Site Loader

Содержание

Как подключить полевой транзистор

В этой статье мы рассмотрим вопросы регулировки мощности различных устройств, подключенных через полевой транзистор к МК с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Сначала немного теории. ШИМ – это широко используемый в электронике способ регулировки мощности самых разнообразных устройств. Где он только не нашел еще применения! Способ заключается в кратковременном включении устройства (на доли миллисекунд), а затем его отключении на некоторый момент времени. Такой цикл включений-выключений непрерывно повторяется. Рассмотрим диаграмму ниже.

На диаграмме показана зависимость напряжения на нагрузке от времени. Закрашенное серым – это область, когда управляемый с помощью ШИМ прибор был включен. Выделяемую энергию можно считать пропорциональной площади этой области. Отношение периода повторения импульсов (T) к их длительности (AC) называется скважностью. Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения.

Судя по диаграмме, скважность наиболее велика в середине диаграммы. Значит, на этом участке на нагрузке выделялось наименьшее количество энергии в единицу времени. Надеюсь, с этим все понятно. Но возникает вопрос: а чем же так хороша ШИМ? Почему бы не использовать для регулировки мощности устройство, способное менять сопротивление (переменный резистор или транзистор)? Рассмотрим две, казалось бы, эквивалентные схемы.

Если менять сопротивление резистора, как показано на графике в центре, а на ключевой элемент правой схемы подавать ШИМ-последовательность, изображенную на диаграмме, то лампочки будут в любой момент времени светить одинаково (UL – напряжение на лампочке). Но в правой схеме энергия будет выделяться только в лампочке, а в левой – и в лампочке, и в резисторе (или транзисторе, которым можно с успехом его заменить). Резистор будет разогреваться, и, возможно, не хуже лампочки. Поэтому на вопрос, какая схема рациональнее, я думаю, любой ответит, что правая.

Она называется импульсной, а левая схема – линейной. Когда работают с мощной сильноточной электроникой, всегда отдают предпочтение именно импульсным элементам и способам. Линейные применяются лишь там, где управляют малыми мощностями и слабыми токами. К тому же, в цифровой электронике, где существуют лишь два состояния – «включено» и «выключено», ШИМ реализовать намного легче. Чем мы и займемся в этой статье.

Для этого нам понадобится совсем немного – полевой транзистор, который и будет работать у нас в качестве ключа (в ключевом режиме). Полевой транзистор предпочтительней потому, что его затвор изолирован от силовой схемы и управление производится электрическим полем, а ток управления достигает микроампер. Это позволяет, используя один-два транзистора, управлять с их помощью нагрузкой огромной мощности (до десятков ампер и десятков-сотен вольт), не нагружая МК. Замечательные мощные и недорогие (10 – 30 руб) транзисторы производит фирма International Rectifier. Они имеют название IRFxxxx, где xxxx – трех или четырехзначный номер.

Я использовал в своей макетной плате IRF7311. Подойдут также и другие подобные ему: IRF7341, IRF7103 IRF7301, IRF7343, IRF7401, IRF7403, IRF7413. Эти транзисторы управляются логическим уровнем +5 В, т. е. нашего МК будет достаточно, чтобы полностью их открыть. Они, в свою очередь, могут управлять напряжением от 20 В (все) до 50 В (IRF7103, IRF7341) и через них можно будет открывать и закрывать более мощные транзисторы с достаточно высоким управляющим напряжением, например, IRF530. Таким образом, возможно собрать очень мощный быстродействующий каскад на полевых транзисторах, способный с помощью ШИМ плавно менять мощность на нагрузке, коммутируя токи в десятки ампер. Учитывая также тот факт, что полевые транзисторы можно соединять параллельно (в отличие от биполярных), возможно получить еще более мощный каскад на сотни ампер.

Итак, предположим, Вы решили купить IRF7311. Если открыть его Datasheet (есть в файлах к статье), то выясняется следующее: это махонькая микросхема в корпусе SO-8, внутри которой располагаются два полевых транзистора с индуцированным каналом N-типа и встроенными диодами Шоттки. Это означает, что для открывания транзистора надо подать на затвор G (Gate – «ворота, шлюз») управляющее напряжение +5 В по отношению к истоку S (Source – «источник»). Тогда, если было приложено коммутируемое напряжение «плюсом» к стоку D (Drain – «сток») и «минусом» к истоку, то потечет достаточно сильный ток (до 6 А) от D к S. Наличие диода Шоттки позволяет, не боясь ЭДС самоиндукции, применять эти транзисторы для управления электромоторами. Ниже приведу цоколевку транзистора и его внешний вид:

Сверху на корпусе в углу должна быть точка, такая же, как на рисунке. Она стоит рядом с «ножкой» 1. Кстати, у всех микросхем «ножки» нумеруются начиная от подобной метки против часовой стрелки, если смотреть сверху – а то вдруг кто не знает. Если Вы купили полевой транзистор с P-каналом – ничего страшного. Тогда Вам придется подать «минус» на G (относительно S) для включения и поменять полярность нагрузки. То есть для любого полевого транзистора с индуцированным затвором нужно подавать ток против стрелочки, расположенной между затвором и диодом, а нагрузку подключать так, чтобы ток через нее тек в направлении, обратном встроенному диоду.

Вот и все.

Прицепим теперь наш транзистор IRF7311 затвором к 21 «ножке» МК (PD7, OC2) и истоком к «земле». К его стоку подключим «плюс» внешнего источника питания (до 20 В), а между его «минусом» и истоком подключим нагрузку, например, лампочку или электромоторчик постоянного тока.

Когда я все собрал, получилось вот так (хоть проводов и не видно, но лампочка подключена):

Осталось только разобраться, как МК реализует ШИМ и написать программу. Как уже говорилось ранее, в нашем МК есть 3 таймера, и все они могут работать в ШИМ-режиме. Таймер1 является самым навороченным и может выводить ШИМ сразу на двух выводах МК. Но мы не будем вдаваться в ненужные нам пока подробности и сложности и рассмотрим работу с ШИМ на примере таймера2.

Существуют два режима работы таймера в качестве ШИМ-модулятора. Это Fast PWM (быстрая ШИМ) и Phase correct PWM (ШИМ с фазовой коррекцией). Рассмотрим оба режима на следующих диаграммах:

Режим работы определяется содержимым битов WGM (Waveform Generation Mode) в регистре TCCR2. В Datasheetе написано, что для ШИМ с фазовой коррекцией нужно установить в единицу WGM20, а для быстрой ШИМ WGM20 и WGM21. Чем же отличаются эти режимы? В быстром режиме меняется состояние «ножки» OC2 в моменты совпадения счетного регистра TCNT2 и регистра сравнения OCR2 (зеленая стрелка), а также в момент сброса таймера (синяя стрелка).При этом серединка импульса (оранжевая) как бы смещается влево, меняется фаза импульса. В режиме фазовой коррекции такого явления не наблюдается. В этом режиме таймер, досчитав до максимума (до 255), начинает счет в другую сторону. В моменты совпадения регистров TCNT2 и OCR2 меняется состояние ножки OC2. При этом серединка импульса никуда не смещается. Этот режим имеет в два раза меньшую частоту, чем быстрый, но изготовитель утверждает, что он лучше подходит для управления электромоторами (скорее всего, шаговыми). Быстрый режим можно использовать в любых других случаях. Все остальные таймеры работают в ШИМ-режиме аналогично, таймер1 позволяет также менять период ШИМ произвольным образом, но, думаю, нам это ни к чему.

С теорией вроде бы теперь все понятно. Откроем IAR, создадим новый проект, наберем следующий код:

Функция timer2_init() используется нами для включения таймера в ШИМ-режиме. Таймер будет увеличивать счетный регистр каждые 64 такта, работать в режиме Fast PWM, меняя состояние ОС2 неинвертированным образом (биты СОМ20, СОМ21). Да, забыл сказать. Эти биты отвечают за поведение «ножки» ОС2, к которой подключен транзистор. Режим может быть инвертированным и неинвертированным. Чтобы это понять, посмотрите на диаграмму выше. Там приведен график состояния ОС2 (неинвертированный выход) и ОС2 с чертой (инвертированный выход). Если оба бита установлены в 1, то режим будет инвертированным. При работе с ШИМ и использовании транзисторов есть одна ловушка: не все транзисторы могут очень быстро менять свое состояние. Для одних могут потребоваться десятки-сотни наносекунд (как для нашего), для других – микросекунды и десятки микросекунд. Поэтому не советую, не изучив документацию на транзистор, использовать его на высокой частоте – большая нагрузка при высокой частоте ШИМ может его сжечь.

timer1_init() включает таймер2 и заставляет его делать 32 прерывания в секунду. Когда происходит прерывание, меняется OCR2 регистр и, соответственно, яркость лампы. Таким образом, лампа будет плавно загораться и плавно гаснуть раз в 8 секунд. Можно вместо таймера подключить кнопки и менять яркость при их нажатии. Но у нас для наглядности все будет происходить автоматически.

Сохраним этот файл в папке с проектом, добавим его в проект, установим опции проекта так, как это написано в статье 1, но можно оптимизацию теперь не выключать. Дело в том, что в первой статье мы формировали задержку с помощью цикла. Это делать с точки зрения программирования неграмотно и для увеличения скорости программы компилятор такие циклы выкидывает. Сейчас же мы используем встроенное в МК «железо», что не уменьшает производительность и скорость. Поэтому оптимизация ничего плохого не сделает.

Выбираем Release, нажимаем F7, программа компилируется. Запускаем AVReal, прошиваем МК. Кстати, возможно, у Вас возникал вопрос: а бесконечное ли число раз можно перепрошивать МК? Оказывается, нет. Всего лишь 10000 раз (как минимум). Поэтому, думаю, об этом совершенно не стоит беспокоиться. После того, как все это сделали, можно проверять устройство.

ВАЖНО. Сначала нужно подать питание на МК, убедиться, что транзистор подсоединен к МК, и лишь затем подавать питание в цепь с лампой (мотором) и полевым транзистором. Иначе можете сжеть транзистор. Дело в том, что в выключенном состоянии «ножки» МК «болтаются в воздухе» – они ни к чему не подключены, и на них возникают наводки. Этих слабеньких наводок достаточно, чтобы частично открыть очень чувствительный полевой транзистор. Тогда его сопротивление между стоком и истоком упадет от нескольких МОм до нескольких Ом или долей Ом и через него потечет большой ток к лампе. Но транзистор не откроется полностью, т. к. для этого нужно подать на затвор не 1-3 В наводки, а стабильные 5 В, и его сопротивление будет намного больше минимального (для IRF7311 это 0,029 Ом). Это приведет к выделению на нем большого количества тепла, и он задымится, а может, и сгорит. Хотя, конечно, все зависит от мощности лампы или мотора.

Включив все части этого устройства, Вы должны будете увидеть картину, подобную приведенной ниже. Там еще нарисован амперметр, показывающий силу тока в лампе.

Можно вместо нашей схемы с транзистором и лампой просто подключить светодиод к выводу OC2. Он будет плавно менять свою яркость. Но это, конечно, уже не так интересно.

В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите :). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1-включено, -выключено. Начнем.

1 НАГРУЗКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА. Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн [Om]

Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
BC547.pdf – Даташит на биполярный транзистор BC547

1.3 Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

Для применения можно порекомендовать мощные транзисторы IRF630, IRF640. Их часто используют и поэтому их легко достать.
IRF640.pdf – Даташит на полевой транзистор IRF640

1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
ULN2003.pdf – Даташит на сборку Дарлингтонов ULN2003

2 НАГРУЗКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

2.2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.


Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.

Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы типа BT138.
BT138.pdf – Даташит на симистор (триак) BT138

2.3 Подключение нагрузки при помощи твердотельного реле.
С недавних пор у радиолюбителей появилась очень замечательная штука — твердотельные реле. Представляют они из себя оптические приборы (еще их называют оптореле), с одной стороны, в общем случае, стоит светодиод, а с другой полевой транзистор со светочувствительным затвором. Управляется эта штука малым током, а манипулировать может значительной нагрузкой.

Подключать твердотельное реле к микроконтроллеру очень просто — как светодиод — через резистор.
Достоинства налицо: малые размеры, отсутствие механического износа, возможность манипулировать большим током и напряжением и самое главное оптическая развязка от опасного напряжения. Нагрузка может быть как постоянного, так и переменного тока в зависимости от конструкции реле. Из недостатков следует отметить относительную медлительность (чаще всего для коммутации используется полевик) и довольно значительную стоимость реле.

Если не гнаться за завышенными характеристиками можно подобрать себе прибор по приемлемой цене. Например, реле CPC1030N управляется током от 2мА, при этом способно коммутировать нагрузку переменного и постоянного тока 120мА и 350v (очень полезная для радиолюбителей вещь!)
CPC1030N.pdf – Даташит на твердотельное реле CPC1030N

Файлы к статье:
BC547.pdf – Даташит на биполярный транзистор BC547
IRF640.pdf – Даташит на полевой транзистор IRF640
ULN2003.pdf – Даташит на сборку Дарлингтонов ULN2003
BT138.pdf – Даташит на симистор (триак) BT138
CPC1030N.pdf – Даташит на твердотельное реле CPC1030N

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку? : 229 комментариев

Да, он. Спасибо за разъяснение, я просто думал что он рассчитывается как-то по другому из за ёмкости) а не как токоограничивающий. В основном везде пишут якобы 50-150 Ом ставить)

Вопросы в тему))
1. К МК через резистор 3к и тр-р КТ917 (ОЭ) была подключена нагрузка (обмотка) в коллектор. Нагрузка на 12В. Управление по импульсу на выходе МК. Схема не заработала, сгорел порт МК и пришлось поставить вместо обмотки реле на 5В по управлению, а на контакты — нагрузку коммутировал на 12В. Почему не заработала первая схема и почему сгорел порт?
2. В литературе показано, что нагрузки подключают в сток транзисторов MOSFET независимо от типа канала. В модификации http://www.forum.getchip.net/viewtopic.php?f=24&t=495&s > 2.1. Я пробовал включить усилитель TDA в исток по схеме на одном IRF630, но усилитель не заработал, т.к. с потенциалом на ноге Vcc творилось непонятное, значение было ни как не Vcc.
2.2. Почему автор включил усилитель в исток, а не использовал p-канальный транзистор с включением нагрузки в сток?

1 через резистор 3кОм 12 вольт можно подключать смело к ножке МК и порту ничего не станется (12/3000=0. 004А при допустимых 0.02А). Причина перегорания порта, скорей всего, в индуктивной нагрузке, на которой создалось значительное ЭДС самоиндукции, ток от которого сжег и транзистор и порт МК. В случае подключения индуктивных нагрузок обязательно применение защитного диода (например, как в п.2.1).

2 по модификации не могу ничего сказать, так как она не моя.

@GetChiper
Евгений,
1. в том то и дело, что транзистор выжил, а сгорел только порт. Нужен ли теперь шунтирующий (защитный) диод на индуктивную нагрузку, которая подключается к +12В и GND с помощью реле для стабилизации (защиты) этого самого источника +12В?
2. Можно ли подключать нагрузку в исток полевых транзисторов?

1 в таком случае я не знаю причину перегорания порта. Защитный диод нужен в любом случае на индуктивной нагрузке (желательно еще и шотки).
2 можно нагрузку включать куда угодно. есть разные способы включения (как и в биполярном транзисторе) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80

@GetChiper
Евгений, огромное спасибо!

А не задействованые входа ULN2003 нужно соединить с землёй? (например у меня остались 1-2 лишних)

Транзистор (transistor, англ. ) – триод, из полупроводниковых материалов, с тремя выходами, основное свойство которого – сравнительно низким входным сигналом управлять значительным током на выходе цепи. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор — это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми.

  • исток – контакт входящего электрического тока, находящийся в зоне n;
  • сток – контакт исходящего, обработанного тока, находящийся в зоне n;
  • затвор – контакт, находящийся в зоне р, изменяя напряжение на котором, можно регулировать пропускную способность устройства.

Полевой транзистор с п – р переходом – особый вид транзисторов, которые служат для управления током.

Он отличается от простого обычного тем, что ток в нем проходит, не пересекая зоны р — n перехода, зоны, образующейся на границы этих двух зон. Размер р — n зоны регулируется.

Полевые транзисторы, их виды

Полевые транзисторы с п – р переходом делят на классы:

  1. По типу канала проводника: n или р. От канала зависит знак, полярность, сигнала управления. Она должна быть противоположна по знаку n -зоне.
  2. По структуре прибора: диффузные, сплавные по р – n — переходом, с затвором Шоттки, тонкопленочные.
  3. По числу контактов: 3-х и 4-контактные. В случае 4-контактного прибора, подложка также исполняет роль затвора.
  4. По используемым материалам: германий, кремний, арсенид галлия.

Классы делятся по принципу работы:

  • устройство под управлением р — n перехода;
  • устройство с изолированным затвором или с барьером Шоттки.

Полевой транзистор, принцип работы

По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль. Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.

Прибор с управляющим р — п канальным переходом — это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине — контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода. Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю. В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал. При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.

В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля. Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества. Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.

Зачем нужен полевой транзистор

Рассматривая работу сложной электронной техники, как работу полевого транзистора (как одного из компонентов интегральной схемы) сложно представить, что основных направления его работы пять:

  1. Усилители высоких частот.
  2. Усилители низких частот.
  3. Модуляция.
  4. Усилители постоянного тока.
  5. Ключевые устройства (выключатели).

На простом примере работу транзистора, как выключателя, можно представить как компоновку микрофона с лампочкой. Микрофон улавливает звук, от этого появляется электрический ток. Он поступает на запертый полевой транзистор. Своим присутствием ток включает устройство, включает электрическую цепь, к которой подключена лампочка. Лампочка загорается при улавливании звука микрофоном, но горит за счет источника питания, не связанного с микрофоном и более мощного.

Модуляция применяется для управления информационным сигналом. Сигнал управляет частотой колебания. Модуляция применяется для качественного звукового сигнала в радио, для передачи звукового ряда в телевизионных передачах, трансляции цвета и телевизионного сигнала высокого качества. Она применяется везде, где требуется работа с материалом высокого качества.

Как усилитель полевой транзистор упрощенно работает так: графически любой сигнал, в частности, звуковой ряд, можно представить в виде ломаной линии, где ее длина – это время, а высота изломов частота звука. Для усиления звука на радиодеталь подают мощное напряжение, которое приобретает необходимые частоты, но с более большими значениями, за счет подачи слабого сигнала на управляющий контакт. Другими словами, устройство пропорционально перерисовывает изначальную линию, но с более высокими пиковыми значениями.

Применение полевых транзисторов

Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат. Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.

В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике. Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.

На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков. В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.

Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров. По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.

Плюсы и минусы полевых транзисторов

Полевые транзисторы своими характеристиками оставили далеко позади другие виды устройства. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.

  • каскад деталей расходует мало энергии;
  • усиление выше, чем у других видов;
  • высокая помехоустойчивость достигается отсутствием прохождения тока в затворе;
  • более высокая скорость включения и выключения – они могут работать на недоступных другим транзисторам частотах.
  • более низкая температура разрушения, чем у других видов;
  • на частоте 1,5 ггц, потребляемая энергия начинает резко возрастать;
  • чувствительность к статическому электричеству.

Характеристики полупроводниковых материалов, взятых за основу полевых транзисторов, позволили применять устройства в быту и производстве. На основе плевых транзисторов создали бытовую технику в привычном для современного человека виде. Обработка высококачественных сигналов, производство процессоров и других высокоточных компонентов невозможна без достижений современной науки.

Советы по управлению затвором мощного полевого транзистора

Непосредственное управление от контроллера ШИМ

В большинство современных микросхем контроллеров встроен выходной управляющий каскад. Обычно он содержит двухтактную схему на двух транзисторах. Этот выход можно использовать для непосредственного управления затвором мощного полевого транзистора, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Мощный ПТ управляется непосредственно от выхода контроллера ШИМ

 

Непосредственное подключение можно использовать в тех случаях, когда управляющая схема подключена к той же самой «земле», что и силовая часть, и уровень мощности относительно невелик.

Судя по справочным данным, ток в несколько ампер можно получить прямо с выхода контроллера ШИМ. Этого вполне достаточно для управления маломощными устройствами. Однако вход полевого транзистора имеет большую емкость. Кроме того, пытаться полностью использовать весь выходной ток контроллера, как правило, — плохая идея. Это может привести к увеличению электромагнитных помех из–за быстрого включения и выключения, непомерным потерям на обратное восстановление в выпрямителе и шумам в самом контроллере ШИМ. В результате могут возникать случайные сбои в работе и дрожание тактовой частоты.

Лучшее решение — ограничить выходной ток контроллера ШИМ при помощи схемы, показанной на рис. 2. В ней используются два резистора: один для управления временем включения, а другой — для управления временем выключения. (Обычно мы выключаем устройство быстрее, чем включаем, для защиты от коротких импульсов тока.) Диод служит для разделения этих двух функций, но в некоторых случаях, когда критично быстродействие схемы, можно обходиться без него.

Рис. 2. Схема, с помощью которой можно ограничить выходной ток контроллера ШИМ

 

В маломощных преобразователях мы обычно включаем ПТ медленно. Не надо бояться экспериментов с величиной сопротивления резистора Ron. Автор использует в своих проектах значения от 1 Ом до 1 кОм. Сформулированное им правило разработки заключается в том, чтобы увеличивать сопротивление, одновременно наблюдая за осциллограммами переключения и рассеиваемой мощностью ПТ. Если температура начинает заметно возрастать, нужно уменьшить величину сопротивления вдвое. Вы будете удивлены, увидев, как медленно можно включать ПТ в обратноходовом преобразователе, работающем в режиме прерывистых токов, без значительных потерь на переключение.

Выключение должно быть быстрым, чтобы обеспечить быстрый спад импульса тока. Экспериментируйте с разными значениями сопротивления, вместо того, чтобы просто использовать величины, приведенные в руководствах по применению. Более подробную информацию о том, насколько быстро можно управлять ПТ, можно найти в работе[3].

 

Специализированные драйверы затворов

При увеличении мощности преобразователя становится ясно, что сопротивления резисторов в затворе ПТ необходимо уменьшить, чтобы минимизировать потери на переключение. Для схем большой мощности в промышленности, как правило, используют микросхемы драйверов с большими выходными токами. При этом уменьшается влияние помех на контроллер ШИМ, и, кроме того, получается более удачная разводка печатной платы. В продаже имеется множество хороших драйверов. Можно даже создать собственный мощный двухтактный драйвер, если необходимо увеличить производительность при снижении цены. Для устройств большой мощности используют отдельную схему драйвера затвора для достижения быстрого переключения (рис. 3). Резисторы в затворе также имеются.

Рис. 3. Отдельная схема драйвера затвора для быстрого переключения

 

Изолированные драйверы затворов

Для получения очень высоких мощностей разработчики начинают использовать такие топологии, как двухключевой прямоходовый преобразователь, полумостовой или мостовой преобразователи. Во всех этих топологиях необходимо применять плавающий ключ.

Существуют решения этой задачи с использованием полупроводниковых компонентов, но только для низковольтных применений. Интегральные драйверы верхнего плеча не предоставляют разработчику достаточной гибкости, а также не обеспечивают такого уровня защиты, изоляции, устойчивости к переходным процессам и подавления синфазных помех, который дает хорошо спроектированный и изготовленный трансформатор для управления затвором.

На рис. 4 показан самый примитивный способ получения плавающего управления затвором. Выход микросхемы драйвера подключен через разделительный конденсатор к небольшому трансформатору (обычно тороидальному для лучшей производительности). Вторичная обмотка подключена непосредственно к затвору ПТ, и любые замедляющие резисторы должны располагаться со стороны первичной обмотки трансформатора. Обратите внимание на стабилитроны в затворе для защиты от переходных процессов. На выходе драйвера необходимо использовать ограничительные диоды, ими нельзя пренебрегать, даже если при первых испытаниях не возникли проблемы с реактивными токами в трансформаторе.

Рис. 4. Простейшая изолированная схема для управления затвором

В простейшей изолированной схеме для управления затвором используется трансформатор, как показано на рис. 4. Ограничительные диоды необходимы для защиты от реактивных токов, а разделительный конденсатор предотвращает насыщение трансформатора. Конденсатор дает сдвиг уровня выходного напряжения драйвера, который зависит от относительной длительности управляющих импульсов.

Схема, представленная на рис. 4, обеспечивает отрицательное напряжение на вторичной обмотке на интервалах времени, когда ПТ выключен. Это значительно увеличивает устойчивость к синфазным помехам, что особенно важно для мостовых схем.

Однако недостаток отрицательного смещения — это уменьшение положительного напряжения, открывающего ПТ. При небольшой относительной длительности импульсов положительный импульс большой. При относительной длительности, равной 50%, половина имеющегося напряжения драйвера теряется. При большой относительной длительности положительного напряжения может не хватить для полного открывания ПТ.

Схемы с трансформаторной развязкой наиболее эффективны при относительной длительности от 0 до 50%. К счастью, именно это и нужно для прямоходовых, мостовых и полумостовых преобразователей.

Обратите внимание: на рис. 5 показано, как напряжение на разделительном конденсаторе смещается под действием низкочастотных колебаний, наложенных на выходные импульсы драйвера. Эти колебания должны тщательно подавляться для обеспечения безопасной работы. Обычно для борьбы с этим явлением увеличивают емкость конденсатора, что уменьшает Q для низкочастотных составляющих. Необходимо проверить работу схемы при всех возможных переходных процессах, особенно при старте, когда конденсатор разряжен.

Рис. 5. Колебания, возникающие в разделительном конденсаторе и влияющие на работу трансформатора

 

Осторожно: схема восстановления постоянной составляющей!

Иногда разработчик может столкнуться с высоковольтной схемой, в которой требуется изолированное управление затвором при относительной длительности импульсов около 100%. Раньше для таких применений рекомендовали схему, показанную на рис. 6. Но ее применение может приводить к повреждению источника питания при выключении.

Рис. 6. Высоковольтная схема с восстановлением постоянной составляющей

Диод и конденсатор на стороне вторичной обмотки восстанавливают постоянную составляющую на затворе и обеспечивают управление затвором при значениях относительной длительности до 90% и более. Однако у этой схемы есть серьезный недостаток, и использовать ее без очень тщательного анализа не рекомендуется.

Эта схема хорошо работает в установившемся режиме (рекомендуется нагрузочный резистор в затворе), но когда контроллер ШИМ выключается, разделительный конденсатор остается подключенным через трансформатор на неопределенный период времени. Это может привести к насыщению трансформатора, как показано на рис. 6б. Когда трансформатор насыщается, вторичная обмотка замыкается накоротко, и конденсатор на стороне вторичной обмотки может включить ПТ. Насыщение можно предотвратить, если использовать сердечник с зазором и конденсатор небольшой емкости, но при этом увеличится реактивный ток, необходимый для управления затвором, а это вызывает другие проблемы.

 

Изолированное управление затвором для мостовых преобразователей

Мостовые и полумостовые преобразователи — это устройства, в которых требуется очень надежная изолированная схема управления. В то время как один из ключей закрыт, ключ на другой стороне моста будет открыт. В результате на выключенном устройстве будет присутствовать большое синфазное напряжение.

На рис. 7 показана схема, рекомендуемая для полумостового преобразователя. В ней управлять затворами должны два трансформатора. Не пытайтесь использовать только один трансформатор и схему с тремя состояниями, как советуют в некоторых руководствах по применению!

Рис. 7. Для управления затворами в полумостовых преобразователях рекомендуются два отдельных трансформатора

В мостовом преобразователе, показанном на рис. 8, также требуются два трансформатора для управления затворами. Двойные вторичные обмотки в каждом трансформаторе используются для управления парами ПТ в диагонально противоположных плечах моста. Для обоих типов мостов схемы управления затворами должны тщательно тестироваться во время переходного процесса при включении, когда возникают большие пиковые токи, и отрицательные напряжения на затворах невелики.

Рис. 8. Схема мостового преобразователя с двумя трансформаторами для повышения надежности

В схеме моста с фазовым сдвигом (рис. 9) для управления затворами также используются два трансформатора. Но обратите внимание на отличие: каждая сторона моста работает с фиксированной относительной длительностью 50%, что позволяет использовать один трансформатор с двумя вторичными обмотками противоположной полярности. Это одна из немногих схем, где можно применять биполярную схему управления затвором без снижения надежности. Но выбросы, возникающие во время переходных процессов при выключении, не должны приводить к открытию транзисторов. Обратите внимание на полярность вторичных обмоток.

Рис. 9. Мост с фазовым сдвигом с двунаправленными трансформаторами в каждом плече

 

Заключение

Схема управления затвором — критически важная часть проекта преобразователя. Убедитесь в том, что вы используете правильную схему, и не копируйте вслепую схемы из руководства по применению. Трансформаторы в цепях управления затворами придают вашему проекту такую степень надежности, которую невозможно получить при использовании полупроводниковых решений. Если вы разрабатываете очень мощное устройство, то это важнейшая составляющая. Добавление активных элементов для того, чтобы, согласно общепринятому мнению, увеличить скорость переключения, обычно не дает улучшения общей производительности, но вносит новые возможности для потенциальных отказов. Делайте вашу схему управления затвором как можно более простой.

Литература

  1. Balogh L. Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits. Texas Instruments Application Note.
  2. Ridley R. Six Reasons for Power Supply Instability. www.switchingpowermagazine.com
  3. Ridley R. Power Supply Stress Testing. www.switchingpowermagazine.com
  4. www.ridleyengineering.com

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку? — GetChip.net

В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите :). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы  что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1-включено, 0-выключено. Начнем.

 

1 НАГРУЗКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА. Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн [Om]

Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
BC547.pdf (10757 Загрузок)

1.3 Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

Для применения можно порекомендовать мощные транзисторы IRF630, IRF640. Их часто используют и поэтому их легко достать.
IRF640.pdf (18077 Загрузок)

1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
ULN2003.pdf (19766 Загрузок)

 

2 НАГРУЗКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

2.2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны  напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.


Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.

Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы  типа BT138.
BT138.pdf (6742 Загрузки)

2.3 Подключение нагрузки при помощи твердотельного реле.
С недавних пор у радиолюбителей появилась очень замечательная штука — твердотельные реле. Представляют они из себя оптические приборы (еще их называют оптореле), с одной стороны, в общем случае, стоит светодиод, а с другой полевой транзистор со светочувствительным затвором. Управляется эта штука малым током, а манипулировать может значительной нагрузкой.

Подключать твердотельное реле к микроконтроллеру очень просто — как светодиод — через резистор.
Достоинства налицо: малые размеры, отсутствие механического износа, возможность манипулировать большим током и напряжением и самое главное оптическая развязка от опасного напряжения. Нагрузка может быть как постоянного, так и переменного тока в зависимости от конструкции реле. Из недостатков следует отметить относительную медлительность (чаще всего для коммутации используется полевик) и довольно значительную стоимость реле.

Если не гнаться за завышенными характеристиками можно подобрать себе прибор по приемлемой цене. Например, реле CPC1030N управляется током от 2мА, при этом способно коммутировать нагрузку переменного и постоянного тока 120мА и 350v (очень полезная для радиолюбителей вещь!)
CPC1030N.pdf (14852 Загрузки)

 

(Visited 159 582 times, 9 visits today)

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET

Полевой транзистортранзистор, в котором сила проходящего через него тока регулируется внешним электрическим полем, т.е напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током.

Поскольку у полевого транзистора нет управляющего тока, то у него очень высокое входное сопротивление, достигающее сотен ГигаОм и даже ТерраОм (против сотен КилоОм у биполярного транзистора).

Еще полевые транзисторы иногда называют униполярными, поскольку носителями электрического заряда в нем выступают только электроны или только дырки. В работе же биполярного транзистора, как следует из названия, участвует одновременно два типа носителей заряда – электроны и дырки.

Классификация полевых транзисторов

Полевые транзисторы (FET: Field-Effect-Transistors) разделяются на два типа – полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET: Junction-FET) и полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET: Metal-Oxid-Semiconductor-FET).

Каждый из типов может быть как с N–каналом, так и с P-каналом. У транзисторов с N-каналом в роли носителей электрического заряда выступают электроны. У транзисторов с P-каналом – дырки. В этой статье речь пойдет о полевом транзисторе с управляющим PN-переходом JFET c N-каналом. Принцип работы транзистора P-типа аналогичен, только меняется полярность источников напряжения.

Устройство полевого транзистора JFET с N-каналом

Как показано на рисунке ниже, область полупроводника N-типа формирует канал между зонами P-типа. Электроды, подключаемые к концам N-канала, называются сток и исток. Полупроводники P-типа электрически соединяются между собой (закорачиваются), и представляют собой один электрод – затвор.

Вблизи стока и истока находятся области повышенного легирования N+. T. e. зоны с повышенной концентрацией электронов. Это улучшает проводимость канала. Кроме этого, наличие областей N+ ослабляет эффект появления паразитических PN-переходов в случае присоединения проводников из трехвалентного алюминия.

Имена электродов сток и исток носят условный характер. Если взять отдельный полевой транзистор, не подключенный к какой-либо схеме, то не будет иметь значения какая ножка корпуса сток, а какая исток. Имя электрода будет зависеть от его расположения в электрической цепи.

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

1. Напряжение на затворе Uзи = 0

Подключим источник положительного напряжения к стоку, землю к истоку. Затвор также подсоединим к земле (Uзи = 0). Начнем постепенно повышать напряжение на стоке Uси. Пока Uси низкое, ширина канала максимальна. В таком состоянии полевой транзистор ведет себя как обычный проводник. Чем больше напряжение между стоком и истоком Uси, тем больше ток через канал между стоком и истоком Iси. Это состояние еще называют омическая область.

При повышении Uси, в полупроводнике N-типа в зонах PN-перехода постепенно снижается количество свободных электронов – появляется обедненный слой. Этот слой растет несимметрично – больше со стороны стока, поскольку туда подключен источник напряжения. В результате канал сужается настолько, что при дальнейшем повышении Uси, Iси будет расти очень незначительно. Это состояние называют режим насыщения.

2. Напряжение на затворе Uзи

Когда транзистор находится в режиме насыщения, канал относительно узкий. Достаточно подать небольшое отрицательное напряжение на затвор Uзи, для того чтобы еще сильнее сузить канал и значительно уменьшить ток Iси (для транзистора с P-каналом на затвор подается положительное напряжение ). Если продолжить понижать Uзи, канал будет сужаться, пока полностью не закроется, и ток Iси не прекратится. Значение Uзи, при котором ток Iси останавливается, называется напряжение отсечки (Uотс).

Для усиления сигнала полевой транзистор JFET используют в режиме насыщения, так как в этом состоянии вследствие небольших изменений Uзи сильно меняется Iси. Параметр усилительной способности JFET – это крутизна стоко-затворной характеристики (Mutual Transconductance). Обозначается gm или S, и измеряется в mA/V (милиАмпер/Вольт).

Преимущества и недостатки полевого транзистора JFET

Высокое входное сопротивление

Одно из важнейших свойств полевых транзисторов, как уже упоминалось выше, это очень высокое входное сопротивление Rвх (Rin). Причем у полевых транзисторов с изолированным затвором MOSFET, Rin в среднем еще на несколько порядков выше, чем у JFET. Благодаря этому, полевые транзисторы практически не потребляют ток у источников сигнала, который надо усилить.

Например, цифровая схема микроконтроллера генерирует сигнал, управляющий работой электромотора. Такого рода схема обычно располагает очень малым током на выходе, что явно недостаточно для двигателя. Здесь потребуется усилитель, потребляющий крайне мало тока на входе, и выдающий на выходе сигнал такой же формы и частоты как на выходе у микроконтроллера, только уже с большим выходным током. Здесь как раз и подойдет усилитель, основанный на JFET транзисторе с высоким входным сопротивлением.

Низкий коэффициент усиления по напряжению

Значительным недостатком JFET по сравнению с биполярным транзистором является очень низкий коэффициент усиления по напряжению. Если построить усилитель на основе одного прибора JFET, можно добиться Vout/Vin в лучшем случае около 20. При аналогичном использовании биполярного транзистора с высокой β (коэффициент усиления биполярного транзистора – ток коллектора/ток базы) можно достигнуть Vout/Vin в несколько сотен.

Поэтому для качественных усилителей нередко используются совместно оба типа транзисторов. Например, благодаря очень высокому Rin полевого транзистора, добиваются большого усиления сигнала по току. А уже потом, с помощью биполярного транзистора усиливают сигнал по напряжению.

О других преимуществах и недостатках полевых транзисторов, вы можете почитать здесь

Раскройте секреты использования полевых транзисторов, прочитав здесь, вы поймете

Теги:  Полевой транзистор

 

Мы часто сталкиваемся с полевыми транзисторами и знакомы с их использованием. Полевой транзисторЭто немного странно, но поскольку полевые транзисторы имеют свои общие преимущества, такие как высокий входной импеданс, низкий уровень шума и хороший тепловой удар, они не редкость в наших приложениях. Мы знаем, что существует много типов полевых транзисторов, которые делятся на переходные полевые транзисторы и полевые транзисторы с изолированным затвором в соответствии с различными структурами; полевые транзисторы с изолированным затвором также называются полевыми транзисторами с металлооксидным проводником или полевыми транзисторами MOS для краткости. .

1. Как предотвратить выход из строя полевых транзисторов с изолированным затвором

За счет утепленных воротПолевой транзисторВходной импеданс очень высок, что изначально является его преимуществом, но он принес новые результаты в применении. Из-за высокого входного импеданса, когда заряженный объект приближается к сетке, заряд, индуцированный на сетке, трудно пройти. Это сопротивление разряжается, и накопление электрического заряда представляет собой снижение напряжения, особенно когда емкость между электродами относительно мала, большое количество электрического заряда будет генерировать более высокое напряжение, так что трубка не использовалась или могла быть сварена. Пробой может появиться явление, когда цель падает, особенно трубка MOS, ее изоляционный слой очень тонкий, его легче сломать и повредить. Чтобы избежать такой аварии, необходимо избегать плавающего затвора, то есть между электродами затвора и истока должен поддерживаться путь постоянного тока. Обычно резистор (в пределах 100 кОм) подключается между электродами затвора и истока, чтобы предотвратить чрезмерный накопленный заряд, или может быть подключена трубка регулятора напряжения, чтобы напряжение не превышало определенного значения. Три электрода следует замкнуть накоротко во время хранения и поместить в экранированный металлический ящик; каждый электрод следует замкнуть накоротко, когда труба припаяна к цепи или снята; паяльник, используемый для проверки установки, должен быть в хорошем состоянии. Заземлите, лучше всего отключить питание паяльника, а затем прекратить сварку.

2. Как отличить электроды переходных полевых транзисторов.

Поместите мультиметр в блок RX1K, прикоснитесь к предполагаемому контакту G сетки черным тестовым пером, а затем используйте красное тестовое перо, чтобы различить контакт с двумя другими контактами. Измерение переменного тока тестового пера один раз, если сопротивление велико (бесконечно), это означает, что сопротивление перевернуто (PN-переход перевернут), что представляет собой трубку с N-каналом, а трубка, с которой соприкасается черная тестовая ручка, является сеткой G, и исходное предположение является правильным. . Значение сопротивления, измеренное снова, очень мало, что указывает на то, что это прямое сопротивление, которое принадлежит полевому транзистору с P-каналом, и сетка G также контактирует с черным измерительным пером. Если вышеуказанная ситуация не возникает, красный и черный измерительные провода можно поменять местами, и испытание можно проводить в соответствии с указанным выше методом, пока не будет проведена оценка сети. Исток и сток обычных транзисторов с эффектом перехода симметричны во время производства. Поэтому после определения затвора G не нужно различать исток S и сток D. Поскольку эти два электрода могут использоваться взаимозаменяемо, Судить не нужно, сопротивление между истоком и стоком порядка нескольких тысяч Ом.

3. Оценка приведенных возможностей полевых транзисторов.

Бюджет можно с помощью блока мультиметра RX100Полевой транзисторПодробный тест заключается в следующем: подключите красный измерительный провод к истоку S, а черный измерительный провод к стоку D, что эквивалентно добавлению 1,5 В. к полевому транзистору. В это время стрелка показывает значение сопротивления между электродами DS. .Затем зажмите сетку G пальцами и добавьте индуцированное человеческим телом напряжение в качестве входного сигнала в сетку. Из-за уменьшения полевого транзистора изменятся и Uds, и Id, что эквивалентно изменению межэлектродного сопротивления DS. Можно заметить, что стрелки часов имеют большой ход. Если предположить, что стрелки сжатой вручную сетки очень малы, это означает, что уменьшение полевого транзистора слабое. Если стрелки не двигаются, это означает, что полевой транзистор поврежден.

Обратите внимание на большинствоПолевой транзисторЕсли показания стрелок часов увеличиваются, стрелки часов движутся влево, а стрелки нескольких полевых транзисторов уменьшаются, а стрелки часов вращаются вправо.Однако, независимо от того, в каком направлении движутся стрелки часов, достаточно четко поворачиваться, чтобы показать, что трубка имеет способность уменьшаться. Однако из-за более высокого входного сопротивления МОП-трубки допустимое индуцированное напряжение сети не должно быть слишком высоким, поэтому вы не можете зажать сетку непосредственно рукой. Вы должны удерживать изолированную ручку отвертки рукой и касаться сетки металлическим стержнем. Предотвратите прямое добавление индуцированного заряда к затвору, что приведет к поломке затвора МОП-трубки.

  


Интеллектуальная рекомендация

Четыре беспокоит бесплатный анализ данных

Во-первых, приобретение данных Сказать, в будущем нет механизма похмелья, я написал очень простой код рептилий, поднялся около 900 данных. Целью данного анализа является понимание того, что в настояще…

[Давайте учимся на Python] — После класса домашнее задание: напишите интерфейс входа

Требовать: Введите свой пароль пользователя имени пользователя Добро пожаловать информацию после успешной сертификации Заблокирован три раза Это правило немного отличается, и имя пользователя заблокир…

Наконец-то знаю, сколько (два)

Connect: Как много вы знаете, наконец (1) Объяснение проблемы В сочетании с «ГлубокимJavaВиртуальная машина (второе издание) «Эта книга и двоичный код инструкции, сгенерированные после того…

Архитектура Android — изучать вещи можно только с высоты !!

❑Linux Kernel Core services (including hardware drivers, process and memory management, security, network, and power management) are handled by a Linux 2.6 kernel. The kernel also provides an abstract…

Пять школ машинного обучения

Стандарты набора персонала Unicorn Enterprise Heavy для Python-инженеров 2019 >>> Юдао говорит, что «Рим был построен не за один день». Машинное обучение также развивалось в течен…

Вам также может понравиться

Принцип компиляции 2 Три способа передачи параметров

1. Передавать по значению (1) Формальные параметры и фактические параметры занимают отдельное место для хранения. (2) При вызове функции выделяется пространство для хранения формальных параметров. В н…

Как скачать и экспортировать данные Wuhan OSM в формат shp

Загрузка данных OSM и преобразование в общий формат (shp) В связи с недавними потребностями в научных исследованиях необходимо загрузить данные о городских дорогах Ухани. Хотя многие молодые ГИС-экспе…

Используйте дерево DOM4J, чтобы записать данные в XML и загрузить на указанный путь

Код экземпляра вызывается в Java следующим образом:…

Маска RCNN Обучение Примечания (1) Установка конфигурации под Linux

Системные параметры: процессор Intel (R) CORE (TM) I7-8700K CPU @ 3,7 ГГц Память: 65836032KB. Графика: 01: 00.0 VGA Совместимый контроллер: NVIDIA Corporation GP102 [GeForce GTX 1080 Ti] (Rev FF) &nbs. ..

Контейнер stl_deque _1_ Список функций

Каталог статьи ДЕКСКАЯ ФУНКЦИЯ 2. ДЕКСКИЙ Конструктор 3. Работа назначения дека 4. Операция по размеру 5. Доступ к данным 6.deque Вставляет Удалить операцию ДЕКСКАЯ ФУНКЦИЯ Нужно включить файлы заголо…

Управление мощной нагрузкой через транзистор

Содержание

  • 1 Пусковой ток при включенном переключателе нагрузки
  • 2 Эквивалентная схема переключателя нагрузки
  • 3 Схема переключателя силового полевого МОП-транзистора
  • 4 Идеи по проектированию устройства

Электронный выключатель нагрузки – это устройство, не имеющее движущихся частей, которое работает как реле. Обычно два полевых МОП-транзистора действуют как переключающий элемент, один из которых является N-канальным, а другой – P-канальным.

Пусковой ток при включенном переключателе нагрузки

Когда переключатель нагрузки (транзистор Q1 на схеме) включен, временно протекает большой ток, намного превышающий установившийся. Если заряд конденсатора близок к нулю, возникает большой бросок тока, напряжение подается на выход Vo, что приводит к мгновенному и большому заряду в протекающем токе. Этот чрезмерный ток часто называют пусковым.

Пик пускового тока в значительной степени определяется входным напряжением Vi, сопротивлением Rds (on) полевого МОП-транзистора Q1, ESR емкости CL на стороне нагрузки и увеличивается вместе с входным напряжением Vi. Чрезмерно большой пусковой ток может вызвать сбои или неисправности схемы. Превышение максимального номинального тока также может привести к повреждению.

Но добавляя конденсатор C2 параллельно резистору R1, подключенному между затвором и истоком полевого МОП-транзистора Q1, можно замедлить снижение напряжения затвора, что постепенно уменьшит Rds (on) и сгладит пусковой ток.

Противодействие пусковому току (когда переключатель нагрузки Nch MOSFET включен)

Переключателем нагрузки тут выступает MOSFET RSQ020N03, Vin = 5 В, Io = 1 А.

  • Переключатель Q1 включен, когда Q2 выключен (напряжение затвора Q1 будет больше, чем Vo (Q1 Vgs)).
  • Переключатель нагрузки Q1 выключен, когда Q2 включен.
  • В качестве контрмеры был добавлен C2 для минимизации пускового тока при включении Q1.

Эквивалентная схема переключателя нагрузки

Даже когда переключатель нагрузки Q1 переключается с ВКЛ на ВЫКЛ, напряжение на выходном выводе Vo будет всё-ещё оставаться в течение определенного периода времени в зависимости от емкости CL нагрузки на выходной стороне.

Если напряжение на Vi ниже чем Vo, обратный ток может течь с выхода Vo на вход Vin через паразитный диод, образованный между стоком и истоком полевого МОП-транзистора Q1. Необходимо убедиться, что номинальный ток полевого транзистора Q1 не превышается ни при каких обстоятельствах. Кроме того, при определении значения емкости входного шунтирующего конденсатора CIN, следует учитывать время нарастания с учетом условий нагрузки.

Вот эквивалентная принципиальная схема переключателя нагрузки:

А теперь перейдём к практике и соберём реально работающий переключатель нагрузки на силовом полевом транзисторе MOSFET. Тут обычный небольшой ползунковый переключатель будет управлять функцией включения / выключения питания.

Схема переключателя силового полевого МОП-транзистора

Эта схема является альтернативой мощным тумблерам, поскольку в ней используется небольшой ползунковый переключатель слабого тока коммутации для управления полевым МОП-транзистором, который может держать уровень рассеиваемой мощности примерно до 50 Вт. Схема также имеет встроенную оптопару, которая упрощает управление полевым МОП-транзистором с помощью гальванически изолированного внешнего сигнала или цифрового выхода микроконтроллера (Ардуино например). Более того, поскольку основной ток не проходит через механический ползунковый переключатель / оптопару, можно использовать различные, даже самые слабые компоненты.

Ключевой частью схемы, предназначенной в первую очередь для работы с 12 В постоянного тока, является силовой МОП-транзистор IRF9540 с P-каналом (T1). Питание может подаваться на разъем CN1 (DC-IN), при этом ползунковый переключатель управляет питанием на разъеме CN2 (DC-OUT). Чтобы использовать внешний сигнал для управления T1, установите ползунковый переключатель (S1) в положение «выключено», а затем подайте управляющий сигнал от Arduino через 2-х контактный разъем CN3.

Обратите внимание, что схема не имеет функций защиты входа от обратной полярности, поэтому напряжение постоянного тока и внешний управляющий сигнал следует вводить в схему с правильной полярностью. Кроме того, может потребоваться изменить значение резистора R3 ограничителя тока оптопары (по умолчанию 220 Ом), если планируется использовать нестандартный внешний управляющий сигнал.

Идеи по проектированию устройства

Переключатель нагрузки состоит из двух основных элементов – транзистора и механизма управления, как показано на схеме. Проходной транзистор чаще всего представляет собой полевой МОП-транзистор (N-канальный или P-канальный), который передает напряжение на заданную нагрузку, когда он открыт. Выбор P-канального или N-канального MOSFET зависит от конкретных потребностей устройства. Но P-канальный MOSFET имеет явное преимущество перед N-канальным в простоте механизма управления включением / выключением. Здесь N-канальный MOSFET требует дополнительной шины напряжения для затвора (P-канальный не требует).

Базовая схема переключателя нагрузки силового полевого МОП-транзистора

На рисунке показан пример схемы переключателя нагрузки с P-канальным силовым МОП-транзистором. Здесь внешний переключатель / управляющий сигнал включает и выключает MOSFET через слабый транзистор. Когда вход переключателя / управления имеет низкий уровень, тот транзистор выключен, а затвор полевого МОП-транзистора подтягивается до VIN. Но когда вход переключателя / управления высокий по уровню, малосигнальный транзистор включается, затвор полевого МОП-транзистора опускается, и он включается тоже. Пока входное напряжение на шине выше порогового напряжения полевого МОП-транзистора, он будет включаться, когда вход переключателя / управления находится в состоянии высоком, без необходимости в дополнительном источнике напряжения. Подтягивающий резистор выбирается таким образом, чтобы через него проходил небольшой ток, когда малосигнальный транзистор включен (стандартный диапазон сопротивления от 1 кОм до 10 кОм).

Проще говоря, полевой МОП-транзистор можно рассматривать как переменный резистор, сопротивление сток-исток которого (Rds) является функцией разности напряжений на выводах затвор-исток (Vgs). Если нет разницы потенциалов между затвором-истоком, тогда сопротивление сток-исток очень велико и ток не течет. С другой стороны, если имеется соответствующее напряжение затвор-исток, сопротивление сток-исток очень низкое и действует как замкнутый переключатель, таким образом ток течет через него в нагрузку.

Транзистор MOSFET должен иметь номинальный постоянный ток превышающий максимальный ток нагрузки предлагаемого применения.

Тестирование на макетной плате переключателя нагрузки с силовым полевым транзистором показано на фото.

В общем предлагаемое схемное решение уже много раз доказало свою ценность в различных проектах (в том числе в автомобиле), как надёжный, безопасный и долговечный коммутатор.

Одномолекулярные полевые транзисторы с двойным затвором вне закона Мура

Abstract

Поскольку традиционные транзисторы на основе кремния быстро приближаются к физическому пределу, важно искать альтернативные кандидаты, которые должны быть совместимы или даже заменить микроэлектронику в будущее. Здесь мы сообщаем о надежной архитектуре твердотельного одномолекулярного полевого транзистора с использованием графеновых электродов истока / стока и металлического электрода заднего затвора. Транзистор состоит из одного биядерного комплекса рутений-диарилэтен (Ru-DAE), действующего как проводящий канал, ковалентно соединенного с графеновыми электродами с нанозазором, обеспечивая поведение полевого эффекта с максимальным отношением включения/выключения, превышающим три порядка величины. Использование ультратонких высокопрочных k оксидов металлов в качестве диэлектрических слоев является ключом к успешному достижению таких высоких характеристик. Кроме того, Ru-DAE сохраняет присущее ему свойство фотоизомеризации, что обеспечивает обратимую функцию фотопереключения. Как экспериментальные, так и теоретические результаты демонстрируют это отличное поведение с двойным затвором последовательно на уровне одной молекулы, что помогает разработать другую технологию для создания практических ультраминиатюрных функциональных электрических схем, выходящих за рамки закона Мура.

Введение

В 2016 году, в свете все более острой необходимости продолжать сокращать электронные устройства на основе кремния, мировая полупроводниковая промышленность официально признала, что действие закона Мура подходит к концу, и объявила о так называемой «Стратегии больше, чем Мура». который ориентирован как на миниатюризацию, так и на увеличение функциональности 1 . Одномолекулярная электроника, конечной целью которой является миниатюризация электронных устройств за счет использования активных компонентов нанометрового масштаба, может дать новые идеи, которые помогут отрасли выполнить требования этой стратегии 2,3,4,5,6 . С этой целью были разработаны дискретные подходы к изготовлению электронных устройств на основе отдельных молекул 7,8 . Важным шагом для использования одномолекулярной электроники в качестве дополнительной технологии для микроэлектронных устройств в этом процессе было бы изготовление надежного мономолекулярного полевого транзистора (FET) 9 . Действительно, поскольку мы не можем построить электрическую цепь без полевых транзисторов, которые являются основными строительными блоками современных компьютерных схем, это достижение станет окончательным тестом для оценки полезности этих устройств в традиционных архитектурах интегральных схем. В этой работе мы демонстрируем одномолекулярные транзисторы с двойным затвором в конфигурации твердотельного устройства, где достигается высокое отношение включения / выключения одномолекулярных полевых транзисторов.

Ранее мы продемонстрировали, что молекулы можно использовать в качестве основного элемента для достижения воспроизводимого фотоконтролируемого переключения проводимости с высокой точностью 10 . Чтобы двигаться вперед, мы теперь стремимся создать практические одномолекулярные полевые транзисторы, которые могут решить двойную задачу: (1) достижение повышенного отношения включения / выключения, подходящего для реальных приложений, и (2) дистанционное управление этой производительностью для получения высокий уровень сложности для расширенных функциональных приложений. Действительно, одномолекулярные транзисторы, о которых сообщалось на сегодняшний день, продемонстрировали ограниченный потенциал для использования в реальных приложениях из-за их низких коэффициентов включения/выключения (обычно менее 10) или условий их работы, основанных на растворе 9.0011 11,12,13,14,15,16 . Здесь мы демонстрируем прогресс в создании стабильного твердотельного одномолекулярного полевого транзистора с исключительным коэффициентом включения/выключения, который состоит из одного биядерного комплекса рутений-диарилэтен (Ru-DAE), соединенного между графеновыми электродами с нанозазором с высоким содержанием HfO k . 2 /Al 2 O 3 в качестве диэлектрического слоя.

Как показано на рис. 1a, отдельные биядерные молекулы Ru-DAE, содержащие два фрагмента Ru [H 2 N–C 6 H 4 –C≡C(dppe) 2 Ru] + (dppe = 1,2-бис(дифенилфосфино)этан) в зеркально-симметричных положениях двух тиофеновых колец были подключены к графеновым электродам истока и стока (подробности молекулярного синтеза / характеристики и структуры соединения представлены в разделе «Методы» и на дополнительных рисунках 1–4) и объединены с управляющим электродом с нижним затвором для формирования практичной конфигурации полевого транзистора. Использование графена в качестве материала электрода истока/стока имеет несколько преимуществ. Во-первых, он позволяет избежать экранирования затвора, которое может возникнуть в соединениях металл-молекула-металл, поскольку графен имеет атомную толщину и обеспечивает хорошую совместимость и надежное ковалентное связывание с отдельными молекулами. Во-вторых, хорошая стабильность как материалов графеновых электродов, так и ковалентных амидных связей делает контакты получающихся в результате искусственных переходов более прочными 17,18,19 , чем связи металл-сера (например, связи Au-S), используемые в других молекулярных соединениях, что обеспечивает надежное (т.е. стабильное и воспроизводимое) исследование функции устройства с точки зрения внутренних свойств связанной молекулы.

Рис. 1: Схемы устройства полевого транзистора графен-Ru-DAE-графен с одной молекулой.

a Схематическое изображение конструкции устройства. Внизу: атомно-силовая микроскопия точечных контактов графена с нанозазорами и нижним затвором. Вверху: схема устройства в центре, которая подчеркивает обратимую изомеризацию единицы DAE между формами с открытым и закрытым кольцом, которая запускается оптическими стимулами. b Оптические изображения массива графен-Ru-DAE-графен одномолекулярных полевых транзисторов с общим нижним затвором на основе многослойного HfO 2 /Al 2 O 3 /Al. На вставке показан полный шаблон, где центральная область, отмеченная красным кружком, увеличена для ясности. c Слева: Изображение многослойной структуры HfO 2 /Al 2 O 3 /Al, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (STEM). Образец был подготовлен с помощью сфокусированного ионного пучка и получен изображения с помощью STEM (200 кВ). Справа: анализы элементного состава диэлектрического слоя, включающего гафний, кислород и алюминий, выполненные с помощью системы энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Эти характеристики показывают, что толщина как Al 2 O 3 и HfO 2 составляет ~5 нм.

Изображение в полный размер

Одной из самых серьезных проблем, с которыми приходится сталкиваться при миниатюризации этих устройств до молекулярного уровня, является эффект короткого канала, который препятствует практическому производству высокоэффективных одномолекулярных полевых транзисторов 6,20,21,22 . Эффективным способом преодоления этой проблемы является использование ультратонких диэлектрических материалов с высокой плотностью k для улучшения связи затвора и, таким образом, повышения общей производительности устройства. По этой причине в качестве материала электрода затвора мы выбрали термически испаренный металлический алюминий, который был покрыт естественным образом окисленным алюминием 9.0027 2 O 3 23 , вместе с HfO 2 приготовленным золь-гель методом в качестве диэлектрического материала 6,24 . Оптические и поперечные изображения сканирующего просвечивающего электронного микроскопа типичного устройства на полевых транзисторах, показанные на рис. 1b, c и на дополнительном рис. 5, иллюстрируют идеальную атомную плоскостность плотного диэлектрического двойного слоя (толщина: ~ 10  нм), что, таким образом, обещает эффективная модуляция затвора (дополнительный рис. 6) и незначительные токи утечки, как будет продемонстрировано ниже. Применяя метод штриховой литографии, мы построили графеновые точечные контакты с нанозазорами, а затем интегрировали отдельные молекулы Ru-DAE через ковалентные амидные связи в электрические наносхемы. Подробная информация об изготовлении устройства и молекулярном соединении представлена ​​в дополнительной информации (дополнительные рисунки 4, 7 и 8).

Известно, что DAE способен изомеризоваться между формами с открытым и замкнутым кольцом (рис. 1a) под действием световых раздражителей с различной длиной волны 10,25 . В отличие от формы с замкнутым кольцом, в которой делокализованы π-электроны по всему молекулярному остову, форма с открытым кольцом демонстрирует плохое сопряжение, поскольку делокализация π-электронов прерывается (открытая форма вообще не плоская) и ограничена отдельными половинами. молекулы (дополнительный рис. 9). Таким образом, одномолекулярные соединения, пересоединенные Ru-DAE, продемонстрировали обратимое переключение проводимости при последовательном облучении ультрафиолетовым и видимым светом в вакууме (рис. 2a и дополнительный рис. 18). Это явление фотопереключения было дополнительно проверено в растворе на модельном соединении с электродным соединением (дополнительные рисунки 3 и 10) и может быть хорошо объяснено на основе результатов теоретических спектров пропускания. Как показано на рис. 2b, возмущенная верхняя занятая молекулярная орбиталь ( p -HOMO) Ru- c DAE ближе к уровню Ферми графена, чем у Ru- o DAE, как и ожидалось с учетом различий в сопряжении между этими двумя изомерами. Кроме того, коэффициент передачи замкнутой формы Ру-ДАЭ (Ru- c ДАЭ) во всей рассматриваемой шкале энергий значительно выше, чем у разомкнутой формы Ру-ДАЭ (Ru- o ДАЭ). ).

Рис. 2: Обратимое фотопереключение одномолекулярных соединений графен-Ru-DAE-графен.

a Измерение в режиме реального времени тока, проходящего через молекулу диарилэтена, которая обратимо переключается между замкнутым и разомкнутым кольцом при воздействии чередующегося ультрафиолетового (УФ: 380 нм) и видимого (Вид: 650 нм) излучения . Напряжение на стоке В D  = 300 мВ и напряжение затвора В G  = 0 В Область с фиолетовым фоном находится под УФ-облучением. b Спектры пропускания одиночных молекул графена-Ru-DAE-графена с разомкнутым (темный) и замкнутым (красный) изомерами. Перепечатано с разрешения исх. 36 . Copyright 2021 Американское химическое общество.

Увеличенное изображение

Помимо оптического переключения, одномолекулярные полевые транзисторы имеют высокий приоритет для интегральных схем. Важным фактором, который необходимо учитывать при изготовлении высокоэффективных одномолекулярных полевых транзисторов, является молекулярное ядро. Существенным условием для реализации высокого коэффициента включения/выключения, которого давно добивались в этой области, является подавление тока отключения до минимально возможного уровня. Как сообщалось ранее, для реализации высоких отношений включения/выключения использовались две новые стратегии: (1) использование антирезонанса, возникающего в результате деструктивной квантовой интерференции 14,15 ; и (2) блокирование тока в продуманно спроектированной молекулярной структуре с малым размером ядра и слабой электронной связью между молекулой и электродом 26 . Сравнение характеристик передачи Ru-DAE в замкнутой и разомкнутой формах свидетельствует о том, что блокада тока может быть реализована в молекулярных соединениях Ru- или DAE с наименьшим его пропусканием при гораздо меньшем коэффициенте, что предполагает потенциал создание одномолекулярных полевых транзисторов со сверхнизким энергопотреблением на уровне нанометров, поскольку туннелирующие электроны преобладают в токе при нулевом напряжении на затворе. Кроме того, поскольку резонансный пик молекулярной орбиты близок к уровню Ферми графена, его можно модулировать с помощью напряжения затвора, чтобы подтолкнуть этот резонансный пик в окно смещения, что позволяет реализовать максимальный ток в открытом состоянии при относительно низком уровне затвора. Напряжение. Следовательно, мы должны быть в состоянии реализовать требуемое высокое отношение включения/выключения путем преобразования нерезонансного в резонансный механизм проводимости с помощью управления затвором.

На основании предсказания, описанного выше, мы сосредоточились на Ru- или DAE для исследования полевых транзисторов с одной молекулой. Как показано на рис. 3, одномолекулярные транзисторы DAE Ru- или продемонстрировали значительное поведение, зависящее от затвора. В частности, мы измерили вольт-амперные характеристики ( I D В D ) при отрицательных напряжениях на затворе, которые варьировались от 0 до -3,8 В с интервалом 0,02 В, а затем скомпилировали эти зависимые от затвора И Д В D кривые в зависимости тока (| I D | ) как функции В D и В G , как показано на рис. Репрезентативные кривые I D V D , полученные при применении различных напряжений затвора, показаны на рис. 3b и представляют собой основную характеристику типичного полевого транзистора. Значения тока при В D  = 0,3 В при различных напряжениях на затворе были извлечены и нанесены на график как в линейном, так и в полулогарифмическом масштабе для формирования передаточных кривых, показанных на рис.  3c. Примечательно, что ток можно модулировать более чем на три порядка, в то время как ток утечки затвора незначителен (<10 пА; см. Дополнительный рисунок 11). Как незначительные утечки затвора, так и перехода при нулевом напряжении затвора (~ 10 пА; см. рис. 3c) обеспечивают возможность создания устройства со сверхнизким энергопотреблением при уменьшении размера канала переноса заряда до ~ 3,1   нм. Следует отметить, что крайняя сложность управления реалистичным интерфейсом твердый затвор на атомном уровне в экспериментах неизбежно приведет к количественной разнице коэффициентов включения/выключения и других параметров полевых транзисторов от одного устройства к другому. Тем не менее, явление FET в целом могло быть получено нашими молекулярными соединениями и появилось в 9рабочие устройства, как показано на рис. 3, дополнительные рис. 12, 13, 19 и 20.

Рис. 3: Управляемый затвором перенос заряда в одномолекулярных транзисторах ДАЭ Ru- или .

a Двумерная визуализация I D против . В Г и В Д . b Представитель I D V D кривые для различных значений V Г . c Передаточные характеристики для одномолекулярного полевого транзистора с ДАЭ Ru- o DAE при В D  = 0,3 В

Изображение в натуральную величину

Обычно при приложении отрицательного напряжения на затворе, ВЗМО (доминирующая проводящая молекулярная орбиталь) Ru- o ДАЭ смещается вверх, тем самым подталкивая p -ВЗМО ближе к уровню Ферми графена и повышая проводимость. Такой внутренний механизм, индуцированный затвором, хорошо подтверждается нашими дальнейшими теоретическими расчетами квантового транспорта на двухзондовом Ru-9.0005 o Системы DAE при различных напряжениях затвора. На рисунке 4a представлены изменения в спектрах пропускания с нулевым смещением при различных напряжениях на затворе: по мере того, как напряжение на затворе становится более отрицательным, спектры пропускания в целом движутся вверх по энергии относительно уровня Ферми графена (установленного на ноль). На рисунке 4b показана нелинейная зависимость между напряжением затвора и энергетической щелью, которая ясно показывает существенное поведение полевого транзистора при низком напряжении на затворе. Это согласуется с поведением, показанным в 9Кривые 0005 I − V (рис. 3b, c, дополнительные рисунки 12, 15–17 и дополнительная таблица 1). Кроме того, мы также проанализировали экспериментальные данные с одноуровневой моделью 27 и обнаружили, что пиковое напряжение смещения В С изменяется аналогично нелинейно. Пиковое смещение В C исчезает, когда напряжение затвора достигает -3,5   В (дополнительные рисунки 15–17), что демонстрирует, что положение p -ВЗМО постепенно приближается к уровню Ферми графена и, наконец, соответствует графену. Уровень Ферми как напряжение на затворе составляет около −3,5  В. В качестве контрольной группы мы также выполнили аналогичные теоретические расчеты для Ru-9.0005 c DAE (дополнительный рис. 14), который продемонстрировал поведение полевого транзистора, существенно отличающееся от поведения Ru- или DAE: спектры пропускания изменяются почти линейно с увеличением напряжения на затворе. С этой точки зрения разумно заключить, что собственные свойства ДАЭ Ru- или способствуют характеристикам этих одномолекулярных полевых транзисторов с беспрецедентно высоким коэффициентом включения/выключения. Кроме того, следует отметить, что в нашей экспериментальной установке уникальные электронные свойства графеновых электродов (рис. 4c) также могут способствовать поведению полевых транзисторов, поскольку при В G загружен. Обратите внимание, что аналогичные явления были описаны в других системах в нескольких предыдущих публикациях 28,29 .

Рис. 4: Рабочий механизм одномолекулярных полевых транзисторов ДАЭ Ru- или .

a Зависимые от затвора спектры пропускания с нулевым смещением при −2,0 В ≤  В G  ≤ 0 В с шагом 0,5 В. b Энергетические промежутки между p -ВЗМО и уровень Ферми графена при различных напряжениях на затворе. c Схематическая энергетическая диаграмма, показывающая выравнивание между молекулярными орбиталями (красные и синие линии) и плотностью графеновых электродов в одномолекулярных транзисторах Ru- или DAE при приложении различных напряжений затвора.

Изображение полного размера

Таким образом, настоящая работа представляет собой реализацию редкого высокоэффективного поведения полевого транзистора, достигнутого на уровне одной молекулы в твердотельной конфигурации 22 . Успешная интеграция как фотопереключения, так и полевого транзистора в одном устройстве доказывает, что электроника с одной молекулой может обеспечить важное решение, позволяющее реализовать два основных активных электронных элемента с помощью восходящего подхода, выходящего за рамки закона Мура. Гибкая молекулярная и диэлектрическая инженерия является ключом к успешной реализации этих элементов и предлагает множество возможностей для создания высокоэффективных многофункциональных молекулярных интегральных наносхем, тем самым прокладывая путь от лабораторных процедур к промышленной обработке для реальные приложения.

Методы

Молекулярный синтез

Подробная информация о процедуре синтеза представлена ​​в дополнительной информации.

Изготовление устройств и молекулярное соединение

Массивы электродов затвора (8 нм Cr/60 нм Au) были сформированы с помощью фотолитографии и термического испарения на кремниевой пластине со слоем оксида кремния толщиной 300 нм. Затем Al наносился поверх соединяемых электродов Au/Cr. После этого поверхность Al была окислена до Al 2 O 3 на воздухе, после чего HfO 2 наносили золь-гель методом 30 . На этом этапе были изготовлены затворный электрод и диэлектрический слой. Затем высококачественный однослойный графен, выращенный методом химического осаждения из паровой фазы, был перенесен на поверхность HfO 2 . Массивы металлических электродов истока/стока (8 нм Cr/60 нм Au) были сформированы с помощью фотолитографии и термического испарения. Устройства с точечными контактами из графена с нанозазорами на концах из карбоновой кислоты были изготовлены методом штриховой литографии, о котором сообщалось ранее 9. 0011 31 . Отдельные молекулы диарилэтена соединялись с точечными контактами графена с помощью реакции дегидратации. Вкратце, молекулы диарилэтена растворяли в безводном пиридине с концентрацией примерно 10 –4 М. Затем свежевырезанные графеновые устройства и гидрохлорид 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимида (EDCI), хорошо к раствору для соединения добавляли известный карбодиимидный дегидратирующий/активирующий агент. После двух суток пребывания в темноте и атмосфере аргона приборы извлекали из раствора, очищали последовательно сверхчистой водой и ацетоном и сушили газообразным азотом.

Измерение устройства

Определение характеристик устройства проводилось в вакууме при 80 K с использованием системы определения характеристик полупроводников Keysight B1500A и станции ST-500-Probe (Janis Research Company) с системой охлаждения жидким азотом. Для измерений I–V интервал сканирования V D составляет 10 мВ/шаг. Для I–t измерений время интегрирования составляет 50 мс/шаг.

Теоретический расчет

Структурная релаксация двухзондовых транспортных переходов была выполнена с помощью теории функционала плотности (DFT) на основе метода проекторных присоединенных волн, реализованного в пакете моделирования Vienna Ab initio (VASP) 32 . Обменно-корреляционная связь была обработана на уровне приближения обобщенного градиента Пердью-Берка-Эрнзергофа (PBE-GGA) 33 . Было установлено, что базис плоской волны имеет отсечку кинетической энергии 350  эВ. Релаксация считалась завершенной, когда остаточная сила на каждом атоме составляла менее 0,05 эВ/Å. Свойства переноса заряда двухзондовых систем с разными напряжениями на затворе были получены с помощью DFT в рамках формализма неравновесной функции Грина (NEGF), реализованного в пакете квантового транспорта Nanodcal 9.0011 34,35 . Базисный набор атомных орбиталей с двойной дзета-поляризацией использовался для всех атомов в расчетах NEGF-DFT, а обмен-корреляция рассматривалась на уровне PBE-GGA. Энергия отсечки для сетки реального пространства была установлена ​​равной 1360 эВ. Самосогласованные расчеты NEGF-DFT считались сходящимися, когда каждый элемент матрицы Гамильтона и матрицы плотности сходился к менее чем 10 –4 а.е. Спектры пропускания рассчитывались с использованием методов функции Грина. Напряжение затвора учитывалось путем самосогласованного решения уравнения Пуассона с конкретными граничными условиями при выполнении процедуры NEGF-DFT.

Доступность данных

Все данные, необходимые для оценки выводов этого исследования, доступны в основном тексте или в дополнительных материалах. Данные, подтверждающие результаты этого исследования, можно получить у соответствующих авторов по обоснованному запросу.

Ссылки

  1. Уолдроп, М. М. Больше, чем Мур. Природа 530 , 145–147 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  2. Xin, N. et al. Концепции проектирования и проектирования электронных устройств с одной молекулой. Нац. Преподобный физ. 1 , 211–230 (2019).

    Артикул Google ученый

  3. Кубаткин С. и др. Одноэлектронный транзистор из одной органической молекулы с доступом к нескольким окислительно-восстановительным состояниям. Природа 425 , 698–701 (2003).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  4. Парк, Х. и др. Наномеханические колебания в одном транзисторе С60. Природа 407 , 57–60 (2000).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  5. Сан, Л. и др. Одномолекулярная электроника: от химического дизайна до функциональных устройств. Хим. соц. Ред. 43 , 7378–7411 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  6. Xiang, D., Wang, X., Jia, C., Lee, T. & Guo, X. Молекулярная электроника: от концепции к функциям. Хим. Ред. 116 , 4318–4440 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  7. Перрин М.Л., Бурзури Э. и ван дер Зант Х.С.Дж. Одномолекулярные транзисторы. Хим. соц. Ред. 44 , 902–919 (2015).

    КАС Статья Google ученый

  8. Xin, N. et al. T Настройка переноса заряда в соединениях одной молекулы ароматического кольца через вентилирование ионной жидкости. Анжю. хим. Междунар. Эд. 57 , 14026–14031 (2018).

    КАС Статья Google ученый

  9. Xin, N. et al. Управление униполярным/амбиполярным транспортом в одномолекулярных транзисторах посредством разработки интерфейсов. Доп. Электрон. Матер. 6 , 17 (2020).

    КАС Статья Google ученый

  10. Сюй, К. и др. Одноэлектронный транзистор с одной ароматической кольцевой молекулой, ковалентно связанной с графеновыми нанощелями. Нано Летт. 17 , 5335–5341 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  11. Бай, Дж. и др. Антирезонансные особенности деструктивной квантовой интерференции в одномолекулярных тиофеновых контактах, достигаемые электрохимическим стробированием. Нац. Матер. 18 , 364–369 (2019).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  12. Ли, Ю. и др. Управление воротами квантовой интерференции и прямое наблюдение антирезонансов в переносе заряда одиночной молекулы. Нац. Матер. 18 , 357–363 (2019).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  13. Рихтер С., Ментович Э. и Эльнатан Р. Реализация транзисторов на молекулярной основе. Доп. Матер. 0 , 1706941 (2018).

    Артикул Google ученый

  14. Принс, Ф. и др. Запирание молекулярных соединений при комнатной температуре с использованием электродов с несколькими слоями графена с нанощелью. Нано Летт. 11 , 4607–4611 (2011).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  15. Sun, H. et al. Эффективное изготовление стабильных одномолекулярных соединений графен-молекула-графен при комнатной температуре. ChemPhysChem 19 , 1–9 (2018).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  16. Цю, К. и др. Масштабирование комплементарных транзисторов из углеродных нанотрубок до длины затвора 5 нм. Наука 355 , 271–276 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  17. Осорио, Э. А. и др. Электронные возбуждения одиночной молекулы контактируют в трехконцевой конфигурации. Нано Летт. 7 , 3336–3342 (2007).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ MathSciNet КАС Статья Google ученый

  18. Мартин, К.А., Смит, Р.Х.М., ван дер Зант, Х.С.Дж. и ван Руитенбек, Дж.М. Наноэлектромеханический одноатомный переключатель. Нано Летт. 9 , 2940–2945 (2009 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  19. Ши, Дж. А. и др. Наблюдения in situ на атомном уровне за образованием Al2O3 на поверхности металлических стекол. Штрих. Матер. 136 , 68–73 (2017).

    КАС Статья Google ученый

  20. Kim, Y. et al. Характеристики переноса заряда фотопереключающих одиночных молекул диарилэтена. Нано Летт. 12 , 3736–3742 (2012).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  21. Ловат Г. и др. Блокада тока при комнатной температуре в атомарно определенных однокластерных переходах. Нац. нанотехнологии. 12 , 1050–1054 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  22. Балдеа, И. и др. Открытие закона соответствующих состояний для туннелирования электронов в молекулярных соединениях. Nanoscale 7 , 10465–10471 (2015).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  23. Цю, К. и др. Полевые транзисторы с истоком Дирака как энергоэффективные высокопроизводительные электронные переключатели. Наука 361 , 387–392 (2018).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  24. Sun, H. et al. Индуцированное конусом Дирака усиление запирания в одномолекулярных полевых транзисторах. Nanoscale 11 , 13117–13125 (2019).

    КАС Статья Google ученый

  25. Эктон, О. и др. Гибридные диэлектрики органического монослоя π-σ-фосфоновой кислоты и золь-гелевого оксида гафния для низковольтных органических транзисторов. Доп. Матер. 20 , 3697–3701 (2008 г.).

    КАС Статья Google ученый

  26. Крессе, Г. и Фуртмюллер, Дж. Эффективные итерационные схемы для неэмпирических расчетов полной энергии с использованием базисного набора плоских волн. Физ. Ред. B 54 , 11169–11186 (1996).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  27. Пердью, Дж. П., Берк, К. и Эрнзерхоф, М. Упрощенное приближение обобщенного градиента. Физ. Преподобный Летт. 77 , 3865–3868 (1996).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  28. Taylor, J., Guo, H. & Wang, J. Ab initio моделирование квантовых транспортных свойств молекулярно-электронных устройств. Физ. B 63 , 245407 (2001).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  29. Gu, C. et al. Безметочное динамическое обнаружение реакций нуклеофильного замещения одиночных молекул. Нано Летт. 18 , 4156–4162 (2018).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  30. Xin, N. et al. Перестраиваемые двойные функции, индуцированные нарушением симметрии, в стабильных и фотопереключенных одномолекулярных соединениях. Дж. Ам. хим. соц. 143 , 20811–20817 (2021).

    КАС Статья Google ученый

Скачать ссылки

Благодарности

Мы благодарим Yunyi Fu и Zhongzheng Tian за полезное обсуждение. Мы признательны за первичную финансовую поддержку со стороны Национальной ключевой программы исследований и разработок Китая (2017YFA0204901, 2021YFA1200101, 2016YFA0300902 и 2019YFA0308500), Национального фонда естественных наук Китая (22150013, 21727806, 211, 519

  • ,

    120 и 113), Пекинский фонд естественных наук (Z181100004418003 и 2222009), «Программа стратегических приоритетных исследований (B)» Китайской академии наук (грант № XDB330301), Реннский университет 1, CNRS и Национальное агентство исследований (RuOxLux-ANR-12-BS07-0010-01), Совет по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC) Канады и Фонд исследований природы и технологий Квебека (FRQNT) провинция Квебек (HG), Научный центр Frontiers по новым органическим веществам в Нанкайском университете (63181206) и Фонд Tencent через приз XPLORER PRIZE. Авторы также благодарят Центр высокопроизводительных вычислений Университета Макгилла, CalcuQuebec и Compute Canada за вычислительные мощности.

    Информация об авторе

    Примечания автора

    1. Эти авторы внесли равный вклад: Линан Мэн, На Синь, Чен Ху, Хассан Аль Сабеа, Мяо Чжан.

    Авторы и филиалы

    1. Пекинская национальная лаборатория молекулярных наук, Национальный центр биомедицинской визуализации, Колледж химии и молекулярной инженерии, Пекинский университет, 292 Chengfu Road, Haidian District, Beijing, 100871, PR China

      , На Синь, Чжуан Янь и Сюэфэн Го

    2. Пекинская национальная лаборатория физики конденсированных сред Института физики Китайской академии наук, Пекин, 100190, КНР

      Линан Мэн, Хунью Цзян, Йиру Цзи, Цинхуа Чжан, Лин Гу и Шэн Мэн

    3. 1

      4 Центр физики материалов и факультет физики Университета Макгилла, Монреаль, КК, h4A 2T8, Канада

      Чен Ху и Хун Го

    4. Реннский университет, CNRS, ISCR (Институт химико-технологических наук Ренна) — UMR 6226 , F-35000, Ренн, Франция

      Hassan Al Sabea, Xiaoyan He, Pramila Selvanathan, Lucie Norel & Stéphane Rigaut

    5. Центр наук об одиночных молекулах, Институт современной оптики, Передовой научный центр новых органических веществ, Колледж электронной информации и оптической инженерии, Нанкай University, 38 Tongyan Road, Jinnan District, Tianjin, 300350, PR China

      Miao Zhang, Chuancheng Jia и Xuefeng Guo

    6. Университет Академии наук Китая, Пекин, 100049, PR China

      Hongyu Jiang, Yiru Ji & Sheng Meng

    Авторы

    1. Linan Meng

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    2. Na Xin

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    3. Chen Hu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

    4. Hassan Al Sabea

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    5. Miao Zhang

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    6. Hongyu Jiang

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    7. Yiru Ji

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    8. Chuancheng Jia

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    9. Zhuang Yan

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    10. Цинхуа Чжан

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    11. Lin Gu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    12. Xiaoyan He

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    13. Pramila Selvanathan

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    14. Lucie Norel

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    15. Stéphane Rigaut

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    16. Hong Guo

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

    17. Sheng Meng

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    18. Xuefeng Guo

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    Contributions

    X. G., S.M. и S.R. придумали и разработали эксперименты. LM, NX и HJ изготовили устройства. H.A.S., X.H., P.S., L.N. и S.R. сделал молекулярный синтез. Л.М., Н.Х., Ю.Дж., К.З., З.Ю., М.З. и Л.Г. провел замеры устройства. К.Х. и HG выполнили теоретические расчеты. X.G., S.M., H.G., S.R., L.M., N.X. и C.H. проанализировал данные и написал статью. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись.

    Авторы переписки

    Переписка с Стефан Риго, Хун Го, Шэн Мэн или Сюэфэн Го.

    Заявление об этике

    Конкурирующие интересы

    Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

    Рецензирование

    Информация о рецензировании

    Nature Communications благодарит Шахара Рихтера и других анонимных рецензентов за их вклад в рецензирование этой работы. Доступны отчеты рецензентов.

    Дополнительная информация

    Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

    Дополнительная информация

    Дополнительная информация

    Файл рецензирования

    Права и разрешения

    Открытый доступ

    Открытый доступ Использование, распространение разрешено в соответствии с лицензией Creative Commons. и воспроизведение на любом носителе или в любом формате, при условии, что вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажете, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

    Перепечатка и разрешения

    Об этой статье

    Комментарии

    Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

    Полевой транзистор: полевой транзистор с примерами

    Содержание

    Знакомство с полевыми транзисторами три терминала (как вакуумные лампы), в которых ток управляется с помощью электрического поля. Другими словами, основной ток (между истоком и стоком) полевого транзистора (полевого транзистора) управляется за счет эффекта электрического поля, вызванного напряжением, подаваемым между истоком и затвором. Вот почему это называется эффектом поля.

    Основное различие между транзистором и электронной лампой заключается в том, что транзистор управляется током, тогда как электронная лампа управляется напряжением. Помимо полевых транзисторов, остальные транзисторы являются усилителями тока. Этот конкретный компонент является усилителем управления напряжением. Выводы обычного транзистора известны как эмиттер, база и коллектор, а три вывода полевого транзистора известны как исток, затвор и сток соответственно. На затвор полевого транзистора подаются напряжения. За счет изменения напряжения затвора заряд обеспечивается изменением сопротивления между истоком и стоком. Входное сопротивление затвора FET (полевого транзистора) очень велико, поэтому через его затвор проходит очень малый ток.

    Помните, что работа полевого транзистора (FET) зависит от движения только одного носителя заряда (дырки или электроны), из-за чего транзисторы называются униполярными транзисторами (UJT). В то время как работа биполярных транзисторов (BJT) зависит от движения обоих носителей заряда (то есть дырок и электронов).

    Следует запомнить следующие термины, касающиеся «FET (полевой транзистор)».

    Источник

    Терминал, через который проходит большинство перевозчиков. Другими словами, это терминал, через который носители заряда проникают в швеллер. Он напоминает эмиттер BJT.

    Слив

    Это терминал, через который уходит большинство перевозчиков. Напряжение сток-исток (V DS ) управляет током стока (I D ). Другими словами, это такая клемма, с помощью которой ток выходит из канала. Этот терминал FET напоминает коллектор BJT.

    Затвор

    Это управляющая клемма полевого транзистора, который генерирует электрическое поле. Варьируя его, можно модулировать проводимость канала. Другими словами, это электрод, который управляет проводимостью канала между истоком и стоком. Затвор представляет собой две соединенные между собой сильнолегированные области, образующие два P-N перехода. Напряжение источника затвора (В GS ) изменяет смещение ворот. Напряжение входного сигнала подается на затвор. Этот терминальный переход напоминает базу переходного транзистора.

    Канал

    Это свободное пространство между двумя затворами, через которое проходит большинство носителей от истока к стоку (подача напряжения V DS от стока к истоку) или токопроводящий путь полупроводника, находящийся между истоком и сток, который называется каналом.

    Строительство и работа полевого транзистора:

    На рисунке 5.1 изображена конструкция полевого транзистора (FET) и его символы. С конструктивной точки зрения это N или P каналы, как видно из символов. Материал N-типа диффундирует в изолирующую полупроводниковую область или подложку P-типа, благодаря чему формируется относительно узкий канал. После этого между истоком и стоком образуется затвор из P-материала. Конструкция полевого транзистора зависит от большинства носителей. Согласно диаграмме электроны действуют как основной носитель между истоком и стоком, поэтому ток показан стрелкой на диаграмме 5.2

    Рисунок 5.1

    Мы знаем, что когда PN-переход смещен в обратном направлении, ширина его обедненной области увеличивается. Точно так же, когда затворный переход смещен в обратном направлении относительно истока и стока полевого транзистора, его площадь обеднения также увеличивается. Таким образом, канал проводимости между истоком и стоком сужается, и ток стока уменьшается. Если на затвор подать отрицательное напряжение, ток между истоком и стоком прекратится. Напряжения, подаваемые на затвор, благодаря которым прекращается протекание тока, называются напряжениями отсечки. Во время нормальной работы ворота не смещаются вперед.

    Рисунок 5.2

    N-канальный полевой транзистор

    На рисунке 5.4 представлена ​​схема, в которой N-канальный полевой транзистор (полевой транзистор) (сделанный путем ввода материала P-типа с обеих сторон блока) имеет был использован. На обоих концах блока N напечатаны S (исток) и D (сток), в ряду которых установлена ​​нагрузка RL. Параллельно с FET (полевым транзистором) появляется напряжение (V DS ) (между D и S). На диаграмме также показан ток нагрузки I D , который проходит из канала блока N. Ворота пронизаны на обоих концах блока N.

    Как видно на диаграмме 5.5, напряжение (V GS ) вызывает отрицательное смещение (т. е. сеть подключена с отрицательным напряжением смещения), поэтому, пока G более отрицательное по сравнению с S, ток не может проходить через ворота.

    рисунок 5.4

    На рисунке (b) показано, что этот конкретный полевой транзистор (полевой транзистор) проводит ток при прохождении тока около 8 миллиампер через его канал N, когда значение V GS равно нулю. Однако если значение V GS изменить на -4 вольта, I D уменьшается до 2 мА. Изменения в D и оказывают незначительное влияние на эти текущие величины. Как эти напряжения, подаваемые на затвор G, контролируют количество тока I D , проходящего через R L (без передачи какого-либо тока от G). Он был разработан ниже

    Рисунок 5.5 (a) (b) Полевой транзистор

    управляет током своего канала за счет изменения площади обеднения внутри его N-канала, расположенного между двумя материалами P-типа (рис. 5.5). На рисунке 5.6 показано, что при увеличении обратного смещения увеличивается ширина области истощения. В отсутствие смещения, кроме ряда (+) дырок, обнаруживается также некоторое количество (-) электронов. Когда подается очень низкое обратное смещение (рисунок b), все дырки движутся в сторону P, а все электроны — в сторону N. Таким образом, между P и N образуется небольшая обедненная область, через которую ток проводит/проходит. Когда обратное смещение увеличивается (рисунок c), электроны очень быстро текут от N к положительной клемме батареи. Электроны, испускаемые с отрицательной клеммы аккумулятора, объединяются с дырками после входа в область P. Таким образом, ширина непроводящей области или обедненной области увеличивается.

     

    Рисунок 5.6

    P-канальный полевой транзистор

    На рисунке 5.7 показана схема P-канального полевого транзистора и его характеристики. FET (полевой транзистор) состоит из сильно легированного затвора, который проникает через оба конца блока каналов типа P. Согласно рисунку 5.4, обе батареи полевого транзистора P-канала смещены в обратном направлении по сравнению со схемой FET N. Основной ток состоит из потока дырок, катящихся по Р-каналу. Когда затвор G становится еще более положительным для увеличения обратного смещения и площади обеднения, поток тока уменьшается. За счет увеличения V GS смещает дальше, достигается точка, в которой часть проводимости (через которую проходит ток) канала становится настолько узкой, что все потоки истощаются/останавливаются. Это значение V GS называется напряжением отсечки. Наоборот, если значение V GS изменяется более чем на -5 В, затвор работает благодаря прямому смещению. Таким образом, все полевые усиления прекращаются. Если ток затвора не ограничивается установкой резистора, это может привести к повреждению полевого транзистора. Поддержание стандартных условий, если сток и затвор положительны по отношению к истоку и все обычные токи проходят через FET (полевой транзистор). Отношения, которые развиваются между V DS и I D описан на рис. (b)

    рис. 5.7

    Сравнение полевых транзисторов и биполярных транзисторов
    Полевой транзистор Биполярный переходной транзистор
    1 Его работа зависит только от потока большинства носителей (дырок и электронов), поэтому его называют биполярным устройством. Его работа зависит от потока основных и неосновных носителей (дырок и электронов), поэтому его называют биполярным устройством.
    2 Их довольно легко изготовить, и они занимают относительно мало места. Именно поэтому они наиболее подходят для применения в антигранд-схемах. Его изготовление несколько сложнее и занимает больше места по сравнению с полевыми транзисторами. Вот почему их широкое применение в ИС не является предпочтительным
    3 Обычно они менее чувствительны к температуре. Очень чувствительны к температуре
    4 Его входное сопротивление довольно велико (обычно 100 МОм или даже больше) Его выходное сопротивление относительно низкое
    5 Его клеммы обычно называются истоком, затвором и стоком соответственно Его клеммы обычно называются эмиттером, базой и коллектором
    6 Относительно безопаснее против радиации Чувствителен к радиации
    7 При использовании в качестве усилителя их коэффициент усиления по напряжению меньше и вызывает большие искажения сигналов Обеспечивает относительно более высокий коэффициент усиления по напряжению при использовании в качестве усилителя и вызывает меньшее искажение сигнала
    8 Обеспечивает низкий уровень шума при использовании в качестве усилителя Производит сильный шум. (Помните, что в электрических терминах шум означает неравномерное колебание электрических сигналов из-за движения электрона в полупроводниковой структуре. Шум обычно возникает на ненужных и неприятных сигналах на выходе усилителя, которые сочетаются с полезным сигналом)
    9 Это устройство, состоящее из трех клемм Это устройство, состоящее из трех клемм
    10 Напряжения усилители Токовые усилители
    11 При использовании в качестве переключателя или прерывателя они не способны к напряжению смещения Обеспечение напряжения смещения
    12 Их номинальная мощность низкая Их номинальная мощность высока
    13 Низкая скорость переключения Высокая скорость переключения

    Типы полевых транзисторов

    Существует два типа полевых транзисторов

    1). Полевой транзистор (JFET)

    2). Metal Oxide Semiconductor Field Effect (MOSFET)

    Помните, MOSFET также известен как изолированный Gated FET или IGFET. Дальнейшие его виды следующие.

    1). Полупроводниковый полевой транзистор с оксидом металла с усилением истощения

    2). Enhancement only MOSFET или E-only MOSFET

    Полевые транзисторы вышеупомянутых типов могут быть N-канальными или P-канальными устройствами. Все типы с символами также могут быть отражены, как показано ниже.

    Для проектов, связанных с электроникой и программированием, посетите мой канал YouTube.

    Ссылка на мой канал YouTube

    Предыдущая статья: Транзистор как усилитель   и Следующая статья: JFET: Junction Field Effect Transistor

    Полевой транзистор — Javatpoint

    следующий → ← предыдущая

    Полевой транзистор

    или полевой транзистор также является типом транзисторного транзистора с биполярным переходом. FET также известен как JFET (транзистор с полевым эффектом).

    Давайте подробно обсудим концепцию , структуру, типы с рабочими, и характеристиками JFET.

    Структура

    Полевой транзистор Junction имеет три вывода, слив, исток, и вентиль. Структура и условное обозначение JFET показаны ниже:

    Клеммы JFET

    Три клеммы JFET следующие:

    Источник

    Исток — это клемма в нижней части транзистора, как показано выше. Основные носители электронов (в случае n-канала) и дырок (в p-канале) поступают через исток в транзистор. Ток, генерируемый большинством носителей заряда через этот вывод, известен как источник тока (I S ).

    Слив

    В верхней части транзистора имеется вывод стока. Электроны основных носителей (в случае n-канала) и дырки (в случае p-канала) выходят из транзистора через вывод стока. Ток, генерируемый основными носителями заряда через этот вывод, представляет собой ток стока (I D ). Напряжение подключается к стоку и истоку.

    Направление тока в JFET определяется в направлении, противоположном потоку электронов и в том же направлении, что и поток дырок. Напряжение между стоком и истоком известно как V ДС .

    Ворота

    Затвор

    состоит из сильно легированной области , присутствующей на обеих сторонах транзистора. В случае n-канала две p-области присутствуют на двух сторонах транзистора, называемого затвором. Та же самая процедура создает примеси, легированные на двух областях, как pn-переходы.

    Напряжение между затвором и истоком известно как V GS . Он применяется в направлении, чтобы сделать p-n переход смещенным в обратном направлении. Ток, генерируемый через эту клемму, известен как ток затвора (I Г ).

    Канал

    Часть транзистора, в которой в больших количествах присутствует легирование n-типа, называется каналом. Он определяется как область между двумя терминалами затвора, которые обеспечивают движение основных носителей от истока к стоку.

    Напряжение

    Имеется два источника напряжения V DS и V GS . Давайте обсудим подключение этих двух источников напряжения к трем клеммам JFET.

    В ДС

    Это напряжение на клеммах D и S, т. е. сток и исток. Соединение V с DS таково, что его связь с истоком описывает движение носителей заряда от S к D. Его связь со стоком описывает притяжение заряда от D, образуя ток.

    Можно рассчитать как:

    В ДС = В Д — В С

    В ГС

    Это напряжение на клеммах G и S, т. е. затвор и исток. Он также известен как управляющее напряжение JFET. Он предназначен для увеличения тока стока в транзисторе.

    Типы JFET

    JFET далее классифицируется как n-канальный JFET и p-канальный JFET. Работа обоих JFET аналогична ожидаемому большинству операторов связи.

    N-канальный JFET

    N-канал относится к JFET с центральным каналом, легированным N-типом или пятивалентными примесями, и двумя боковыми пластинами, легированными P-типа или трехвалентными примесями.

    Строительство

    Структура NPN JFET показана ниже:


    Здесь буква D представляет собой клемму стока, S представляет собой исток, а G представляет клемму ворот. V DS и V GS — это два источника напряжения, подключенные к клеммам G, D и S. Подключение показано ниже:

    Клемма (+) V DS подключается к стоку, а клемма (-) к истоку. Точно так же клемма (+) V GS подключается к источнику, а клемма (-) к затвору.

    Давайте обсудим его работу.

    Рабочий

    • Когда напряжение на V DS включено, электроны текут к S. Напряжение затвора остается нулевым. Электроны (основные носители) n-канала начинают двигаться к D. Это происходит потому, что один и тот же заряд отталкивает друг друга.
    • Некоторые электроны осаждаются на двух плитах p-типа в углу, потому что противоположные заряды притягиваются. Область истощения формируется на двух пластинах, как показано ниже:
    • Электроны будут течь к D через пространство между двумя обедненными областями. Получается ток от D к S.
    • Когда напряжение на V GS включено, больше заряда обеспечивается на клеммах затвора, что увеличивает ширину обеднения двух слоев р-типа. Он показан ниже:
    • Поток электронов из S уменьшается до уменьшения зазора между обедненными областями.
    • Снижение напряжения на В DS и V GS также уменьшают ширину обедненной области.
    • Большое отрицательное смещение еще больше увеличит ширину истощения, и ток начнет уменьшаться из-за блокировки движения электронов к стоку. Он показан ниже:

    P-канальный JFET

    P-канал относится к JFET с центральным каналом, легированным примесями P-типа, и двумя боковыми пластинами, легированными примесями N-типа или пятивалентными.

    Строительство

    Структура PNP JFET показана ниже:


    Работа p-канального полевого транзистора такая же, как у n-канального, за исключением основных носителей заряда в обоих полевых транзисторах. Носителями заряда, составляющими ток в р-канале, являются дырки, а в n-канале — электроны. Концепция соединения напряжений на трех клеммах уже обсуждалась выше.

    Ширина истощения в p-канале после подачи напряжения на клеммы G, D и S будет отображаться как:

    Клемма (+) V DS подключается к истоку, а клемма (-) к стоку. Аналогично клемма (+) V GS подключается к затвору, а клемма (-) к истоку.

    Примечание: подключение обоих полевых транзисторов обратное из-за разницы в концентрации основных носителей в n-канале и p-канале.

    JFET Формула

    • Формула для расчета тока стока:
      I D = I DSS (1 — V GS /V P ) 2
      Где
      V P напряжение отсечки
      I DSS только ток в стоке случай нулевого смещения
      . Сток также можно рассчитать по формуле: также известный как V GS .
    • Формула для расчета R GS (сопротивление G — S) определяется как:
      R GS = V GS / I G
    • Крутизна JFET определяется как:
      G м = ? I D / ? В ГС
    • Сопротивление стока (R D ) JFET определяется по формуле:
      R D = 1/ Gm = ? В ГС / ? И Д
    • Коэффициент усиления (u) JFET определяется как отношение изменения напряжения V DS и V GS . Он определяется как:
      U = ? В ДС / ? В ГС
    • Напряжение отсечки можно рассчитать по формуле:
      В P = В GS — В DS
      В P = qN D 29 61ε a 11

    Далее в этом разделе мы обсудим два примера, основанных на приведенной выше формуле.

    Напряжение отсечки

    Определено состояние транзистора, чтобы он выключался, когда напряжение падает ниже порогового напряжения В Т . Он также определяется как состояние транзистора, удаляющего весь свободный заряд из канала.

    Характеристики

    Здесь мы обсудим характеристики n-канального JFET.

    Характеристики с напряжением D-S по оси X и током стока по оси y показаны ниже:

    Рассмотрим приведенную ниже схему JFET.

    Случай 1:

    В случае, если V GS = 0 и I D = 0, S и G не будут получать напряжения. Это означает, что оба терминала открыты. Но когда V DS подается между выводами D и S, транзистор начнет работать с помощью небольшого приложенного напряжения. Электроны будут двигаться от S к стоку, образуя небольшой ток стока. Таким образом, I D будет линейно возрастать с приложенным V DS .

    В какой-то момент концентрация заряда в областях стока будет высокой. Это условие отсечения , где D имеет большее обратное смещение, чем сторона S. Текущий I D начнет приближаться к постоянному значению. I D больше соответствует V GS и немного V DS .

    Случай 2:

    Если V GS также применяется к клеммам S и D, условия отсечки будут возникать быстрее, чем в первом случае. Это связано с тем, что к транзистору применяются как V GS , так и V DS . Максимальный идентификатор также будет меньше.

    Напряжения обратного смещения на затворе увеличивают напряжение на стоке, увеличивая эффективное напряжение на G-переходе.

    N-канальный JFET требует отрицательного напряжения на S, чтобы позволить электронам двигаться к D. D-переходу требуется положительное напряжение, чтобы привлечь больше электронов для формирования тока. Для p-канала требуется положительное напряжение на S, чтобы позволить дыркам двигаться к D. D-переходу требуется отрицательное напряжение, чтобы привлечь больше дырок, чтобы образовать ток. Мы можем использовать любой конец канала в качестве истока или стока, и нам нужно только учитывать полярность, применяемую к обоим каналам.

    Математическая модель

    Мы уже обсуждали, что V DS вызывает лишь небольшое изменение тока стока транзистора. Но при применении V GS ток увеличивается. Примем эффективное сечение канала равным A, которое является постоянным.

    Площадь A = 2bw

    Где,

    2b — ширина канала

    W — размер канала перпендикулярно ширине

    Ток стока по закону Ома можно записать как:

    I D = AqN D u n ε

    Положив значение A = 2bw, получим:

    I D = 2bwqN D u n ε

    Где,

    N D – донор ионов

    Мы знаем ε = V DS / L

    Итак,

    I D = 2bwqN D u n V DS / L

    FET в качестве резистора переменного напряжения

    FET может работать как VVR в определенном регионе, а переменный резистор напряжения также известен как Резистор, зависящий от напряжения. Полевой транзистор создает небольшой ток стока, когда VDS мало, и это состояние до отсечки. Транзисторы работают как резисторы с переменным напряжением только в этой области, т. е. до отсечки. Сопротивление двух переходов, D и S, регулируется напряжением VGS. VVR используется в различных приложениях, таких как аудиоусилители и телевизионные приемники.

    FET по сравнению с BJT

    Давайте обсудим различия между полевым транзистором и транзистором с биполярным переходом.

    Категория ФЕТ БДЖТ
    Управляемое устройство Управляемое напряжением
    Это связано с тем, что изменение напряжения на транзисторе может помочь нам контролировать его выходное напряжение.
    Управляемый ток
    Это потому, что его выход определяется на основе входного тока.
    Устройство Polar Униполярный (Устройство только с теми типами носителей заряда, которые составляют ток) Биполярный (устройство с двумя типами носителей заряда, создающими ток)
    Клеммы Слив, источник и вентиль Эмиттер, база и коллектор
    Размер Малый размер Большой размер по сравнению с полевым транзистором
    Выходное сопротивление Низкий Высокий (означает больший выходной ток для желаемого входа)
    Стоимость Дорогой
    Стоимость FET и MOSFET высока по сравнению с BJT.
    Недорогой
    Блок питания Меньше Подробнее
    Приложения Благодаря небольшому размеру и низкому энергопотреблению он используется в таких приложениях, как переключатели, мультиплексоры, генераторы и усилители сигналов. Благодаря высокому выходному коэффициенту усиления и низкой стоимости BJT используется в таких приложениях, как бытовая электроника, небольшие проекты и модуляторы.

    Числовые примеры

    Давайте обсудим два примера JFET.

    Пример 1. Полевой транзистор с переходом создает ток затвора 5 нА. Затвор смещен в обратном направлении при напряжении 10 вольт. Найдите сопротивление между выводами стока и истока транзистора?

    Решение:

    Дано: V GS = 10 В и I G = 5 нА

    Нам нужно найти R GS

    Мы знаем, R GS = V GS / I G

    Подставляя значения в данную формулу, получаем:

    R GS = 10 / 5 x 10 -9

    R GS = 2 x 10 9 Ом

    R GS = 2000 x 10 6 Ом

    или

    R GS = 2000 МОм

    Пример 2: Найдите ток стока со следующими параметрами:

    я DSS = 5 мА

    В GS = -2 В

    В P = -1 вольт

    Решение:

    Мы знаем, что формула для определения тока стока:

    I D = I DSS (1 — V GS /V P ) 2

    Подставляя данные значения в приведенное выше уравнение, мы получаем:

    I D = 5 x 10 -3 (1 — (-2 /-1)) 2

    I D = 5 x 10 -3 (1 — (2)) 2

    I D = 5 x 10 -3 (-1) 2

    I D = 5 х 10 -3 Ампер

    или

    I D = 5 мА

    Таким образом, можно сказать, что I D = I DSS = 5 мА

    Пример 3: Найдите напряжение отсечки n-канального кремниевого JFET со следующими параметрами:

    Н Д = 10 16 см -3

    А = 0,40 мкм

    ε = 8,854 х 10 -14

    Решение: Мы знаем, что формула для расчета напряжения отсечки имеет вид:

    В P = qN D a 2 /2ε с

    ε с = ε ε о

    q — это заряд электрона = 1,6 x 10 -19

    Подставляя данные значения в приведенное выше уравнение, мы получаем:

    В P =1,6 x 10 -19 x 10 16 x (0,4 x 10 -4 ) 2 /2 x 11,7 x 8,854 x 10 -14

    2

    В P = 1,23 В


    Следующая темаНаименьшее нечетное число

    ← предыдущая следующий →

    Mesfet (т.

    е. металло-полупроводниковый полевой транзистор) Патенты и заявки на патенты (класс 327/431)

    Mesfet (т. е. металло-полупроводниковый полевой транзистор) Патенты (класс 327/431)

    • Коммутационная схема, высокочастотный модуль и аппаратура связи

      Номер патента: 11430786

      Реферат: Переключающая схема, расположенная на подложке, включает в себя первый последовательный переключатель и второй последовательный переключатель, последовательно расположенные на пути, соединяющем первый вывод и второй вывод, третий рядный переключатель и переключатель четвертой серии, расположенный последовательно на пути, соединяющем первую клемму и третью клемму, первый шунтирующий переключатель, соединенный с общей клеммой заземления, и первый узел между первым последовательным переключателем и вторым последовательным переключателем, и второй шунтирующий переключатель, соединенный к клемме общего заземления и второму узлу между переключателем третьей и четвертой последовательностей.

      Тип: Грант

      Подано: 13 марта 2020 г.

      Дата выдачи патента: 30 августа 2022 г.

      Правопреемник: MURATA MANUFACTURING CO., LTD

      Изобретатель: Юта Миядзаки

    • Ультразвуковой аппарат и метод ультразвукового излучения

      Номер патента: 110

      Реферат: Предложены ультразвуковой аппарат и способ излучения плоской волны. Ультразвуковой аппарат включает в себя ультразвуковой датчик, схему приемопередатчика, модуль коммутации и процессор. Ультразвуковой датчик имеет преобразовательные элементы от 1-го до M-го для соответственного излучения ультразвуковых лучей для формирования плоской волны, а схема приемопередатчика имеет приемо-передающие каналы от 1-го до N-го. M, N — положительные целые числа, а M — кратное N. В течение периода сканирования процессор управляет коммутационным модулем, чтобы первоначально и, соответственно, подключить 1-й-N-й приемопередающие каналы к 1-му-N-му преобразовательным элементам, так что 1-й-N-й приемопередающие каналы N-е элементы преобразователя последовательно излучают ультразвуковые лучи. После того, как ультразвуковой луч излучается N-м преобразовательным элементом, процессор управляет переключающим модулем, чтобы соответственно соединить 1-й-N-й приемные каналы с (N+1)-м (2N)-м преобразовательным элементом, так что (N+1 )-й-(2N)-й элементы преобразователя последовательно излучают ультразвуковые лучи.

      Тип: Грант

      Подано: 10 ноября 2016 г.

      Дата выдачи патента: 17 августа 2021 г.

      Правопреемник: Lltek Inc.

      Изобретатели: Ин-И Лю, Шэн-Чанг Пэн, Куо-Пин Лю

    • Схема включения и способ компенсации тока в ней

      Номер патента: 9621155

      Реферат: Коммутационная схема включает в себя нормально включенный выключатель, нормально выключенный выключатель, блок компенсации тока и блок распределения тока. Каждый из нормально включенного переключателя и нормально выключенного переключателя включает в себя первую клемму, вторую клемму и клемму управления соответственно. Первая клемма нормально выключенного выключателя соединена со второй клеммой нормально включенного выключателя. Второй вывод нормально выключенного выключателя соединен с управляющим выводом нормально включенного выключателя. Блок компенсации тока подключен к нормально включенному выключателю и сконфигурирован для генерирования компенсирующего тока, когда ток утечки нормально включенного ключа меньше, чем ток утечки нормально выключенного ключа. Блок распределения тока подключен к нормально выключенному выключателю и настроен на совместное использование тока утечки нормально включенного переключателя, когда ток утечки нормально включенного переключателя больше, чем ток утечки нормально выключенного переключателя.

      Тип: Грант

      Подано: 5 января 2016 г.

      Дата выдачи патента: 11 апреля 2017 г.

      Правопреемник: DELTA ELECTRONICS, INC.

      Изобретатели: Чан-Цзин Ян, Ли-Фань Линь

    • Точные постоянные узлы

      Номер патента: 94

      Реферат: Схема смещения калиброванного затвора согласно одному варианту осуществления включает прецизионный резистор с переключаемым конденсатором; и опорное напряжение. Электронная схема для инициирования изменения состояния ведущего устройства, согласно другому варианту осуществления, включает в себя счетчик, соединенный с ведущим устройством, причем счетчик ведет отсчет с фиксированным интервалом, при этом счетчик сбрасывается на ноль при получении команды от удаленного устройства. устройство, в котором счетчик сравнивается с эталонным значением, при этом ведущее устройство изменяет состояние, если счетчик соответствует эталонному значению, при этом работа счетчика продолжается, несмотря на прерывание подачи питания от источника питания. Также раскрыты асимметричные дифференциальные усилители согласно различным вариантам осуществления.

      Тип: Грант

      Подано: 15 февраля 2013 г.

      Дата выдачи патента: 14 июня 2016 г.

      Правопреемник: Intelleflex Corporation

      Изобретатель: Роджер Грин Стюарт

    • Двунаправленный автоматический выключатель

      Номер патента: 8729739

      Реферат: Автоматический выключатель, содержащий первый и второй полевые транзисторы JFET, каждый из которых содержит соединение затвора, стока и истока, при этом истоки JFET функционально соединены друг с другом для формирования соединения с общим истоком и адаптированы быть подключенным к внешней цепи и работать на размыкание, когда ток, протекающий через JFET, превышает заданный порог, затворы JFET и соединение с общим истоком оперативно подключены к схеме драйвера затвора, которая вызывает выключение JFET, когда превышен заданный порог; после чего ток протекает через соединение с общим истоком во второй затвор и в схему драйвера затвора, что приводит к тому, что схема драйвера затвора отключает первый и второй полевые транзисторы JFET и размыкает автоматический выключатель. Также заявлен способ обнаружения перегруженной цепи, содержащий опережающие и замыкающие полевые транзисторы JFET в цепи, которые размыкают цепь и предотвращают протекание тока при превышении заданного порога.

      Тип: Грант

      Подано: 31 января 2011 г.

      Дата выдачи патента: 20 мая 2014 г.

      Правопреемник: Соединенные Штаты Америки в лице министра военно-морского флота

      Изобретатели: Вадим Любомирский, Дамиан Урчуоли

    • BI-FET каскодный выключатель питания

      Номер патента: 8536931

      Реферат: Раскрыты устройства переключения мощности для высокоскоростных приложений. Устройство переключения мощности включает в себя полевой транзистор режима истощения (D-FET), полевой транзистор режима улучшения (E-FET) и биполярный транзистор. В одном варианте осуществления E-FET соединен каскодом с D-FET таким образом, что выключение E-FET выключает D-FET, а включение E-FET включает D-FET. Кроме того, биполярный транзистор функционально связан с D-FET и E-FET, так что включение биполярного транзистора пропускает ток от D-FET через биполярный транзистор к E-FET, чтобы обеспечить заряд, который включает E-FET. -ФЕТ. Биполярный транзистор обеспечивает несколько преимуществ, таких как более высокое напряжение пробоя Шоттки для E-FET и более высокая скорость переключения тока для силового переключателя.

      Тип: Грант

      Подано: 18 июня 2012 г.

      Дата выдачи патента: 17 сентября 2013 г.

      Правопреемник: RF Micro Devices, Inc.

      Изобретатели: Кевин В. Кобаяши, Джозеф Джонсон

    • Транзистор с высокой подвижностью электронов, имеющий функцию быстрого переключения

      Номер патента: 8519442

      Abstract: Полупроводниковое устройство включает в себя первый полупроводниковый слой, второй полупроводниковый слой, двумерный слой газа-носителя, первый основной электрод, второй основной электрод, первый электрод затвора, и второй электрод затвора. Первый электрод затвора расположен между частью первого основного электрода и частью второго основного электрода напротив части первого основного электрода. Второй электрод затвора расположен между другой частью первого основного электрода и другой частью второго основного электрода напротив другой части первого основного электрода с разделительной зоной, расположенной между первым электродом затвора и вторым электродом затвора. Второй электрод затвора управляется независимо от первого электрода затвора.

      Тип: Грант

      Подано: 3 октября 2011 г.

      Дата выдачи патента: 27 августа 2013 г.

      Правопреемник: Sanken Electric Co., Ltd.

      Изобретатели: Акио Ивабути, Хиронори Аоки

    • Южный мост настроен на обнаружение высокого уровня напряжения от суперчипа ввода-вывода при выключении компьютера.

      Номер патента: 8205104

      Реферат: Предложена схема управления питанием материнской платы компьютера. Схема управления источником питания включает микросхему южного моста и схему управления выходным напряжением, соединенную с микросхемой южного моста. Микросхема южного моста включает в себя контрольный вывод и вывод обнаружения. Схема управления выходным напряжением имеет входную клемму напряжения и выходную клемму напряжения. Схема управления выходным напряжением включает в себя транзистор, подключенный к входной клемме напряжения, а также соединенный с выходной клеммой напряжения через компонент переключателя. Клемма выхода напряжения подключена к контакту обнаружения чипа южного моста через суперчип ввода-вывода. Транзистор способен управлять компонентом переключателя для передачи напряжения высокого уровня на суперчип ввода-вывода, когда компьютер выключен. Также предусмотрен метод.

      Тип: Грант

      Подано: 9 декабря 2009 г.

      Дата выдачи патента: 19 июня 2012 г.

      Правопреемники: Hong Fu Jin Precision Industry (ShenZhen) Co., Ltd., Hon Hai Precision Industry Co., Ltd.

      Изобретатель: Ке-Ю Ху

    • Способ работы полупроводникового прибора

      Номер патента: 8179188

      Реферат: Способ работы полупроводникового прибора, включающего полупроводник с поперечной двойной диффузией на основе оксида металла (LDMOS) с первым истоком, общим стоком и первым затвором, переходным полевым транзистором ( JFET) со вторым истоком, общим стоком и вторым затвором, при этом второй исток электрически соединен с первым затвором, а внутренняя цепь электрически соединена с первым истоком. Первый источник обеспечивает внутреннюю цепь внутренним током для генерирования внутреннего напряжения с помощью полупроводника из оксида металла с боковой двойной диффузией, и полупроводник из оксида металла с боковой двойной диффузией отключается, когда внутреннее напряжение поднимается по существу до уровня первого затвора. Напряжение.

      Тип: Грант

      Подано: 27 октября 2011 г.

      Дата выдачи патента: 15 мая 2012 г.

      Правопреемник: United Microelectronics Corp.

      Изобретатели: Сун-Ньен Тан, Вэй-Лун Хсу, Чинг-Мин Ли, Тэ-Юань Ву

    • Система и способ обеспечения симметричного, эффективного двунаправленного потока мощности и согласования мощности

      Номер патента: 8130023

      Abstract: Система и способ обеспечения симметричного, эффективного двунаправленного потока мощности и согласования мощности для высоковольтных приложений. Варианты осуществления включают в себя первый полевой транзистор с переходным затвором с вертикальным каналом (VJFET), второй VJFET, привод затвора, соединенный с первым затвором VJFET и вторым затвором VJFET. Оба VJFET включают в себя затвор, сток (D1 и D2) и исток, а также имеют встроенные потенциалы затвор-сток и затвор-исток. Первый VJFET и второй VJFET соединены встречно-параллельно последовательно, так что истоки каждого из них закорочены вместе в общей точке S. Привод затвора подает одинаковое напряжение смещения (VG) на оба затвора. Привод затвора сконфигурирован для выборочного смещения VG таким образом, чтобы ток протекал через полевые транзисторы VJFET в направлении от D1 к D2, протекал через полевые транзисторы VJFET в направлении от D2 к D1 или напряжения, подаваемые на D1 первого VJFET или D2 второго VJFET, блокировались. .

      Тип: Грант

      Подано: 23 ноября 2009 г.

      Дата выдачи патента: 6 марта 2012 г.

      Правопреемник: Корпорация Northrop Grumman Systems

      Изобретатель: Джон В. Велиадис

    • Цепь управления источником питания

      Номер патента: 7

      0

      Реферат: Примерная схема управления источником питания включает в себя первый электрический переключатель, второй электрический переключатель, третий электрический переключатель, источник питания и выходную клемму. Первый электрический переключатель имеет первую клемму, соединенную с микросхемой SIO для приема управляющего сигнала. Когда управляющий сигнал находится на высоком уровне, первый электрический переключатель включен, второй электрический переключатель выключен, третий электрический переключатель выключен, и на выходной терминал не подается питание. Когда управляющий сигнал находится на низком уровне, первый электрический переключатель выключен, второй электрический переключатель включен, третий электрический переключатель включен, и на выходной терминал подается питание.

      Тип: Грант

      Подано: 8 августа 2008 г.

      Дата патента: 19 апреля 2011 г.

      Правопреемники: Hong Fu Jin Precision Industry (ShenZhen) Co., Ltd., Hon Hai Precision Industry Co., Ltd.

      Изобретатели: Хуа Цзоу, Фэн-Лун Хэ

    • КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО И КОММУТАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОММУТАЦИИ ПРИ ВЫСОКОМ РАБОЧЕМ НАПРЯЖЕНИИ

      Номер публикации: 20100026371

      Abstract: Описано коммутационное устройство для коммутации высокого рабочего напряжения. Коммутационное устройство включает в себя первое коммутационное устройство с первым самопроводящим переключающим элементом, которое имеет управляющий соединитель и первый и второй основные соединительные элементы для формирования коммутационной секции. Коммутационное устройство может включать в себя второе коммутационное устройство, имеющее первый и второй разъемы для формирования коммутационной секции, которые подключены последовательно относительно коммутационной секции первого коммутационного устройства. Второе коммутационное устройство включает в себя оптически активируемый переключающий элемент для переключения секции переключения второго коммутационного устройства, так что оно становится проводящим. Второй разъем второго переключающего устройства соединен с управляющим разъемом первого самопроводящего переключающего элемента.

      Тип: Заявка

      Подано: 27 июля 2009 г.

      Дата публикации: 4 февраля 2010 г.

      Изобретатели: Томас Комма, Норберт Селигер

    • Переключатель без питания и цепь прокачки

      Номер патента: 7619462

      Реферат: Раскрыт новый радиочастотный переключатель для переключения радиочастотных (РЧ) сигналов. ВЧ-переключатель может содержать полевые транзисторы режима улучшения и истощения (E-FET и D-FET), реализованные в виде монолитной интегральной схемы (ИС) на подложке кремний-на-изоляторе (КНИ). Раскрытый РЧ-переключатель с новой схемой сброса может использоваться в РЧ-приложениях, где требуется выбранное состояние переключателя и характеристики, когда на схемы переключения и сброса не подается рабочее питание (т. »).

      Тип: Грант

      Подано: 9 февраля 2006 г.

      Дата патента: 17 ноября 2009 г.

      Правопреемник: Peregrine Semiconductor Corporation

      Изобретатели: Дилан Дж. Келли, Клинт Л. Кемерлинг

    • Схема переключения с использованием нескольких JFET с общим стоком для хорошего рассеивания тепла и небольшой площади компоновки печатной платы

      Номер патента: 7446591

      Аннотация: В коммутационной схеме используется несколько полевых транзисторов с общим коммутатор и силовой узел. Поскольку полевой транзистор JFET может выдерживать высокое напряжение как на стороне стока, так и на стороне истока, а также обладает хорошей способностью рассеивания тепла на стороне стока, сток полевого транзистора нижнего плеча соединен с силовым узлом для повышения способности рассеивания тепла и, соответственно, всех JFET нижнего плеча можно упаковать в один корпус, чтобы уменьшить площадь компоновки печатной платы.

      Тип: Грант

      Подано: 3 июля 2007 г.

      Дата патента: 4 ноября 2008 г.

      Правопреемник: Richtek Technology Corp.

      Изобретатели: Лян-Пин Тай, Цзюнь-Чан Чен

    • Драйвер затвора для полупроводникового прибора с широкой запрещенной зоной

      Номер публикации: 20080265980

      Abstract: Схема управления затвором широкозонного транзистора с полупроводниковым переходом включает резистор ограничения тока затвора. Резистор ограничения тока затвора подключен к входу затвора широкозонного полупроводникового транзистора с затвором, когда он используется, и ограничивает ток затвора, подаваемый на вход затвора транзистора с затвором. Зарядный конденсатор со связью по переменному току также включен в схему управления затвором. Зарядный конденсатор со связью по переменному току подключен к входу затвора широкозонного полупроводникового транзистора с закрытым переходом, когда он используется, и расположен параллельно резистору ограничения тока затвора. Диод соединен с резистором ограничения тока затвора и зарядным конденсатором, связанным по переменному току, на одном конце и выходом микросхемы управления затвором на другом конце. вход затвора транзистора с широкозонным полупроводниковым переходом через резистор ограничения тока затвора.

      Тип: Заявка

      Подано: 30 апреля 2007 г.

      Дата публикации: 30 октября 2008 г.

      Изобретатели: Джон Винсент Райхл, Дэвид Эверетт Балгер, Тай Р. МакНатт

    • Переключатель питания Cascode для использования в высокочастотном импульсном источнике питания MESFET Buck

      Номер публикации: 20080197908

      Резюме: Каскодный силовой ключ для использования в импульсном регуляторе на основе MESFET включает MOSFET последовательно с нормально выключенным MESFET. Переключатель питания каскода обычно подключается между источником питания и узлом Vx. Узел Vx подключен к выходному узлу через катушку индуктивности и к земле через диод Шоттки или второй MESFET или оба. Схема управления управляет MESFET (и вторым MESFET), так что индуктор попеременно подключается к батарее и к земле. МОП-транзистор отключается в спящем или ждущем режимах, чтобы свести к минимуму ток утечки через МОП-транзистор. Таким образом, MOSFET переключается на более низкой частоте по сравнению с MESFET и не вносит значительного вклада в коммутационные потери в преобразователе.

      Тип: Заявка

      Подано: 16 февраля 2008 г.

      Дата публикации: 21 августа 2008 г.

      Заявитель: ADVANCED ANALOGIC TECHNOLOGIES, INC.

      Изобретатель: Ричард К. Уильямс

    • Высокочастотный импульсный источник питания MESFET Boost

      Номер публикации: 20080186004

      Резюме: Повышающий преобразователь на основе MESFET включает в себя N-канальный MESFET, подключенный к узлу Vx. Индуктор соединяет узел Vx с батареей или другим источником питания. Узел Vx также подключен к выходному узлу через диод Шоттки или второй МОП-транзистор или оба. Схема управления управляет MESFET (и вторым MESFET), так что индуктор попеременно подключается к земле и к выходному узлу. Максимальное напряжение на низком полюсе MESFET опционально ограничивается стабилитроном. В некоторых реализациях MESFET подключается последовательно с MOSFET. МОП-транзистор отключается в спящем или ждущем режимах, чтобы свести к минимуму ток утечки через МОП-транзистор. Таким образом, MOSFET переключается на более низкой частоте по сравнению с MESFET и не вносит значительного вклада в коммутационные потери в преобразователе. В других реализациях более одного MESFET соединены последовательно с MOSFET, при этом MOSFET отключаются в периоды бездействия для подавления токов утечки.

      Тип: Заявка

      Подано: 26 января 2006 г.

      Дата публикации: 7 августа 2008 г.

      Заявитель: ADVANCED ANALOGIC TECHNOLOGIES, INC.

      Изобретатель: Ричард К. Уильямс

    • Транзисторы со скрытыми областями N-типа и P-типа под областью истока и способы их изготовления

      Номер патента: 7326962

      Реферат: Настоящее изобретение предлагает элементарную ячейку полевого транзистора металл-полупроводник (MESFET). Элементарная ячейка MESFET включает исток, сток и затвор. Затвор расположен между истоком и стоком и на слое канала проводимости n-типа. Область проводимости р-типа предусмотрена под истоком и имеет конец, обращенный к стоку. Область проводимости p-типа отделена от области канала проводимости n-типа и электрически связана с источником. Область проводимости n-типа обеспечена на области проводимости p-типа под областью истока и простирается к области стока, не выходя за пределы области проводимости p-типа. Также предусмотрены родственные методы изготовления MESFETS.

      Тип: Грант

      Подано: 15 декабря 2004 г.

      Дата выдачи патента: 5 февраля 2008 г.

      Правопреемник: Cree, Inc.

      Изобретатель: Саптариши Шрирам

    • Схема переключения с использованием нескольких JFET с общим стоком для хорошего рассеивания тепла и небольшой площади компоновки печатной платы

      Номер патента: 7274246

      Аннотация: В коммутационной схеме используется несколько полевых транзисторов с общим коммутатор и силовой узел. Поскольку полевой транзистор JFET может выдерживать высокое напряжение как на стороне стока, так и на стороне истока, а также обладает хорошей способностью рассеивания тепла на стороне стока, сток полевого транзистора нижнего плеча соединен с силовым узлом для повышения способности рассеивания тепла и, соответственно, всех JFET нижнего плеча можно упаковать в один корпус, чтобы уменьшить площадь компоновки печатной платы.

      Тип: Грант

      Подано: 23 июня 2005 г.

      Дата патента: 25 сентября 2007 г.

      Правопреемник: Richtek Technology Corp.

      Изобретатели: Лян-Пин Тай, Цзюнь-Чан Чен

    • Схема высокочастотного переключения и полупроводниковое устройство

      Номер патента: 7173471

      Реферат: Четыре секции схемы переключения, состоящие из четырех последовательно соединенных полевых транзисторов, расположены между множеством входных/выходных клемм, которые выводят и вводят высокочастотный сигнал. Управляющие напряжения затвора по отдельности подаются на выводы затвора четырех полевых транзисторов соответственно, так что достигается состояние «включено» и «закрыто». Дополнительные управляющие напряжения стока подаются индивидуально на выводы стока или истока полевого транзистора в каждой секции схемы переключения, а напряжение в соответствии со значением электрической мощности высокочастотного сигнала, подаваемого на каждую из секций схемы переключения, подается в качестве управляющего напряжения затвора. и управляющее напряжение стока.

      Тип: Грант

      Подано: 10 июня 2004 г.

      Дата патента: 6 февраля 2007 г.

      Правопреемник: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

      Изобретатели: Тадаёси Накацука, Ацуши Сува, Кацуши Тара

    • Текущий драйвер и устройство отображения

      Номер патента: 7145379

      Резюме: Первый и второй чипы поставляются рядом. Первая микросхема включает в себя: секцию подачи тока для вывода управляющего тока, причем секция подачи тока включает в себя токовое зеркало; ток распределения MISFET; токовый вход MISFET для передачи электрического тока в секцию подачи тока, причем токовый вход MISFET соединен с токораспределительным MISFET; и второй ток распределения MISFET. MISFET с распределением тока и второй MISFET с распределением тока составляют зеркало тока. Вторая микросхема включает в себя второй токовый вход MISFET, который соединен со вторым токораспределением MISFET. Соотношение между отношением W/L полевого МДПТ распределения тока и отношением W/L подключенного к нему входного полевого МДПТ по току одинаково в первой и второй микросхемах.

      Тип: Грант

      Подано: 2 апреля 2004 г.

      Дата патента: 5 декабря 2006 г.

      Правопреемник: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

      Изобретатели: Ёсито Датэ, Тетсуро Омори, Широ Досё, Макото Мизуки

    • Гибридный силовой МОП-транзистор для высокой допустимой нагрузки по току

      Номер патента: 6535050

      Реферат: Раскрыт гибридный мощный полевой МОП-транзистор, имеющий полевой МОП-транзистор с низкой блокирующей способностью и полевой транзистор с высокой блокирующей способностью. В соответствии с настоящим изобретением эта каскодная схема имеет, по меньшей мере, два полевых транзистора с высокой блокирующей способностью, которые электрически соединены параллельно и чьи соединения затвора соответственно электрически соединены с соединением истока полевого МОП-транзистора с низкой способностью к блокировке посредством соединительная линия. Таким образом, получен гибридный силовой МОП-транзистор с высокой пропускной способностью по току, технология проектирования которого значительно упрощена за счет использования только одной линии управления и n+1 микросхем.

      Тип: Грант

      Подано: 23 июля 2001 г.

      Дата патента: 18 марта 2003 г.

      Правопреемник: Siemens Aktiengesellschaft

      Изобретатели: Эрик Бодело, Манфред Брукманн, Хайнц Митленер, Бенно Вайс

    • Коммутационное устройство и полупроводниковое устройство

      Номер патента: 6218890

      Реферат: Устройство коммутационной схемы, включающее многозатворный полевой транзистор, имеющий множество электродов затвора между электродом стока и электродом истока, маломощный резистор, один конец которого подключен между электроды затвора и высокий резистор, подключенный между другим концом низкого резистора и любым из электродов стока, электродом истока и концом другого низкого резистора.

      Тип: Грант

      Подано: 12 июля 1999 г.

      Дата патента: 17 апреля 2001 г.

      Правопреемник: Sanyo Electric Co., Ltd.

      Изобретатели: Цутому Ямагучи, Сэйити Банба, Тетсуро Савай, Хисанори Уда

    • Интегральная схема, включающая драйвер для полевого транзистора металл-полупроводник

      Номер патента: 6218891

      Реферат: Интегральная схема, включающая полевой транзистор металл-полупроводник (MESFET), имеющая номинальную собственную емкость и требующая отрицательного напряжения для смещения MESFET в непроводящее состояние, способ управления MESFET и силовым преобразователем с использованием интегральной схемы и способа. В одном варианте осуществления интегральная схема включает в себя драйвер, содержащий конденсатор смещения, интегрированный с MESFET. Драйвер выполнен с возможностью подачи положительного напряжения для смещения MESFET в состояние проводимости и подачи отрицательного напряжения для смещения MESFET в состояние отсутствия проводимости без использования внешнего источника отрицательного смещения.

      Тип: Грант

      Подано: 28 июля 2000 г.

      Дата патента: 17 апреля 2001 г.

      Правопреемник: Lucent Technologies Inc.

      Изобретатели: Ашраф В. Лотфи, Аллен Ф. Розман, Цзянь Тан, Вэй Тан

    • Отрицательная схема самосмещения для смесителей на полевых транзисторах

      Номер патента: 6163689

      Реферат: Усовершенствованная схема смешения включает в себя MESFET, в котором гетеродинный сигнал подается на его затвор через зарядный конденсатор, а РЧ-сигнал подается на его сток через первый полосовой фильтр. Электроны накачиваются на зарядный конденсатор, чтобы сместить затвор MESFET. Сток MESFET подключен ко второму полосовому фильтру, который пропускает сигнал на смешанной частоте.

      Тип: Грант

      Подано: 30 сентября 1997 г.

      Дата патента: 19 декабря 2000 г.

      Правопреемник: Samsung Electronics Co., Ltd.

      Изобретатель: Ён Хи Ли

    • Схема MESFET, использующая только положительные источники питания

      Номер патента: 6130570

      Реферат: Система смещения для полевого транзистора использует конденсатор смещения истока, который заряжается до положительного постоянного напряжения земли относительно земли ВЧ. Таким образом, затвор полевого транзистора смещен отрицательно по отношению к истоку, не требуя отрицательного источника питания.

      Тип: Грант

      Подано: 18 сентября 1997 г.

      Дата патента: 10 октября 2000 г.

      Правопреемник: Samsung Electronics Co., Ltd.

      Изобретатели: Эрик Тин-Шан Пан, Роджер Ли Фауст

    • Устройство коммутационной цепи

      Номер патента: 5945867

      Аннотация: Первый полевой транзистор подключен между первым и третьим узлами, второй полевой транзистор подключен между вторым и четвертым узлами, третий полевой транзистор подключен между третьим и пятым узлами, а четвертый полевой транзистор подключен соединены между четвертым и пятым узлами. Пятый полевой транзистор подключен между первым и шестым узлами, а шестой полевой транзистор подключен между вторым и шестым узлами. Затворы первого, четвертого и шестого полевых транзисторов подключены к первому выводу управления, а затворы второго, третьего и пятого полевых транзисторов подключены ко второму выводу управления. Терминал электропитания подключен к пятому и шестому узлам. Первый и второй узлы подключены к общему выводу через первый и второй конденсаторы соответственно. Пятый и шестой полевые транзисторы образуют схему подтягивания. Подтягивающая коммутационная схема подтягивает исток полевого транзистора в выключенном состоянии к напряжению источника питания и изолирует исток полевого транзистора во включенном состоянии от напряжения источника питания.

      Тип: Грант

      Подано: 23 февраля 1998 г.

      Дата патента: 31 августа 1999 г.

      Правопреемник: Sanyo Electric Co., Ltd.

      Изобретатели: Хисанори Уда, Кэйити Хонда

    • Система с активной схемой и способом вытягивания вниз

      Номер патента: 5

      8

      Аннотация: Настоящее изобретение относится к схеме, которая переводит линию электропитания электронной системы в низкое состояние, когда электронная система выключена. Более конкретно, настоящее изобретение представляет собой активную схему, которая обеспечивает низкий импеданс между линией электропитания и обратной линией, когда питание системы отключено, и устанавливает высокий импеданс между линией электропитания и обратной линией, когда система выключена. включенный.

      Тип: Грант

      Подано: 17 ноября 1997 г.

      Дата патента: 4 мая 1999 г.

      Правопреемник: Compaq Computer Corp

      Изобретатель: Кайл Дж. Прайс

    • Схема коммутации тока, выполненная в интегральной полупроводниковой схеме

      Номер патента: 5812011

      Реферат: Схема включения тока в интегральной полупроводниковой схеме включает нагрузку, подключенную к положительному источнику питания; первый биполярный транзистор pnp, имеющий коллекторный электрод, соединенный с нагрузкой, и базовый электрод, соединенный с источником смещения постоянного тока, и эмиттерный электрод; и первый n-канальный МОП-транзистор, имеющий электрод стока, соединенный с эмиттерным электродом первого биполярного транзистора npn, электрод истока, соединенный с землей, и электрод затвора, соединенный с входной клеммой, при этом первый МОП-транзистор включается и выключается в реакция на напряжение, подаваемое на входную клемму.

      Тип: Грант

      Подано: 6 февраля 1997 г.

      Дата патента: 22 сентября 1998 г.

      Правопреемник: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha

      Изобретатели: Ютака Хаяси, Такехико Умеяма

    • Система с активной схемой и способом вытягивания вниз

      Номер патента: 5805014

      Аннотация: Настоящее изобретение относится к схеме, которая переводит линию электропитания электронной системы в низкое состояние, когда электронная система выключена. Более конкретно, настоящее изобретение представляет собой активную схему, которая обеспечивает низкий импеданс между линией электропитания и обратной линией, когда питание системы отключено, и устанавливает высокий импеданс между линией электропитания и обратной линией, когда система выключена. включенный.

      Тип: Грант

      Подано: 1 марта 1996 г.

      Дата патента: 8 сентября 1998 г.

      Правопреемник: Compaq Computer Corporation

      Изобретатель: Кайл Дж. Прайс

    • Выводная рамка для полупроводникового устройства в пластиковом корпусе, полупроводниковое устройство, использующее его, и способ изготовления выводной рамки

      Номер патента: 5723996

      Реферат: Интегрируемый реверсивный переключатель выборочно налагает потенциал земли или потенциал питания, положительный относительно него, на клемму нагрузки, у которой другая клемма подключена к потенциалу питания, отрицательному относительно потенциал земли. Первый переключатель подключен между нагрузкой и положительным потенциалом питания. Второй переключатель управляется дополнительно к нему и подключается между нагрузкой и потенциалом земли. Второй переключатель образован полевым ДМОП-транзистором с обратным управлением.

      Тип: Грант

      Подано: 12 февраля 1996 г.

      Дата патента: 3 марта 1998 г.

      Правопреемник: Siemens Aktiengesellschaft

      Изобретатель: Бернхард Зойер

    • Схема обработки сигнала для переключателя, способная уменьшить вносимые потери

      Номер патента: 5554892

      Резюме: Высокочастотный усилитель мощности реализован на полевом транзисторе из арсенида галлия и питается от положительного и отрицательного источников питания. Усилитель усиливает мощность входного сигнала и подает усиленный сигнал на высокочастотный переключатель. На высокочастотный переключатель подаются напряжения управления переключателем в виде положительного и отрицательного напряжений. Поскольку управляющие напряжения переключателя реализованы как положительное и отрицательное напряжения, достижима большая разница в уровне между управляющими напряжениями переключателя, что снижает вносимые потери. Хотя высокочастотный переключатель также может быть реализован с помощью полевых транзисторов GaAs, вносимые потери будут дополнительно снижены, если отрицательное напряжение подается на высокочастотный переключатель только во время передачи. В этом случае потребление тока также будет снижено, если генерация отрицательного напряжения будет контролироваться на стороне источника отрицательного напряжения.

      Тип: Грант

      Подано: 28 апреля 1994 г.

      Дата патента: 10 сентября 1996 г.

      Правопреемник: NEC Corporation

      Изобретатель: Хидехико Норимацу

    • Схема смещения усилителя на полевых транзисторах с одним источником питания

      Номер патента: 5554954

      Реферат: Схема источника питания, раскрытая в настоящем документе, включает в себя трехполюсный стабилизатор для стабилизации приложенного к нему положительного напряжения, преобразователь напряжения для преобразования стабилизированного напряжения в отрицательное напряжение, блок питания. секция стабилизации напряжения светодиодом и схема управления подачей напряжения смещения на сток и исток GaAs-усилителя на полевых транзисторах только при приложении напряжения к затвору и истоку усилителя. Когда питание подается от источника питания, наличие отрицательного напряжения, поступающего от преобразователя напряжения, воспринимается схемой управления, и к затвору начинает прикладываться смещение. Поэтому, когда обнаруживается, что к затвору приложено заданное напряжение, после этого к стоку полевого транзистора начинает прикладываться смещение. Когда питание от источника питания отключается, ощущается падение напряжения, и смещение стока начинает отключаться, а затем отключается смещение затвора полевого транзистора.

      Тип: Грант

      Подано: 14 декабря 1994 г.

      Дата патента: 10 сентября 1996 г.

      Правопреемник: Корпорация NEC

      Изобретатель: Хидэаки Такахаши

    • Аналоговый переключатель из тонкопленочного транзистора с уменьшенным током утечки.

      Номер патента: 5517150

      Реферат: Аналоговый переключатель включает в себя первый и второй тонкопленочные полевые транзисторы, затвор которых соединен с клеммой управления. Токовые цепи первого и второго тонкопленочных полевых транзисторов соединены последовательно между входным выводом и емкостной нагрузкой. Емкостной элемент регулировки напряжения подключен к общему соединению между цепями тока первого и второго тонкопленочных полевых транзисторов.

      Тип: Грант

      Подано: 1 октября 1992 г.

      Дата патента: 14 мая 1996 г.

      Правопреемник: Корпорация NEC

      Изобретатель: Фудзио Окумура

    • Схема выбора сигнала и схема формирования сигнала

      Номер патента: 5497118

      Аннотация: Изобретение предназначено для создания схемы селектора сигналов и схемы формирования сигналов, которые обладают превосходной линейностью между входными и выходными сигналами на высоких частотах и ​​развязкой между входными сигналами и развязкой. между выходными сигналами и которые не вызывают искажений. Когда выходной сигнал снимается с OUT 1 , цепь, соединенная с выводом затвора Q 11 , имеет высокий импеданс, и к затвору Q прикладывается напряжение отсечки, большее, чем напряжение отсечки. 12. Что касается каждого из Q 11 , Q 12 , затвор соединен с истоком через R 11 или R 12 . Как Q 11 , так и Q 12 имеют характеристики истощения. Сопротивления R 11 и R 12 ниже импедансов Q 15 и Q 16 , когда они управляют затворами, чтобы включить Q 11 и Q . .12. Следовательно, в этом случае напряжение между затвором и истоком Q 11 становится нулевым, и Q 11 проводит. Q 12 отрезается.

      Тип: Грант

      Подано: 19 июля 1993 г.

      Дата патента: 5 марта 1996 г.

      Правопреемник: Компания Hewlett-Packard

      Изобретатели: Тошиаки Уэно, Сигеру Накагава

    • Схема смесителя MESFET с импульсно-легированной структурой

      Номер патента: 5396132

      Аннотация: Схема смесителя на полевых транзисторах со стабильным входным импедансом использует два тандемно соединенных GaAs MESFET (1) и (2) импульсно-легированной структуры вместо обычного MESFET или HEMT, как активное устройство. Точка смещения затвора полевого транзистора (1) устанавливается вокруг точки отсечки взаимной проводимости, а точка смещения затвора полевого транзистора (2) устанавливается в области, обеспечивающей неизменность взаимной проводимости относительно к увеличению напряжения на затворе. Таким образом, достигается схема смесителя, имеющая хорошую характеристику изоляции для РЧ-сигнала и локального колебательного сигнала и по существу не проявляющая изменений во входном импедансе.

      Тип: Грант

      Подано: 2 марта 1993 г.

      Дата патента: 7 марта 1995 г.

      Правопреемник: Sumitomo Electric Industries, Ltd.

      Изобретатель: Нобуо Шига

    Базовые учебные пособия по электронике, переходной полевой транзистор — JFET


    В учебных пособиях по биполярному переходному транзистору мы видели, что выходной ток коллектора транзистора пропорционален входному току, протекающему на базовую клемму устройства, что делает биполярный транзистор управляемым «ТОКОМ» устройством (бета-модель). Полевой транзистор или просто FET , однако, использует напряжение, которое подается на их входную клемму, называемую затвором, для управления током, протекающим через них, в результате чего выходной ток пропорционален входному напряжению. Поскольку их работа основана на электрическом поле (отсюда и название эффекта поля), создаваемом входным напряжением затвора, это делает полевой транзистор устройством, управляемым «НАПРЯЖЕНИЕМ».

    Полевой транзистор представляет собой униполярный полупроводниковый прибор с тремя выводами, характеристики которого очень схожи с характеристиками биполярного транзистора , т. е. высокая эффективность, мгновенное срабатывание, надежность и дешевизна, и его можно использовать в большинстве электронных схем. приложения для замены их эквивалентных двоюродных братьев биполярных переходных транзисторов (BJT).

    Полевые транзисторы

    могут иметь гораздо меньшие размеры, чем эквивалентный биполярный транзистор, и, наряду с их низким энергопотреблением и рассеиваемой мощностью, делают их идеальными для использования в интегральных схемах, таких как КМОП-диапазон цифровых логических микросхем.

    Из предыдущих уроков мы помним, что существует два основных типа конструкции биполярных транзисторов, NPN и PNP, которые в основном описывают физическое расположение полупроводниковых материалов P-типа и N-типа, из которых они сделаны. Это также верно и для полевых транзисторов, поскольку существуют также две основные классификации полевых транзисторов, называемые N-канальными полевыми транзисторами и P-канальными полевыми транзисторами.

    Полевой транзистор представляет собой трехвыводное устройство, которое сконструировано без PN-переходов в пределах основного пути прохождения тока между выводами стока и истока, которые по функциям соответствуют коллектору и эмиттеру соответственно биполярного транзистора. Путь тока между этими двумя клеммами называется «каналом», который может быть изготовлен из полупроводникового материала P-типа или N-типа. Управление током, протекающим в этом канале, достигается путем изменения напряжения, подаваемого на затвор. Как следует из их названия, биполярные транзисторы являются «биполярными» устройствами, потому что они работают с обоими типами носителей заряда, дырками и электронами. Полевой транзистор, с другой стороны, является «униполярным» устройством, которое зависит только от проводимости электронов (N-канал) или дырок (P-канал).

    Полевой транзистор имеет одно важное преимущество перед своими стандартными биполярными транзисторными собратьями, заключающееся в том, что их входное сопротивление ( Rin ) очень велико (тысячи Ом), а BJT сравнительно низкое. Этот очень высокий входной импеданс делает их очень чувствительными к сигналам входного напряжения, но цена такой высокой чувствительности также означает, что они могут быть легко повреждены статическим электричеством. Существует два основных типа полевых транзисторов: Junction Field Effect Transistor или JFET и полевой транзистор с изолированным затвором или IGFET) , который более известен как стандартный MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor или MOSFET для краткости.

     

    Полевой транзистор соединения

    Ранее мы видели, что транзистор с биполярным переходом сконструирован с использованием двух PN-переходов на основном токопроводящем пути между эмиттерной и коллекторной клеммами. 9Полевой транзистор 0935 Junction (JUGFET или JFET) не имеет PN-переходов, но вместо этого имеет узкий кусок полупроводникового материала с высоким удельным сопротивлением, образующий «канал» из кремния N-типа или P-типа для прохождения основных носителей. с двумя омическими электрическими соединениями на каждом конце, обычно называемыми стоком и истоком соответственно.

    Существует две основные конфигурации полевого транзистора с переходом: N-канальный JFET и P-канальный JFET. Канал N-канального JFET легирован донорными примесями, что означает, что ток через канал является отрицательным (отсюда и термин N-канал) в форме электронов. Точно так же канал P-канального JFET легирован акцепторными примесями, что означает, что ток через канал положительный (отсюда и термин P-канал) в виде дырок. N-канальные JFET имеют большую проводимость канала (более низкое сопротивление), чем их эквивалентные P-канальные типы, поскольку электроны имеют более высокую подвижность через проводник по сравнению с дырками. Это делает N-канальные JFET более эффективным проводником по сравнению с их P-канальными аналогами.

    Ранее мы говорили, что на каждом конце канала есть два омических электрических соединения, называемых стоком и истоком. Но внутри этого канала есть третье электрическое соединение, которое называется терминалом ворот, и это также может быть материал P-типа или N-типа, образующий PN-соединение с основным каналом. Взаимосвязь между соединениями полевого транзистора и биполярного транзистора сравнивается ниже.

     

    Сравнение соединений между JFET и BJT

    Биполярный транзистор Полевой транзистор
    Излучатель — (E)     >>     Источник — (S)
    Основание — (B)     >>     Ворота — (G)
    Коллектор — (C)     >>     Слив — (D)

     

    Символы и базовая конструкция для обеих конфигураций JFET показаны ниже.

     

    Полупроводниковый «канал» полевого транзистора Junction Field Effect Transistor представляет собой резистивный путь, по которому напряжение V DS вызывает протекание тока I D . JFET может одинаково хорошо проводить ток в любом направлении. Таким образом, по длине канала формируется градиент напряжения, при этом это напряжение становится менее положительным по мере того, как мы переходим от терминала «Сток» к терминалу «Источник». Таким образом, PN-соединение имеет высокое обратное смещение на выводе «Сток» и меньшее обратное смещение на выводе «Источник». Это смещение вызывает «слой истощения» , который должен быть сформирован внутри канала и ширина которого увеличивается со смещением.

    Величина тока, протекающего через канал между клеммами Drain и Source, регулируется напряжением, подаваемым на клемму Gate, которая имеет обратное смещение. В N-канальном JFET это напряжение затвора отрицательное, а в P-канальном JFET напряжение затвора положительное. Основное различие между JFET и устройством BJT заключается в том, что, когда переход JFET смещен в обратном направлении, ток затвора практически равен нулю, тогда как базовый ток BJT всегда больше нуля.

     

    Устройство смещения для N-канального JFET и соответствующие символы схемы

    На приведенной выше схеме поперечного сечения показан полупроводниковый канал N-типа с областью P-типа, называемой затвором, диффундирующей в канал N-типа, образуя PN-переход с обратным смещением, и именно этот переход образует обедненную область вокруг области затвора, когда внешние напряжения не приложены. Поэтому JFET известны как устройства с режимом истощения. Эта обедненная область создает градиент потенциала различной толщины вокруг PN-перехода и ограничивает протекание тока через канал, уменьшая его эффективную ширину и, таким образом, увеличивая общее сопротивление самого канала. Наиболее истощенная часть области истощения находится между Вратами и Истоком, а наименее истощенная область — между Вратами и Источником. Тогда канал полевого транзистора работает при нулевом напряжении смещения (т. е. область обеднения имеет ширину, близкую к нулю).

    При отсутствии внешнего напряжения затвора ( V G = 0 ) и небольшом напряжении ( V DS ), приложенном между стоком и истоком, максимальный ток насыщения ( I DSS ) будет протекать через канал от стока. к Источнику, ограниченному только небольшой областью истощения вокруг соединений.

    Если теперь на вентиль подать небольшое отрицательное напряжение (-V GS ), размер области истощения начинает увеличиваться, уменьшая общую эффективную площадь канала и, таким образом, уменьшая ток, протекающий через него, своего рода «сжимая «эффект имеет место. Таким образом, приложение обратного напряжения смещения увеличивает ширину обедненной области, что, в свою очередь, снижает проводимость канала. Поскольку PN-переход смещен в обратном направлении, в соединение затвора будет протекать небольшой ток. Поскольку напряжение затвора (-V GS ) делается более отрицательным, ширина канала уменьшается до тех пор, пока ток между стоком и истоком не прекратится, а полевой транзистор считается «отсеченным» (аналогично области отсечки для БЯТ). Напряжение, при котором канал закрывается, называется «напряжением отсечки», (V P ).

     

    Отсечение канала JFET

    В этой области отсечки Напряжение затвора, В GS управляет током канала, а V DS практически не влияет. В результате полевой транзистор действует больше как резистор, управляемый напряжением, который имеет нулевое сопротивление, когда V GS = 0, и максимальное сопротивление «включено» ( R DS ), когда напряжение на затворе очень отрицательное. В нормальных условиях работы затвор JFET всегда смещен отрицательно относительно истока.

    Очень важно, чтобы напряжение на затворе никогда не было положительным, поскольку, если оно будет полностью, ток канала будет течь к затвору, а не к истоку, что приведет к повреждению полевого транзистора. Затем закрыть канал:

    Нет напряжения затвора ( V GS ) и V DS увеличены с нуля.

    Нет V DS и Управление воротами уменьшается отрицательно с нуля.

    V DS и V GS различаются.

    P-канальный полевой транзистор Junction работает так же, как описанный выше N-канальный, со следующими исключениями:

    1). Ток канала положительный из-за отверстий,

    2). Необходимо изменить полярность напряжения смещения.

    Выходные характеристики N-канального JFET с затвором, закороченным на исток, представлены как

    .

     

    Кривые V-I выходной характеристики типичного полевого транзистора с переходом

    Напряжение V GS , подаваемое на затвор, управляет током, протекающим между выводами стока и истока. V GS относится к напряжению, приложенному между затвором и истоком, а V DS относится к напряжению, приложенному между стоком и истоком. Поскольку полевой транзистор Junction Field Effect Transistor является устройством, управляемым напряжением, «ток не протекает через затвор!» то Исходный ток ( I S ), вытекающий из устройства, равен втекающему в него току стока и, следовательно, ( I D = I S ).

     

    Пример кривых характеристик, показанный выше, показывает четыре различных области работы JFET, и они даны как:

    Омическая область — Когда V GS = 0, обедненный слой канала очень мал, и JFET действует как резистор, управляемый напряжением.

    Область отсечки . Эта область также известна как область отсечки, в которой напряжение затвора, В GS , достаточно, чтобы JFET работал как разомкнутая цепь, поскольку сопротивление канала максимально.

    Насыщение или активная область — JFET становится хорошим проводником и управляется напряжением затвор-исток (V GS ), в то время как напряжение сток-исток (V DS ) практически не влияет.

    Область пробоя — Напряжение между стоком и истоком (V DS ) достаточно велико, чтобы вызвать пробой резистивного канала полевого транзистора и прохождение неконтролируемого максимального тока.

    Кривые характеристик полевого транзистора с P-канальным переходом такие же, как и выше, за исключением того, что ток стока I D уменьшается с увеличением положительного напряжения затвор-исток, В GS .

    Ток стока равен нулю, когда V GS = V P . Для нормальной работы V GS смещен где-то между V P и 0. Затем мы можем рассчитать ток стока I D для любой заданной точки смещения в насыщении или активной области следующим образом:

    Ток стока в активной области.

    Обратите внимание, что значение тока стока будет между нулем (отсечка) и I DSS (максимальный ток). Зная ток стока I D и напряжение сток-исток V DS , сопротивление канала ( I D ) определяется как:

    Сопротивление канала сток-исток.

    Где: g m — «усиление крутизны»

    , поскольку полевой транзистор JFET является устройством, управляемым напряжением, и представляет собой скорость изменения тока стока по отношению к изменению напряжения затвор-исток.

     

    Усилитель на полевых транзисторах

    Как и транзистор с биполярным переходом, полевые транзисторы JFET можно использовать для изготовления однокаскадных схем усилителей класса A с усилителем с общим истоком JFET, характеристики которого очень похожи на схему с общим эмиттером BJT. Основное преимущество JFET-усилителей по сравнению с BJT-усилителями заключается в их высоком входном сопротивлении, которое контролируется резистивной цепью смещения затвора, образованной резисторами R1 и R2, как показано на рисунке.

     

    Смещение усилителя JFET

    Эта схема усилителя с общим истоком (CS) смещена в режиме класса A цепью делителя напряжения, образованной резисторами R1 и R2. Напряжение на резисторе источника R S обычно устанавливается равным одной четверти V DD (V DD /4). Требуемое напряжение затвора может быть рассчитано с использованием этого R Значение S . Поскольку ток затвора равен нулю ( I G = 0 ), мы можем установить требуемое постоянное напряжение покоя, правильно подобрав резисторы R1 и R2.

    Контроль тока стока с помощью отрицательного потенциала затвора делает полевой транзистор Junction Field Effect Transistor полезным в качестве переключателя, и очень важно, чтобы напряжение затвора никогда не было положительным для N-канального JFET, поскольку ток канала будет течь к затвору.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.