Таблица сравнения полевых транзисторов

Не смотря на планы купить отдельную повышающую плату для питания стола, решил все же заменить транзистор нагрева стола на Ramps. Вообще, поводом к этому стала переломленная нога предохранителя. Раз уж все равно разбирать бутерброд и паять, то почему бы не перепаять еще и транзистор? Но о самой работе и результатах расскажу позже.

Прежде чем что-то менять, надо сначала это что-то выбрать. Про замену транзистора написано много постов и не только тут, но вот беда — никто так и не соизволил (а если и сделал, то я этого не нашел) расписать более подробную инфу про транзисторы и их ключевые характеристики. Все сводится к ‘вот этот точно работает, ставь его’ и к мерилкам ‘экспертностью’ в комментах без раскрытия темы.

В этом посте хочу поделиться со всеми, кто в теме не шарит, но интересуется, нарытой мной информацией и материалами. Что-то найдено тут, что-то на других ресурсах, а что-то узнал от специалистов в местных магазинах радиотоваров.

Начнем с характеристик полевых транзисторов. Их так много, что с ходу в тему не влететь, черт ногу сломит, некоторые из них еще и меняются в температурных диапазонах, а что-то приведено в даташитах в виде графиков. Для нас же, важны следующие:

Максимальный ток Стока, ld (А) — это максимальный продолжительный ток, с которым может работать транзистор. Чем больше, тем лучше.

Напряжение Сток-Исток, Vdss (В) — максимальное напряжение, которое может проходить через транзистор. Этот момент зависит от того, каким напряжением питаете стол через Ramps. Если 24В, то транзистор на 25, чтобы с запасом. Этого хватит, сильно много не надо.

Пороговое напряжение открытия транзистора, Vgs(th) min/max (В) — напряжение, при котором транзистор начинает работать и пропускать ток. Чем меньше значение, тем лучше. В данной характеристике важным моментом является обозначение ‘(th)’, ибо есть похожая характеристика.

Максимальное напряжение Затвор-Исток, Vgs (В) — напряжение полного раскрытия транзистора.

Сопротивление Сток-Исток Rds(Ом) — сопротивление при открытом канале. Чем оно меньше, тем лучше.

Теперь посмотрим как это все связано друг с другом и как работает. Ардуино подает на дроссель Vgs(th) и тем самым открывает ‘дверь’ транзистора. От степени открытия этой двери зависит текущий ток ld, который она может пропустить. Максимальный ток ld будет достигнут, когда значение напряжения на дросселе достигнет

Vgs. Иллюстрируется это следующим графиком:

Тут можно видеть, что, чем выше напряжение Vgs, тем больше ток ld. Но реальность такова, что без дополнительных доработок у нас Vgs будет на уровне максимум 5В и ток будет соответствующий. Поэтому, чем больше максимальный ток транзистора, тем больше его мы можем получить себе в перспективе с наших 5В. Чем меньше Vgs(th), тем раньше мы начнем ток получать. А чем меньше Vgs, тем ближе мы будем к максимальному току транзистора с нашим напряжением в 5В. Сопротивление Rds так же должно быть минимальным, чем оно меньше, тем меньше наши потери тока на пути к столу и меньше нагрев транзистора.

Кроме сопротивления Rds есть еще одна связь с температурой транзистора. Греется он в работе. Чем больше открыт дроссель, чем больший ток он пропускает и чем дольше работает, тем сильнее разогревается сам. Соответственно, больший ток ld при меньшем напряжении на затворе Vgs позволяет, меньше, реже и на меньшее время открываться транзистору, быстрее нагревая стол и меньше нагреваясь самому. Утепление самого стола позволяет транзистору меньше напрягаться с его подогревом.

Мной были просмотрены местные темы про замену транзистора на рампсе и темы на других сайтах, в результате свел все в одну гуглотаблицу с расписанием указанных выше характеристик.

Электронный вариант таблицы с возможностью оставлять комментарии тут:

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1vytRAPAFucIo5Fq3LOEikMxhKLOYDs3fuzYW6Lwr1MY/edit?usp=sharing

Если будут еще варианты, пишите мне, дополню таблицу, так же пишите, на какие еще характеристики стоит обратить внимание при подборе транзистора для наших целей.

Подобрать транзистор по некоторым параметрам можно тут:

http://paratran.com/1ExtendedSearchFET.php

Тут можно почитать про их характеристики:

http://electricalschool.info/electronica/1696-parametry-polevykh-tranzistorov-chto.html

А тут найти даташит по названию:

http://www.radioradar.net/datasheet_search//index.html

Полевые транзисторы

 

3.10. Полевые транзисторы

 

Полевые транзисторы, называемые также униполярными или канальными, в отличие от биполярных имеют большое входное сопротивление. Полевые транзисторы подразделяются на полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Полевые транзисторы с изолированным затвором в свою очередь подразделяются на транзисторы со встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом. Канал в полевых транзисторах может быть  n или p типа. Канал — это область полевого транзистора, через которую протекают основные носители заряда. Величина тока в канале управляется электрическим полем.  Транзисторы, как правило, имеют три вывода. Вывод, от которого в канал приходят основные носители заряда, называется истоком.  Вывод, к которому носители заряда приходят из канала, называется стоком. Вывод, на который подается управляющее напряжение относительно истока или стока, называется затвором. Название транзисторы получили вследствие особенностей работы. Полевыми транзисторы называют потому, что управление током в выходной цепи транзистора осуществляется электрическим полем во входной цепи. Канальными транзисторы называют потому, что ток в выходной цепи транзистора протекает через его канал. Униполярными транзисторы называют потому, что в работе транзистора принимают носители одной полярности. Условные обозначения полевых транзисторов приведены в начале этой главы. В условных обозначениях полевых транзисторов на принципиальных схемах стрелка направлена к каналу n-типа, или от канала p-типа. Индуцированный (наведенный электрическим полем) канал, обозначается пунктиром.

Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n-типа (рис. 3.40а). Знаком плюс показана повышенная концентрация носителей заряда. Области истока и стока делаются с повышенной проводимостью для того, чтобы уменьшить бесполезное падение напряжения на них. Повышенной проводимостью обладает и область затвора с целью увеличения запирающего слоя в сторону канала при увеличении управляющего напряжения. В таких транзисторах управляющее напряжение прикладывается к p-n переходу затвор-исток в обратном направлении.

Если увеличивать напряжение между затвором и истоком в указанной полярности, то запирающий слой p-n перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Сопротивление канала постоянному току увеличивается и ток стока становится меньше. Зависимость тока  стока  от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток называется стокозатворной характеристикой  полевого транзистора. Стоковая характеристика

полевого транзистора для схемы включения транзистора с общим истоком – это зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток.

Проставим полярность подключения источников напряжения во входной и выходной цепях полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n типа для схемы включения транзистора с общим истоком (рис. 3.41). Мы знаем определения выводов транзистора и то, что p-n переход затвор-исток смещается в обратном направлении. Следовательно, основные носители заряда электроны должны двигаться в соответствии с определением выводов транзистора от истока к стоку, т.е. снизу вверх. Чтобы электроны двигались в таком направлении необходимо в выходной цепи транзистора плюс источника питания подключить к стоку, минус к истоку. Для смещения p-n перехода затвор-исток в обратном направлении необходимо к затвору подключить минус источника, а к истоку плюс. Стокозатворная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n-типа для схемы включения транзистора с общим истоком приведена на рисунке 

3.42а, а стоковые характеристики на рисунке 3.42б.

На рисунке 3.40 б схематично показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа. На затвор относительно истока такого транзистора можно подавать управляющее напряжение обеих полярностей. Семейство стоковых характеристик данного транзистора приведено на рисунке

3.43 б, а на рисунке 3.43 а – одна из его стокозатворных характеристик. При подаче на затвор относительно  истока положительного напряжения в канал будут приходить электроны из областей стока, истока и кристалла p-типа и ток в цепи сток-исток будет увеличиваться. Такой режим работы называют режимом обогащения носителей заряда  в канале. При подаче на затвор относительно истока отрицательного напряжения канал транзистора обедняется основными носителями заряда и ток стока уменьшается. Этот режим работы транзистора называется режимом обеднения.

Транзисторы характеризуют рядом параметров.

Начальный ток стока — это ток стока при напряжении между затвором и истоком равном нулю и напряжении сток исток равном или превышающем напряжение насыщения. Напряжением насыщения называют напряжение сток-исток, начиная с которого ток стока практически не увеличивается при увеличении напряжения сток-исток при заданном напряжении затвор-исток. Ток утечки затвора — это ток затвора между затвором и остальными выводами транзистора, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор-исток при разомкнутом выводе стока — это ток в цепи затвор-исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутом выводе стока. Напряжение отсечки полевого транзистора — это напряжение затвор-исток для транзисторов с управляющим p-n переходом и транзисторов с изолированным затвором со встроенным каналом, при котором ток стока достигает заданного значения, обычно 10 мкА.

Пороговое напряжение полевого транзистора — это напряжение затвор-исток для транзисторов с изолированным затвором с индуцированным каналом (рис. 3.40в), при котором ток стока достигает заданного значения (рис. 3.44), обычно 10мкА. При отсутствии напряжения между затвором и истоком ток в цепи сток-исток не протекает, т.к. один из p-n переходов оказывается включенным в обратном направлении. При определенном напряжении затвор-исток в области, прилежащей к затвору, наступает инверсия проводимости и в цепи сток-исток появляется ток.

К предельным параметрам полевых транзисторов относятся: максимальный ток стока; максимально допустимые напряжения между выводами сток-исток, затвор-исток, затвор-сток; максимально допустимая мощность рассеяния; максимальная и минимальная температура окружающей среды.

 

 

Как выбрать драйвер для MOSFET (пример расчета по параметрам)

Как выбрать драйвер для MOSFET (пример расчета по параметрам)

MOSFET – полевой транзистор с изолированным затвором (МДП – транзистор), затвор которого отделён от канала тонким слоем диэлектрика (обычно двуокись кремния SiO2).

Управление затвором полевого транзистора — важный аспект в разработке любого современного электронного устройства. Например, когда в импульсном преобразователе используется только нижний силовой ключ, и решение принято в пользу использования индивидуального драйвера в виде специализированной микросхемы, необходимо решить задачу подбора подходящего драйвера, чтобы он смог удовлетворить следующим условиям.

Во-первых, драйвер должен будет обеспечить надежное открывание и закрывание выбранного ключа. Во-вторых, необходимо соблюсти требования относительно адекватной длительности переднего и заднего фронтов при коммутации. В-третьих, драйвер сам не должен перегружаться работая в схеме.

На данном этапе целесообразно начать с анализа данных из документации на полевой транзистор, и уже исходя из них определить, какими должны быть характеристики драйвера. После этого останется выбрать конкретную микросхему драйвера из предлагаемых на рынке.

Амплитуда управляющего напряжения — 12 вольт

В datasheet на полевой транзистор есть параметр Vgs(th) — это минимальное напряжение между затвором и истоком, при котором транзистор уже начнет потихонечку открываться. Обычно его величина находится в пределах 4 вольт.

Далее, когда напряжение на затворе поднимется примерно до 6 вольт, себя обязательно проявит такое явление как «плато Миллера», заключающееся в том, что в процессе открывания транзистора, из-за индуцированного воздействия падающего напряжения на стоке, емкость затвор-исток временно как бы увеличится, и хотя затвор продолжит получать заряд от драйвера, напряжение на нем относительно истока в течение какого-то времени дальше не повысится.

Однако после преодоления плато Миллера напряжение на затворе продолжит линейно нарастать, и ток стока линейно достигнет своего максимума как раз к тому моменту, когда напряжение на затворе составит примерно 7-8 вольт.

Поскольку процесс заряда любой емкости протекает по экспоненте, то есть в конце он всегда замедляется, то для более скорого заряда затвора, чтобы не затягивать процесс открывания транзистора, выходное напряжение драйвера Uупр принимают равным 12 вольт. Тогда 7-8 вольт — это будет как раз 63% от амплитуды, до которых напряжение будет расти почти линейно в течение времени равного 3*R*Ciss, где Ciss – текущая емкость затвора, а R – сопротивление на участке затвор-исток.

Полный заряд затвора Qg

Когда напряжение драйвера выбрано, в расчет принимают полный заряд затвора Qg. Это место компромисса между пиковым током драйвера Iмакс и временем открывания транзистора Tвкл. Сначала узнают полный заряд затвора Qg, который драйвер должен будет передавать затвору в начале каждого рабочего цикла ключа, а в завершении каждого цикла — снимать с затвора.

Полный заряд затвора найдем по графику из datasheet, где в зависимости от напряжения, которое изначально предполагается на стоке, Qg при 12 вольтах Uупр будет разным.

За какое время должен полностью заряжаться затвор — это на самом деле зависит или от того, какой длительности необходимо получить фронт открытия силового транзистора, или от того, какой имеется в распоряжении драйвер. Выбираемый драйвер должен будет иметь подходящие параметры Rise Time и Fall Time.

Но поскольку мы решили, что будем выбирать драйвер исходя в первую очередь из потребностей разрабатываемой схемы, то начинать расчет будем именно со времени, за которое транзистор должен будет полностью открыться (или закрыться). Разделим заряд затвора Qg на величину требуемого времени открытия (или закрытия) ключа Tвкл(выкл) — получим средний ток, выходящий из драйвера, проходящий через затвор:

Iср=Qg/Tвкл.

Пиковый ток драйвера Iмакс

Так как в целом процесс заряда затвора протекает практически равномерно, то можно считать, что выходной ток драйвера снизится почти до нуля к моменту полного заряда затвора (до напряжения Uупр). Следовательно примем пиковый ток драйвера Iмакс равным удвоенному значению среднего тока: Iмакс=Iср*2, тогда драйвер точно не перегорит от перегрузки по выходному току. В итоге выбираем драйвер исходя из Iмакс и Uупр.

Если же драйвер уже имеется в нашем распоряжении, а Iмакс получился больше, чем пиковый ток драйвера. Просто разделим амплитуду управляющего напряжения Uупр на значение максимального тока Iмакс.драйвера.

По закону Ома получим значение минимального сопротивления, которое необходимо иметь в цепи затвора, чтобы ограничить ток заряда затвора величиной заявленного в datasheet пикового тока для имеющегося драйвера:

Rgate=Uупр/Iмакс.драйвера

В datasheet бывает указано значение Rg – сопротивление участка затвор-исток. Его важно учесть, и если этой величины окажется достаточно, то тогда и внешнего резистора не нужно. Если же нужно еще более ограничить ток — придется добавить еще и внешний резистор. Когда добавлен внешний резистор, это скажется на времени открывания ключа.

Увеличенный параметр R*Ciss не должен привести к превышению желательной длительности переднего фронта, поэтому данный параметр необходимо вычислить.

Что касается процесса запирания ключа, то здесь расчеты ведутся аналогично. Если же необходимо чтобы длительности переднего и заднего фронтов управляющих импульсов отличались между собой, то можно поставить раздельные RD-цепочки на заряд и на разряд затвора, чтобы получить различные постоянные времени для начала и для завершения каждого рабочего цикла. Опять же важно помнить что выбираемый драйвер должен будет иметь подходящие параметры минимальных Rise Time и Fall Time, которые обязаны оказаться меньше требуемых.

Ранее ЭлектроВести писали, что в Австралии разработали металл-воздушный транзистор без полупроводников.

По материалам: electrik.info.

Простой тестер полевых транзисторов –приставка к мультиметру

Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n-переходом на затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки.  Начальный ток стока измеряется при нулевом напряжении смещения (Uз.и=0), т.е. при затворе накоротко замкнутым с истоком . Напряжение отсечки — это такое пороговое значение напряжения затвор-исток, по достижении которого ток через канал полевого транзистора уже не изменяется и практически равен нулю.

типовая ВАХ полевого транзистора

Эти параметры, точнее пределы их изменений, указываются в справочниках и даташитах.  И именно их рекомендуемые значения  для конкретного транзистора  указывают в описании многих радиолюбительских конструкций.  Но, несмотря на современные технологии производства, полевые транзисторы по прежнему  имеют довольно большой разброс характеристик   и зачастую требуют подбора по параметрам.

Популярные и широко распространённые нынче универсальные транзисторные тестеры (M-TEST  и т.п.) не позволяют это сделать, т.к. показывают только напряжение затвор/исток при определённом (указанном там же на экране) токе стока.

Определить основные  параметры полевых транзисторов с p-n-переходом на затворе, как n-канальных, так и p-канальных, поможет простой тестер, выполненный в виде приставки к высокоомному вольтметру (мультиметру). Он позволяет измерять с достаточной для радиолюбительской практики точностью начальный ток стока полевого транзистора и его напряжение отсечки. С его помощью  можно не только отсортировать имеющиеся и выбрать транзисторы с требуемыми характеристиками, но и подобрать пару одинаковых по параметрам транзисторов.

Как видим схема тестера чрезвычайна проста  и состоит всего из двух образцовых резисторов, кнопки и разъёмов подключения испытуемого транзистора, источника питания и  высокоомного вольтметра. в качестве которого удобно применить современный цифровой мультиметр с автоматическим переключением диапазонов измерения. Напряжение питания должно в 1.5-2 раза превышать ожидаемое напряжение отсечки, для распространённых типов транзисторов, как правило, напряжение отсечки не превышает 6-7В, поэтому вполне достаточно 9-12В.

В исходном положении кнопка отжата и вольтметр показывает напряжение отсечки. Строго говоря, мы измеряем напряжение автосмещения на резисторе 100 кОм, величина которого для распространённых типов транзисторов  может быть в переделах 1-7В, а  ток стока при этом будет в соответственно в пределах 10—70 мкА. Такое упрощение в любительской практике вполне допустимо и вот почему.

Измерение истинного значения напряжения отсечки (при полном перекрытии канала) произвести довольно трудно, так как при этом приходится иметь дело с чрезвычайно малыми токами стока, к тому же зависящими от сопротивления изоляции. Поэтому производители в  справочных данных на полевые транзисторы всегда указывают, при каком значении тока стока произведены измерения напряжения отсечки. У советских транзисторов , как правило, измерение напряжение отсечки производилось при токе стока 10 мкА. За рубежом не было единого стандарта и каждый производитель  делал по своему: BF245, 2SK241, 2SK544, 2N5457 напряжение отсечки указано  при токе 100 мкА,  а вот у  2N5458 – при токе 200 мкА, 2N5459 даже 400 мкА! Как видим, нет особого смысла сильно упираться в какое-то конкретное значение тока стока и усложнять схему.

При нажатой кнопке вольтметр показывает падение напряжения на образцовом резисторе R2=10 Ом  при протекании через него начального тока стока. Т.о. определяем начальный ток стока, который равен показаниям вольтметра, делённом на сопротивление R2=10 Ом, т.е. Iнач=Uизм/10. Тестер смонтирован на маленькой макетной плате.

Вид тестера — приставки

В качестве иллюстрации сказанного на фото показан пример испытаний транзистора BF410d при помощи M-TEST

Показания MTESTa

и реальное значения напряжения отсечки (3,2в) и начального тока стока (13.66 мА) того же транзистора BF410d, измеренные при помощи описываемого тестера.

Измерение напряжения отсечки

Измерение начального тока стока

Для тестирования маломощных полевых транзисторов  с  p-каналом (типа КП103, J175…J177) и т.п.)достаточно изменить полярность источника питания на противоположную

Беленецкий С.Э. US5MSQ                                              февраль 2020г.                                                                                           г.Киев

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы — это полупроводниковые приборы, которые ста­новятся все более популярными в современной электронике. Их рабо­та основана на использовании полупроводникового токонесущего канала, сопротивление которого управляется электрическим полем.Тем самым обеспечивается управление величиной тока, протекающего по каналу.

Полевые транзисторы называют также униполярными транзисторами, поскольку перенос заряда в них осуществляется только основными носителями. Ток этих носителей протекает в полупроводнике только одного типа — или n-типа, или p-типа. В отличие от полевого работа обычного транзистора основана на переносе как неосновных, так и основных носи­телей заряда. Это связано с тем, что ток в них протекает через прямосмещенный переход база-эмиттер (основные носители) и обратносмещенный переход база-коллектор (неосновные носители). Поэтому обычные транзисторы называют биполярными транзисторами.

У полевого транзистора три электрода: исток s (source), затвор g (gate) и сток d (drain). Эти электроды соответствуют эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора.

Полевые транзисторы малы по размерам и имеют очень высокое входное сопротивление.Они менее чувствительны к изменениям температуры по сравнению с биполярными транзисторами и поэтому менее склонны к тепловому пробою. Следует также отметить простоту разработки схем на основе полевых транзисторов, в которых используется меньше компонентов, чем в аналогичных схемах на биполярных транзисторах.

Полевые транзисторы просты в изготовлении и лучше подходят для использования в интегральных схемах, чем их собратья — биполярные транзисторы.

Существуют два типа полевых транзисторов: транзисторы с управляющим pn-переходом и транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор).

Транзистор с управляющим pn-переходом

 

Рассмотрим канал из полупроводника n-типа (канал n-типа), к которо­му приложено постоянное напряжение V_DD(рис. 26.1(а)). По каналу от тока к истоку будет протекать ток, называемый током стока I_d. Если теперь внутри п-канала путем диффузии создать область      р-типа, называемую затвором (рис. 26.1(б)), то образуется рп-переход. Точно так же, как в случае обычного рп-перехода, в области перехода формируется слой, обедненный основными носителями заряда. Видно, что обедненный слой ограничивает протекание тока по каналу, уменьшая эффективную шири­ну последнего. Другими словами, он увеличивает сопротивление канала. Ширину обедненного слоя можно увеличить, т. е. еще больше ограничить протекание тока, если подать на переход напряжение V_GS, которое сме­стит переход в обратном направлении (рис. 26.1(б)). Изменяя величину напряжения обратного смещения на затворе, можно управлять величи­ной тока стока I_D. На рис. 26.2 показано поперечное сечение структуры полевого транзистора рассматриваемого типа.

Рис. 26.1. Принцип работы полевого транзистора с управляющим рп-переходом.

Рис. 26.2.   Поперечное сечение структуры

полевого транзистора с управляющим рп-переходом.

Рис. 26.3. Условные обозначения транзисторов

с управляющим рп-переходом.

Применяются также полевые транзисторы с каналом p-типа, питае­мые от источника отрицательного напряжения – V_DD. Условные обозна­чения обоих типов транзисторов с управляющим pn-переходом приведены на рис. 26.3.

 

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп-переходом в схеме с общим истоком показано на рис. 26.4. Они ана­логичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти ха­рактеристики показывают зависимость выходного тока I_D от выходного напряжения V_DS(напряжения между стоком и истоком) для заданных Значений напряжения на затворе V_GS(напряжения между затвором и истоком).

Диапазон изменения смещающего напряжения затвор-исток доволь­но велик (несколько вольт) в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно.

Видно, что при увеличении (по абсолютной величине) напряжения на затворе ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся обедненный слой перехода затвор-канал не пере­кроет весь канал, останавливая протекание тока. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в состоянии отсечки.

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику для V_GS= 0 (рис. 26.4). При уве­личении напряжения V_DS(от нулевого значения) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигает точки Р, после которой величина тока практически не изменяется. Напряжение в точке Р называется напря­жением отсечки. При этом напряжении обедненный слой, связанный с обратносмещенным переходом затвор-канал, почти полностью перекры­вает канал. Однако протекание тока I_Dв этой точке не прекращается, поскольку благодаря этому току как раз и создается обедненный слой. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои точки отсеч­ки: P₁, P₂ и т. д. Если соединить эти точки друг с другом линией, то правее ее лежит область отсечки, являющаяся рабочей областью полевого транзистора.

 

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного усилителя ЗЧ на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме через резистор утечки R₁ отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор R₃ обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затво­ра.

 

Рис. 26.4. Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп-переходом.

 

Рис. 26.5. УЗЧ на п-канальном полевом транзисторе с управляющим рп-переходом.

Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. R₂ – нагрузочный резистор, который может иметь очень большое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязыва­ющий конденсатор С₂ в цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R₃. Следует отметить, что раз­делительный конденсатор С₁ может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) благодаря высокому входному сопротивлению полевого транзистора.

При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызы­вая, в свою очередь, изменение выходного напряжения на стоке транзи­стора. Во время положительного полупериода входного сигнала напря­жение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор-исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток I_Dполевого транзистора. Увеличение I_D приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И на­оборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует по­ложительный полупериод выходного сигнала. Таким образом, входной и выходной сигналы усилителя с общим истоком находятся в противофазе.

Одно из преимуществ полевого транзистора – очень малый ток утечки затвора, величина которого не превышает нескольких пикоампер (10^-12 A). Поэтому в схеме усилителя па рис. 26.5 затвор находится практически при нулевом потенциале. Ток полевого транзистора протекает от стока к истоку и обычно отождествляется с током стока I_D (который, очевидно, равен току истока I_S).

Рассмотрим схему на рис. 26.5. Полагая I_D = 0,2 мА, вычисляем потенциал истока:           V_S = 0,2 мА · 5 кОм = 1 В. Это величина напряжения обратного смещения управляющего    pn-перехода.

Падение напряжения на резисторе R₂ = 0,2 мА · 30 кОм = 6 В.

Потенциал стока V_D = 15 – 6 = 9 В.

Линия нагрузки

Линию нагрузки можно начертить точно так же, как для биполярного транзистора. На рис. 26.6 показана линия нагрузки для схемы па же. 26.5.

Если I_D = 0, то V_DS= V_DD = 15 В. Это точка Х на линии нагрузки.

Если V_DS= 0, то почти все напряжение V_DDисточника питания па­дает на резисторе R₂. Следовательно, I_D = V_DD / R₂= 15 В / 30 кОм = 0,5 мА. Это точка Y на линии нагрузки. Рабочая точка Q выбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области отсечки.

Выбранная рабочая точка Q (точка покоя) на рис. 26.6 определяется величинами:               I_D = 0,2 мА, V_GS= — 1 В, V_DS= 9 В.

МОП-транзистор

В полевом транзисторе этого типа роль затвора играет металлический электрод, электрически изолированный от полупроводника тонкой пленкой диэлектрика, в данном случае оксида. Отсюда и название транзистора «МОП» — сокращение от «металл-оксид-полупроводник».

Канал п-типа в МОП-транзисторе формируется за счет притяже­ния электронов из подложки р-типа диэлектрическим слоем затвора (рис. 26.7). Ширину канала можно изменять, подавая на затвор электрический потенциал. Подача положительного (относительно подложки)

 

Рис. 26.6. Линия нагрузки усилителя на полевом транзисторе (рис. 26.5).

Рис. 26.7. Поперечное сечение МОП-транзистора.

потенциала приводит к расширению канала п-типа и увеличению тока через этот канал, подача отрицательного потенциала вызывает сужение канала и уменьшение тока. Для МОП-транзистора с каналом р-типа си­туация изменяется на обратную.

Существует два типа МОП-транзисторов: транзисторы, работающие в режиме обогащения, и транзисторы, работающие в режиме обедне­ния. Транзистор, работающий в режиме обогащения, находится в состоянии отсечки тока (нормально выключен), когда напряжение смеще­ния V_GS= 0.

 

Рис. 26.8. Выходные характеристики МОП-транзистора с каналом п-типа, ра­ботающего в режиме обогащения, и условное обозначение этого транзистора.

 

Рис. 26.9. Выходные характеристики МОП-транзистора с каналом n-типа, ра­ботающего в режиме обеднения, и условное обозначение этого транзистора.

Протекание тока начинается только при подаче напряже­ния смещения на затвор. Выходные характеристики п-канального МОП-транзистора с каналом п-типа, работающего в режиме обогащения, и его условное обозначение показаны на рис. 26.8.

МОП-транзистор, работающий в режиме обеднения, проводит ток, ко­гда напряжение смещения на затворе отсутствует (нормально включен). Для МОП-транзистора с каналом    n-типа ток стока увеличивается при подаче на затвор положительного напряжения и уменьшается при подаче отрицательного напряжения (рис. 26.9).

Условное обозначение МОП-транзистора с каналом р-типа показано на рис. 26.10. Заметим, что прерывающаяся жирная линия указывает на МОП-транзистор, работающий в режиме обогащения (нормально выключен).

                                

Рис. 26.10. Условное обозначение МОП-транзистора с каналом         р-типа.

 

Рис. 26.11. Усилитель на МОП-транзисторе с каналом р-типа, рабо­тающий в режиме обеднения.

Сплошная линия используется для обозначения МОП-транзистора, работающего в режиме обеднения (нормально включен). Вывод подлож­ки обозначается буквой «Ь», обычно он соединяется с выводом истока. На рис. 26.11 схема типичного усилителя с общим истоком на МОП-транзисторе с каналом р-типа, работающего в режиме обеднения. Ис­пользуется источник питания с отрицательным напряжением. Положи­тельное напряжение смещения между затвором и истоком V_GSсоздается обычным образом с помощью резистора R₃ в цепи истока.

В этом видео рассказывается о типах полевых транзисторов:

Добавить комментарий

теория и практика — Сайт инженера Задорожного С.М.

Интерес к статическим параметрам полевого транзистора с p-n-переходом на затворе, таким как начальный ток стока и напряжение отсечки, проявляется чаще всего инженерами и радиолюбителями либо как к приводимым в справочниках характеристикам для сравнения транзисторов различных типов, либо в связи с подбором близких по параметрам транзисторов для дифференциального каскада. В настоящей статье речь пойдёт об использовании статических параметров при расчёте схем на полевых транзисторах.

Определения

На рис.1. приведено условное графическое обозначение полевого транзистора с n-каналом и управляющим p-n-переходом на затворе:

Рис.1 Условное графическое обозначение полевого с n-каналом и p-n-переходом на затворе.

Обозначение его выводов соответственно следующее:

G (Gate) — затвор;
S (Source) — исток;
D (Drain) — сток.

Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n-переходом на затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки. Начальный ток стока полевого транзистора определяется как ток, протекающий через его канал при заданном постоянном напряжении сток-исток и равном нулю напряжении затвор-исток. В англоязычной технической документации этот параметр обозначают как I_DSS.

Напряжение отсечки — это такое пороговое значение напряжения затвор-исток, по достижении которого ток через канал полевого транзистора уже не изменяется и практически равен нулю. Его также измеряют при фиксированном значении напряжения сток-исток и в англоязычной документации обозначают как V_GS(off) или реже как V_p.

В качестве усилительного элемента полевой транзистор работает при достаточно большом напряжении сток-исток V_DS — на графике семейства выходных характеристик транзистора это значение напряжения расположено в области насыщения. Это значит, что величина тока через канал полевого транзистора, — ток стока I_D, — зависит в основном лишь от величины напряжения затвор-исток V_GS. Эту зависимость тока стока полевого транзистора I_D от входного напряжения затвор-исток V_GS описывает так называемая передаточная характеристика транзистора. Для транзисторов с управляющим p-n-переходом её обычно аппроксимируют следующим выражением:

(1)

Таким образом ток стока полевого транзистора с изменением напряжения на его затворе изменяется по квадратичному закону. Графически эту зависимость иллюстрирует приведенная на рис.2 диаграмма:

Рис.2. Пример аппроксимации зависимости тока стока I_D от напряжения затвор-исток V_GS квадратичной функцией при начальном токе стока I_DSS = 9,5 mA и напряжении отсечки V_GS(off) = -2,8 V.

В таком изменении тока стока I_D с изменением напряжения затвор-исток V_GS и проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Количественно эти свойства характеризует такой его параметр как крутизна, определяемая как:

(2)

Понятно, что значение крутизны, выраженное через статические параметры полевого транзистора I_DSS и V_GS(off), можно получить дифференцируя выражение для передаточной характеристики (1) по dV_GS:

То есть для транзистора с известными значениями начального тока стока I_DSS и напряжения отсечки V_GS(off) при заданном напряжении затвор-исток V_GS крутизну передаточной характеристики можно рассчитать по формуле:

(3)

или, учитиывая равенство:

получаем еще одно выражение для крутизны при заданном токе стока I_D:

(4)

Установка рабочей точки

На рис.3 приведены основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе:

а) усилительный каскад с общим истоком;
б) истоковый повторитель;
в) двухполюсник — стабилизатор тока.

а)

б)

в)

Рис.3 Основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе.

Во всех этих схемах для установки требуемого значения тока стока I_D служит включенный в цепь истока резистор R_S. Потенциал затвора полевого транзистора равен потенциалу нижнего по схеме вывода этого резистора, поэтому ток стока I_D, напряжение затвор-исток V_GS и сопротивление R_S элементарно связаны между собой законом Ома:

(5)

Расчет сопротивления R_S для установки требуемого тока стока I_D для полевого транзистора с известными значеними начального тока стока I_DSS и напряжения отсечки V_GS(off) также можно произвести на основании выражения для передаточной характеристики (1):

откуда получаем равенство:

(6)

Разделим обе части равенства (6) на R_S и, с учётом выражения (5), получим:

Соответственно выражение для значения сопротивления R_S примет следующий вид:

(7)

Теория и практика

Исходя из приведенных математических выкладок логично предположить, что, измерив значения начального тока стока I_DSS и напряжения отсечки V_GS(off) — основных статических параметров полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, — можно определить крутизну передаточной характеристики транзистора в заданной рабочей точке или установить рабочую точку транзистора так, чтобы получить требуемое значение крутизны, рассчитать параметры других элементов схемы, и пр. Но практические результаты чаще всего оказываются далеки от расчетных.

Такое несоответствие теории и практики отмечается и в ряде авторитетных публикаций на тему работы полевого транзистора. Так, например, в [1] один и тот же абзац содержит и утверждение о том, что передаточная характеристика полевого транзистора «достаточно точно определяется квадратичной зависимостью» в соответствии с формулой (1), и оговорку, что на практике с помощью прибора зафиксировать величину соответствующего напряжения отсечки V_GS(off) очень трудно, и поэтому обычно измеряют напряжение затвор-исток при I_D = 0,1·I_DSS, а затем, подставив эти значения в формулу (1), вычисляют уже соответствующее ей значение напряжения отсечки по формуле:

(8)

В [2] также отмечается, что измеренное значение напряжения отсечки V_GS(off), при котором величина тока стока I_D становится нулевой или равной нескольким микроамперам, «не всегда будет удовлетворять равенству (1), поэтому удобнее вычислять величину как функцию V_GS и экстраполировать полученную прямую линию до значения тока I_D=0″.

Поскольку речь идёт о наиболее точном определении передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, то величина напряжения отсечки V_GS(off) конкретного транзистора важна лишь как параметр в выражении (1), при котором это выражение наиболее соответствует реальной передаточной характеристике этого транзистора. То же самое можно сказать и о величине начального тока стока I_DSS. Таким образом может оказаться, что прямое измерение статических параметров полевого транзистора особого практического смысла не имеет, поскольку эти параметры не описывают с достаточной точностью передаточную характеристику транзистора.

На практике при проектировании схем усилительных каскадов на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом на затворе режим их работы никогда не выбирают таким, чтобы напряжение затвор-исток V_GS было близким к напряжению отсечки V_GS(off) или к нулю. Следовательно, нет никакой необходимости описывать передаточную характеристику (1) на всём её протяжении от I_D=0 до I_D=I_DSS, достаточно сделать это для некоего рабочего участка от I_D1=I_D(V_GS1) до I_D2=I_D(V_GS2). Для этого решим следующую задачу.

Пусть путём измерения получены значения тока стока I_D1 и I_D2 соответственно для двух отстоящих друг от друга значений напряжения затвор-исток V_GS1 и V_GS2:

(9)

Решив систему уравнений (9) относительно значений начального тока стока и напряжения отсечки мы получим более соответствующие реальной передаточной характеристике параметры формулы (1).

Сначала определим значение . Для этого разделим второе уравнение на первое чтобы сократилось и получилось одно уравнение с одним неизвестным, которое решаем:

Таким образом искомое значение напряжения отсечки для формулы (1) определяется выражением:

(10)

А соответствующее значение начального тока стока вычисляется путём подстановки полученного по формуле (10) значения напряжения отсечки в следующее выражение, полученное из формулы (1):

(11)

Экспериментальные данные

Вычисленные по формулам (10) и (11) значения напряжения отсечки и начального тока стока после подстановки в формулу (1) должны дать более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора. Чтобы это проверить были проведены контрольные измерения параметров двенадцати полевых транзисторов четырёх типов — по три транзистора каждого типа.

Порядок измерений для каждого транзистора был следующим. Сначала измерялись начальный ток стока I_DSS и напряжение отсечки V_GS(off) полевого транзистора. Затем были измерены значения напряжений затвор-исток V_GS1 и V_GS2 для двух соответствующих им значений тока стока I_D1 и I_D2, несколько отстоящих от нулевого значения при V_GS=V_GS(off) и начального тока стока I_DSS. Подстановка V_GS1, V_GS2, I_D1 и I_D2 в формулы (10) и (11) давала искомые значения и . Чтобы иметь возможность затем сравнить, какая же пара параметров полевого транзистора, — I_DSS и V_GS(off) или и , — после подстановки в формулу (1) даёт более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора, ток стока полевого транзистора устанавливался примерно равным половине измеренного значения его начального тока стока I_DSS, то есть где-то посередине передаточной характеристики транзистора, с последующим измерением соответствующего этому току напряжения затвор-исток. Полученные таким образом значения I_D0 и V_GS0 — это координаты произвольно выбранной рабочей точки полевого транзистора на его передаточной характеристике. Осталось подставить теперь значение V_GS0 в формулу (1) сначала с парой параметров I_DSS и V_GS(off), а затем с и , и сравнить оба вычисленных значения тока стока с измеренным I_D0.

Результаты измерений параметров двенадцати полевых транзисторов приведены в таблице ниже.

№	Транзистор	Измеренные значения статических параметров		Значения статических параметров по формулам (10) и (11)		VGS0, В	ID0, мА	Значение тока стока ID, вычисленное по формуле (1) с параметрами IDSS и VGS(off)		Значение тока стока I’D, вычисленное по формуле (1) с параметрами I’DSS и V’GS(off)
		IDSS, мА	VGS(off), В	I’DSS, мА	V’GS(off), В			ID, мА	Ошибка, %	I’D, мА	Ошибка, %
1	КП303В	2,95	-1,23	2,98	-1,35	-0,40	1,52	1,33	-12,5	1,47	-3,6
2	КП303В	2,89	-1,20	2,95	-1,32	-0,40	1,48	1,28	-13,1	1,43	-3,2
3	КП303В	2,66	-1,16	2,70	-1,24	-0,36	1,41	1,26	-10,2	1,35	-3,8
4	2П303Е	12,06	-4,26	12,73	-4,90	-1,49	6,49	5,09	-21,5	6,16	-5,2
5	2П303Е	11,24	-3,94	11,69	-4,50	-1,37	6,06	4,79	-20,9	5,67	-6,5
6	2П303Е	10,92	-3,77	11,26	-4,31	-1,29	5,91	4,73	-20,0	5,53	-6,3
7	2N3819	10,64	-3,47	10,76	-3,91	-1,08	5,90	5,05	-14,4	5,64	-4,4
8	2N3819	10,22	-3,51	10,29	-3,90	-1,06	5,73	4,98	-13,1	5,46	-4,8
9	2N3819	10,30	-3,38	10,46	-3,80	-1,07	5,67	4,81	-15,2	5,40	-4,8
10	2N4416A	8,79	-2,98	9,05	-3,27	-1,04	4,46	3,71	-16,9	4,20	-5,9
11	2N4416A	10,10	-3,22	10,31	-3,55	-1,18	4,98	4,04	-19,0	4,58	-8,0
12	2N4416A	10,92	-3,93	12,66	-4,32	-1,63	5,36	4,09	-23,6	4,92	-8,2

Выделенные цветом значения погрешностей говорят сами за себя. Если же сравнивать графики передаточной характеристики, подобные приведенному на рис.2, то линия, построенная по значениям (; ), пройдёт гораздо ближе к точке (V_GS0; I_D0), чем построенная по измеренным значениями напряжения отсечки и начального тока стока (V_GS(off); I_DSS).

Результаты будут ещё более точными, если в качестве точек (V_GS1; I_D1) и (V_GS2; I_D2) взять границы более узкого отрезка передаточной характеристики полевого транзистора, на котором он будет работать в реальной схеме. Особо следует отметить, что данный метод определения статических параметров полевых транзисторов незаменим для транзисторов с большим начальным током стока, например для таких как J310.

©Задорожный Сергей Михайлович, 2012г., г.Киев

Литература:

1. Бочаров Л.Н., «Полевые транзисторы»; Москва, издательство «Радио и связь», 1984;
2. Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982.

Полевые транзисторы. Характеристики. Основные типы.| Elektrolife

MOSFET — (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) использует изолятор обычно SiO2 между затвором и каналом. 

JFET — полевой транзисторе с управляющим p-n переходом
MESFET —  (Metal–Semiconductor Field-Effect Transistor) разновидность p-n перехода JFET с барьером Schottky; используются с GaAs и др. III-V полупроводниками. 
 ISFET — ion-sensitive field-effect transistor – ионно-чувствительный полевой транзистор. 
ChemFET —  chemical field-effect transistor — МОСФЕТ транзисторы, заряд на затворе которых определяется химическими процессами. 
EOSFET —  electrolyte-oxide-semiconductor field effect transistor вместо металла в качестве затвора используется электролит. 
CNTFET — Carbon nanotube field-effect transistor — полевой транзистор с углеродными нанотрубками.

DEPFET – полевой транзистор с полностью обедненной подложкой,  используются как сенсоры, усилители и ячейки памяти одновременно. Может быть использован как датчик фотонов. 
DGMOSFET — с двумя затворами. 
DNAFET — специальный FET используемый как биосенсор, с затвором из 1-й ДНК молекулы чтобы определять соответствующую нить ДНК. 
FREDFET —  (Fast Reverse or Fast Recovery Epitaxial Diode FET) специальный полевой транзистор, разработанный для обеспечения сверхбыстрого закрытия встроенного диода (is a specialized FET designed to provide a very fast recovery (turn-off) of the body diode)
HEMT — (high electron mobility transistor) или HFET(heterostructure FET) полевой транзистор с высокой подвижностью зарядов, гетероструктурные (шестигранные) FET. Изолятор затвора формируется из полностью обедненного материала с большой шириной запрещенной зоны. 
HIGFET —  (heterostructure insulated gate field effect transisitor), гетероструктурные MISFET используются в основном в исследовательских целях.
MODFET —  (Modulation-Doped Field Effect Transistor) использует квантовую структуру, сформированную градиентным легированием активной области. 
 NOMFET – (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor) — память на основе органических наночастиц. 
OFET – (Organic Field-Effect Transistor) — канал из органического полупроводника. 
GNRFET – (Field-Effect Transistor that uses a graphene nanoribbon for its channel). С каналом из графеновой пленки. 
VFET – (Vertical Field-Effect Transistor), вертикальный полевой транзистор, полевой транзистор с вертикальной структурой, полевой транзистор с вертикальным каналом. 
VeSFET — (Vertical-Slit Field-Effect Transistor) is a square-shaped junction-less FET with a narrow slit connecting the source and drain at opposite corners. Two gates occupy the other corners, and control the current through the slit… полевой транзистор квадратной формы, без перехода с близким расположением истока и стока на противоположных углах. Два других входа, занимающие другие углы — затворы, которые контролируют переход. 
TFET — (Tunnel Field-Effect Transistor) — основан на эффекте тунеллирования … из полосы в полосу. 
IGBT — (insulated-gate bipolar transistor) устройство для контроля мощности. Представляет из себя гибрид полевого транзистора с проводящим каналом, как у биполярного транзистора. Обычно используются для напряжений 200-3000V сток-исток. Мощные MOSFETs обычно используются до 200 V. 

5.1: Введение в полевые полевые транзисторы (JFET)

Транзистор — это линейное полупроводниковое устройство, которое регулирует ток с помощью электрического сигнала меньшей мощности. Транзисторы можно условно разделить на два основных подразделения: биполярных и полевых . В предыдущей главе мы изучали биполярные транзисторы, которые используют небольшой ток для управления большим током. В этой главе мы познакомимся с общей концепцией полевого транзистора — устройства, использующего небольшое напряжение для управления током — а затем сосредоточимся на одном конкретном типе: полевом транзисторе с переходом .В следующей главе мы рассмотрим другой тип полевого транзистора — вариант с изолированным затвором .

Все полевые транзисторы — это униполярных , а не биполярных устройств. То есть основной ток через них состоит либо из электронов через полупроводник N-типа, либо из дырок через полупроводник P-типа. Это становится более очевидным при просмотре физической схемы устройства:

В соединительном полевом транзисторе или JFET управляемый ток проходит от истока к стоку или от стока к истоку, в зависимости от обстоятельств.Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Обратите внимание, что ток не должен проходить через PN-переход на своем пути между истоком и стоком: путь (называемый каналом ) представляет собой непрерывный блок из полупроводникового материала. На только что показанном изображении этот канал представляет собой полупроводник N-типа. Также выпускаются полевые транзисторы с каналом P-типа:

Как правило, полевые транзисторы с N-каналом используются чаще, чем с P-каналом. Причины этого связаны с малоизвестными деталями теории полупроводников, которые я предпочел бы не обсуждать в этой главе.Как и в случае с биполярными транзисторами, я считаю, что лучший способ ввести использование полевых транзисторов — это избегать теории, когда это возможно, и вместо этого сосредоточиться на рабочих характеристиках. Единственное практическое различие между полевыми транзисторами с N- и P-каналом, о которых вам нужно позаботиться сейчас, — это смещение PN-перехода, образованного между материалом затвора и каналом.

В отсутствие напряжения между затвором и истоком канал представляет собой широко открытый путь для прохождения электронов. Однако, если между затвором и истоком подается напряжение такой полярности, что оно смещает в обратном направлении PN-переход, поток между соединениями истока и стока становится ограниченным или регулируемым, как это было для биполярных транзисторов с заданной величиной базового тока.Максимальное напряжение затвор-исток «отсекает» весь ток, протекающий через исток и сток, тем самым вынуждая полевой транзистор перейти в режим отсечки. Такое поведение происходит из-за того, что область обеднения PN-перехода расширяется под действием напряжения обратного смещения, в конечном итоге занимая всю ширину канала, если напряжение достаточно велико. Это действие можно сравнить с уменьшением потока жидкости через гибкий шланг путем его сжатия: при достаточной силе шланг будет сужен настолько, чтобы полностью перекрыть поток.

Обратите внимание на то, что это рабочее поведение прямо противоположно биполярному переходному транзистору. Биполярные транзисторы — это нормально выключенных устройств : нет тока через базу, нет тока через коллектор или эмиттер. С другой стороны, полевые транзисторы представляют собой устройства , обычно подключенные: отсутствие напряжения, приложенного к затвору, обеспечивает максимальный ток через исток и сток. Также обратите внимание, что величина тока, допустимого через JFET, определяется сигналом напряжения , а не сигналом тока , как в случае биполярных транзисторов.Фактически, при обратном смещении PN-перехода затвор-исток должен быть почти нулевой ток через соединение затвора. По этой причине мы классифицируем JFET как устройство , управляемое напряжением, , а биполярный транзистор как устройство , управляемое током, .

Если PN-переход затвор-исток смещен в прямом направлении с небольшим напряжением, канал JFET «откроется» немного больше, чтобы пропустить большие токи. Однако PN-переход JFET не предназначен для обработки какого-либо значительного тока, поэтому не рекомендуется смещать переход в прямом направлении ни при каких обстоятельствах.

Это очень сжатый обзор работы JFET. В следующем разделе мы рассмотрим использование JFET в качестве переключающего устройства.

Что такое полевой транзистор (FET) | Типы

Биполярный переходной транзистор (BJT) — это устройство, управляемое током. Входной ток устройства контролирует выходной ток. С точки зрения эффективности этот тип транзистора потребляет относительно большое количество энергии из-за высокого тока, который преобразуется в тепло; таким образом, КПД невысокий.Существуют и другие типы транзисторов с более высокой энергоэффективностью. Это связано с их более высоким внутренним сопротивлением. Полевой транзистор (FET) — еще один тип транзистора, который благодаря своим преимуществам перед переходным транзистором широко используется в промышленных и бытовых электронных приборах.

Сопротивление цепей полевого транзистора намного больше, чем у их аналогов в BJT. Следовательно, ток намного ниже, что приводит к гораздо меньшему энергопотреблению в цепи, в которой используется транзистор этой категории.

Полевой транзистор (FET): Тип транзистора, все еще сделанный из полупроводниковых материалов, основанный на другой структуре и другом механизме работы, чем у переходного транзистора. Он имеет канал или проход, вокруг которого может развиваться электрическое поле и через который проходят электроны. Поток электронов можно контролировать, регулируя полярность и напряженность поля.

A Основное различие между полевым транзистором и переходным транзистором состоит в том, что полевой транзистор имеет только один P-N переход.Структура и процесс изготовления полевого транзистора отличаются от биполярного переходного транзистора.

В полевом транзисторе основной корпус может быть выполнен из материала N-типа или P-типа, в котором диффузионный канал из материала противоположного типа. Если материал канала сделан из материала N, то продукт называется N-channel FET , а если канал сделан из полупроводника P-типа, FET называется P-channel FET .

Полевой транзистор — это управляемый напряжением транзистор , не похожий на BJT, который представляет собой устройство , управляемое током .Причина, по которой он называется полевым транзистором, заключается в том, что на ток через канал влияет электростатическое поле, сформированное вокруг канала. Сила этого поля может управлять потоком электрических носителей в канале.

Схема активной области полевого транзистора и его трех выводов показана на Рис. 1 . На практике транзистор очень мал, и все его элементы выполнены на корпусе, который сам является полупроводником и является частью элементов транзистора.

Рисунок 1 Схема активных частей полевого транзистора.

Названия трех элементов полевого транзистора отличаются от названий для BJT. Когда полевой транзистор проводит, электроны движутся по каналу. Одна сторона канала называется истоком (аналог эмиттера), а другая сторона называется стоком (аналог коллектора).

Канал физически окружен полупроводниковым материалом противоположного типа, который может влиять на протяженность (эффективный размер) канала, тем самым создавая меньшее или большее сопротивление потоку электронов.Это управляющее воздействие осуществляется воротами.

Размер канала (размер эффекта, а не физический размер) определяется напряжением, приложенным к затвору, а не током через затвор. Вот почему полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением.

Источник: (в полупроводниках) Один из трех выводов полевого транзистора, сравнимый с эмиттером в переходном транзисторе.

Сток: Один из трех выводов полевого транзистора (FET), аналог коллектора переходного транзистора.

Gate: Специальное соединение в некоторых полупроводниковых устройствах, которое при получении соответствующего сигнала (в виде напряжения или импульса) позволяет управлять устройством, в том числе включать и выключать его.

Существует много типов полевых транзисторов, и в некоторых (с симметричной геометрией канала) обозначение истока и стока определяется смещением.

В некоторых других случаях канал не имеет симметричной формы (структура меняется в процессе изготовления), и одна сторона канала обозначена как исток, а другая сторона — сток. На рисунке 2 показана схема структуры полевого транзистора.

По сравнению с транзистором с биполярным переходом исток, сток и затвор являются эквивалентами эмиттера, коллектора и базы соответственно. Кроме того, полевой транзистор с N-каналом является аналогом транзистора NPN, а полевой транзистор с каналом P соответствует транзистору PNP.

Физически полевые транзисторы похожи на биполярные транзисторы, и невозможно отличить один от другого простым взглядом. Обязательно обращайте внимание на именную бирку и паспорта производителя.

Помимо ряда различий между этими двумя категориями транзисторов, все, что можно сделать с помощью биполярных транзисторов, например усиление, также можно сделать с помощью полевых транзисторов.

В биполярных транзисторах есть общий эмиттер, общая база и общий коллекторный усилитель. Точно так же в полевых транзисторах у нас есть усилители с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно.

полевые транзисторы могут использоваться для усиления. По аналогии с BJT, можно использовать усилители с общим истоком, общим стоком и общим затвором.

Точно так же, как NPN-транзистор в равной степени применим к PNP-транзистору, все, что применимо к N-канальному полевому транзистору, верно и для P-канального полевого транзистора. Полярность напряжения смещения и рабочего напряжения, соответственно, противоположна друг другу для N-канальных и P-канальных полевых транзисторов. Далее мы рассматриваем полевой транзистор с N-каналом .

Рисунок 2 Схематическая структура полевого транзистора.

Типы полевых транзисторов (FET)

Полевые транзисторы изначально подразделяются на два типа: полевые транзисторы с переходным эффектом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Первая категория обозначается аббревиатурой JFET. второй категории известен как MOSFET из-за материала, используемого для его изоляции затвора, который представляет собой металлооксидный полупроводник. Таким образом, более распространенным названием второй категории является полевой транзистор металл-оксид-полупроводник.

Переходный полевой транзистор: Полевой транзистор одного типа (FET), затвор которого не изолирован. Те с изолированными воротами более продвинуты и распространены.

Полевой транзистор с изолированным затвором: Тип полевого транзистора с изолированным затвором, как у MOSFET.

Металл-оксид-полупроводник : Тип полупроводникового прибора, в котором оксид металла используется для изоляционных слоев.

Металл-оксид-полупроводник Полевой транзистор (MOSFET): Тип полевого транзистора, в котором оксид металла (например, SiO2) используется для изоляции затвора.

Эти два типа различаются по структуре, и есть разница в способах их функционирования.В JFET изоляция между затвором и каналом представляет собой PN-переход с обратным смещением. В MOSFET для этой цели используется слой оксида металла. Это схематично изображено на рисунке 2.

В дополнение к окончательной категоризации каждого типа на N-канал и P-канал, у полевых МОП-транзисторов есть подкатегории, как обсуждается ниже. На рисунке 3 показаны возможные категории полевых транзисторов.

Рисунок 3 Дерево различных семейств полевых транзисторов.

Как можно видеть, семейство JFET связано с истощением , тогда как семейство MOSFET связано с истощением и улучшением . Это (истощение и улучшение) — режимы работы каждой семьи; то есть механизм, в соответствии с которым каждая категория функционирует внутри. Они описаны ниже.

В области обеднения вокруг соединения P-N электроны, которые переместились в эту область, отклоняются и препятствуют проникновению других электронов через слой обеднения.Вот что может случиться в канале полевого транзистора.

Предположим, что две стороны канала, образованного полупроводником N-типа, подключены к напряжению, как показано на Рис. 4 . Электроны притягиваются к положительной стороне (слева направо).

Материал канала — полупроводник, и он проявляет некоторое сопротивление, действуя как резистор. Рассмотрим три случая:

(1) нет напряжения на затворе,

(2) затвор подключен к отрицательному напряжению, а

(3) затвор подключен к положительное напряжение.

Рис. 4 Истощение и усиление полевого транзистора.

Случай 1

Когда на затворе нет напряжения, в канале может течь ток из-за разницы напряжений между двумя сторонами канала и в зависимости от сопротивления канала.

Случай 2

Если теперь на затвор будет подано отрицательное напряжение, вокруг канала будет сформировано отрицательное поле, как показано на рисунке 4.Эффект этого поля заключается в отклонении электронов и уменьшении тока. Это случай, называемый истощением , потому что отрицательное поле истощает электроны в канале. Чем сильнее поле, тем меньше электронов проходит.

Случай 3

Когда затвор подключен к положительному напряжению, вокруг канала формируется положительное поле. Воздействие на электроны заключается в том, чтобы привлекать их и, как следствие, помогать им перемещаться по каналу.Это называется улучшением ; движение электронов усиливается.

В обоих случаях (истощение и усиление), чем сильнее поле, тем больше влияние на поток электронов. Как показано на рисунке 3, полевые транзисторы JFET работают только на основе истощения, но полевые МОП-транзисторы могут работать либо в режиме истощения, либо в режиме улучшения.

Улучшение: Один из двух методов управления потоком электронов в канале полевого транзистора (FET).

В полевом транзисторе, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током между истоком и стоком.

Junction Field Effect Transistor (JFET)

Хотя JFET и MOSFET являются полевыми транзисторами, они имеют разные символы на принципиальной схеме. Символы для JFET и сравнение с их аналогами в транзисторах с биполярным переходом показаны на Рис. 5 .

Рисунок 5 Обозначения для N-канальных и P-канальных полевых транзисторов.

Характеристики N-канального JFET

Для N-канального JFET напряжение стока должно быть более положительным, чем напряжение истока; то есть сток должен иметь более высокое напряжение по сравнению с истоком. Это аналог полярности для биполярного транзистора NPN, где переход коллектор-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении.

Затвор для этого типа полевого транзистора, тем не менее, должен быть отрицательным по отношению к истоку; то есть переход затвор-исток (материал P-типа в затворе и N-типа для канала) должен иметь обратное смещение.

Затвор должен иметь более низкое напряжение, чем источник. В лучшем случае для этого типа полевого транзистора затвор может быть закорочен на исток и иметь напряжение, равное напряжению истока.Напряжение затвора больше положительного, чем напряжение источника, вредно для полевого транзистора и может вывести его из строя.

Для P-канального JFET верно обратное. Обычно допустимые значения напряжения показаны на Рисунок 6 .

Для N-канального JFET затвор должен быть отрицательным по отношению к истоку.

Рисунок 6 Соотношение напряжения и смещения для JFET: (a) канал N и (b) канал P.

В N-канальном JFET, когда на затвор подается отрицательное напряжение, возникает большее сопротивление электрическому потоку исток-сток, как если бы канал сужался.Это происходит из-за роста области истощения, где встречаются материалы N-типа и P-типа.

Если отрицательное напряжение затвора достаточно высокое, канал полностью блокируется и ток падает до нуля. (Транзистор переходит в состояние отсечки.) В этом отношении наибольший ток истока соответствует случаю, когда затвор и исток имеют одинаковое напряжение.

Обратите внимание, что переход затвор-исток имеет обратное смещение. Следовательно, между источником и затвором нет тока.Следовательно, в отличие от BJT, ток истока и ток стока одинаковы.

Напряжение на затворе предназначено только для поддержания электростатического поля вокруг канала. Подобно BJT, различные напряжения и токи в полевом транзисторе обозначаются соответствующим им элементом. Они показаны на Рисунок 7 . Эти определения также подходят для MOSFET. {‘} $.Это значение положительно для положительного V _DD . R _G ^‘

Напряжение на S, однако, определяется значениями R _S и I _S . Правильное смещение затвор-исток можно получить, правильно выбрав R _S .

Неправильная величина R _S может сделать напряжение на S меньше, чем напряжение затвора (в N-канальном транзисторе), что может привести к отключению полевого транзистора; Итак, важно правильно выбрать R _S .При работе с сигналами переменного тока, которые заставляют I _S изменяться от минимального до максимального значения, транзистор может перейти в режим отсечки для некоторых значений IS.

Рисунок 8 Методы смещения для полевого транзистора: (a) фиксированное смещение , (b) самосмещение и (c) смещение делителя напряжения .

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET)

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) представляет собой полевой транзистор, затвор которого изолирован от основного корпуса транзистора слоем металлооксидного полупроводника (например, SiO ₂ ).Этот слой очень тонкий, и по этой причине полевые МОП-транзисторы легко повреждаются, если они подвергаются воздействию напряжений, превышающих их номинальные значения.

Они также очень чувствительны к статическому электричеству, поэтому с ними необходимо обращаться осторожно и обеспечивать достаточную защиту от статического электричества, чтобы не повредить их.

Помимо изоляции затвора, еще одним отличием JFET от MOSFET является наличие канала . В то время как в JFET канал сделан из того же материала, что и исток и сток, MOSFET не имеет канала или имеет канал меньшего размера, сделанный из полупроводникового материала, который намного менее легирован, чем у истока и стока.

Как указывалось ранее, существует два типа полевых МОП-транзисторов в зависимости от механизма, с которым они работают: истощение и усиление .

Первый тип называется D-MOSFET. У него есть канал, и он может работать как в режиме истощения, так и в режиме улучшения (по этой причине его иногда называют DE-MOSFET).

второго типа , называемый E-MOSFET, может работать только в режиме улучшения. Рисунок 10 схематически показывает структурные различия между двумя типами.

Рисунок 10 Структурные различия между D-MOSFET и E-MOSFET.

E-MOSFET — это отключенное устройство, что означает, что когда на затвор не подается напряжение (V _GS = 0), транзистор находится в режиме отсечки. Если затем на затвор подается положительное напряжение, между истоком и стоком возникает ток. Этим током можно управлять, изменяя напряжение затвора.

В D-MOSFET , однако, есть ток I _DS между стоком и истоком, даже когда V _GS = 0 (когда между стоком и истоком существует V _DS ).Затем I _DS можно понизить (работая в режиме истощения), подав отрицательное напряжение на затвор, или его можно увеличить (работая в режиме улучшения), подав положительное напряжение на затвор.

Обозначения для основных категорий полевых МОП-транзисторов показаны на рис. 11 . Есть и другие разновидности полевых МОП-транзисторов, но мы не рассматриваем их здесь.

Рисунок 11 Символы MOSFET.

МОП-транзистор имеет высокое входное сопротивление.Это несомненное преимущество перед BJT и JFET, поскольку подразумевает низкий входной ток и очень низкую рассеиваемую мощность.

Также он больше подходит для подключения к устройствам с высоким выходным сопротивлением. Другими преимуществами, которые сделали использование MOSFET более популярным, чем BJT, являются нечувствительность (1) к изменению температуры и (2) высокочастотная способность (быстрое переключение).

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Полевой транзистор | Викитроника | Fandom

Полевой транзистор (FET) — это тип транзистора, который использует электрическое поле для управления формой и, следовательно, проводимостью «канала» в полупроводниковом материале.Концепция полевого транзистора предшествовала биполярному переходному транзистору (BJT), однако полевые транзисторы были реализованы через после BJT из-за ограничений полупроводниковых материалов и относительной простоты изготовления BJT по сравнению с полевыми транзисторами в то время.

Клеммы []

Все полевые транзисторы, кроме J-FET, имеют четыре вывода, которые известны как вентиль , сток , исток и корпус / основание / массив . Сравните их с терминами, используемыми для BJT: база , коллектор и эмиттер .BJT и J-FET не имеют вывода на корпус.

Файл: Lateral mosfet.svg

Поперечное сечение полевого МОП-транзистора n-типа

Названия клемм относятся к их функциям. Терминал ворот можно рассматривать как управляющий открытием и закрытием физических ворот. Этот затвор пропускает электроны или блокирует их прохождение. Электроны текут от вывода истока к выводу стока, если на них влияет приложенное напряжение. Под телом понимается основная часть полупроводника, в котором находятся затвор, исток и сток.Обычно терминал на корпусе подключается к самому высокому или самому низкому напряжению в цепи, в зависимости от типа. Вывод на корпусе и вывод источника иногда соединяются вместе, поскольку источник также иногда подключается к наивысшему или наименьшему напряжению в цепи, однако есть несколько применений полевых транзисторов, которые не имеют такой конфигурации, например, затворы передачи и каскодные схемы. .

Состав []

Полевой транзистор может быть построен из ряда полупроводников, из которых кремний является наиболее распространенным.Большинство полевых транзисторов изготавливаются с использованием обычных методов обработки объемных полупроводников с использованием монокристаллической полупроводниковой пластины в качестве активной области или канала.

Среди наиболее необычных материалов корпуса — аморфный кремний, поликристаллический кремний или другие аморфные полупроводники в тонкопленочных транзисторах или полевые транзисторы с органическими эффектами, которые основаны на органических полупроводниках и часто используют органические изоляторы затвора и электроды.

Типы полевых транзисторов []

Файл: Сравнение полевых транзисторов.png

Полевые транзисторы истощенного типа при стандартном напряжении. JFET, поликремниевый MOSFET, MOSFET с двойным затвором, MOSFET с металлическим затвором, MESFET. обеднение, электроны, дырки, металл, изолятор. Вверху = источник, внизу = сток, слева = затвор, справа = масса. Напряжения, которые приводят к образованию каналов, не показаны.

Шаблон: Mergefrom Корпус полевого транзистора легирован для получения полупроводника N-типа или полупроводника P-типа. Сток и исток могут быть легированы противоположным типом по отношению к корпусу, в случае полевых транзисторов в режиме улучшения, или легированы легированием аналогичного типа по отношению к корпусу, как в полевых транзисторах в режиме обеднения.Полевые транзисторы также отличаются методом изоляции между корпусом и затвором. Типы полевых транзисторов:

• MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) использует изолятор (обычно SiO ₂ ) между затвором и корпусом.
• JFET (Junction Field-Effect Transistor) использует p-n-переход с обратным смещением для отделения затвора от корпуса.
• MESFET (полевой транзистор металл-полупроводник) заменяет p-n переход полевого транзистора с барьером Шоттки; используется в GaAs и других полупроводниковых материалах AIIIBV.
• Использование технологии запрещенной зоны в тройном полупроводнике, таком как AlGaAs, дает HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов), также называемый HFET (гетероструктурный полевой транзистор). Полностью обедненный материал с широкой запрещенной зоной образует изоляцию между затвором и корпусом.
• MODFET (полевой транзистор с модулирующим легированием) использует структуру с квантовыми ямами, образованную градиентным легированием активной области.
• IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) — это устройство для управления мощностью.Он имеет структуру, похожую на полевой МОП-транзистор, соединенный с биполярным основным проводящим каналом. Они обычно используются в диапазоне рабочего напряжения сток-исток 200–3000 В. Силовые полевые МОП-транзисторы по-прежнему являются предпочтительным устройством для напряжений сток-исток от 1 до 200 В.

Работа полевого транзистора []

Полевой транзистор управляет потоком электронов от истока к стоку, влияя на размер и форму «проводящего канала», создаваемого напряжением (или отсутствием напряжения), приложенным к клеммам затвора и истока.(Для простоты обсуждения предполагается, что тело и источник связаны). Этот проводящий канал представляет собой «поток», по которому электроны текут от истока к стоку.

Рассмотрим n-канальное устройство «режима истощения» . Отрицательное напряжение затвор-исток заставляет область истощения расширяться в ширину и вторгаться в канал с боков, сужая канал. Если область истощения расширяется, чтобы полностью закрыть канал, сопротивление канала от истока до стока становится большим, и полевой транзистор эффективно выключается, как выключатель.Точно так же положительное напряжение затвор-исток увеличивает размер канала и позволяет электронам легко течь.

Теперь рассмотрим n-канальное устройство «расширенного режима» . Положительное напряжение затвор-исток необходимо для создания проводящего канала, поскольку внутри транзистора его не существует. Положительное напряжение привлекает свободно плавающие электроны внутри тела к затвору, образуя проводящий канал. Но сначала необходимо привлечь достаточно электронов возле затвора, чтобы противодействовать ионам легирующей примеси, добавленным в тело полевого транзистора; это формирует область, свободную от мобильных несущих, называемую областью истощения, и это явление называется пороговым напряжением полевого транзистора.Дальнейшее увеличение напряжения затвор-исток привлечет к затвору еще больше электронов, которые могут создать токопроводящий канал от истока к стоку; этот процесс называется инверсия .

Для устройств с расширенным или обедненным режимом при напряжениях сток-исток, намного меньших, чем напряжения затвор-исток, изменение напряжения затвора приведет к изменению сопротивления канала. В этом режиме полевой транзистор работает как переменный резистор, и говорят, что полевой транзистор работает в линейном режиме .Этот режим не используется, когда требуется усиление.

Если напряжение сток-исток увеличивается, это создает значительное асимметричное изменение формы канала из-за градиента потенциала напряжения от истока к стоку. Форма области инверсии становится «защемленной» около дренажного конца канала. При дальнейшем увеличении напряжения сток-исток точка отсечки канала начинает перемещаться от стока к истоку. Сообщается, что полевой транзистор находится в режиме насыщения .

Даже несмотря на то, что проводящий канал, образованный напряжением затвор-исток, больше не соединяет исток со стоком в режиме насыщения, поток носителей не блокируется. Рассматривая снова n-канальное устройство, в корпусе p-типа существует обедненная область, окружающая проводящий канал, а также области стока и истока. Электроны, составляющие канал, могут свободно выходить из канала через область обеднения, если они притягиваются к стоку напряжением сток-исток. Область обеднения свободна от носителей и имеет сопротивление, подобное кремнию.Любое увеличение напряжения сток-исток увеличит расстояние от стока до точки отсечки, увеличивая сопротивление из-за области истощения пропорционально приложенному напряжению сток-исток. Это пропорциональное изменение заставляет ток сток-исток оставаться относительно фиксированным независимо от изменений напряжения сток-исток и в отличие от работы в линейном режиме. Таким образом, в режиме насыщения полевой транзистор ведет себя как источник постоянного тока, а не как резистор, и может наиболее эффективно использоваться в качестве усилителя напряжения.В этом случае напряжение затвор-исток определяет уровень постоянного тока через канал.

Использует []

Наиболее часто используемый полевой транзистор — это полевой МОП-транзистор. Технологический процесс CMOS (металл-оксид-полупроводник с дополнительной симметрией) является основой современных цифровых интегральных схем. В этом технологическом процессе используется схема, в которой (обычно «режим улучшения») p-канальный MOSFET и n-канальный MOSFET соединены последовательно, так что, когда один из них включен, другой выключен.

Хрупкий изолирующий слой полевого МОП-транзистора между затвором и каналом делает его уязвимым для электростатических повреждений во время работы. Обычно это не проблема после установки устройства.

В полевых транзисторах электроны могут течь в любом направлении через канал при работе в линейном режиме, и соглашение об именах вывода стока и вывода истока несколько произвольно, поскольку устройства обычно (но не всегда) построены симметрично от истока до стока. .Это делает полевые транзисторы подходящими для переключения аналоговых сигналов между трактами (мультиплексирование). Используя эту концепцию, можно, например, сконструировать твердотельный микшерный пульт.

Стабильная работа при низком напряжении Органические полевые транзисторы с верхним затвором на подложках из целлюлозных нанокристаллов

Лесная служба США
Уход за землей и служение людям

Министерство сельского хозяйства США

1. Органические полевые транзисторы с верхним затвором для стабильной работы при низком напряжении на подложках из целлюлозных нанокристаллов

   Автор (ы): Cheng-Yin Wang; Канек Фуэнтес-Эрнандес; Джен-Чие Лю; Амир Диндар; Сангму Чой; Джеффри П.Youngblood; Роберт Дж. Мун ; Бернард Киппелен
   Дата: 2015
   Источник: Прикладные материалы и интерфейсы ACS
   Серия публикаций: Научный журнал (JRNL)
   Станция: Лаборатория лесных продуктов
   PDF: Скачать публикацию (992,66 КБ)
   
   Описание Мы сообщаем о характеристиках и характеристиках органических полевых транзисторов с верхним затвором (OFET), содержащих двухслойный диэлектрик затвора из CYTOP / Al ₂ O ₃ и решение -обработанный полупроводниковый слой, изготовленный из смеси TIPS-пентацен: PTAA, изготовленный на пригодных для повторного использования подложках нанокристаллической целлюлозы-глицерина (CNC / глицерин).Эти OFET демонстрируют низкое рабочее напряжение, низкое пороговое напряжение, среднюю полевую подвижность 0,11 см ² / (В · с), а также хорошую полку и стабильность работы в условиях окружающей среды. Для повышения эксплуатационной стабильности в окружающей среде пассивирующий слой из Al ₂ O ₃ выращивают путем осаждения атомных слоев (ALD) непосредственно на подложки с ЧПУ / глицерином. Этот слой защищает слой органического полупроводника от влаги и других химикатов, которые могут проникать сквозь подложку или диффундировать из нее.
   Примечания к публикации
   • Мы рекомендуем вам также распечатать эту страницу и прикрепить ее к распечатке статьи, чтобы сохранить полную информацию о цитировании.
   • Эта статья была написана и подготовлена ​​государственными служащими США в официальное время и поэтому находится в открытом доступе.
   Citation Ван, Чэн-Инь; Фуэнтес-Эрнандес, Канек; Лю, Джен-Цзе; Диндар, Амир; Чой, Сангму; Янгблад, Джеффри П .; Луна, Роберт Дж.; Киппелен, Бернар. 2015. Стабильные низковольтные полевые транзисторы с верхним затвором на целлюлозных нанокристаллических подложках. Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 7 (8): 4804-4808.
   Процитировано
   Ключевые слова Органический полевой транзистор, геометрия верхнего затвора, целлюлоза, низкое напряжение, стабильность окружающей среды
   Связанный поиск

   ---

   XML: Просмотр XML

Показать больше

Показать меньше

https: // www.fs.usda.gov/treesearch/pubs/49066

Junction Field-Transistors — Полевые транзисторы

Полевые транзисторы

Хотя это произвело революцию в дизайне электронного оборудования, биполярный (PNP / NPN) транзистор все еще имеет одну очень нежелательную характеристику. Низкое входное сопротивление, связанное с переходом база-эмиттер, вызывает проблемы согласования импедансов межкаскадных усилителей.

В течение многих лет ученые искали решение, которое сочетало бы в себе высокие входное сопротивление вакуумной лампы со многими другими преимуществами транзистор.Результатом исследования является полевой транзистор . ( FET ). В отличие от биполярного транзистора, в котором используется ток смещения между базой и эмиттером для контроля проводимости полевой транзистор использует напряжение для управлять электростатическим полем внутри транзистора.

Элементы одного типа полевого транзистора переходный полевой транзистор ( JFET ) сравниваются с биполярным транзистором на рисунке ниже. Как видно из рисунка, JFET представляет собой трехэлементное устройство, сопоставимое с другой.Элемент «затвор» JFET очень точно соответствует в работе к базе биполярного транзистора. Элементы «исток» и «сток» JFET соответствует эмиттеру и коллектору биполярного транзистора.

Сравнение символов JFET (N-канал) и биполярного транзистора (NPN).

Структура JFET

Конструкция JFET показана на рисунке ниже. Сплошной бар, сделанный материал N-типа или P-типа образует основной корпус устройства.С каждой стороны этого стержня рассеиваются два слоя материала противоположного типа из пруткового материала, из которого формируются «ворота». Часть планки между отложениями затворного материала меньшего сечения секции, чем остальная часть панели, и образует «канал», соединяющий источник и сток. На рисунке ниже показан стержень из материала N-типа и затвор. из материала P-типа. Поскольку материал в канале N-типа, устройство называется N-канальным JFET. В P-канальном JFET канал Изготовлен из материала P-типа, затвор из материала N-типа.

Структура JFET.

Символы JFET

На рисунке ниже сравниваются условные обозначения для двух типов JFET. с таковыми из биполярных транзисторов NPN и PNP. Как биполярный транзистор типы, два типа JFET отличаются только конфигурацией напряжений смещения. требуется и в направлении стрелки внутри символа. Так же, как и это в символах биполярных транзисторов стрелка в символе JFET всегда указывает в сторону материала N-типа.Таким образом, символ N-канального JFET показывает стрелка, указывающая на канал стока / истока, тогда как P-канал символ показывает стрелку, указывающую от канала стока / истока к ворота.

Символы и напряжения смещения для биполярных транзисторов и JFET.

Смещение JFET

Ключом к работе полевого транзистора является эффективная площадь поперечного сечения канала, которым можно управлять, изменяя напряжение, подаваемое на затвор. Это показано на следующих рисунках.

На рисунке ниже показано, как JFET работает в состоянии смещения нулевого затвора. На полевой транзистор подается пять вольт, так что электронный ток течет через полоса от истока к сливу, как указано стрелкой. Терминал ворот привязан к земле. Это условие смещения нулевого затвора. В этом состоянии типичная полоса представляет собой сопротивление около 500 Ом. Миллиамперметр, соединены последовательно с выводом стока и питанием постоянного тока, указывает количество текущего потока. При питании стока ( В _DD ) 5 вольт, миллиамперметр выдает ток стока ( I _D ) чтение 10 миллиампер.Индексные буквы напряжения и тока ( V _DD , I _D ), используемый для полевого транзистора, соответствует к элементам полевого транзистора так же, как и к элементам транзисторов.

Работа полевого транзистора с нулевым смещением затвора.

На рисунке ниже небольшое напряжение обратного смещения приложено к затвору JFET. Напряжение затвор-исток ( В _GG ) отрицательное 1 вольт нанесенный на материал затвора P-типа вызывает соединение между Материал P- и N-типа имеет обратное смещение.Так же, как это было в варакторного диода, состояние обратного смещения вызывает «обедненную область» образуются вокруг PN-перехода JFET. Поскольку этот регион имеет уменьшенную количество носителей тока, эффект обратного смещения заключается в уменьшении эффективная площадь поперечного сечения «канала». Это уменьшение площади увеличивает сопротивление устройства исток-сток и уменьшает ток.

JFET с обратным смещением.

Приложение достаточно большого отрицательного напряжения к затвору вызовет область истощения стала настолько большой, что ток через бар вообще останавливается.Напряжение, необходимое для уменьшения тока стока ( I _D ) до нуля называется напряжением отсечки (или пороговое напряжение) и сопоставимо для отключения напряжения в вакуумной лампе. На рисунке выше отрицательный 1 вольт применяется, хотя и недостаточно велик, чтобы полностью остановить проводимость, но имеет привело к значительному уменьшению тока стока (с 10 миллиампер ниже условия смещения нулевого затвора до 5 мА). Расчет показывает, что Смещение затвора в 1 В также увеличило сопротивление полевого транзистора. (от 500 Ом до 1 кОм).Другими словами, изменение напряжения затвора на 1 вольт удвоил сопротивление устройства и сократил ток вдвое.

Эти измерения, однако, показывают только то, что JFET работает следующим образом: похож на биполярный транзистор, хотя они построены иначе. Как указывалось ранее, главное преимущество полевого транзистора заключается в том, что его входное сопротивление значительно выше, чем у биполярного транзистор. Более высокий входной импеданс JFET под обратным затвором условия смещения можно увидеть, подключив микроамперметр последовательно с напряжение затвор-исток ( В _GG ), как показано на рисунке ниже.

Входное сопротивление полевого транзистора.

При напряжении 1 В В _GG микроамперметр показывает 0,5 мкА. Применение закона Ома (1 В / 0,5 мкА) показывает, что этот очень маленький величина протекающего тока приводит к очень высокому входному сопротивлению (около 2 МОм). Напротив, биполярный транзистор в аналогичных обстоятельствах потребует более высокого тока (например, от 0,1 до 1 мА), что приведет к значительному увеличению меньшее входное сопротивление (около 1000 Ом или меньше). Более высокий входной импеданс JFET возможно из-за того, как напряжение затвора обратного смещения влияет площадь поперечного сечения канала.

В предыдущем примере работы JFET используется N-канальный JFET. Тем не мение, P-канальный JFET работает по идентичным принципам. Различия между два типа показаны на рисунке ниже.

символов JFET и напряжения смещения.

Поскольку материалы, используемые для изготовления стержня и ворот, поменяны местами, потенциалы напряжения источника также должны быть инвертированы. P-канальный JFET следовательно, требуется обратное смещение положительного напряжения затвора, и электронный ток течет через него от стока к истоку.

Кривые выходной характеристики JFET

График (рисунок ниже) тока стока (выхода) I _D от напряжения сток-исток В _DS , с усилением-истоком напряжение В _GS в качестве параметра показывает две области: омическая область , в которой JFET действует как резистор переменного сопротивление в зависимости от напряжения затвора, и область насыщения в ток стока практически не зависит от напряжения сток-исток ( область постоянного тока ).Обратите внимание, что когда напряжение сток-исток становится слишком большим, происходит внезапное повышение тока, что указывает на то, что ионизационный пробой полупроводникового кристалла.

Типичные выходные характеристики JFET (N-канальный).

Рабочие характеристики JFET

Три наиболее важные рабочие характеристики устройства:

1. Напряжение отсечки В _P
2. Ток утечки I _DSS в области отсечки (насыщения) при смещение нулевого затвора ( В _GS = 0)
3. Крутизна г _м

Напряжение отсечки — это значение напряжения смещения затвор-исток. (при нулевом или малом напряжении сток-исток), для которого область обеднения проникает (с двух сторон) на всю толщину канала таким образом «отщипывая» ток (см. выше).С нулевым смещением затвор-исток напряжение тока протока максимальное.

Несколько характеристик передачи ( I _D — V _GS ) с использованием различных упрощающих приближений. Самый полезный май быть адаптированным из Ричера и Миддлбрука [1], который заявил, что ток стока в области отсечки (насыщения) равен

Для многих устройств JFET n очень близко к 2.

JFET-транзисторы обеспечивают коэффициент усиления, измеряемый в терминах крутизны , г _м .Крутизна в области отсечки (насыщения) определяется выражением

Если n = 2, крутизна является линейной функцией входного напряжения. ( В _GS ).

Усилитель JFET

На рисунке ниже показана базовая схема усилителя с общим источником, содержащая N-канальный JFET. Характеристики этой схемы включают высокий входной сопротивление и высокий коэффициент усиления по напряжению. Функция компонентов схемы на этом рисунке очень похож на те, что в биполярном переходном транзисторе схема усилителя с общим эмиттером. C ₁ и C ₃ — входные и выходные конденсаторы связи. р ₁ — резистор возврата затвора. Это предотвращает нежелательное накопление заряда на воротах обеспечение выпускного тракта для C ₁ . р ₂ и C ₂ обеспечивают самосмещение источника для JFET, который работает как самосмещение эмиттера. R ₃ — это резистор нагрузки стока, который действует как резистор нагрузки коллектора.

Усилитель с общим источником на полевом транзисторе.

Фазовый сдвиг на 180 градусов между входными и выходными сигналами одинаков. как у транзисторных схем с общим эмиттером. Причину фазового сдвига легко увидеть, наблюдая работа N-канального JFET. О положительном чередовании входного сигнала величина обратного смещения на материале затвора P-типа равна уменьшена, тем самым увеличивая эффективную площадь поперечного сечения канала и уменьшение сопротивления исток-сток.Когда сопротивление уменьшается, ток поток через JFET увеличивается. Это увеличение вызывает падение напряжения на R3 увеличивается, что, в свою очередь, вызывает уменьшение напряжения стока. При отрицательном изменении цикла величина обратного смещения на затвор JFET увеличивается, и действие схемы меняется на противоположное. В результате получается выходной сигнал, усиленный сдвигом по фазе на 180 градусов. версия входного сигнала.

Использованная литература:

1. Рише, И., и Миддлбрук, Р. Д., «Степенной закон природы полевого эффекта. Экспериментальные характеристики транзисторов, «Труды, IEEE, том 51, С. 1145—1146, август 1963.

Высоковольтные полевые транзисторы GaN-на-Si для коммутации

Abstract

Полупроводниковые устройства на основе нитрида галлия (GaN) хорошо подходят благодаря особым свойствам материала, таким как широкая запрещенная зона, высокая подвижность электронов и высокое поле пробоя. для приложений переключения мощности. Технология GaN-на-Si может значительно снизить стоимость полупроводниковых пластин для устройств на основе GaN.Размер высококачественной пластины GaN-on-Si теперь составляет до 6 дюймов. Чтобы реализовать GaN-транзисторы для высоковольтных коммутационных приложений, используются три основные технологии. Один из них — реализация нормально выключенного режима с низким током утечки; второй — уменьшение сопротивления включения; третий — повышение напряжения пробоя устройства. Еще одно преимущество устройства на основе GaN — возможность работать при высоких температурах. Широкая запрещенная зона GaN приводит к очень низкой тепловой генерации носителей.В этой диссертации предлагается полевой транзистор (FET), использующий структуру металл-изолятор-полупроводник (MIS), обеспечивающий нормальную работу в выключенном состоянии, не зависящее от температуры пороговое напряжение и способность блокировки 600 В при 200 ° C.

Основное содержимое

Загрузить PDF для просмотраПросмотреть больше

Больше информации Меньше информации

Закрывать

Введите пароль, чтобы открыть этот PDF-файл:

Отмена Ok

Подготовка документа к печати…

Отмена

.