Характеристики и параметры полевого транзистора: схемы, вольт-амперные кривые

Схемы включения транзистора.

У полевого транзистора, как и у биполярного, есть три схемы переключения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (OZ), общим истоком (OI) и общим стоком (OS). Чаще всего используются схемы с общим источником.

Чтобы понять характеристики работы какого-либо электронного устройства, очень полезно иметь возможность соотносить конкретное решение с конкретной схемой переключения (если схема такова, что это в принципе возможно).

Абрамян Евгений Павлович Доцент кафедры электротехники Санкт-Петербургского государственного педагогического университета Задать вопрос Программы моделирования при замене транзистора на математическую модель не учитывают способ включения транзистора. Важно понимать, что даже если на этапе разработки математической модели есть ориентация на конкретную схему переключения, то на этапе использования эта модель должна правильно моделировать транзистор во всех самых разнообразных ситуациях.

При объяснении влияния напряжения uis на ширину pn перехода фактически использовалась схема с общим источником (см. Рис. 1.87) (статья 1 «Устройство и основные физические процессы»). Рассмотрим характеристики, соответствующие этой схеме (которая является общепринятой).

Поскольку в рабочем режиме iз = 0, iu ~ iñ, входные характеристики обычно не используются. Например, для транзистора KP10ZL, подробно рассмотренного ниже, для тока утечки затвора iz ut при <85 ° C выполняется условие iz ut <2 мкА.

Представим схему с общим источником (рис. 1.89).

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основе (подложке) полупроводника с проводимостью P-типа (для N-канального транзистора) создаются две зоны с повышенной проводимостью типа N +. Все это покрыто тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2. Металлические проводники областей типа N +, называемые стоком и истоком, пересекают диэлектрический слой. Над диэлектриком расположен металлический слой затвора. Иногда также бывает выход из подложки, который закорочен на источник

Расчет статического режима

Одним из преимуществ полевого транзистора является очень низкий ток утечки затвора, величина которого не превышает нескольких пикоампер (10-12 А). Следовательно, в схеме усилителя на рис. 26.5 затвор практически находится под нулевым потенциалом. Ток полевого транзистора течет от стока к истоку и обычно идентифицируется с идентификатором тока стока (который, очевидно, равен току истока IS).

Рассмотрим схему рис. 26.5. Полагая ID = 0,2 мА, рассчитываем потенциал источника:

VS = 0,2 мА 5 кОм = 1 В. Это напряжение обратного смещения управляющего pn перехода.

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

Потенциал разряда VD = 15-6 = 9 В.

Линия нагрузки

Линию нагрузки можно нарисовать так же, как биполярный транзистор. Если ID = 0, то VDS = VDD = 15 В. Это точка X на линии нагрузки. Если VDS = 0, то почти все напряжение VDD блока питания падает до R2. Следовательно, ID = VDD / R2 = 15 В / 30 кОм = 0,5 мА. Это точка Y на линии нагрузки. Рабочая точка Q выбрана такой, чтобы транзистор работал в области отсечки. Выбранная рабочая точка Q определяется значениями: ID = 0,2 мА, VGS = — 1 В, VDS = 9 В.

Полевой транзистор.

Выходные (стоковые) характеристики транзистора

Выходная характеристика — это зависимость вида iñ = f (uis) | uzi = const, где f — функция.

Опишем выходные характеристики кремниевого транзистора типа KP10ZL с p-n переходом и каналом p-типа (рис. 1.90).

Перейдем к характеристике, соответствующей условию uzi = 0. В так называемой линейной области (uis <4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области почти прямые веерообразные от начала координат) . Определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, может использоваться в качестве линейного управляемого сопротивления.

Абрамян Евгений Павлович, доцент кафедры электротехники, ул. Дальнейшее повышение напряжения приводит к очень незначительному увеличению тока ic, так как при повышении напряжения блокируется область, в которой канал удельное сопротивление высокое) расширяется. При этом сопротивление разрядника исток-сток постоянному току увеличивается, а ток ic практически не меняется.

Ток стока в области насыщения при uzi = 0 и заданном напряжении uis называется начальным током стока и обозначается начальным iñ. Для рассматриваемых характеристик ic init = 5 мА при uis = 10 В. Для транзистора типа KP10ZL минимальное значение тока ic составляет 1,8 мА, а максимальное — 6,6 мА. При uis> 22 В происходит пробой pn перехода и начинается быстрое увеличение тока.

Теперь кратко опишем работу транзистора при различных напряжениях узи. Чем выше заданное напряжение uzi, тем тоньше канал до подачи напряжения uis и тем ниже характеристика.

легко видеть, что в области стока напряжение на pn переходе равно сумме uzi + uis. Следовательно, чем выше напряжение uzi, тем ниже напряжение uis, соответствующее началу неисправности.

Когда uzi = 3 В, канал блокируется областью pn перехода еще до приложения напряжения uis. В этом случае перед повреждением выполняется условие ic = 0, поэтому uzi = 3 В. Для рассматриваемого типа транзистора минимальное напряжение отключения составляет +2 В, а максимальное напряжение составляет +5 В. Эти значения соответствуют при условии ic = 10 мкА. Это так называемый остаточный ток стока, который обозначается ic da. Полевой транзистор характеризуется следующими ограничивающими параметрами (значение которых понятно из обозначений): uis max, uzmax, Pmax.

Для транзистора КП10ЗЛ uismax = 10 В, uzsmax = 15 В, Pmax = 120 мВт (все при t = 85 ° C).

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключаем к транзистору напряжение между стоком и истоком Усси любой полярности. Оставьте шторку выключенной (Uzi = 0). В результате по каналу будет протекать ток Ici, представляющий собой поток электронов.

Затем подключите отрицательное напряжение к затвору по отношению к источнику. В канале появится поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из области канала к подложке. Количество электронов в канале уменьшится, его сопротивление увеличится, а ток Ii уменьшится. По мере увеличения отрицательного напряжения затвора ток уменьшается. Такое состояние работы транзистора называется режимом исчерпания.

Если вы подключите к затвору положительное напряжение, возникающее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расширится, его проводимость увеличится и ток Iсi увеличится. Транзистор перейдет в режим обогащения.

Как видим, МОП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах: в режиме истощения и в режиме обогащения.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные транзисторы во многих приложениях. Они наиболее широко используются в интегральных схемах, таких как ключи (электронные переключатели)

Главные преимущества полевых транзисторов

• Из-за высокого входного импеданса схема полевого транзистора потребляет очень мало энергии, так как она практически не потребляет входной ток.
• Текущий коэффициент усиления полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно более высокая помехозащищенность и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора схема управления со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• В полевых транзисторах скорость перехода между проводящим и непроводящим состояниями тока на порядок выше. Следовательно, они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

• Полевые транзисторы имеют большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда устройство находится в открытом состоянии.
• Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при более низкой температуре (150 ° C), чем структура биполярных транзисторов (200 ° C).
• Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют гораздо меньше энергии, чем биполярные транзисторы, ситуация кардинально меняется при работе на высоких частотах. На частотах выше примерно 1,5 ГГц энергопотребление полевых МОП-транзисторов начинает экспоненциально расти. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на «многоядерность».

• При производстве мощных МОП-транзисторов в их структуре появляется «паразитный» биполярный транзистор. Чтобы нейтрализовать его влияние, подложку замыкают накоротко с источником. Это эквивалентно замыканию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда не достигнет напряжения, необходимого для открытия (для того, чтобы PN-переход внутри устройства начал проводить ток, требуется примерно 0,6 В).

  

  Однако при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора паразитный транзистор может случайно открыться, что приведет к отказу всей схемы.

• Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку диэлектрический изолирующий слой на затворе очень тонкий, иногда даже относительно низкого напряжения достаточно, чтобы его разрушить. А разряды статического электричества, которые встречаются практически в любой среде, могут достигать нескольких тысяч вольт.

  Поэтому они пытаются создать внешние корпуса полевых транзисторов таким образом, чтобы минимизировать возможность возникновения нежелательных напряжений между электродами устройства. Один из таких методов — замкнуть источник на подложку и заземлить их. Кроме того, в некоторых моделях используется специально интегрированный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (микросхемами), состоящими в основном из полевых транзисторов, рекомендуется использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используется антистатическая вакуумная упаковка

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Полевой транзистор. Часть 1. Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET

Биполярный транзистор.

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом

В полевых транзисторах с управляющим pn переходом управление током транзистора достигается изменением поперечного сечения канала путем изменения площади, занимаемой этим переходом. Управляющий pn-переход образован между каналом и затвором, который состоит из полупроводников с противоположными типами проводимости. Следовательно, если канал образован полупроводником типа p, то затвор образован полупроводником p-типа. Напряжение между затвором и истоком всегда инвертировано, например, pn-транзитный блок. Напомним, что при приложении напряжения обратной полярности площадь, занимаемая pn переходом, увеличивается. В этом случае область, лишенная носителей заряда, также расширяется, а это означает, что область канала, через которую может протекать ток, сужается. Кроме того, чем больше значение напряжения блокировки, тем больше площадь, занимаемая pn переходом, и тем меньше сечение и проводимость канала.

Материал в теме: устройство сопротивления сдвигу.

Как и в случае с биполярными транзисторами, выходные характеристики используются для описания работы полевых транзисторов. Выходная характеристика транзистора с нулевым эффектом — это зависимость тока стока Ic от напряжения между стоком и истоком при фиксированном напряжении между затвором и истоком. В отличие от биполярного транзистора, работу транзистора с нулевым эффектом также можно описать прямой зависимостью выходного параметра — тока стока на входе — управляющего напряжения между затвором и истоком. В зависимости от температуры эти характеристики меняются незначительно. Напряжение UZI, при котором канал полностью закрыт (IC = 0), называется напряжением отсечки Uotc. Управляющее воздействие заслонки характеризуется крутизной, которую можно определить по выходным характеристикам (см. Рис. 1.15, г):

S = ΔIс / ΔUZI, при USI = const.

Поскольку управляющий pn-переход всегда заблокирован, полевые транзисторы практически не имеют входного тока. Благодаря этому они имеют очень высокое входное сопротивление и практически не потребляют мощность от источника управляющего сигнала. Это свойство распространяется не только на транзисторы с управляющим pn переходом, но и на все полевые транзисторы, что выгодно отличает их от биполярных.

Графический анализ схем с полевыми транзисторами.

Для лучшего понимания принципа работы схем с полевыми транзисторами полезно провести графический анализ одного из них (рис. 1.91).

Пусть Ec = 4 B; Определяем, в каких пределах будет изменяться напряжение uvap при изменении напряжения uzi от 0 до 2 В.

В графическом анализе используется тот же подход, что и для анализа схем с биполярными диодами и транзисторами. Для рассматриваемой схемы, где напряжение между затвором и истоком равно напряжению источника напряжения узи, нет необходимости строить линию нагрузки для входной цепи. Линия нагрузки выходной цепи задается выражением Ес = iс · Rс + uis. Строим нагрузочную линию по выходным характеристикам транзистора, показанным на рис. 1.92.

Из рисунка следует, что при указанном выше изменении напряжения u напряжение uis будет изменяться в диапазоне от 1 до 2,6 В, что соответствует смещению начальной рабочей точки из точки A в точку B ток он изменится от 1,5 до 0,7 мА.

Васильев Дмитрий ПетровичПрофессор электротехники Санкт-Петербургского государственного педагогического университета Задать вопрос Характеристика стоковой двери — это зависимость вида iñ = f (uzi) | uis = const, где f — функция.

Такие функции не предоставляют принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда пользоваться ими удобнее. Опишем характеристики последовательного затвора для транзистора КП10ЗЛ (рис. 1.93).

Для некоторых транзисторов устанавливается максимально допустимое отрицательное напряжение (по модулю) uzi, например, для транзистора 2П103Д это напряжение не должно превышать 0,5В по абсолютной величине.

Распространённые типы полевых транзисторов

В настоящее время в радиооборудовании выделяют два основных типа ТП: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Опишем каждое изменение более подробно.

Управляющий p-n-переход

Эти полевые транзисторы представляют собой удлиненный полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими проводниками служат стоком и истоком. Функцию затвора выполняет небольшая область обратной проводимости, встроенная в центральную часть кристалла. Как и сток и исток, затвор снабжен металлическим тросиком.

Электронно-дырочный pn переход в таких полевых транзисторах называется управляющим, поскольку он напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

Изолированный затвор

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанного выше полевого транзистора с управляющим pn переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на определенном расстоянии друг от друга заделаны две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора выполняет металлический вывод, который отделен от кристалла диэлектрическим слоем и, следовательно, не вступает с ним в электрический контакт.

В связи с тем, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов: металл, диэлектрик и полупроводник, эти радиокомпоненты часто называют МДП-транзисторами. В элементах, сформированных в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, после чего буква «D» в аббревиатуре заменяется на «O» и такие компоненты называются МОП-транзисторами.

Полевой транзистор на схеме.

Эти полевые транзисторы бывают двух типов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. В первом нет физического канала и он возникает только в результате действия электрического поля, исходящего от затвора, на подложку. Во-вторых, канал между истоком и стоком физически встроен в подложку, и напряжение затвора требуется не для формирования канала, а только для управления его характеристиками. Преимущество схемы IGBT FET перед транзисторами с pn переходом заключается в его более высоком входном импедансе.

Это расширяет возможности использования этих элементов. Например, они используются в высокоточных устройствах и другом оборудовании, ответственном за электрические режимы. Благодаря своим конструктивным особенностям полевые МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает вас соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодетелями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать заземленную паяльную станцию, а кроме того, лицо, выполняющее пайку, также должно быть заземлено. Даже статическое электричество малой мощности может повредить полевой транзистор.

Классификация транзисторов.