Как работает транзистор
Рассмотрим мы устройство транзисторов на примере МОП-транзисторов, также именуемых «полевыми».
Принцип их действия прост и элегантен: в кристалле кремния создаются близлежащие зоны с разной проводимостью (если основной кристалл имеет электронную проводимость (n), то у зон создаётся «дырочная» проводимость (p), и наоборот). Одна область принимается за входную и называется истоком, другая служит выходом (сток).
Между ними наращивается изолирующая подложка из диоксида кремния (или другого подходящего диэлектрика) толщиной около 200 нм. На подложку наносится слой металла, который и будет управляющим электродом (затвором). Вот этот «бутерброд» со структурой «металл-оксид-полупроводник» и есть полевой транзистор.
И как всё это работает? Наша задача — контролировать протекание тока между истоком и стоком через затвор
Относительно последнего и будем рассматривать функционал транзистора.
Если затвор электрически нейтрален, то электроны не могут преодолеть перемычку между истоком и стоком, даже если приложить к ним достаточно высокое напряжение. Говоря иначе, транзистор будет закрыт, и ток через него не пойдёт. Как его открыть? Очень просто — подать на затвор «плюсовое» напряжение и зарядить электрод, который создаст сильное электрическое поле. Оно притянет электроны к затвору, и под изолирующей подложкой появится зона высокой концентрации носителей заряда — канал, по которому они смогут пройти разделительную область обратной проводимости.
Такой режим работы полевого транзистора называется обогащением. А что же происходит при обеднении? Очевидно, что отрицательный потенциал будет расталкивать электроны в разные стороны, и никакой ток через разделительную зону не пройдёт. Отсюда уже совсем недалеко до ячейки памяти, ведь полевой транзистор пропускает или не пропускает ток в зависимости от того, есть ли потенциал на затворе.
На практике затвор представляет собой изолированную пластину конденсатора. Такой тип полевых транзисторов получил название
FLOTOX (Floating Gate Tunnel-OXide — плавающий затвор с туннелированием в окисле). Настоящая мистика начинается, когда требуется изменить состояние затвора. Он электрически изолирован, то есть отделён слоем диэлектрика толщиной всего в десяток атомарных слоёв. Если подать повышенное в 2–3 раза напряжение на сток и затвор (на сток «минус», на затвор и исток «плюс»), возникнет канал проводимости. Температура (то есть кинетическая энергия) некоторых электронов превысит среднюю, и часть из них сможет преодолеть слой диэлектрика.
Снятие заряда затвора основано на методе квантово-механического туннелирования, впервые описанного физиками
КМБ: Полевой транзистор МОП (MOSFET) — Принцип работы и параметры
Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?
Как часто вы слышали название полевой транзистор МОП, MOSFET, MOS , полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором ? Это все слова синонимы и относятся к одному и тому же радиоэлементу: полевому МОП-транзистору.
Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как M etal O xide S emiconductor F ield E ffect T ransistors (MOSFET), что в дословном переводе М еталл О ксид П олупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор . Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором.
Откуда пошло название «МОП»
Если «разрезать» МОП-транзистор, то можно увидеть вот такую картину.
С точки зрения еды на вашем столе, МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа — толстый кусок хлеба, диэлектрик — тонкий слой колбасы, слой металла — тонкая пластинку сыра. В результате у нас получается вот такой бутерброд.
А как будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр — металлическая пластинка, колбаса — диэлектрик, хлеб — полупроводник. Следовательно, получаем М еталл- Д иэлектрик- П олупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП — М еталл- Д иэлектрик- П олупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором. А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO 2 ), можно сказать почти стекло, то и вместо названия «диэлектрик» взяли название «оксид, окисел», и получилось М еталл- О кисел- П олупроводник, сокращенно МОП .
Ну вот, теперь все встало на свои места).
Далее по тексту МОП-транзистор условимся называть просто полевой транзистор . Так будет проще.
Строение полевого транзистора
Давайте еще раз рассмотрим структуру полевого транзистора.
Имеем «кирпич» полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому, их концентрация намного больше, чем электронов. Но электроны также есть и в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике — это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. «Кирпич» P-полупроводника носит название Подложки . От подложки выходит вывод с таким же названием: подложка .
[quads id=1]
Другие слои — это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован , то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая.
От полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.
Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод. Называется этот вывод Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора , поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором .
Мы видим, что полевой транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор и Подложка), а реальный транзистор имеет только 3 вывода.
В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:
Работа P-канального полевого транзистора
Выше мы разобрали N-канальный транзистор с индуцированным каналом.
Также есть еще и P-канальный транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться дырки . В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора. Честно говоря, P-канальные полевые транзисторы используются реже, чем N-канальные.
Принцип работы показан на рисунке ниже.
Режимы работы полевого транзистора
Работа полевого транзистора в режиме отсечки
Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный полевой транзистор с индуцированным каналом. Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.
Как мы уже с вами разобрали, Затвор служит для управлением ширины канала между Стоком и Истоком. Для того, чтобы показать принцип работы, мы с вами соберем простейшую схему, которая будет управлять интенсивностью свечения лампы накаливания.
Так как в данный момент нет никакого напряжения на Затворе полевого транзистора, следовательно, он будет находится в закрытом состоянии. То есть электрический ток через лампу накаливания течь не будет.
По идее, для того, чтобы управлять свечением лампы, нам достаточно менять напряжение на Затворе относительно Истока. Так как наш полевой транзистор является N-канальным, следовательно, на Затвор мы будем подавать положительное напряжение. Окончательная схема примет вот такой вид.
Вопрос в другом. Какое напряжение надо подать на Затвор, чтобы в цепи Сток-Исток побежал минимальный электрический ток?
Мой блок питания Bat2 выглядит следующим образом.
С помощью этого блока питания мы будем регулировать напряжение. Так как он стрелочный, более правильным будет измерение напряжения с помощью мультиметра .
Собираем все как по схеме и подаем на Затвор напряжение номиналом в 1 Вольт.
Лампочка не горит.
На другом блоке питания (Bat1) есть встроенный амперметр, который показывает, что в цепи лампы накаливания электрический ток не течет, следовательно, транзистор не открылся. Ну ладно, будем добавлять напряжение.
И только уже при 3,5 Вольт амперметр на Bat1 показал, что в цепи лампы накаливания появился ток, хотя сама лампа при этом не горела.
Такого слабого тока ей просто недостаточно, чтобы накалить вольфрамовую нить. Режим, при котором в цепи Сток-Исток не протекает электрический ток, называется режимом отсечки .
Активный режим работы полевого транзистора
В нашем случае при напряжении около 3,5 Вольт наш транзистор начинает немного приоткрываться. Это значение у различных видов полевых транзисторов разное и колеблется в диапазоне от 0,5 и до 5 Вольт. В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage , в переводе с англ. яз. — пороговое напряжение Затвора .
Указывается как V GS(th) , а в некоторых даташитах как V GS(to) .
Как вы видите в таблице, на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions). В условиях прописано, что открытие транзистора считается при токе в 250 мкА и при условии, что напряжение на Стоке-Истоке будет такое же как и напряжение на Затворе-Стоке.
С этого момента мы можем плавно регулировать ширину канала нашего полевого транзистора, увеличивая напряжение на Затворе. Если чуть-чуть добавить напряжение, то мы можем увидеть, что нить лампы накаливания начинает накаляться. Меняя напряжение туда-сюда, мы можем добиваться нужного нам свечения лампочки накаливания. Такой режим работы полевого транзистора называется активным режимом .
В этом режиме полевой транзистор может менять сопротивление индуцируемого канала в зависимости от напряжения на Затворе. Для того, чтобы понять, как усиливает полевой транзистор, вам надо прочитать статью про принцип работы биполярного транзистора, где все это описано, иначе ничего не поймете.
Читать по этой ссылке .
Активный режим работы транзистора чреват тем, что в этом режиме транзистор может очень сильно греться. Поэтому, всегда следует позаботиться об охлаждающем радиаторе, который бы рассеивал тепло от транзистора в окружающее пространство. Почему же греется транзистор? В чем дело? Да все оказывается до боли просто. Сопротивление Сток-Исток зависит от того, какое напряжение будет на Затворе. То есть схематически это можно показать вот так.
Если напряжения на Затворе нет или оно меньше, чем напряжение открытия транзистора, то сопротивление в этом случае будет бесконечно большое. Лампочка — это нагрузка, которая обладает каким-либо сопротивлением. Не спорю, что сопротивление нити горящей лампочки будет совсем другое, чем холодной, но пока пусть будет так, что лампочка — это какое-то постоянное сопротивление. Перерисуем нашу схему вот так.
Получился типичный делитель напряжения . Как я уже говорил, если нет напряжения на Затворе, то сопротивление Сток-Истока будет бесконечно большим.
Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке помноженной на силу тока через Сток-Истока: P=I c U си . Если выразить эту формулу через сопротивление, то получаем
P= I 2 C R
где R – это сопротивление канала Сток-Исток, Ом
I C – сила тока , проходящая через канал (ток Стока) , А
А что такое мощность , рассеиваемая на каком-либо радиоэлементе? Это и есть тепло.
Теперь представьте, что мы приоткрыли транзистор наполовину. Пусть в нашей цепи ток через лампу будет 1 Ампер, а сопротивление перехода Сток-Исток будет равно 10 Ом. Согласно формуле P= I 2 C R получим, что рассеиваемая мощность на транзисторе в этот момент будет 10 Ватт! Да это маленький, черт его возьми, нагреватель!
Режим насыщения полевого транзистора
Для того, чтобы полностью открыть полевой транзистор, нам достаточно подавать напряжение до тех пор, пока лампа не будет гореть во весь накал.
В моем случае это напряжение более чем 4,2 Вольта.
В режиме насыщение сопротивление канала Сток-Исток минимально и почти не оказывает сопротивление электрическому току. Лампа ест свои честные 20,4 Ватта (12х1,7=20,4).
Немного про электрическое сопротивление .
На самой лампе мы видим ее мощность 21 Ватт. Спишем небольшую погрешность на наши приборы.
Самое интересное то, что транзистор в этом случае остается холодным и ни капли не греется, хотя через него проходит 1,7 Ампер! Для того, чтобы понять этот феномен, нам опять надо рассмотреть формулу P= I 2 C R . Если сопротивление Стока-Истока составляет какие-то сотые доли Ома в режиме насыщения, то с чего будет греться транзистор?
Поэтому, самые щадящие режимы для полевого МОП-транзистора – это когда канал полностью открыт или когда канал полностью закрыт . При закрытом транзисторе сопротивление канала будет бесконечно большое, а ток через это сопротивление будет бесконечно мал, так как в этой цепи будет работать закон Ома.
Подставляя эти значение в формулу P= I 2 C R , мы увидим, что мощность рассеивания на таком транзисторе будет равна практически нулю. В режиме насыщения у нас сопротивление будет достигать сотые доли Ома, а сила тока будет зависеть от нагрузку в цепи. Следовательно, в этом режиме транзистор также будет рассеивать какие-то сотые доли Ватта.
Ключевой режим работы полевого транзистора
В этом режиме полевой транзистор работает только в режиме отсечки и насыщения .
Давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1.
Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы . В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть-то? На Затворе то у нас полный ноль, поэтому, канал закрыт.
Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь.
Даже не надо ни о чем заморачиваться! Просто подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Для нашего транзистора это +-20 Вольт. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет ну очень маленькая (микроамперы).
Как вы видите, лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал такой же, как и на Истоке, то есть ноль, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, «захватив» по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой рабочий стол .
Но наблюдается также и интересный феномен, в отличие от ключа на биполярном транзисторе . Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!
Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого полевого транзистора.
Вот эта часть вам ничего не напоминает?
Так это же конденсатор ! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться-то ему некуда, поэтому он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал с Затвора и «заткнуть» канал, нам опять же надо уравнять его с нулем. Сделать это достаточно просто, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет.
Как вы видели в опыте выше, если мы отключаем напряжение на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал так и останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах — Затвор должен всегда чем-то управляться и с чем-то соединяться. Ему нельзя висеть в воздухе.
А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе :
При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается
Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель), лампочка сразу тухнет:
Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал.
А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если я снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение ;-). Не забываем золотое правило делителя напряжения . Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше). Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.
Характеристики полевого МОП транзистора
Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.
Напряжение V GS — это напряжение между Затвором и Истоком.
Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт. Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.
Максимальная сила тока I D , которая может течь через канал Сток-Исток.
Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!
Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.
R DS(on) — сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока . В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока = 25 Ампер).
Максимальная рассеиваемая мощность P D — это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло.
В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия — это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.
Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите на последних страницах.
Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:
Также есть интересная зависимость сопротивления канала полностью открытого транзистора от температуры кристалла:
Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.
Как проверить полевой транзистор
Для того, чтобы проверить полевой транзистор, мы должны определить, где какие у него выводы. У нас подопытным кроликом будет тот же самый транзистор: IRFZ44N.
Для этого вбиваем в любой поисковик название нашего транзистора и рядом прописываем слово «даташит». Чаще всего на первой странице даташита мы можем увидеть цоколевку транзистора.
Хотя, интернет переполнен уже готовыми распиновками и иногда все-таки бывает проще набрать»распиновка (цоколевка) *название транзистора* «. Итак, я вбил ” IRFZ44N цоколевка” в Яндекс и нажал на вкладку “картинки”. Яндекс мне выдал уйму картинок с распиновкой этого транзистора:
Ну а дальше дело за малым.
Устройство и принцип работы в видео:
Проверка полевого транзистора с помощью мультиметра
Теперь, зная цоколевку и принцип работы транзистора, мы можем проверить его на работоспособность. Первым делом мы без проблем можем проверить эквивалентный диод VD2 между Стоком и Истоком.
В схемотехническом обозначении его тоже часто указывают.
Как проверить диод мультиметром, я писал еще в этой статье .
Но не спешите брать мультиметр в руки и прозванивать диод! Ведь первым делом надо снять с себя статическое напряжение. Это можно сделать, если задеть метализированный слой водонагревательных труб, либо коснуться заземляющего провода. При работе с радиоэлементами, чувствительными к статическому напряжению, желательно использовать антистатический браслет , один конец которого закрепляется к заземляющему проводнику, например, к батарее отопления, а другой конец в виде ремешка надевается на запястье.
Далее замыкаем все выводы транзистора каким-нибудь металлическим предметом. В моем случае это металлический пинцет. Для чего мы это делаем? А вдруг кто-то зарядил Затвор до нас или он уже где-то успел «хапнуть» потенциал на Затворе? Поэтому, чтобы все было честно, мы уравняем потенциал на Затворе до нуля с помощью этой нехитрой манипуляции.
Ну а теперь со спокойной совестью можно проверить диод, который образуется в полевом транзисторе между Стоком и Истоком. Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, его схемотехническое обозначение будет выглядеть вот так:
Беремся положительным (красным) щупом мультиметра за Исток, так-как там находится анод диода, а отрицательным (черным) — за Сток
(там у нас катод диода). На мультиметре должно высветиться падение напряжения на диоде 0,5-0,7 Вольт. В моем случае, как видите, 0,56 Вольт.
Далее меняем щупы местами. Мультиметр покажет единичку, что нам говорит о том, что диод в полевом транзисторе жив и здоров.
Проверяем сопротивление канала. Мы с вами уже знаем, что в N-канальном транзисторе ток у нас будет бежать от Стока к Истоку, следовательно, встаем красным положительным щупом на Сток, а отрицательным – на Исток, и меряем сопротивление . Оно должно быть ну о-о-о-очень большое.
В моем случае даже на Мегаомах показывает единичку, что говорит о том, что сопротивление даже больше, чем 200 Мегаом. Это очень хорошо.
Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, чтобы его приоткрыть, нам достаточно будет подать напряжение на Затвор, относительно Истока. Чаще всего в режиме прозвонки диодов на щупах мультиметра бывает напряжение в 3-4 Вольта. Все зависит от марки мультиметра. Этого напряжения будет вполне достаточно, чтобы подать его на Затвор и приоткрыть транзистор.
Так и сделаем. Ставим черный щуп на Исток, а красный на Затвор на доли секунды. На показания мультиметра не обращаем внимания, так как мы сейчас используем его в качестве источника питания, чтобы подать потенциал на Затвор. Этим простым действием мы приоткрыли наш транзистор.
Раз мы приоткрыли транзистор, значит, сопротивление Сток-Исток должно уменьшится. Проверяем, так ли это? Ставим мультиметр в режим измерения сопротивления и смотрим, уменьшилось ли сопротивление между Стоком-Истоком? Как видите, мультиметр показал значение в 2,45 КОм.
Это говорит о том, что наш полевой транзистор полностью работоспособен.
Конечно, бывает и такое, что малого напряжения на мультиметре не хватает, чтобы приоткрыть транзистор. Здесь можно прибегнуть к источникам питания, которые выдают более-менее нормальное напряжение, например, блок питания или батарейка Крона в 9 Вольт. Так как рядом не оказалось Кроны, то мы просто выставим напряжение в 10 Вольт. Напряжение на Затвор именно этого транзистора не должно превышать 20 Вольт, иначе произойдет пробой диэлектрика, и транзистор выйдет из строя.
Итак, выставляем 10 Вольт.
Подаем это напряжение на Затвор транзистора на доли секунды.
Теперь по идее сопротивление между Стоком и Истоком должно равняться нулю. Для чистоты эксперимента замеряем сопротивление щупов самого мультиметра. Эх, дешевые китайские щупы. 2,1 Ом).
А теперь и замеряем сопротивление самого перехода. Практически 0 Ом!
Хотя, если верить даташиту, должно быть 17,5 миллиОм.
Теперь можно утверждать со 146% вероятностью, что наш транзистор полностью жив и здоров.
Как проверить полевой транзистор с помощью транзисторметра
На рабочем столе каждого электронщика должен быть этот замечательный китайский прибор, благо он стоит недорого. Про него я писал обзор здесь .
Здесь все просто, как дважды два. Вставляем транзистор в кроватку и нажимаем большую зеленую кнопку. В результате прибор сразу же определил, что это полевой МОП транзистор с каналом N-типа, определил расположение выводов транзистора, а также емкость затвора и пороговое напряжение открытия, о котором мы говорили выше в статье. Ну не прибор, а чудо!
Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами
Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим PN-переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах.
Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим PN переходом — 250 Вольт. Поэтому, самое важное правило при работе с такими транзисторами — это заземлить себя через антистатический браслет , или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов.
Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде бы спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.
Купить его можно на алиэкспрессе. Заходите.
Похожие статьи по теме «полевой транзистор»
Транзистор биполярный
Полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET-транзистор)
Транзисторметр Mega328
Читаем электрические схемы с транзистором
Мультивибратор на транзисторах
Сторожевое устройство на одном транзисторе
Как работают полевые транзисторы Junction Field Effect
Опубликовано
В этом FAQ мы узнаем о простейшем типе полевых транзисторов (FET) — Junction Field Effect Transistor (JFET). JFET, как и другие FET, являются полупроводниковыми устройствами. Они используются в усилителях, встроенных системах и цепях связи в качестве переключателей и усилителей.
Прежде чем мы начнем изучать JFET, может быть полезно рассмотреть основы полупроводников. По этой ссылке вы можете найти несколько подробных руководств, посвященных физике полупроводников, начиная с самых основных принципов.
Основы полевых транзисторов
Во всех полевых транзисторах путь потока носителей заряда в устройстве известен как канал. Если канал состоит из полупроводникового материала n-типа, он называется n-канальным полевым транзистором. Точно так же материал канала p-канального полевого транзистора представляет собой полупроводник p-типа. Посмотрите на изображение 1 ниже:
На изображении показан обобщенный символ FET.
Течение тока в полевых транзисторах происходит между двумя клеммами устройства — истоком и стоком. Поток тока контролируется приложением напряжения к третьему выводу — затвору. Это напряжение создает электрическое поле в устройстве, которое влияет на протекание тока и контролирует его — отсюда и название «полевые транзисторы». В зависимости от типа напряжения, которое мы подаем на затвор, которое может использоваться либо для включения, либо для выключения устройства, у нас есть разные типы полевых транзисторов.
Изготовление JFET и его структуры
Для изготовления JFET сначала производитель берет полупроводниковую пластину n-типа. Это сформирует базовую полупроводниковую пластину или подложку, как это более широко известно в полупроводниковой технологии.
Определенные области по обе стороны этой подложки n-типа теперь преобразуются в p-тип путем добавления примесей p-типа в определенную область подложки, как показано на Рисунке 2.
Прежде чем понять, почему это делается в JFET, полезно сначала рассмотреть, что происходит, когда полупроводники p-типа и n-типа встречаются рядом друг с другом. Краткое обсуждение того же дается в следующем разделе, но настоятельно рекомендуется, чтобы вы могли обратиться к связанным учебникам, чтобы лучше понять предмет.
Полупроводники n- и p-типа имеют подвижные носители заряда – электроны и дырки соответственно. Ссылаясь на изображение 3 ниже, вы можете видеть, что когда полупроводник р-типа встречается с полупроводником n-типа, электроны с n-стороны перемещаются на p-сторону и объединяются там с дырками. При этом они оставляют положительно фиксированные ионы на n-стороне. Отрицательные фиксированные ионы аналогичным образом образуются на p-стороне, когда дырка и электрон объединяются. Эта соседняя область неподвижных положительных и отрицательных ионов известна как область истощения — область, обедненная мобильными носителями заряда.
Ширина области обеднения может быть увеличена за счет обратного смещения p-n-перехода.
По мере того, как в n-подложке JFET образуются p-колодцы, вдоль границы, где p-колодец встречается с n-подложкой, формируется p-n-переход обеднения. Как вы можете видеть на изображении 4 ниже, n-канал окружен двумя обедненными областями с обеих сторон. Это внутренняя конструкция JFET. Металлические контакты предусмотрены на стоке и истоке, а также на обеих сторонах подложки, где находятся два p-колодца. Контакты р-колодцев соединены между собой в третью клемму – затвор. Теперь n-канальный JFET готов к использованию. Для работы устройства необходимо положительное напряжение В DD применяется между стоком и истоком. Электроны начнут течь от истока к стоку. Условный ток здесь от стока к истоку.
Отключение канала в JFET
Помимо протекания тока внутри JFET происходит еще одна важная вещь.
Посмотрите на изображение 5 ниже и увидите, что n-канал подобен растянутому резистору. И когда ток проходит через канал, на канале происходит падение напряжения. Вы можете увидеть изображение ниже, где, например, V DD был принят за 5В, а V GS за 0В. Положительное напряжение из-за V DD в n-канале и p-ямах при потенциале земли вызовет обратное смещение p-n-перехода.
Поскольку абсолютное напряжение в верхней части канала больше, чем в нижней части канала, ширина области обеднения неравномерна и принимает форму, показанную на рисунке 6. ниже.
Что произойдет, если продолжать увеличивать V DS ? Ток будет увеличиваться, а также будет увеличиваться ширина области обеднения (особенно вверху рядом со стоком) по мере того, как она будет все больше и больше смещаться в обратном направлении. Вскоре будет точка, в которой области истощения с обеих сторон канала расширятся внутрь и соприкоснутся друг с другом, пока между ними почти не останется канала.
Это называется отсечкой канала, а напряжение V DD (= V DS ), при котором это происходит, называется напряжением отсечки.
При дальнейшем увеличении напряжения V DS обедненные области сближаются вверху, а при V P они очень близко друг к другу. Но если они соприкасаются друг с другом, для протекания тока стока не остается n-канала. И как только I D переходит в 0, в канале нет падения напряжения, которое, в первую очередь, вызывало обратное смещение канала и р-колодцев. Таким образом, имеется узкая полоска n-канала между двумя областями обеднения, где I D может течь. Тем не менее, обедненные области можно сделать намеренно соприкасающимися друг с другом, таким образом отправив I D в 0. Фактически это процесс выключения (форсирование I D → 0) JFET, который мы обсудим позже. .
ВАХ JFET
График зависимости I D от V DS (выходная характеристика JFET) показан на рисунке 7 ниже.
До V P напряжение отсечки, ток увеличивается линейно. Когда напряжение приближается к напряжению отсечки, ток увеличивается, а вместе с ним и сопротивление канала протеканию тока. Это очевидно, поскольку ширина канала, доступного для течения, уменьшается по мере того, как области истощения с каждой стороны все больше и больше расширяются в канал. После напряжения отсечки ток уже не может увеличиваться и достигает насыщения при I ДСС . Кривая здесь плоская, а сопротивление канала очень высокое.
Обратите внимание, что кривая на рисунке 7 построена для напряжения затвора В GS = 0 В. JFET — это «нормально включенное» устройство. Уменьшение V GS с 0 может привести к тому, что фактическое отключение каналов произойдет намного раньше (и отправка I D на 0), как показано на рисунке 8 ниже.
Это потому, что отрицательный V GS смещает p-n-переход в обратном направлении легче, чем при V GS = 0 В.
Поэтому, подав отрицательное напряжение на затвор, можно выключить устройство. Такие устройства, в которых необходимо подать напряжение на затвор, чтобы выключить уже включенное устройство, известны как устройства с режимом истощения, и JFET является одним из них. Напротив, МОП-транзистор представляет собой устройство с расширенным режимом, в котором напряжение на затворе используется для включения устройства.
Для JFET — область, в которой ток канала линейно зависит от напряжения В DD известен как линейная или омическая область. А область, где ток постоянен независимо от V DS , является областью насыщения. JFET, работающий в этой области насыщения, ведет себя как источник постоянного тока — это одно из распространенных применений JFET.
p-канальный JFET
До сих пор мы обсуждали n-канальный JFET. С другой стороны, p-канальный JFET показан на рисунке 9. Подложка p-типа, отсюда и название p-канальный JFET.
По обе стороны от подложки делают две лунки n.
Когда мы говорим о выводах истока и стока в JFET, они могут показаться взаимозаменяемыми, поскольку выглядят симметричными на изображениях, но между двумя выводами на полупроводниковом уровне есть незначительные различия, которые являются частью производственного процесса. В то время как исток всегда находится на земле, сток имеет положительный потенциал для n-канального JFET и отрицательный потенциал для p-канального JFET. В p-канальном полевом транзисторе на затвор подается положительное напряжение для выключения устройства.
Символы JFET и их обозначения приведены на изображении 10 ниже.
JFET — самый простой тип полевых транзисторов. Они обеспечивают высокое входное сопротивление порядка 10 12 Ом. Входной ток на затвор составляет порядка нескольких пикоампер. Однако полевые МОП-транзисторы намного превзошли применение и использование JFET.
В основном это связано с тем, что напряжения, подаваемые как на затвор, так и на сток МОП-транзистора, имеют одинаковую полярность — либо положительную, либо отрицательную. Тем не менее, они менее подвержены шуму, а отсутствие оксидного слоя делает их более «прочными» по сравнению с МОП-транзисторами, что обеспечивает их место в цепях специального назначения.
Полевой транзистор
Функция полевых транзисторов аналогична биполярным транзисторам (особенно тому типу, который мы обсудим здесь), но есть несколько отличий. Они имеют 3 терминала, как показано ниже. Двумя общими типами полевых транзисторов являются МОП-транзисторы с каналом N и каналом P. Здесь мы будем обсуждать только канал N. На самом деле, в этом разделе мы будем обсуждать только наиболее часто используемый режим расширения N-канальный полевой МОП-транзистор (металло-оксид-полупроводниковый полевой транзистор). Его условное обозначение приведено ниже. Стрелки показывают, как НОЖКИ реального транзистора соответствуют условному обозначению.
Current Control:
Терминал управления называется воротами. Помните, что через базовый вывод биполярного транзистора проходит небольшой ток. Затвор на полевом транзисторе практически не пропускает ток при управлении постоянным током. При управлении затвором высокочастотными импульсами постоянного или переменного тока может протекать небольшой ток. Напряжение «включения» транзистора (также известное как пороговое) варьируется от одного полевого транзистора к другому, но составляет примерно 3,3 вольта по отношению к источнику.
Когда полевые транзисторы используются в секции аудиовыхода усилителя, Vgs (напряжение от затвора к истоку) редко превышает 3,5 вольта. Когда полевые транзисторы используются в импульсных источниках питания, Vgs обычно намного выше (от 10 до 15 вольт). Когда напряжение затвора выше примерно 5 вольт, он становится более эффективным (что означает меньшее падение напряжения на полевом транзисторе и, следовательно, меньшее рассеивание мощности).
МОП-транзисторы широко используются, потому что ими легче управлять в сильноточных приложениях (например, в импульсных источниках питания, используемых в автомобильных аудиоусилителях). Если используется биполярный транзистор, часть тока коллектор/эмиттер должна протекать через базовый переход. В ситуациях с большим током, когда имеется значительный ток коллектора/эмиттера, ток базы может быть значительным. Полевые транзисторы могут управляться очень небольшим током (по сравнению с биполярными транзисторами). Единственный ток, который течет из цепи привода, это ток, который течет из-за емкости. Как вы уже знаете, при подаче постоянного тока на конденсатор сначала возникает скачок, а затем ток прекращается. Когда затвор полевого транзистора управляется высокочастотным сигналом, схема возбуждения по существу видит только конденсатор небольшой емкости. Для низких и средних частот схема возбуждения должна обеспечивать небольшой ток. На очень высоких частотах или при работе нескольких полевых транзисторов схема управления должна обеспечивать больший ток.
Примечание:
Затвор полевого МОП-транзистора имеет некоторую емкость, что означает, что он будет удерживать заряд (сохранять напряжение). Если напряжение затвора не разряжено, полевой транзистор будет продолжать проводить ток. Это не означает, что вы можете зарядить его и ожидать, что полевой транзистор будет продолжать работать бесконечно, но он будет продолжать работать до тех пор, пока напряжение на затворе не станет ниже порогового напряжения. Вы можете убедиться, что он выключается, если подключите подтягивающий резистор между затвором и истоком.
Сильноточные клеммы:
«Управляемые» терминалы называются истоком и стоком. Это выводы, отвечающие за проведение тока через транзистор.
Корпуса транзисторов:
МОП-транзисторы используют те же «корпуса», что и биполярные транзисторы. Наиболее распространенным в автомобильных стереоусилителях в настоящее время является корпус ТО-220 (показан выше).
Транзистор в цепи:
На этой диаграмме показаны напряжения на резисторе и полевом транзисторе с тремя разными напряжениями затвора.
| Напряжение на затвор | Напряжение на резисторе | Напряжение на транзисторе |
| 2,5 вольта | нет напряжения | примерно 12 вольт |
| 3,5 вольта | менее 12 вольт | менее 12 вольт |
| 4,5 В | примерно 12 вольт | практически нет напряжения |
—— Критически важный ——
Adobe считает, что Flash-контент на веб-страницах слишком опасен для обычного пользователя Интернета.
Практически для всех современных браузеров поддержка Flash была прекращена 1 января 2021 года. Это означает, что эти браузеры не будут отображать какие-либо интерактивные Flash-демонстрации/калькуляторы/графику на этом (или любом другом) сайте.
Самое простое (не самое лучшее) решение на данный момент — загрузить расширение Ruffle для вашего браузера. Он отобразит файлы Flash там, где они были ранее заблокированы. В некоторых браузерах вам придется нажать на большую кнопку «воспроизведение», чтобы сделать апплеты/графику Flash видимыми.
Альтернативой Ruffle для просмотра Flash-контента является использование альтернативного браузера, такого как старая портативная версия Chrome (Chromium), старая версия Safari для Windows или один из нескольких других браузеров. Дополнительную информацию о браузерах с поддержкой Flash можно найти ЗДЕСЬ. Это не так просто, как Ruffle, но любой, даже немного знакомый с панелью управления Windows и установкой программного обеспечения, может использовать Flash так, как это было задумано.
В следующей демонстрации вы можете увидеть, что полевой транзистор подключен к лампе. Когда напряжение ниже примерно 3 вольт, лампа полностью гаснет. Через лампу или полевой транзистор ток не течет. Когда вы нажимаете кнопку, вы можете видеть, что конденсатор начинает заряжаться (обозначается восходящей желтой линией и точкой, где кривая зарядки конденсатора пересекается с белой линией, идущей слева направо). Когда полевой транзистор начинает включаться, напряжение на стоке начинает падать (обозначается падающей зеленой линией и точкой пересечения зеленой кривой с белой линией).По мере приближения напряжения на затворе к пороговому напряжению (~3,5 В) напряжение на лампе начинает падать. увеличивается.Чем больше оно увеличивается, тем ярче становится лампа.После того, как напряжение на затворе достигает примерно 4 вольт, вы можете видеть, что лампочка полностью горит (на ее клеммах полные 12 вольт).Напряжения практически нет через полевой транзистор. Вы должны заметить, что полевой транзистор полностью выключен ниже 3 В и полностью включен после 4 В.
Любое напряжение затвора ниже 3 В практически не влияет на полевой транзистор. Выше 4 В эффект небольшой.
Напряжение затвора:
Как вы уже знаете, полевой транзистор управляется напряжением затвора. Для этого типа MOSFET максимальное безопасное напряжение затвора составляет ± 20 вольт. Если на затвор подается более 20 вольт (относительно истока), это разрушит транзистор. Транзистор будет поврежден, потому что напряжение пройдет через изолятор, отделяющий затвор от части сток/исток полевого транзистора.
Текущий:
Как и в случае с биполярными транзисторами, каждый полевой транзистор рассчитан на безопасное пропускание определенного количества тока. Если температура полевого транзистора выше 25°С (приблизительно 77° по Фаренгейту), «безопасная» токопроводящая способность транзистора будет снижена. Безопасная рабочая зона (S.O.A) продолжает уменьшаться по мере повышения температуры.
