Moskatov EA Cartea "Inginerie electronică. Acasă »
5. Tranzistori cu efect de câmp
5.1. Informații generale despre FET
Un tranzistor cu efect de câmp este o componentă prin care un curent curge datorită mișcării purtătorilor de sarcină dintr-un singur tip sub influența unui câmp electric longitudinal. Deoarece principiul acțiunii tranzistorilor cu efect de câmp se bazează pe deplasarea principalilor purtători de sarcină ai unui tip de conductivitate, astfel de componente sunt de asemenea numite unipolare.
O poartă este ieșirea unui tranzistor cu efect de câmp, la care tensiunea este furnizată de dispozitivul de comandă. Trebuie subliniat faptul că controlul tranzistorilor cu efect de câmp se efectuează prin tensiune, iar tranzistoarele bipolare prin curent. Sursa se referă la ieșire, care de obicei servește ca sursă pentru introducerea suportului de încărcare de la dispozitivul de alimentare la tranzistor. Drainul este ieșirea componentei prin care purtătorii de sarcină părăsesc tranzistorul. Transferul principalilor purtători de sarcină de la sursă la scurgere are loc peste regiune, care se numește canalul tranzistorului cu efect de câmp. Canalele pentru FET pot fi fie tipuri de conductivitate electronice, fie găuri. Purtătorii de încărcare în tranzistoare cu efect de câmp de tip n sunt electroni, iar în dispozitive de tip p - găuri. FETs sunt clasificate ca instrumente pentru a gestiona tranziția și poarta izolată, acesta din urmă fiind împărțită în tranzistori cu built-in canal si dispozitive cu canal indus.
Parametrii principali ai FET-urilor includ rezistența de intrare, rezistența internă a tranzistorului, numită și rezistența la ieșire, abrupta caracteristicilor de scurgere, tensiunea de cutoff și așa mai departe. Rezistența de intrare a tranzistorului este raportul dintre creșterea incrementului de tensiune sursă și valoarea incrementului curentului de poartă. Rezistența internă a tranzistorului este raportul dintre creșterea tensiunii sursei de scurgere și creșterea tensiunii de scurgere la o anumită tensiune a sursei de poartă. Abrupta caracteristicilor gatekeeping este raportul creșterii curentului de scurgere la creșterea tensiunii sursei de poartă la o tensiune fixă a sursei de scurgere.
5.2. Field tranzistori efect cu tranzitie de control
5.2.1. Designul tranzistorilor cu efect de câmp cu o tranziție de control
Primul tranzistor cu efect de câmp cu tranziție de control a fost calculat teoretic de William Shockley în 1952. Un tip de astfel de tranzistori - Unitron - reprezintă un tip wafer de găuri sau de electroni conductivitățile. La capetele sale aplicate filmului conductiv, care este conectat la terminalele de scurgere și terminalele sursă, iar fețele late este dopat pentru tipul de conductivitate opusă în raport cu placa de conducție și conectat la terminalul de poarta acestor fețe. O altă tranziție de control FET tip - teknetron - pot fi formate, de exemplu, miezul germaniu, care este conectat la capetele terminalelor sursă și de scurgere, și în jurul tijei făcând indiu opera obturator inelar.
O construcție simplificată a unui tranzistor cu efect de câmp cu o tranziție de control și un canal de conductivitate de tip p este prezentată în Fig. 5.1.
Se poate observa din figura că canalul apare între două joncțiuni p-n. Proiectarea componentelor cu un canal de tip n nu diferă de designul tranzistorilor cu efect de câmp cu un canal de tip p, așa cum se vede în Fig. 5.2.
Dar în tranzistoare cu efect de câmp cu un canal de tip n, semiconductorul în care are loc canalul are un tip de conductivitate electronică, iar regiunile de poartă au o conductivitate a găurilor. Eficienții de câmp tranzistor cu un canal de tip n pot avea proprietăți de frecvență și temperatură mai bune și produc zgomot de amplitudine mai mică decât dispozitivele cu un canal de tip p.
5.2.2. Principiul funcționării tranzistorilor cu efect de câmp cu o tranziție de control
Principiul de funcționare a tranzistorilor cu efect de câmp cu o tranziție de control este schimbarea în zona secțiunii transversale a canalului sub influența câmpului care apare atunci când se aplică o tensiune între poartă și sursă. O structură simplificată a unui tranzistor cu efect de câmp cu o tranziție de control și un canal de tip p este prezentată în Fig. 5.3.
În timp ce între poarta și sursa tensiunii de comandă nu este furnizat, sub influența câmpurilor interne tranzițiilor gaura de electroni acestea sunt blocate, secțiunea transversală a canalului este mai mare, rezistența este scăzută, iar curentul de scurgere a tranzistorului este maximal. Tensiunea sursei de poartă la care este mai mare curentul de scurgere se numește tensiunea de saturație.
Dacă aplicăm o mică tensiune între poarta și sursa, chiar un pic tranziții de închidere Pn zona la care este conectat poarta va fi epuizate de purtători de sarcină, dimensiunea acestor zone de încărcare spațiu va crește, suprapunându secțiune a canalului, rezistența canalului va crește, iar curentul de scurgere de putere devine mai mică . Regiunile epuizate ale purtătorilor de încărcături nu conduc cu greu curent electric, iar aceste regiuni sunt neuniforme de-a lungul plăcii semiconductoare. Astfel, în placa de capăt conectat la terminalul de scurgere, regiunile purtătoare epuizate de încărcare vor suprapune cel mai semnificativ canal, iar la capătul opus, la care este conectat terminalul sursă, reducând aria transversală a canalului secțiunii este cea mai mică.
Dacă se aplică o tensiune mai mare între poartă și sursă, atunci zonele epuizate de suporturile de încărcare devin atât de mari încât secțiunea transversală a canalului poate fi complet blocată de acestea. În acest caz, rezistența canalului va fi cea mai mare, iar curentul de scurgere va fi practic absent. Tensiunea sursei de poartă corespunzătoare acestui caz este denumită tensiunea de cutoff.
Cele mai importante caracteristici ale tranzistorilor cu efect de câmp includ o caracterizare a scurgerilor și o familie de caracteristici de scurgere. Caracteristica de scurgere reflectă dependența curentului de scurgere de tensiunea aplicată la bornele sursei de poartă la o tensiune fixă a sursei de scurgere. Acest lucru este arătat în Fig. 5.4 pentru tranzistoare cu efect de câmp cu tranzitie de control și canale de conductivitate de tip p și de tip n.
Familia caracteristicilor de scurgere reprezintă dependența curenților de scurgere de tensiunile sursei de scurgere la tensiuni fixe stabilizate la poarta-sursă, care este prezentată în Fig. 5.5.
La atingerea unei anumite tensiuni semnificative a sursei de scurgere, se dezvoltă o defalcare avalanșă a zonei dintre poarta și scurgere. În acest caz, există o creștere accentuată a curentului de scurgere, care poate fi văzut în caracteristica de scurgere.
Funcționarea tranzistorilor cu efect de câmp cu o tranziție de control este posibilă numai prin epuizarea canalului prin purtători de sarcină. Datorită faptului că tensiunea de semnal este aplicată la tranziția închisă, rezistența de intrare a cascadei este mare și pentru dispozitivele considerate de mai sus aceasta poate ajunge la 10 9 ohmi.
5.3. FET-uri cu poarta izolata
Un tranzistor cu efect de câmp cu o poartă izolată este, prin urmare, denumit după ce obturatorul său realizat dintr-un strat metalic subțire este aplicat stratului dielectric care separă poarta de canal. Din acest motiv, tranzistorii cu efect de câmp cu o poartă izolată au abrevierea MIS (metal-insulator-semiconductor). Stratul dielectric este adesea format din dioxid de siliciu. Aceste tranzistoare cu efect de câmp sunt abreviate ca MOS (metal-oxid-semiconductor). Field-efect tranzistori cu o poartă izolată au o rezistență de intrare mai mare, ajungând la 10 15 ohmi decât tranzistorii cu efect de câmp cu o tranziție de control.
5.3.1. FET tranzistori cu canal încorporat
Structura tranzistorului cu efect de câmp cu canalul de conductivitate tip n construit este dat în Fig. 5.6.
Aplicăm o tensiune constantă de la sursa de alimentare între bornele sursei de scurgere. În timp ce tensiunea de poarta-sursă este absentă, canalul are o anumită rezistență, aceasta purtători de sarcină majoritari mișcare, și, prin urmare, un flux de curent în scurgere tranzistor. Dacă FFRONT poarta-sursa tranzistorului cu tipul n-canal conecta o sursă de alimentare, astfel încât tensiunea de poarta a fost depusa polaritate pozitivă, purtătorii minoritari prezenți în substrat, câmpul electric va fi tras în canal. Concentrația purtătorilor de sarcină în canal va crește, rezistența sa devine mai mică și, prin urmare, curentul de scurgere devine mai mare. Dacă vom conecta sursa de alimentare inversă, astfel încât polaritatea poarta a fost înregistrată de tensiune negativă în raport cu sursa, electronii prezente în canalul de câmp va fi forțat în substrat. În acest caz, concentrația purtătorilor de sarcină din canal devine mai mică, rezistența canalului crește, iar curentul de scurgere devine mai mic. În cazul în care o tensiune de blocare poarta-sursă este atât de mare încât aproape toți operatorii de transport vor fi împinse în substrat, curentul de scurgere va fi aproape absent. Caracteristicile de capacitate ale tranzistorilor cu efect de câmp cu un canal de tip n încorporat și conductivitatea de tip p sunt prezentate în Fig. 5.7.
Să conchidem că tranzistorii cu efect de câmp cu funcție de canal încorporată atât în modul de epuizare, cât și în modul de îmbogățire a canalelor.
5.3.2. Field tranzistori cu canal indus
Structura tranzistorului cu efect de câmp n-tip cu un canal indus este prezentată în Fig. 5.8.
Când tensiunea poarta-sursă de FET, reprezentat în figură, este absent sau este aplicată tensiunea de poarta de polaritate negativă, un canal nu are loc, iar curentul de scurgere tranzistor nu curge. Atunci când o tensiune de polaritate pozitivă este aplicată tranzistorului în raport cu sursa, apare un câmp electric care atrage electroni în regiunea de sub poartă, care se află în substrat ca purtători ai minorității. Iar găurile din canal de câmp vor fi împinse în substrat, care are o conductivitate de tip p. Concentrația de electroni în zona locală a semiconductorului sub poarta între drena și sursa crește în raport cu concentrația de găuri, adică există o modificare de tip conductivitate și se produce sau se spune că este indusă de canal. Ca urmare, transportatorii de taxe se deplasează de-a lungul canalului, iar curentul de scurgere curge. Caracteristicile de capacitate ale tranzistorilor cu efect de câmp cu un canal de tip p indus și conductivități de tip n sunt prezentate în Fig. 5.9.
Concluzionăm că tranzistorii cu efect de câmp cu o canal indusă funcționează numai în regimul de îmbogățire a canalelor de către purtători de sarcină.
5.4. Moduri de funcționare a FET-urilor
5.4.1. Modul dinamic al funcționării tranzistorului
Modul de funcționare dinamic se referă la un mod în care un tranzistor, care amplifică semnalul de intrare, este conectat la o sarcină. O astfel de sarcină poate servi ca un rezistor Rc, conectat în serie cu scurgerea unui tranzistor cu efect de câmp, inclus într-un circuit sursă comună, așa cum se arată în Fig. 5.10.
Tensiunea DC a cascadei Sus este suma căderilor de tensiune pe bornele sursei de scurgere a tranzistorului și a rezistorului Rc, adică Un = URc + Uci.r. În același timp, în conformitate cu legea lui Ohm, căderea de tensiune pe rezistorul de sarcină Rc este egală cu produsul dintre curent care curge prin ea Is.r pe rezistența sa: URC = Is.r • Rc. Conform celor de mai sus, tensiunea de alimentare a cascadei este: Uп = Uс.p + Iс.р • Rс. Ultima expresie poate fi rescrisă cu privire la drena-sursa de tensiune a tranzistorului, iar în acest caz se obține o expresie liniară pentru circuitul de ieșire Usi.r = Un - Is.r • Rc, care se numește ecuația mod dinamic.
La caracteristicile statice de ieșire ale tranzistorului, pentru a obține o idee asupra modurilor de funcționare ale cascadei, este construită o caracteristică dinamică având forma unei linii. Luați în considerare figura 5.11, care prezintă o caracteristică dinamică a stadiului amplificatorului.
Pentru a desena această linie, care este numită și linia de încărcare, este necesar să se cunoască cele două coordonate ale punctelor care corespund tensiunii de alimentare în cascadă și curentului de scurgere în modul de saturare. Această linie de încărcare traversează familia de caracteristici statice de ieșire, iar punctul de intersecție, care este numit cel de lucru, corespunde unei anumite surse de poartă-sursă. Cunoscând poziția punctului de operare, este posibil să se calculeze curenți și tensiuni necunoscute anterior într-un anumit dispozitiv.
5.4.2. Mod de operare cheie al tranzistorului
Cheia este numită modul de funcționare a tranzistorului, în care poate fi complet deschis sau complet închis, iar o stare intermediară, la care componenta este parțial deschisă, este în mod ideal absentă. Puterea care este eliberată în tranzistor în modul static este egală cu produsul curentului care trece prin bornele sursei de scurgere și tensiunea aplicată între aceste borne.
În cazul ideal, când tranzistorul este deschis, adică în modul de saturație, rezistența dintre bornele sursei de scurgere tinde la zero. Puterea pierderii în stare deschisă reprezintă produsul tensiunii zero pentru o anumită valoare curentă. Astfel, puterea disipată este zero.
În mod ideal, atunci când tranzistorul este închis, adică în modul de întrerupere, rezistența dintre bornele sursei de scurgere tinde spre infinit. Puterea pierderilor în stare închisă este produsul unei anumite valori a tensiunii la un curent egal cu zero. În consecință, puterea de pierdere este zero.
Se pare că în modul cheie, în cazul ideal, pierderea de putere a tranzistorului este zero. În practică, firește, atunci când tranzistorul este deschis, există o mică rezistență la sursa de scurgere. Când tranzistorul este închis, un mic curent trece prin bornele sursei de scurgere. Astfel, pierderea de putere în tranzistorul în modul static este mică. Cu toate acestea, în modul dinamic, atunci când tranzistorul este deschis sau închis, punctul de funcționare regiunea impuls liniară, în care curentul prin tranzistorul poate fi în mod convențional jumătate din maxim curent de scurgere și de scurgere-sursă de tensiune poate ajunge la jumătate din valoarea maximă. Astfel, alocată dinamic o pierdere de putere uriașă în tranzistor, ceea ce ar nega toate calitatile minunate ale modului cheie, dar din fericire durata de ședere a tranzistorului în modul dinamic este mult mai mică decât durata șederii în modul static. Ca rezultat, eficiența unei cascade tranzistorice reale care funcționează într-un mod cheie poate fi foarte ridicată și se ridică la 93% - 98%.
Tranzistorii care lucrează în modul cheie sunt utilizați pe scară largă în instalațiile de conversie a energiei, comutarea surselor de alimentare, în etapele de ieșire ale unor transmițătoare etc.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: