Что такое полевой транзистор

4. Полевые транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

4.1. Полевой транзистор с p-n переходом

4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор)

4.1. Полевой транзистор с p-n переходом

В полевых транзисторах, управление потоком основных носителей заряда осуществляется в области полупроводника, называемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помощью электрического поля. Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, через который в n канал втекают основные носители; сток, через который они вытекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования поперечного сечения канала.

В настоящее время существует множество типов полевых транзисторов, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные. Преимуществом полевых транзисторов является также и то, что ассортимент полупроводниковых материалов для их изготовления значительно шире (так как они работают только с основными носителями заряда), благодаря чему возможно создание, например, температуроустойких приборов.

Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов.

Рисунок 4.1

На рисунке 4.1 приведена схема включения полевого транзистора. Во входную цепь включен источник обратного смещения UЗИ на p-n переходе между затвором и каналом.

Выходная цепь состоит из источника постоянного напряжения UСИ плюсом соединенного к стоку. Исток является общей точкой схемы. Контакты истока и стока невыпрямляющие.

Канал может иметь электропроводимость как p-типа, так и n-типа; поскольку m n>m p выгоднее применять n-канал. Затвор выполняют в виде полупроводниковой области p+-типа.

Полевой транзистор работает следующим образом. При отсутствии напряжения на входе основные носители заряда — электроны под действием ускоряющего электрического ноля в канале (E = 105¸ 104 В/см) дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток IС, создаваемый этими электронами, определяется как напряжением стока UСИ, так и сопротивлением канала.

Последнее зависит от поперечного сечения канала, которое ограничивается p-n переходом (заштрихованная область). Поскольку потенциал электрического поля линейно возрастает от истока к стоку вдоль канала, толщина p-n перехода минимальна вблизи истока и максимальна вблизи стока, и канал сужается вдоль p-n перехода от стока к истоку.

Таким образом, наибольшим сопротивлением канал обладает в наиболее узкой своей части.

Если в результате подачи к затвору переменного напряжения сигнала результирующее обратное напряжение на затворе UЗИ повысятся, то толщина p-n перехода по всей его длине увеличится, а площадь сечения канала и, следовательно, ток в цепи стока уменьшаются. На рисунке 4.2,а изображена характеристика прямой передачи IС =f(UЗИ).

Указанный эффект будет тем сильнее, чем больше удельное сопротивление материала полупроводника, поэтому полевые транзисторы выполняют из высокоомного материала. При больших обратных напряжениях на затворе UЗИ0 сечение канала в его узкой части станет равным нулю и ток через канал прекратится. Такой режим называется режимом отсечки.

Характеристика прямой передачи хорошо описывается формулой

(3.40)

Па рисунке 4.2,б изображено семейство статических выходных характеристик IС =f(UСИ) при различных значениях напряжения затвора UЗИ. Каждая характеристика имеет два участка — омический (для малых UСИ) и насыщения (для больших UСИ).

При UЗИ = 0 с увеличением напряжения UС ток IС вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома; ток IС начинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и потенциала вдоль канала.

Вследствие этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала, а также замедляется возрастание самого тока IС. При напряжении насыщения UСИ = UЗИ0 сечение канала приближается к нулю и рост IС прекращается.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора U¢ ЗИ, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях UСИ будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит раньше (при меньших значениях U¢ СИ=UЗИ0 -U¢ ЗИ).

Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна S уменьшается с увеличением температуры.

Кроме того, с повышением температуры увеличивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток IЗ черед переход и, следовательно, уменьшается RВХ.

У полевых кремниевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые, 10°С.

Особенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки, т. е. точки, в которой ток стока практически постоянен при различных температурах (рисунок 4.3). Это объясняется следующим образом.

При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителей удельная проводимость канала уменьшается, а следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина p-n перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Первое сказывается при больших токах стока, второе при малых.

Эти два противоположных процесса при определенном выборе рабочей точки могут взаимно компенсироваться. При правильном выборе ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи затвора.

С изменением тока затвора в зависимости от температуры будет изменяться падение напряжения по входной цепи, которое изменит рабочий ток стока.

Рисунок 4.3

Основным параметрам, используемым при расчете усилительного каскада с полевым транзистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т. е. отношение изменения тока стока к напряжению между затвором и истоком:

Дифференциальное выходное сопротивление здесь определяется как

, Ом, .

Оно составляет, примерно десятки — сотни килоомов. Статический коэффициент усиления по напряжению m =D UСИ/D UЗИ =S× Ri .

Междуэлектродные емкости затвор-исток СЗИ затвор-сток СЗС и сток-исток ССИ. Для маломощных транзисторов СЗИ=3 пФ, СЗС=2 пФ и ССИ=0,2 пФ.

Ток затвора во входной цепи триода IЗ —обратный ток, создаваемый неосновными носителями через p-n переход, чрезвычайна мал (порядка 10-9 А и менее). Поэтому входное сопротивление полевого транзистора RВХ=D UЗ/D IЗ очень высокое (порядка нескольких мегомов), входная же емкость мала, так как переход находится под обратным напряжением.

Этими качествами полевой транзистор выгодно отличается от биполярных транзисторов с двумя p-n переходами. При работе полевого транзистора на высоких частотах основное значение имеет емкость СЗИ. Максимальная рабочая частота определяется постоянной времени входной цепи f=1/2p RCЗИ, где R — сопротивление канала, через которое заряжается емкость.

Анализ показывает, что по частотным свойствам полевой транзистор не имеет особых преимуществ перед биполярным. Практически были осуществлены полевые транзисторы с максимальной частотой генерации до 30 ГГц.

Но с точки зрения быстродействия полевой транзистор превосходит биполярный, так как работает на основных носителях заряда при отсутствии их накопления.

В импульсном режиме чрезвычайно полезным достоинством полевого транзистора является почти полное отсутствие остаточного напряжения и цепи канала во включенном состоянии. Закрытый полевой транзистор оказывает сопротивление постоянному току между стоком и истоком более 108 Ом.

Полевые транзисторы с p-n переходом целесообразно применять во входных устройствах усилителей при работе от высокоомного источника сигнала, в чувствительной по току измерительной аппаратуре, импульсных схемах, регуляторах уровня сигнала и т. п.

4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор)

Этот транзистор имеет структуру металл — диэлектрик — полупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом (рисунок 4.4,а) и с встроенным каналом (рисунок 4.4,б). Если основой транзистора является кремний, то диэлектриком может быть слой окиси кремния, поэтому такую структуру иногда называют МОП-транзистор (металл — окисел — полупроводник).

Транзистор с индуцированным каналом имеет области истока n+ и стока n+, которые выведены путем металлизации через отверстие в окиси кремния на контакты — исток и сток. На слой двуокиси окиси кремния напыляют слой алюминия, служащий затвором.

Можно считать, что алюминиевый затвор и полупроводниковый материал p-типа образуют плоский конденсатор с окисным диэлектриком, Если на металлическую часть затвора подать положительное напряжение, то положительный заряд обкладки затвора индуцирует соответствующий отрицательный заряд в полупроводниковой области канала.

С возрастанием положительного напряжения этот заряд, созданный притянутыми из глубины p-области проводника электронами, которые являются неосновными носителями, превращает поверхностны слой полупроводника p-типа в проводящий канал n-типа, соединяющий исходные n+-области истока и стока. Поэтому уменьшается сопротивление материала между истоком и стоком, что ведет к увеличению тока стока.

Таким образом, благодаря электростатической индукции между истоком и стоком происходит инверсия типа проводимости полупроводника. Слой полупроводника p-типа превращается в полупроводник n-типа. До инверсии сопротивление между истоком и стоком определяется сопротивлением закрытого перехода, так как до инверсии имеет место структура n+-р-n+.

После инверсии образуется n-проводимость и структура становится n+-n-n+. Меняя напряжение на затворе, можно управлять током стока. Если взять подложку n-типа, то можно построить МДП-транзистор с индуцированным p-каналом, который управляется отрицательным напряжением на затворе.

Транзистор с встроенным каналом имеет конструкцию, подобную предыдущей. Между истоком и стоком методом диффузии создают слаболегированный канал c проводимостью n—типа при проводимости подложки p-типа. Возможно другое сочетание. Канал имеет проводимость p-типа, а подложка — проводимость n-типа.

В отсутствие напряжения на затворе ток между истоком и стоком определяется сопротивлением n—канала. При отрицательном напряжении на затворе концентрация носителей заряда и канале уменьшится и в нем появляется обедненный слой. Сопротивление между истоком и стоком увеличивается и ток уменьшается.

При положительном напряжении на затворе ток стока увеличивается, потому что в канале индуцируется дополнительный отрицательный заряд, увеличивающий его проводимость.

На рисунке 4.4 приведены характеристики прямой передачи МДП-транзисторов с ндуцированным (кривая 2) и встроенным (кривая 1) каналами. Из рисунка видна квадратичность передаточной характеристики. Теоретически характеристика прямой передачи описывается следующим выражением:

при . ( 3.41 )

Здесь А — постоянный коэффициент; UЗИ ПОР — напряжение, которое для транзистора с индуцированным каналом принято называть пороговым. Инверсия типа проводимости начинается лишь при достижении напряжения UПОР.

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рисунке 4.5,а со встроенным каналом — на рисунке 4.5,б.

Рисунок 4.4

В области UCИ < |UЗИ - UЗИ ПОР | теоретический ток стока

. ( 3.42 )

Уравнение описывает восходящие ветви выходной характеристики. Входное сопротивление МДП-транзистора из-за наличия изолятора между затвором и каналом составляет около 1012 — 1014 Ом и уменьшается с ростом частоты вследствие шунтирования входной емкостью транзистора. Выходное сопротивление находится в пределах десятков — сотен килоомов. Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость — десятые доли пикофарады.

Рисунок 4.5

Источник: https://siblec.ru/radiotekhnika-i-elektronika/fizicheskie-osnovy-elektroniki/4-polevye-tranzistory

Полевой транзистор

Полевые транзисторы — специальный класс транзисторов, которые могут использоваться в качестве выключателей, регуляторов тока или усилителей. Полевой транзистор, отличается от обычного транзистора тем, что ток в нем двигается не пересекая P-N перехода.

Величиной тока можно управлять путем регулировки затворного потенциала, подаваемого через этот переход. Существует две основные разновидности полевых транзисторов: полевые транзисторы с затвором на основе перехода и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевой транзистор Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Полевой транзистор с затвором на основе перехода

Полевой транзистор с затвором на основе перехода состоит из канальной области (канала) и затвора. Когда он работает, то ток протекает через канал от клеммы истока к клемме стока.

Канал изготовлен из материала n-типа, а затвор — из материала p-типа. Полевые транзисторы с затвором на основе перехода подобного типа называются полевыми транзисторами с затвором на основе перехода с каналом n-типа.

На блок-схеме, показанной на рисунке ниже материал p-типа присоединен с обеих сторон к каналу. Однако во многих транзисторах с каналом n-типа этот материал p-типа бывает обернут вокруг канала сплошным кольцом, образуя, тем самым единый, неразрывный p-n переход.

Принципы работы данного прибора в основном те же самые, несмотря на методы, использованные в его конструкции.

Схема полевого транзистора с затвором на основе перехода

Потенциал на затворе определяет проводимость на пути от истока до стока указанного транзистора. Затворный потенциал полевого транзистор с затвором на основе перехода, всегда имеет обратное смещение, чтобы снижать до минимума ток, протекающий через переход. Когда переход имеет обратное смещение, то током, протекающим по каналу, можно управлять с помощью изменения размеров обедненной области.

Большие значения потенциала обратного смещения вызывают расширение обедненной области, что ограничивает ток, протекающий по каналу. И наоборот, с помощью уменьшения потенциала обратного смещения, и, тем самым, сокращения размеров обеденной области, создается возможность для протекания большего тока от истока к стоку.

Состояние обратного смещения гарантирует, что никакой ток не течет самостоятельно через p-n переход.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются от полевых транзисторов с затвором на основе перехода как по своей конструкции, так и по принципу работы.

Обычно в полевых транзисторах с изолированным затвором, как это видно из их названия, затвор изолируется от основного корпуса транзистора тонким слоем окиси металла или каким-нибудь другим изолирующим материалом.

Транзисторы этого типа, в которых в качестве изолятора использована окись металла, часто называют полевыми транзисторами со структурой металл-оксид-полупроводник.

Изоляция затвора в этих транзисторах от их основной части обеспечивает им двойное преимущество по сравнению с полевыми транзисторами с затвором на основе перехода.

Одно из этих преимуществ заключается в том, что подобная изоляция предотвращает движение тока через затвор независимо от полярности, подаваемого на затвор потенциала.

А это, в свою очередь, создает второе преимущество, которое состоит в том, что эти транзисторы могут действовать постоянно, независимо от того подается ли на затвор положительный или отрицательный потенциал.

Схема полевого транзистора с изолированным затвором

Источник: https://kipiavp.ru/pribori/polevoy-tranzistor.html

Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор

Развитие мощных полевых транзисторов носит беспрецедентный характер.

С 70-х годов, когда в СССР были созданы, детально изучены и запущены в серию первые в мире мощные полевые транзисторы, эти приборы превратились из маломощных «недоносков» с высоким входным сопротивлением, во всем остальном уступающих биполярным транзисторам, в мощные приборы с уникально малым (до 0,001 Ом) сопротивлением во включенном состоянии, рабочими токами до 400 А и выше и рабочими напряжениями от десятков до 1200 В.

Приборы имеют высокие динамические показатели и по существу являются специализированными мощными СБИС. Ныне в мире выпускаются многие тысячи типов мощных полевых транзисторов и силовых интегральных схем на их основе. Данный аналитический обзор описывает развитие этих приборов и отражает взгляд автора, принимавшего прямое участие в исследованиях, разработках, внедрении и популяризации этих приборов.

«Доисторические» времена

Каждый современный полупроводниковый прибор наследует свойства своих предшественников, так что грамотный специалист должен учитывать при выборе приборов для построения электронных устройств. В полной мере это относится к крупному классу полупроводниковых приборов — мощным силовым (ключевым) полевым транзисторам. Тем более что некоторые «старые» устройства в ряде применений (например, в сверхскоростных импульсных устройствах) могут превосходить современные.

В конце 20-х годов XX в. Дж. Е. Лилиенфельд подал в США и в Канаде заявку на патент, в котором было предложено управление электрическим током в образце путем воздействия на него поперечного электрического поля. Реализовано устройство не было. Лишь в 1948 г.

Шокли и Пирсон, применив образец из полупроводника, экспериментально подтвердили принципиальную возможность этого способа, но создать прибор они также не смогли. Лишь в 1952 г. Шoкли описал униполярный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.

Он изменял толщину канала внутри образца из полупроводникового материала, что сняло проблемы, связанные с захватом носителей ловушками на поверхности канала.

В 1960 г. Канг и Аталла предложили использовать для построения полевого транзистора структуру металл–окисел–полупроводник.

На ее основе были созданы MOS (или МОП) полевые транзисторы, у нас часто именуемые MДП-транзисторами (металл–диэлектрик–полупроводник). Изначально это были одиночные дискретные приборы с очень высоким входным сопротивлением (сотни мегаом и выше).

Они имели встроенный (нормально открытые приборы) или индуцированный (нормально закрытые приборы) канал n- или p-типа (рис. 1).

Рис. 1. Обозначения полевых транзисторов: а) с управляющим p-n-переходом; б) МДП с встроенным каналом (нормально открытые); в) с индуцированным каналом (нормально закрытые)

Первые полевые транзисторы были маломощными приборами — рассеиваемая мощность до 100–150 мВт [1]. Их рабочие токи не превышали 10–20 мА, максимальные напряжения на стоке 15–20 В, а времена переключения — доли микросекунды. Сопротивление включенного прибора составляло сотни Ом. Таким образом, на роль силовых приборов они явно не претендовали.

В 1964 г. Зулиг и Тешнер в своих статьях высказали идею о возможности повышения мощности полевых транзисторов путем увеличения числа каналов. Был ясен и другой путь — увеличение ширины канала. Оба варианта в дальнейшем были реализованы на основе микроэлектронных технологий.

Успешное вчера

В 70-х годах XX в. различные типы мощных полевых транзисторов (рис. 2) получили бурное развитие. Окснер в своей книге, в переводе выпущенной в 1985 г. [2], утверждал, что первые промышленные образцы мощных полевых транзисторов появились в 1976 г. Но он не учитывал пионерские работы в СССР, выполненные еще в начале 70-х и отраженные в крупных отраслевых обзорах [3–8], научных статьях [9–21 и др.] и книгах [22, 23].

Рис. 2. Классификация мощных полевых транзисторов

Первые серийные мощные полевые транзисторы были созданы в НИИ «Пульсар» (лаборатория Бачурина В. В.) еще в самом начале 70-х годов прошлого века. В 1974 г. советские серийные мощные полевые транзисторы КП901 (с током стока до 2 А и максимальным напряжением до 65 В) вызывали сенсацию в мире и были удостоены золотой медали на всемирной выставке-ярмарке в Лейпциге.

Эти приборы были с одним горизонтальным каналом сложной структуры (затвор большой ширины в виде змейки) с высокоомным язычком в области стока (рис. 3), позволившим увеличить максимальные рабочие напряжения на стоке до 60–100 В и получить малые емкости (особенно входную).

Вскоре появились самые мощные из этих приборов — транзисторы КП904 [12] с рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А и отдаваемой на частоте 60 МГц мощностью до 50 Вт. Менее мощные транзисторы КП902 легко обеспечивали уникально малые времена переключения около 1 нс.

Рис. 3. Горизонтальная структура первых советских мощных МДП-транзисторов

Появление именно этих транзисторов не случайно. Это было время, когда в мире вовсю разыгралась холодная война, тучи самолетов и полчища танков и бронемашин участвовали в многочисленных локальных войнах и крупных военных учениях. Каждый танк или самолет имел радиостанцию.

Уровень взаимных помех и наводок от них был столь высок, что радиостанции на биполярных транзисторах в условиях их скученности на местности и поле боя оказались почти неработоспособными.

Полевые транзисторы с их малыми интермодуляционными искажениями обещали устранение этого недостатка.

В комплексном исследовании новых приборов (как отечественных, так и позже зарубежных) и в дальнейших их разработках приняли участие сотрудники кафедры промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ под руководством автора данной статьи.

Ранее кафедра детально изучала лавинный режим работы биполярных транзисторов и лавинные транзисторы и внесла известный вклад в создание сверхскоростных импульсных устройств на них [24–26].

Это положительно сказалось на результатах исследования полевых транзисторов и позволило нам обосновать перспективность импульсных и ключевых приборов этого типа [6–10].

Было показано, что многие сильноточные полупроводниковые приборы с инжекционным механизмом управления током (биполярные транзисторы и тиристоры) не могут похвастать хорошими динамическими параметрами из-за медленного механизма инжекции, явления накопления в структуре избыточных зарядов неосновных носителей, расширения базы и падения рабочих частот с ростом тока эмиттера (эффект Кирка) и влияния больших емкостей переходов. Все это ведет к большим временам включения таких приборов. А рассасывание избыточных зарядов приводит к появлению значительных задержек их выключения.

Исследование уже первых советских мощных МДП-транзисторов выявило их уникальные возможности в импульсном (ключевом) режиме [4–9].

Были реально получены времена переключения порядка 1 нс (порою и меньше), причем, как при их включении, так и при выключении. Эти показатели являются рекордными по сей день и перекрыты лишь мощными арсенид-галлиевыми полевыми транзисторами.

Отсутствие явлений накопления избыточных зарядов неосновных носителей при включении приборов исключало большую задержку выключения.

Мощные МДП-транзисторы были предложены нами как перспективный тип силовых полупроводниковых приборов, хотя их разработки шли вразрез с линией тогдашнего ВПК на развитие приборов для радиопередатчиков. В 1978 г.

мы получили авторское свидетельство СССР на побистор (биполярный транзистор, управляемый от V-MДП-транзистора) [20]. По сути дела, это был первый IGBT.

Стоит отметить, что указанные исследования проводились задолго до появления серийных мощных силовых полевых транзисторов и были экспериментально подтверждены многими уникальными разработками в области схемотехники этих приборов.

Приборы с двойной диффузией и вертикальным каналом

В те далекие времена получение полевых транзисторов с длиной затвора L менее 5 мкм было трудно решаемой технологической проблемой. В то же время уже тогда существующая диффузионная технология позволяла получать тонкие (1 мкм и меньше) слои полупроводника.

Применяя метод двойной диффузии, удалось создать мощные МДП-транзисторы с коротким каналом и слоями металлизации по обе стороны полупроводниковой пластины (рис. 4). Это улучшило теплоотвод и позволило уменьшить сопротивление сток–исток Rси включенного прибора.

Во второй половине 70-х годов появились первые приборы с токами в десятки ампер и Rси

Источник: https://power-e.ru/components/moshhnye-polevye-tranzistory-istoriya-razvitie-i-perspektivy-analiticheskij-obzor/

Транзистор полевой

В современной цифровой электронике, транзисторы работают, как правило — в ключевом (импульсном) режиме: открыт-закрыт. Для таких режимов оптимально подходят – полевые транзисторы. Название «полевой» происходит от «электрическое поле». Это значит, что они управляются полем, которое образует напряжение, приложенное к управляющему электроду. Другое их название – униполярный транзистор.

Так подчеркивается, что используются только одного типа носители заряда (электроны или дырки), в отличии от классического биполярного транзистора. «Полевики» по типу проводимости канала и типу носителей бывают двух видов: n-канальный – носители электроны и p-канальный – носители дырки. Транзистор имеет три вывода: исток, сток, затвор.

исток (source) — электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, источник носителей. В традиционной схеме включения, цепь истока n-канального транзистора подключается к минусу питания, p-канального — к плюсу питания.

сток (drain) — электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда. В традиционной схеме включения, цепь стока n-канального транзистора подключается к плюсу питания, p-канального — к минусу питания.

затвор (gate) —  управляющий электрод, регулирует поперечное сечения канала и соответственно ток протекающий через канал. Управление происходит напряжением между затвором и истоком – Vgs.

Полевые транзисторы бывают двух основных видов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. С изолированным затвором делятся на: с встроенным и индуцированным каналом. На рис.1  изображены типы полевых транзисторов и их обозначения на схемах.

Рис.1. Типы полевых транзисторов и их схематическое обозначение.

«Полевик» с изолированным затвором и индуцированным каналом

Нас интересуют транзисторы Q5 и Q6. Именно они используются в цифровой и силовой электронике. Это полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Их называют МОП (метал-оксид-полупроводник) или МДП (метал-диэлектрик-полупроводник) транзисторами. Английское название MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor).

Таким названием подчеркивается, что затвор отделен слоем диэлектрика от проводящего канала. Жаргонные названия: «полевик», «мосфет», «ключ».

Индуцированный канал — означает, что проводимость в нем появляется, канал индуцируется носителями (открывается транзистор) только при подаче напряжения на затвор.

В отличии от транзисторов Q3 и Q4 которые тоже МОП транзисторы, но со встроеным каналом, канал всегда открыт, даже при нулевом напряжении на затворе.

Схематически, разница между этими двумя типами транзисторов на схемах обозначается сплошной (встроенный) или пунктирной (индуцированный) линией канала. Другое название индуцированного канала – обогащенный, встроенного – обеднённый.

Обратный диод

Технология изготовления МОП транзисторов такова, что образуются некоторые паразитные элементы, в частности биполярный транзистор, включенный параллельно силовым выводам. См. рис.2.

Он оказывает негативное влияние на характеристики транзистора, поэтому технологической перемычкой замыкают вывод истока с подложкой (замыкают переход: база-эмиттер, паразитного транзистора), а оставшийся переход: коллектор-база, образует диод, включенный параллельно стоку-истоку, в направлении обратном протеканию тока (в классической схеме включения).

Параметры этого диода производители уже могут контролировать, поэтому он не оказывает существенного влияния на работу транзистора. И даже наоборот, его наличие специально используется в некоторых схематических решениях.

Именно этот диод (стабилитрон) обозначается на схематическом изображении МОП транзистора, а технологическая перемычка показана стрелкой соединенной с истоком. Существуют и транзисторы без технологической перемычки, на их условном обозначения нет стрелкой.

В зависимости от модели транзистора, диод может быть, как и штатный – паразитный, низкочастотный, так и специально добавленный, с заданными характеристиками (высокочастотный или стабилитрон). Это указывается в документации к транзистору.

Рис.2. Паразитные элементы в составе полевого транзистора.

 Основные преимущества MOSFET

• меньшее потребление, высокий КПД. Транзисторы управляются напряжением, и в статике не потребляют ток управления.
• простая схема управления.  Схемы управления напряжением более просты, чем схемы управления током.
• высокая скорость переключения. Отсутствуют неосновные носители. Следовательно не тратится время на их рассасывание. Частота работы сотни и тысячи килогерц
• повышеная теплоустойчивость. С ростом температуры растет сопротивление канала, следовательно понижается ток, а это приводит к понижению температуры. Происходит саморегуляция.

Основные характеристики MOSFET

• Vds(max) – максимальное напряжение сток-исток в закрытом состоянии транзистора
• Rds(on) – активное сопротивление канала в открытом состоянии транзистора. Этот параметр указывают для определенных значений Vgs 10В или 4.5В  или 2.5 В при которых сопротивление становится минимальным.
• Vgs(th) –  пороговое напряжение при котором транзистор начнет открываться. 
• Ids – максимальный постоянный ток через транзистор.
• Ids(Imp) – импульсный (кратковременный) ток, который выдерживает транзистор.
• Ciss, Crss, Coss – емкость затвор-исток (input), затвор-сток (reverse), сток-исток(output).
• Qg – заряд который необходимо передать затвору для переключения.
• Vgs(max) – максимальное допустимое напряжение затвор-исток.
• t(on), t(of) – время переключения транзистора.
• характеристики обратного диода сток-исток ( максимальный ток, падение напряжения, время восстановление)

Что еще нужно знать про полевой транзистор?

P-канальные транзисторы имеют хуже характеристики чем N-канальные. Меньше рабочая частота, больше сопротивление, больше площадь кристалла. Они реже используются и выпускаются в меньшем ассортименте. 

МОП транзистор — потенциальный прибор и управляется напряжением (потенциалом), затвор отделен слоем диэлектрика , по сути это конденсатор и через него не протекает постоянный ток, поэтому он не потребляет ток управления в статике, но во время переключения требуется приличный ток для заряда-разряда емкости.

МОП транзистор имеет хоть и не большое, но активное сопротивление в открытом состоянии Rds. Это сопротивление уменьшается с ростом отпирающего напряжения и становится минимальным при определенном напряжении затвор-исток, 4.5В или 10В. По сути – это резистор, сопротивление которого управляется напряжением Vgs.

Vgs – управляющее напряжение, Vg-Vs. Если измерять относительно общего минуса, то: для n канального Vgs>0, для p канального Vgs

Источник: https://www.macmachine.ru/blog/tranzistor_polevoj.html

Как проверить полевой транзистор: проверка мультиметром, не выпаивая — Станок

В этой статье я расскажу вам, как проверить полевой транзистор с изолированным затвором, то есть МОП-транзистор. Это вторая часть статьи по проверки полевых транзисторов. В первой части я рассказывал, как проверить транзистор с управляющим p-n переходом.

Да, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом уходят в прошлое, а сейчас в современных схемах применяются более совершенные полевые транзисторы с изолированным затвором. Тогда предлагаю научиться их проверять.

Но для того, что бы понять, как проверить полевой транзистор, давайте я вам в двух словах расскажу, как он устроен.

Полевой транзистор с изолированным затвором мы знаем под более привычным названием МОП -транзистор (метал -окисел-полупроводник), МДП -транзистор(метал -диэлектрик-полупроводник), либо в английском варианте MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)

Эти аббревиатуры вытекают из структуры построения транзистора. А именно.

Структура полевого MOSFET транзистора

Для создания МОП-транзистора берется подложка, выполненная из p-полупроводника, где основными носителями заряда являются положительные заряды, так называемые дырки. На рисунке вы видите, что вокруг ядра атома кремния вращаются электроны, обозначенные белыми шариками.

Когда электрон покидает атом, в этом месте образуется «дырка» и атом приобретает положительный заряд, то есть становиться положительным ионом. Дырки на модели обозначены, как зеленые шарики.

На p-подложке создаются две высоколегированные n-области, то есть области с большим количеством свободных электронов. На рисунке эти свободные электроны обозначены красными шариками.

Свободные электроны свободно перемещаются по n-области. Именно они впоследствии и будут участвовать в создании тока через МДП-тназистор.

Пространство между двумя n-областями, называемое каналом покрывается диэлектриком, обычно это диоксид кремния.

Над диэлектрическим слоем располагают металлический слой. N-области и металлический слой соединяют с выводами будущего транзистора.

Выводы транзистора называются исток, затвор и сток.

Ток в МОП-транзисторе течет от истока через канал к стоку. Для управления этим током служит изолированный затвор.

• Однако если подключить напряжение между истоком и стоком, при отсутствии напряжения на затворе ток через транзистор не потечет, потому что на его пути будет барьер из p-полупроводника.
• Если подать на затвор положительное напряжение, относительно истока, то возникающее электрическое поле будет к области под затвором притягивать электроны и выталкивать дырки.
• По достижению определенной концентрации электронов под затвором, между истоком и стоком создается тонкий n-канал, по которому потечет ток от истока к стоку.

Следует сказать, что ток через транзистор можно увеличить, если подать больший потенциал напряжения на затвор. При этом канал становиться шире, что приводит к увеличению тока между истоком и стоком.

МДП-транзистор с каналом p-типа имеет аналогичную структуру, однако подложка в таком транзисторе выполнена из полупроводника n-типа, а области истока и стока из высоколегированного полупроводника p-типа.

В таком полевом транзисторе основными носителями заряда являются положительные ионы (дырки). Для того, что бы открыть канал в полевом транзисторе с каналом p-типа необходимо на затвор подать отрицательный потенциал.

Проверка полевого MOSFET транзистора цифровым мультиметром

Для примера возьмем полевой МОП-транзистор с каналом n-типа IRF 640. Условно-графическое обозначение такого транзистора и его цоколевку вы видите на следующем рисунке.

Перед началом проверки транзистора замкните все его выводы между собой, что бы снять возможный заряд с транзистора.

Проверка встроенного диода

Для начал следует подготовить мультимер и перевести его в режим проверки диодов. Для этого переключатель режимов/пределов установите в положение с изображением диода.

В этом режиме мультиметр при подключении диода в прямом направлении (плюс прибора на анод, минус прибора на катод) показывает падение напряжения на p-n переходе диода. При включении диода в обратном направлении мультиметр показывает «1».

Итак, подключаем щупы мультиметра, как было сказано выше, в прямом включении диода. Таким образом, красный шум (+) подключаем на исток, а черный (-) на сток.

1. Мультиметр должен показать падение напряжение на переходе порядка 0,5-0,7.
2. Меняем полярность подключения встроенного диода, при этом мультиметр, при исправности диода покажет «1».

Проверка работы полевого МОП транзистора

Проверяемый нами МОП-транзистор имеет канал n-типа, поэтому, что бы канал стал электропроводен необходимо на затвор транзистора относительно истока либо стока подать положительный потенциал. При этом электроны из подложки переместятся в канал, а дырки будут вытолкнуты из канала. В результате канал между истоком и стоком станет электропроводен и через транзистор потечет ток.

• Для открытия транзистора будет достаточно напряжения на щупах мультиметра в режиме прозвонки диодов.
• Поэтому черный (отрицательный) щуп мультиметра подключаем на исток (или сток), а красным касаемся затвора.
• Если транзистор исправен, то канал исток-сток станет электропроводным, то есть транзистор откроется.
• Теперь если прозвонить канал исток-сток, то мультиметр покажет какое-то значение падение напряжения на канале, в виду того, что через транзистор потечет ток.
• Таким образом черный щуп транзистора ставим на исток, а красный на сток и мультиметр покажет падение напряжение на канале.
• Если поменять полярность щупов, то показания мультиметра будут примерно одинаковыми.
• Что бы закрыть транзистор достаточно относительно истока на затвор подать отрицательный потенциал.
• Следовательно, подключаем положительный (красный) щуп мультиметра на исток, а черным касаемся затвор.

При этом исправный транзистор закроется. И если после этого прозвонить канал исток-сток, то мультиметр покажет лишь падение напряжения на встроенном диоде.

Если транзистор управляется напряжением с мультиметра (то есть открывается и закрывается), значит можно сделать вывод, что транзистор исправен.

Проверка полевого МОП – транзистора с каналом p-типа осуществляется подобным образом. За тем исключением, что во всех пунктах проверки полярность подключения щупов меняется на противоположную.

Более подробно и просто всю методику проверки полевого транзистора я изложил в следующем видеоуроке:

Источник: https://regionvtormet.ru/instrumenty/kak-proverit-polevoj-tranzistor-proverka-multimetrom-ne-vypaivaya.html

Полевой транзистор. Устройство и основные физические процессы

Полевой транзистор является очень широко используемым активным (т. е. способным усиливать сигналы) полупроводниковым прибором. Впервые он был предложен в 1930 г.

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). В англоязычной литературе эти транзисторы называют транзисторами типа FET (Field Effect Transistor).

Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители.

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Для определенности вначале обратимся к так называемому полевому транзистору с управляющим p-n-переходом с каналом p-типа.

Устройство транзистора

Дадим схематическое изображение структуры полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа. (рис. 1.85) и условное графическое обозначение этого транзистора (рис. 1.86, а). Стрелка указывает направление от слоя pк слою n (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть меньше 1 мкм.

Удельное сопротивление слоя n(затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя p (канала), поэтому область p-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа, его условное графическое обозначение представлено на рис. 1.86, б.

Основные физические процессы

Подадим положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом p-типа: uзи> 0. Оно сместит p-n-переход в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения на p-n -переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины p-n -перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление.

Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля.

Если напряжение uзи достаточно велико и равно напряжению отсечки u зи отс, канал полностью перекрывается областью p-n-перехода.

В рабочем (не аварийном) режиме p-n-переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (iз ~ 0), а ток стока iс примерно равен току истока iи (iи = iс).Важно учитывать, что на ширину p-n-перехода и толщину канала прямое влияние может оказывать напряжение между истоком и стоком uис.

Пусть uиз = 0 (между истоком и затвором включена закоротка) и подано положительное напряжение uис (рис. 1.87).

Это напряжение через закоротку окажется поданным на промежуток затвор — сток, т. е. окажется, что uиз=uис и что p-n-переход находится под обратным напряжением.

Обратное напряжение в различных областях p -n-перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение равно величине uис . Поэтому p-n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Обычно считают, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.

Можно утверждать, что при u ис = u из отс канал полностью перекроется вблизи стока. При дальнейшем увеличении напряжения uис та область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться (рис. 1.88).

Источник: https://pue8.ru/silovaya-elektronika/839-polevoj-tranzistor-ustrojstvo-i-osnovnye-fizicheskie-protsessy.html

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N+-типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N+-типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N+ находиться область P, не пропускающая электроны.

Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока Uзи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки.

В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда Uзи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток Iси. Чем выше напряжение на затворе транзистора Uзи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток Iси растет прямопропорционально росту напряжения Uси. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток Iси практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда Uси превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

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

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (Uзи = 0). В результате через канал пойдет ток Iси, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток Iси уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток Iси увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

• Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
• Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

• У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
• Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
• Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».
• При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.
• Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

Источник: http://hightolow.ru/transistor4.php

Полевой транзистор: для чего он нужен, как его открыть, схемы

Для того чтобы быстро изменить силу тока в усилительных схемах, лампочках или электрических двигателях применяют транзисторы. Они умеют ограничивать силу тока плавно и постепенно или специальным методом «импульс-пауза». Второй способ особо часто используется при широтно-импульсной модуляции и управления.

Если используется мощный источник тока, то транзистор проводит его через себя и регулирует параметр слабым значением. Если тока маловато, то используют сразу несколько транзисторов, обладающих большей чувствительностью. Соединять в таком случае их нужно каскадным образом.

В этой статье будет рассмотрено, как открыть полевой транзистор, какой принцип работы полевого транзистора для чайников и какие обозначения выводов полевой транзистор имеет.

Что это такое

Полевой транзистор — это радиоэлемент полупроводникового типа. Он используется для усиления электросигнала. В любом цифровом приборе схема с полевым транзистором исполняет роль ключа, который управляет переключением логических элементов прибора.

В этом случае использование ПТ является очень выгодным решением проблемы с точки зрения уменьшения размеров устройства и платы.

Обусловлено это тем, что цепь управления радиокомпонентами требует не очень большой мощности, а значит, что на одном кристалле могут располагаться тысячи и десятки тысяч транзисторов.

Схема подключения электротранзистора полевого типа

Материалами, из которых делают полупроводниковые элементы и транзисторы в том числе, являются:

• Фосфид индия;
• Нитрид галлия;
• Арсенид галлия;
• Карбид кремния.

График области насыщения электротранзистора

Важно! Полевые транзисторы также называют униполярными, так как при протекания через них электротока используется только один вид носителей.

Характеристики полевого транзистора

Основными характеристики полевого транзистора являются:

• Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
• Максимально допустимая рабочая частота;
• Напряжение сток-исток;
• Напряжение затвор-сток;
• Напряжение затвор-исток;
• Максимально допустимый ток стока;
• Ток утечки затвора;
• Крутизна характеристики;
• Начальный ток стока;
• Емкость затвор-исток;
• Входная ёмкость;
• Выходная ёмкость;
• Проходная ёмкость;
• Выходная мощность;
• Коэффициент шума;
• Коэффициент усиления по мощности.

Характеристика напряженности поля заряда

Как он работает

Полевой транзистор включает нескольких составных элементов — истока (источника носителя заряда наподобие эмиттера на биполярном элементе), стока (приемника заряда по аналогии с коллектором) и затвора (управляющего электрода наподобие сетки в лампах или базы).

Работа первых двух очевидна и состоит в генерации и приеме носителя электрозаряда, среди которых электроны и дырки. Затвор же нужен в первую очередь для управления электротоком, который протекает через ПТ.

То есть, получается классического вида триод с катодом, анодом и электродом управляющего типа.

Вам это будет интересно  Определение мощности резистора

Когда происходит подача напряжения на затвор, возникает электрополе, которое изменяет ширину определенных переходов и влияет на параметр электротока, протекающего от истока к стоку. Если управляющее напряжение отсутствует, то ничто не будет препятствовать потоку носителей заряда в виде электронов.

Когда напряжение управления повышается, то канал, по которому движутся электроны или дырки, наоборот, уменьшается, а при достижении некоего предела закрывается совсем, и полевой транзистор входит в так называемый режим отсечки.

Именно эта характеристика ПТ делает возможным их применение в качестве ключей.

Подключение нагрузки к электротранзистору для его открытия

Свойства усиления электротока этого радиокомпонента обусловлены тем, что сильный электрический ток, который протекает от истока к стоку, повторяет все динамические характеристика напряжения, прикладываемого к затвору. Другим языком, с выхода этого усилителя берется абсолютно такой же по форме сигнал, как и на электроде управления, только более сильный.

Строение ПТ (униполярного транзистора) немного отличается от биполярного. А именно тем, что электричество в нем пере пересекает определенные переходные зоны. Электрозаряды совершают движение по участку регуляции, который называется затвором. Его пропускная способность регулируется параметром напряжения.

Виды электротранзисторов полевого типа с маркировкой

Важно! Пространство зон транзистора под действием электрического поля уменьшается и увеличивается. Исходя из этого изменяется количество носителей зарядов — от их полного отсутствия до переизбытка.

Для чего нужен

ПТ нужны для того, чтобы управлять выходным током с помощью создаваемого электрического поля и изменять его важнейшие параметры. Структуры, созданные на основе полевого транзистора, часто используются в интегральных схемах цифрового и аналогового вида.

n- и p-канальные электротранзисторы

Именно за счет полевого управления, эти транзисторы воздействуют на величину приложенного к их затвору напряжения. Это отличает их от биполярных транзисторов, которые управляются током, который протекает через их базу. ПТ потребляют значительно меньшее количество электроэнергии, что и определило их популярность при использовании в ждущих и следящих устройствах, а также интегральных схемах малого потребления ( при организации спящего режима).

Важно! Одними из наиболее известных устройств, основанных на действии полевых транзисторов, являются пульты управления от телевизора, наручные часы электронного типа. Эти устройства за счет своего строения и применения ПТ могут годами работать от одного крошечного источника питания в виде батарейки.

Вам это будет интересно  Особенности индуктивного сопротивления

Схематический вид электротранзистора полевого типа

Как открыть полевой транзистор

Для того чтобы полностью открыть полевой транзистор и запустить его работы в режиме ключа, напряжение базы-эмиттера должно быть больше 0,6-0,7 Вольт. Также сила электротока, текущая через базу должна быть такой, чтобы он мог спокойно протекать через коллектор-эмиттер без каких-либо препятствий. В идеальном случае, сопротивление через коллектор-эмиттер должно быть равным нулю, в реальности же оно будет иметь сотые доли Ома. Такой режим называется «режимом насыщения транзистора».

Режим насыщения элемента через транзистор

Как видно на схеме, коллектор и эмиттер находятся в режиме насыщения и соединены накоротко, что позволяет лампочке гореть «на полную».

Схема (структура)

На схеме ниже можно увидеть примерное строение транзистора полярного типа. Его выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. Схема изображает именно p канальное устройство, затвором которого является n-слой. Он имеет гораздо меньшее удельное сопротивление, чем канальная область p-слоя. Область же перехода n-p в большей степени находится в p-слое.

Схематическое изображение электротранзистора с n-p каналами

Как подключить

Все зависит от того, каким именно образом полевой транзистор будет включаться в усилительный каскад. Таких способа есть три:

• С общим истоком;
• С общим стоком;
• С общим затвором.

Схемы включения полевого электротранзистора в цепи

Их различия заключаются в том, что они используют различные электроды подаются питающим напряжением и к каким электроцепям присоединен источник сигнала и нагрузка для него.

Общий исток наиболее часто используется для достижения максимального усиления сигнала входа. Общий сток используется для устройств согласования, потому что усиление там используется небольшое, но сигналы входа и выхода аналогичны по фазе. Схема с общим затвором применяется чаще всего в усилителях высокой частоты. При таком способе подключения полоса пропускания намного шире, чем в других способах.

Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа

Таким образом, полевой транзистор это очень важный полупроводниковый радиоэлемент, который способен управлять сопротивлением канала электротока путем воздействия на него поперечного электрического поля, создаваемого напряжением затвора.

Источник: https://rusenergetics.ru/polezno-znat/polevoy-tranzistor

Определение полевого транзистора

Полевой транзистор — это прибор, обладающий четырьмя выводами: Исток, Сток, Затвор, Подложка. Управляющее напряжение прилагается между Затвором и Истоком. В большинстве случаев подложка внутри корпуса соединена с истоком, так что наружу торчат три вывода. Некоторые виды полевых транзисторов не имеют подложки (транзисторы с p-n переходом).

Вашему вниманию подборка материалов:Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Полевой транзистор имеет два режима работы: Линейный участок и участок насыщения.

Линейный участок: [Ток стока, А] = 2 * k * (([Управляющее напряжение, В] — [Пороговое напряжение, В]) * [Напряжение сток — исток, В] — 0.5 [Напряжение сток — исток, В] 2)

Участок насыщения: [Ток стока, А] = k * ([Управляющее напряжение, В] — [Пороговое напряжение, В]) 2

Пороговое напряжение (напряжение отсечки) — это некоторая абстрактная величина, для которой верно уравнение линейного участка. Можно считать, что это напряжение, при котором продолженная прямая линия линейного участка достигает нулевого тока. Обратите внимание, что это именно абстракция.

Очень распространенной ошибкой является мнение, что при управляющем напряжении, меньше порогового, проводимость отсутствует. Это не так. Гарантировать отсутствие проводимости можно только, если напряжение меньше намного (несколько вольт).

Если же оно вблизи порогового, то небольшая проводимость присутствует, но вывести разумную формулу для ее расчета возможным (да и полезным) не представляется.

Подложка образует p-n переход с полупроводниковым каналом, соединяющим сток и исток, так что напряжение на подложке не должно быть меньше (для канала типа n) / больше (для канала типа p) напряжения на истоке.

Сопротивление между затвором и истоком полевого транзистора в рабочем режиме очень высокое.

Электронный прибор с четырьмя или тремя выводами, обладающий свойствами, описанными этими формулами, мы будем называть Полевым транзистором

Обозначение и классификация (виды, типы) полевых транзисторов

Источник: https://gyrator.ru/field-effect-transistor

Полевые транзисторы. Виды и устройство. Применение и особенности

Полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами. Особенностью их является то, что ток выхода управляется электрическим полем и напряжением одной полярности.

Регулирующий сигнал поступает на затвор и осуществляет регулировку проводимости перехода транзистора. Этим они отличаются от биполярных транзисторов, в которых сигнал возможен с разной полярностью.

Другим отличительным свойством полевого транзистора является образование электрического тока основными носителями одной полярности.

Существует множество разных видов полевых транзисторов, действующих со своими особенностями

• Тип проводимости. От нее зависит полюсность напряжения управления.
• Структура: диффузионные, сплавные, МДП, с барьером Шоттки.
• Количество электродов: бывают транзисторы с 3-мя или 4-мя электродами. В варианте с 4-мя электродами подложка является отдельной частью, что дает возможность управлять прохождением тока по переходу.
• Материал изготовления: наиболее популярными стали приборы на основе германия, кремния. В маркировке транзистора буква означает материал полупроводника. В транзисторах, производимых для военной техники, материал маркируется цифрами.
• Тип применения: обозначается в справочниках, на маркировке не указан. На практике известно пять групп применения «полевиков»: в усилителях низкой и высокой частоты, в качестве электронных ключей, модуляторов, усилителей постоянного тока.
• Интервал рабочих параметров: набор данных, при которых полевики могут работать.
• Особенности устройства: унитроны, гридисторы, алкатроны. Все приборы имеют свои отличительные данные.
• Количество элементов конструкции: комплементарные, сдвоенные и т. д.

Кроме основной классификации «полевиков», имеется специальная классификация, имеющая принцип действия:

• Полевые транзисторы с р-n переходом, который осуществляет управление.
• Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
• «Полевики» с изолированным затвором, которые делятся: — с индукционным переходом;— со встроенным переходом.

В научной литературе предлагается вспомогательная классификация. Там говорится, что полупроводник на основе барьера Шоттки необходимо выделить в отдельный класс, так как это отдельная структура. В один и тот же транзистор может входить сразу оксид и диэлектрик, как в транзисторе КП 305. Такие методы применяют для образования новых свойств полупроводника, либо для снижения их стоимости.

На схемах полевики имеют обозначения выводов: G – затвор, D – сток, S – исток. Подложку транзистора называют «substrate».

Конструктивные особенности

Электрод управления полевым транзистором в электронике получил название затвора. Его переход выполняют из полупроводника с любым видом проводимости. Полярность напряжения управления может быть с любым знаком.

Электрическое поле определенной полярности выделяет свободные электроны до того момента, пока на переходе не закончатся свободные электроны. Это достигается воздействием электрического поля на полупроводник, после чего величина тока приближается к нулю.

В этом заключается действие полевого транзистора.

Электрический ток проходит от истока к стоку. Разберем отличия этих двух выводов транзистора. Направление движения электронов не имеет значения. Полевые транзисторы обладают свойством обратимости. В радиотехнике полевые транзисторы нашли свою популярность, так как они не образуют шумов по причине униполярности носителей заряда.

Главной особенностью полевых транзисторов является значительная величина сопротивления входа. Это особенно заметно по переменному току. Эта ситуация получается по причине управления по обратному переходу Шоттки с определенным смещением, или по емкости конденсатора возле затвора.

Материалом подложки выступает нелегированный полупроводник. Для «полевиков» с переходом Шоттки вместо подложки закладывают арсенид галлия, который в чистом виде является хорошим изолятором.

К нему предъявляются требования:

• Отсутствие отрицательных факторов в соединении с переходом, стоком и истоком: гистерезис свойств, паразитное управление, чувствительность к свету.
• Устойчивость к температуре во время изготовления: невосприимчивость к эпитаксии, отжигу. Отсутствие различных примесей в активных слоях.
• Минимальное количество примесей.
• Качественная структура кристаллической решетки с наименьшим количеством дефектов.

На практике оказывается трудным создание структурного слоя со сложным составом, отвечающим необходимым условиям.

Поэтому дополнительным требованием является возможность медленного наращивания подложки до необходимых размеров.

Полевые транзисторы с р-n переходом

В такой конструкции тип проводимости затвора имеет отличия от проводимости перехода. Практически применяются различные доработки. Затвор может быть изготовлен из нескольких областей. В итоге наименьшим напряжением можно осуществлять управление прохождением тока, что повышает коэффициент усиления.

В разных схемах применяется обратный вид перехода со смещением. Чем больше смещение, тем меньше ширина перехода для прохождения тока. При определенной величине напряжения транзистор закрывается.

Применение прямого смещения не рекомендуется, так как мощная цепь управления может оказать влияние на затвор. Во время открытого перехода проходит значительный ток, или повышенное напряжение.

Работа в нормальном режиме создается путем правильного выбора полюсов и других свойств источника питания, а также подбором точки работы транзистора.

Во многих случаях специально применяют непосредственные токи затвора. Такой режим могут применять и транзисторы, у которых подложка образует переход вида р-n. Заряд от истока разделяется на сток и затвор. Существует область с большим коэффициентом усиления тока. Этот режим управляется затвором. Однако, при возрастании тока эти параметры резко падают.

Подобное подключение применяется в схеме частотного затворного детектора. Он применяет свойства выпрямления перехода канала и затвора. В таком случае прямое смещение равно нулю. Транзистор также управляется затворным током. В цепи стока образуется большое усиление сигнала. Напряжение для затвора изменяется по закону входа и является запирающим для затвора.

Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:

• Постоянная величина. Не применяется.
• Сигнал несущей частоты. Отводится на заземление с применением фильтров.
• Сигнал с модулирующей частотой. Подвергается обработке для получения из него информации.

В качестве недостатка затворного детектора целесообразно выделить значительный коэффициент искажений. Результаты для него отрицательные для сильных и слабых сигналов. Немного лучший итог показывает фазовый детектор, выполненный на транзисторе с двумя затворами.

Опорный сигнал подается на один их электродов управления, а информационный сигнал, усиленный «полевиком», появляется на стоке.

Несмотря на значительные искажения, этот эффект имеет свое назначение. В избирательных усилителях, которые пропускают определенную дозу некоторого спектра частот. Гармонические колебания фильтруются и не влияют на качество действия схемы.

Транзисторы МеП, что означает – металл-полупроводник, с переходом Шоттки практически не отличаются от транзисторов с р-n переходом. Так как переход МеП имеет особые свойства, эти транзисторы могут функционировать на повышенной частоте. А также, структура МеП простая в изготовлении. Характеристики по частоте зависят от времени заряда затворного элемента.

МДП-транзисторы

База элементов полупроводников постоянно расширяется. Каждая новая разработка изменяет электронные системы. На их базе появляются новые приборы и устройства. МДП-транзистор действует путем изменения проводимости полупроводникового слоя с помощью электрического поля. От этого и появилось название – полевой.

Обозначение МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-полупроводник. Это дает характеристику состава прибора. Затвор изолирован от истока и стока тонким диэлектриком. МДП транзистор современного вида имеет размер затвора 0,6 мкм, через который может протекать только электромагнитное поле. Оно оказывает влияние на состояние полупроводника.

При возникновении нужного потенциала на затворе возникает электромагнитное поле, которое оказывает влияние на сопротивление участка стока-истока.

Достоинствами такого применения прибора является:

• Повышенное сопротивление входа прибора. Это свойство актуально для применения в цепях со слабым током.
• Небольшая емкость участка сток-исток дает возможность применять МДП-транзистор в устройствах высокой частоты. При передаче сигнала искажений не наблюдается.
• Прогресс в новых технологиях производства полупроводников привел к разработке транзисторов IGBT, которые включают в себя положительные моменты биполярных и полевых приборов. Силовые модули на их основе широко применяются в приборах плавного запуска и преобразователях частоты.

При разработке таких элементов нужно учесть, что МДП-транзисторы имеют большую чувствительность к повышенному напряжению и статическому электричеству. Транзистор может сгореть при касании к его выводам управления. Следовательно, при их установке необходимо применять специальное заземление.

Такие полевые транзисторы обладают многими уникальными свойствами (например, управление электрическим полем), поэтому они популярны в составе электронной аппаратуры. Также следует отметить, что технологии изготовления транзисторов постоянно обновляется.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/polevye-tranzistory/

Транзистор полевой (p-канал) IRF9Z24

Транзистор IRF9Z24N — это полевой транзистор HEXFET пятого поколения, созданный с использованием передовых технологий позволяющих достичь минимально возможного сопротивления на единицу площади кремния, что в сочетании с высокой скоростью переключения транзистора обеспечивает возможность его использования в широком спектре радиоустройств.

Характеристики

• Максимальное напряжение сток-исток (Uси): -55В;
• Максимальный продолжительный ток стока (Iс): -12А;
• Максимальный импульсный ток стока (Iс): -48А;
• Ток утечки стока: 25мкА (при Uси = -55В);
• Ток утечки затвора: 100нА (при Uзи = -20В);
• Сопротивление открытого канала (Rси): 175мOм;
• Пороговое напряжение затвор-исток (UGS): -2 -4В;
• Максимальное напряжение затвор-исток (Uзи): ±20В;
• Максимальная рассеиваемая мощность (Pси): 45Вт;
• Крутизна характеристики: 2,5S;
• Время задержки включения: 13нс (при Uси = -28В, Iс = -7,2A);
• Время задержки выключения: 23нс (при Uси = -28В, Iс = -7,2A);
• Корпус: ТО-220;

Подключение

Транзистор IRF9Z24N подключается как любой другой p-канальный транзистор. На рисунке представлена наиболее распространённая схема включения с общим истоком:

Работа транзистора в режиме «ключа»

• При наличии на затворе транзистора (зелёны провод) уровня логического «0», транзистор будет «открыт» и через нагрузку Rн потечёт ток.
• При наличии на затворе транзистора (зелёный провод) уровня логической «1», транзистор будет «закрыт» и ток через нагрузку Rн течь не будет.
• При использовании сигнала ШИМ можно плавно увеличивать или уменьшать скорость вращения мотора или яркость свечения лампы (светодиода).

Назначение элементов схемы
• Rн — нагрузка которой управляет транзистор (лампочки, мощные светодиоды, двигатели, сервоприводы и т.д.)
• Rз — ограничительный резистор цепи затвора, предназначен для ограничения тока перезаряда затвора. Если управление транзистором осуществляется при помощи Arduino и на одном выходе Arduino находится только один транзистор, то резистор Rз можно исключить из схемы.
• Rзи — прижимающий резистор цепи затвора, гарантирует что при разрыве цепи управляющего напряжения транзистор закроется. Если в Вашей схеме невозможно отключение цепи управляющего напряжения, то резистор Rзи можно исключить из схемы.

Питание

Транзистор позволяет управлять нагрузкой с напряжением до 55 В при токе до 12 А. Управление транзистором можно осуществлять стандартным напряжением 5 В логики ТТЛ, при этом ток затвора, в открытом состоянии транзистора, не будет превышать 25 нА (ток утечки затвора).

Подробнее о транзисторе

Транзистор IRF9Z24N является полевым транзистором с изолированным затвором и индуцированным (обогащённым) каналом p-типа. Наличие встроенного диода Шоттки защищает транзистор от обратных токов и позволяет управлять индуктивной нагрузкой (например двигателями) без использования дополнительных элементов. Наличие комплементарной пары (транзистор с теми же параметрами, но другим типом проводимости канала) в виде транзистора IRFZ24N позволяет расширить область их применения.

Комплектация

• 1х Полевой транзистор IRF9Z24N;

Ссылки

• DataSheet;
• Комплементарная пара (транзистор IRFZ24N);

Источник: https://iarduino.ru/shop/radioparts/tranzistor-polevoy-p-kanal-irf9z24.html