор между затвором и GPIO, скажем, 100 Ом. Также довольно популярно управлять N-FET с переключением нижнего плеча с помощью GPIO, как мы это делаем с NPN-транзисторами!

Расчет делителя напряжения, чтобы поддерживать Vgs ниже напряжения источника

Однако, если ваши напряжения не совпадают, скажем, вы управляете нагрузкой 12 В с помощью P-FET и GPIO 3,3 В, есть другой способ более популярный способ, который вы видели в нашем первом примере схемы — используйте другой полевой транзистор или биполярный транзистор, чтобы тянуть затвор в одном направлении, и резистор, чтобы тянуть его в другом; если вам нужно, чтобы ваши Vgs находились в определенном диапазоне, просто добавьте дополнительный резистор между затвором и управляющим транзистором, чтобы сформировать делитель напряжения!

Очень полезно, но не идеально. Затвор представляет собой конденсатор, поэтому его зарядка или разрядка через резистор займет больше времени, чем противоположное действие с транзистором, поэтому направление, управляемое резистором, будет проводить больше времени в линейной области. Это не большая проблема для периодического включения и выключения нагрузки, но она укусит вас, если вы решите использовать более высокочастотную ШИМ — скажем, вы управляете светодиодами или регулируете скорость двигателя, а индуктивность двигателя мешает. дела идут еще дальше. Вот тут-то и появляются драйверы FET — это небольшой чип, внутри которого есть двухтактный каскад, который помогает вам сильно управлять затвором, несмотря на емкость, и поддерживать Vgs тоже в допустимых пределах. Более или менее, подключите свой контрольный GPIO к одной стороне чипа, затвор вашего полевого транзистора к другому, следуйте техническому описанию драйвера затвора, и вы золоты.

Установка границ

Конечно, у полевых транзисторов есть свои ограничения и нюансы — существует множество полевых транзисторов в корпусах SOT23, которые выглядят одинаково, но только некоторые из них будут соответствовать требованиям, когда вам нужно проехать несколько метров светодиодной ленты. Наиболее важными параметрами являются максимальный ток и напряжение сток-исток — они определяют тип нагрузки, которую вы можете управлять с помощью полевого транзистора. Если вы хотите управлять нагрузкой 12 В / 3 А, было бы разумно выбрать полевые транзисторы Vds / Ids на 20 В / 4 А, а если это 3,3 В / 1 А, то обычным будет полевой транзистор 12 В / 3 А. выбор. Да, и внутренний диод может выглядеть чрезвычайно удобным, скажем, если вы переключаете индуктивные нагрузки, так как он рассеет часть обратной ЭДС, которую может получить полевой транзистор — однако не слишком полагайтесь на него, если вам нужно диод, добавление дополнительного диода параллельно — лучший способ.

Дополнительная защита от электростатического разряда на воротах

Вы нашли хорошие и дешевые полевые транзисторы, или, может быть, у вас есть несколько хороших, но они немного не соответствуют максимальному току, который они могут выдержать? Хорошие новости — вы часто можете соединить аналогичные полевые транзисторы параллельно, чтобы увеличить максимальный ток! В отличие от диодов, большинство полевых транзисторов имеют положительный тепловой коэффициент — по мере того, как через полевой транзистор проходит больший ток и увеличивается его температура, его сопротивление также увеличивается, что приводит к тому, что параллельно включенные полевые транзисторы уравновешивают друг друга — даже если их параметры не совсем равны. Вам даже не нужно иметь отдельные схемы управления — просто параллельные полевые транзисторы вместе, все три контакта соединены вместе, и все заработает.

Вывод затвора более чувствителен, чем сток и исток — например, он довольно чувствителен к электростатическому разряду, а некоторые полевые транзисторы даже имеют встроенные диоды для защиты от электростатического разряда, подключенные между затвором и истоком. В отличие от BJT-транзисторов, которым требуется постоянный ток, вам нужно только один раз зарядить затвор, чтобы полевой транзистор оставался открытым в течение достаточного времени — и это настолько небольшое количество заряда, что вы часто можете буквально зарядить затвор полевого транзистора, просто коснувшись пальцем, если ворота активно не тянут в каком-либо направлении. Видите резистор R1 во вводной схеме? Он удерживает затвор разряженным, а полевой транзистор закрытым, если только он не открывается активно — без этого резистора полевой транзистор не закрылся бы сам по себе и был бы восприимчив к всевозможным помехам. Если вы не используете драйвер затвора, вам обязательно понадобится резистор затвор-исток.

Кроме того, как правило, максимальное пороговое значение Vgs намного ниже, чем пороговое значение Vds — например, для полевого транзистора на 30 В нередко можно увидеть, что максимальное значение Vgs составляет 12 В или около того; превышает его, и полевой транзистор, скорее всего, выйдет из строя. Скажем, вы переключаете 20 В с помощью такого P-FET в обычной конфигурации переключения верхнего плеча, и вы получаете хорошие Rds (сопротивление сток-исток) при -6 В — вы захотите сохранить напряжение затвора около 12 В. Опять же, самый простой способ сделать это — использовать делитель напряжения, а подтягивающий резистор затвора прекрасно впишется в картину!

Когда полевой транзистор выходит из строя, он обычно выходит из строя из-за короткого замыкания — это довольно плохо, если вы полагаетесь на полевой транзистор для чего-то критического, но если есть один плюс, это то, что его довольно легко отладить, когда ваш полевой транзистор вышел из строя. . Некоторые продукты, такие как Pinecil, используют два полевых транзистора последовательно для дополнительной защиты от таких проблем — действительно, неконтролируемый нагрев жала паяльника вреден для ваших клиентов. Другие продукты просто используют один полевой транзистор и не беспокоятся об этом — сбои в целом случаются редко.

Говоря о Pinecil, в нем используется неортодоксальная схема возбуждения – он имеет NPN-транзистор, но его база управляется через конденсатор, так что проходит только переменная составляющая управляющего сигнала. В результате, если основной микроконтроллер зависает, а управляющий GPIO застрял на высоком уровне, полевой транзистор не останется включенным!

До следующего раза

Хотите узнать больше о полевых транзисторах? В сети много информации. Например, эта заметка о приложении TI об управлении полевыми транзисторами замечательна. Здесь, на Hackaday, мы также рассмотрели полевые транзисторы в нескольких различных контекстах — логика CMOS, переключение высокого напряжения, частичный источник и общие транзисторные споры, а также рассмотрели несколько вводных руководств.