Полевые транзисторы (Униполярные)- принцип работы и устройство, обозначение на схеме

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) — это полевой транзистор, затвор которого электрически отделен от канала диэлектрическим слоем. МДП-транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) изготовлены из кремния. Оксид кремния SiO2 используется в качестве диэлектрика, отсюда и другое название этих транзисторов — МОП-транзистор (структура: металл-оксид-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012… 1014 Ом).

Полевые транзисторы являются униполярными устройствами, как и обычные полевые транзисторы. То есть контролируемый ток не должен проходить через PN переход. Транзистор имеет PN-переход, но его единственная цель — обеспечить непроводящую область истощения, которая используется для ограничения тока через канал.

Принцип работы МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости слоя у поверхности полупроводника на границе раздела с диэлектриком под действием поперечного электрического поля. Поверхностный слой полупроводника является проводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы бывают двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Полевые транзисторы разных размеров

Рассмотрим характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого n-канального транзистора представлена ​​на рис. 4, а. В исходной кремниевой пластине p-типа с относительно высоким удельным сопротивлением, называемой подложкой, с использованием диффузионной технологии создаются две сильно легированные области с противоположным типом электропроводности n. Эти области закрыты металлическими электродами — истоком и стоком. У поверхности имеется тонкий канал с электропроводностью n-типа между истоком и стоком. Поверхность полупроводникового кристалла между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика (примерно 0,1 мкм). На слой диэлектрика нанесен металлический электрод — затвор. Наличие диэлектрического слоя позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

Основные характеристики полевых транзисторов.

Основные параметры полевых транзисторов:

1. Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
2. Максимально допустимая рабочая частота;
3. Напряжение сток-исток;
4. Напряжение затвор-сток;
5. Напряжение затвор-исток;
6. Максимально допустимый ток разряда;
7. Ток утечки затвора;
8. Крутизна особенности;
9. Начальный ток разряда;
10. Возможность затвор-источник;
11. Входная мощность;
12. Выходная мощность;
13. Сквозная емкость;
14. Выходная мощность;
15. Коэффициент шума;
16. Увеличение мощности.

Полевые транзисторы разных размеров

3 варианта создания схем на полевом транзисторе

Вы можете встретить конструкцию:

1. ключ, который подключает или отключает нагрузку с помощью внешней команды или сигнала;
2. регулятор, управляющий различными режимами движения;
3. мощность или акустический усилитель.

Как работает ключ на полевом транзисторе J-FET или MOSFET: 4 преимущества

Ключевым режимом считается такое состояние выходной цепи полупроводниковых переходов, когда ее сопротивление сопровождается одним из двух критических значений:

1. увеличивается, блокируя прохождение электрического тока;
2. низкое сопротивление, хорошая передача нагрузки.

Продукция, созданная на основе ключа, работает с лампами, обогревателями, блоками питания, зарядными устройствами и другими мощными электрическими устройствами.

Первыми появились J-FET. Они имеют менее сложную структуру, чем полевые МОП-транзисторы, но также не содержат каналов p-типа. Их часто используют для работы в основном режиме автоматического выключателя. Разберем работу на примере n-канального модуля.

Чтобы открыть такой ключ, достаточно приложить к затвору потенциал напряжения относительно источника и, чтобы закрыть его, снять.

Резистор R1 ограничивает ток холостого хода, вызванный переходными процессами. Без него полупроводниковый переход может перегореть. Значение от 10 до 100 Ом выбирается при вводе в эксплуатацию, но это не особо критично.

Задача R2 — «подтянуть» потенциал затвора, ближайшего к источнику, когда необходимо надежно закрыть полевой транзистор и затвор обесточен. Обозначение уточняется при настройке.

Полевой транзистор J-FET выбирается из n-канальных моделей с точки зрения мощности, нагрузки и значения управляющего напряжения:

• для напряжений до 7 вольт подходят логические полевые устройства на 3,3 ÷ 5 В. Их можно снимать со старых компьютерных плат;
• модели IRF540, IRF630, IRF730 и их аналоги подходят для работы с напряжением питания 7 ÷ 15 В.

Если вам нужно переключить большую мощность, обратите внимание на значение сопротивления открытого перехода сток-исток. Чем он ниже, тем меньше нагревается полупроводник при более высоких токах.

4 преимущества переключателей на полевых транзисторах:

1. высокая скорость переключения, превышающая работу аналогичных отключающих устройств с биполярными аналогами;
2. экономия, связанная с очень низким сопротивлением открытых полупроводниковых переходов. У них низкий перепад напряжения и незначительный нагрев даже при мощных нагрузках (низкое тепловыделение);
3. долговечность при соблюдении правил эксплуатации;
4. бесшумное переключение и регулировки.

Их главный недостаток — возможность работать только в цепях постоянного тока. Но его успешно обходят производители за счет хитрых конструкторских приемов и инженерных решений.

Регулятор тока на полевом транзисторе — принципы работы для новичков

Задачи равномерного регулирования нагрузки для различных источников питания успешно решаются за счет использования мощных полевых транзисторов. Для примера приведу схему устройства, испытанного в лаборатории журнала «Радио И Нечаев» и опубликованного им в № 1 за 2005 год.

Там хорошо описаны все тонкости работы, настройки и состав комплектующих. Схема доступна для повторения в домашних условиях даже начинающим электрикам.

Я взял его, потому что он не только стабилизирует выходной ток через сток-исток, который может достигать 110 ампер, но и надежно работает МОП-транзистор IRF3205 при напряжениях до 55 вольт и рассеиваемой мощности 200 ватт.

Здесь Mosfet IRM3205 работает совместно с операционным усилителем LM358AM. Они образуют регулятор тока с отрицательной обратной связью.

Усилитель мощности на транзисторе: 4 принципа работы

Ремонт усилителя звука или усилителя мощности часто связан с заменой неисправного транзистора, который может работать по разным технологиям. Поэтому знать их необходимо. Я кратко остановлюсь лишь на четырех самых популярных.

У всех полупроводниковых схем есть большая проблема. Если мы посмотрим на осциллограмму звукозаписи, мы увидим сигнал, который изменяется в положительном и отрицательном направлениях относительно центральной оси координат.

А наш управляемый диод (биполярный или полевой) способен пропускать ток только в одном направлении. Заблокируйте противоположное направление. Это означает, что половина сигнала отрицательной формы будет тривиально обрезана.

Поэтому производители создают свои усилители с другой логикой, чтобы исправить этот недостаток.

Как работает транзистор в усилителе класса А — добавка напряжения

Эта технология самая старая и работает до сих пор. Особым образом обработайте исходный звук.

Для этого выбирается дополнительный сигнал постоянной амплитуды, немного превышающей удвоенную амплитуду исходного переменного источника. Впоследствии они резюмируются.

В этом случае положительная семиармоника просто добавляется к дополнительному сигналу, увеличивая напряжение, а отрицательная вычитается, уменьшая его по тому же закону.

Результат сложения двух сигналов отправляется на полевой вентиль, который формирует управляемый ток, подаваемый на динамики акустической системы.

Если вы посмотрите более внимательно на первый и последний графики, вы увидите, что по отношению к току покоя все пропорции отклонений амплитуды сохраняются пропорционально.

Как работает транзистор в усилителе класса AB — зеркальное отражение

Техническое решение этой сборки — использование двух транзисторов, каждый из которых индивидуально обрабатывает свою полуволну входного сигнала: положительную или отрицательную.

Один канал работает по технологии A, второй зеркально отражается вдоль B. В средней точке выходной точки обоих модулей они добавляются. Усиленный входной сигнал получается путем пропорционального повторения формы входной величины.

Эта схема потребляет меньше энергии во время работы, но каждый запуск любого транзистора после выключенного состояния связан с небольшой задержкой. Устраняется легким ускорением при зажигании из-за смещения напряжения.

Как работает транзистор в усилителе класса D — широко импульсная модуляция

Технология PWM делает усиление максимально простым и эффективным.

Генератор треугольных волн генерирует микроволновые импульсы с частотой в сотни МГц. В компараторе они модулируются в соответствии с формой аналогового входного сигнала с одинаковой амплитудой, но разной длительностью.

Контроллер переключения усиливает их с помощью двух выходных каскадов высокоскоростных МОП-транзисторов. Затем фильтр нижних частот демодулятора индуктивности и конденсатора преобразует цифровой сигнал в усиленный аналоговый сигнал, удаляя из него как несущую частоту, так и связанный с ней V / F-шум.

Поскольку полевой транзистор здесь работает на той же частоте и амплитуде, его режим намного проще, чем с регулятором тока. Это становится точно предсказуемым.

Как работает транзистор в усилителях класса G и H — 2 режима сбережения энергии

Базовая схема основана на принципах, описанных для класса AB. Но здесь предусмотрен более экономичный режим, когда основное питание создается уровнем напряжения (+ V1 ÷ –V1), соответствующим среднему пределу громкости.

При этом уровень входящего звука контролируется автоматикой, и когда возникает необходимость повысить напряжение, этот процесс осуществляется благодаря работе обратной связи. Блок питания начинает работать в диапазоне (+ V2 ÷ -V2).

В классе G подача и снятие дополнительной мощности происходит внезапно, когда импульс имеет форму прямоугольника. Усилители класса H работают более экономично. Их импульс повторяет форму усиленного сигнала. Их схема, конечно, лишь немного увеличится и усложнится, но зато снизится энергопотребление.

Общие сведения

Название «транзистор» произошло от слияния двух английских слов: transfer — переносной и resistor — сопротивление. В общепринятом понимании это полупроводниковый элемент с тремя выводами. В нем значение тока на двух выходах зависит от третьего, при изменении тока или напряжения на котором проверяется текущее значение выходной цепи. Биполярные устройства управляются изменением тока, а полевые устройства — напряжением.

Первые разработки транзистора начались в 20 веке. В Германии ученый Юлиус Эдгар Лилиенфельд описал принцип работы транзистора, а уже в 1934 году физик Оскар Хейл зарегистрировал устройство, впоследствии названное транзистором. Такой прибор работал на действии электростатического поля.

Физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн вместе с ученым Джоном Бардином в конце 1940-х сделали первый прототип точечного транзистора. С открытием np-перехода производство точечных транзисторов было прекращено, а вместо этого началась разработка планарных устройств из германия. Рабочий прототип транзистора был официально представлен в декабре 1947 года. В этот день появился первый биполярный транзистор. Летом 1948 года начались продажи устройств на базе транзисторов. С этого момента широко распространенные в то время электронные лампы (триоды) стали уходить в прошлое.

В середине 1950-х годов компания Texas Instruments начала массово выпускать первый переходной транзистор, в качестве материала для изготовления которого использовался кремний. На тот момент в производстве радиоэлемента было много недоработок, но это не помешало технологическому развитию устройства. В 1953 году схема, используемая в слуховых аппаратах, была построена на транзисторах, а год спустя американские физики были удостоены Нобелевской премии за свое открытие.

Март 1959 года ознаменовался созданием первого кремниевого планарного устройства, разработчиком которого был швейцарский физик Жан Эрни. Пара транзисторов была успешно размещена на едином кремниевом кристалле. С этого момента началась разработка интегральных схем. Сегодня на одном кристалле размещается более миллиарда транзисторов. Например, на популярном 8-ядерном компьютерном процессоре Core i7-5960X их количество составляет 2,6 миллиарда.

Параллельно с усовершенствованиями биполярного транзистора в 1960-х годах началась разработка устройства, основанного на соединении металла с полупроводником. Этот радиоэлемент называется МОП-транзистором (металлооксидный полупроводник), теперь более известный как «МОП-транзистор».

Первоначально термин «транзистор» относился к сопротивлению, величина которого контролировалась напряжением, поскольку транзистор можно рассматривать как своего рода резистор, регулируемый потенциалом, приложенным к клемме. Для полевых транзисторов, сравнение которых более корректно, это потенциал на затворе, а для биполярных транзисторов — потенциал на базе или ток базы.

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом

В полевых транзисторах с управляющим pn переходом управление током транзистора достигается изменением 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, 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, сжимается. Кроме того, чем больше значение напряжения блокировки, тем больше площадь, занимаемая pn переходом, и тем меньше сечение и проводимость канала.

Помимо биполярных транзисторов, 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, 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 затвора характеризуется крутизной, которую можно определить по характеристикам выхода (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.

Распространённые типы полевых транзисторов

В настоящее время в радиоаппаратуре используются два основных типа полевых транзисторов: с управляющим pn 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, так как он напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

Интересный материал для познания — что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Изолированный затвор

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанных выше 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, затем 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 более высоком входном импедансе.

Это расширяет возможности использования этих элементов. Например, они используются в высокоточных устройствах и другом оборудовании, критичном к электрическим условиям. Благодаря своим конструктивным характеристикам полевые МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это заставляет 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.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие типы транзисторов. Они широко применяются в интегральных схемах в качестве переключателей.

Преимущества:

• частичные падения потребляют небольшое количество энергии;
• показатели усиления превышают значения других аналогичных устройств;
• достижение высокой помехозащищенности осуществляется за счет отсутствия тока в затворе;
• они имеют более высокую скорость включения и выключения, работают на частотах, недоступных для других транзисторов.

Недостатки:

• менее устойчив к высоким температурам, приводящим к разрушению;
• на частотах выше 1,5 ГГц количество потребляемой энергии быстро увеличивается;
• чувствителен к статическому электричеству.

Благодаря своим характеристикам полупроводниковые материалы, взятые за основу полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовых и промышленных условиях. Полевые транзисторы комплектуются различной бытовой техникой, которой пользуются современные люди.

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим переходом pp в схеме общего истока показано на рис. 26.4. Они аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти характеристики показывают зависимость выходного тока ID от выходного напряжения VDS (напряжение между стоком и истоком) для заданных значений напряжения затвора VGS (напряжение между затвором и истоком).

Диапазон изменения напряжения смещения затвор-исток довольно велик (несколько вольт), в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно. Можно отметить, что с увеличением (по абсолютной величине) напряжения затвора ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся истощающий слой соединения затвор-канал не закроет весь канал, прерывая ток. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в отключенном состоянии.

Схема на полевом транзисторе.

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику для VGS = 0. По мере увеличения напряжения VDS (от нуля) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигнет точки P, после чего значение тока практически не изменится. Напряжение в точке P называется напряжением отключения. При этом напряжении обедненный слой, связанный с соединением затвор-канал с обратным смещением, почти полностью перекрывает канал. Однако поток текущего идентификатора в этой точке не прекращается, поскольку именно благодаря этому току создается слой истощения. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои собственные точки среза: P1, P2 и т.д. Если соединить эти точки вместе линией, то справа от нее будет область среза, которая является областью работы полевого транзистора.

Полевой транзистор.

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного AF-усилителя на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме очень небольшой ток утечки затвора отводится к шасси через резистор утечки R1. Резистор R3 обеспечивает необходимое обратное смещение, повышая потенциал истока выше потенциала затвора. Кроме того, этот резистор также обеспечивает стабильность постоянного тока для усилителя. R2 — это нагрузочный резистор, который может иметь очень высокое сопротивление (до 1,5 МОм). Разделительный конденсатор C2 в цепи истока удаляет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R3. Следует отметить, что блокирующий конденсатор C1 может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) из-за высокого входного сопротивления полевого транзистора.

Когда сигнал поступает на вход усилителя, ток стока изменяется, что, в свою очередь, вызывает изменение выходного напряжения на стоке транзистора. Во время положительного полупериода входного сигнала напряжение затвора увеличивается в положительном направлении, напряжение обратного смещения перехода затвор-исток уменьшается, и, таким образом, увеличивается ID тока полевого транзистора. Увеличение ID приводит к уменьшению выходного напряжения (стока), и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И наоборот, отрицательный полупериод входного сигнала соответствует положительному полупериоду выходного сигнала. Следовательно, входные и выходные сигналы усилителя общего источника являются противофазными.

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 так, чтобы транзистор работал в области отсечки. Выбранная рабочая точка Q breakpoint определяется значениями: ID = 0,2 мА, VGS = — 1 В, VDS = 9 В.

Полевой транзистор.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их комбинаций. Чтобы понять принцип работы триодов, попробуем разобраться в поведении полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, например кремний, германий и другие, являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность — если добавить какие-то примеси, они станут проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, другие (акцепторы) образуют «дырки».

Если, например, кремний легирован фосфором (донор), мы получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). С добавлением бора (акцептора) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), т.е в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Мы проводим мысленный эксперимент: подключаем два разных типа полупроводников к источнику питания и подаем ток в нашу структуру. Произойдет что-то неожиданное. Если подключить отрицательный провод к кристаллу n-типа, цепь замкнется. Однако, когда мы изменим полярность, в цепи не будет электричества. Почему это происходит?

В результате соединения кристаллов с разным типом проводимости между ними образуется область с pn переходом. Некоторые электроны (носители заряда) из кристалла n-типа будут течь в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинировать дырки в зоне контакта.

В результате возникают нескомпенсированные заряды: в области n-типа от отрицательных ионов и в области p-типа от положительных ионов. Разность потенциалов достигает значений от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примеси можно выразить формулой:

φ = VT * ln (Nn * Np) / n2i, где

VT — величина термодинамического напряжения, Nn и Np — концентрация электронов и дырок, соответственно, а ni — собственная концентрация.

Когда плюс подключен к p-проводнику, а минус — к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, поскольку их движение будет направлено против электрического поля внутри pn-перехода. В этом случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, то переход будет закрыт. Отсюда вывод: pn переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложняем эксперимент. Давайте добавим еще один слой между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа мы вставляем проводящий слой (n-Si). Что будет в контактных зонах, догадаться несложно. По аналогии с описанным выше процессом формируются области с pn переходами, которые будут блокировать движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, независимо от полярности тока.

Самое интересное произойдет, когда мы приложим небольшое натяжение к прослойке (основе). В нашем случае мы подаем ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, формируется цепь эмиттер-база, по которой будет протекать ток. При этом прослойка начнет насыщаться дырками, что приведет к проводимости дырок между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рис. 7. Он показывает, что положительные ионы заполнили все пространство нашей традиционной конструкции, и теперь ничто не мешает прохождению тока. У нас есть визуальная модель биполярного pnp-транзистора.

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро возвращается в исходное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство также может работать в режиме усиления.

Ток коллектора прямо пропорционален току базы: Ik = ß * IB, где ß — коэффициент усиления по току, IB — ток базы.

Если изменить значение управляющего тока, изменится интенсивность образования дырок на основании, что приведет к пропорциональному изменению амплитуды выходного напряжения при сохранении частоты сигнала. Этот принцип используется для усиления сигналов.

Подавая слабые импульсы на базу, на выходе мы получаем ту же частоту усиления, но с гораздо большей амплитудой (задается напряжением, приложенным к цепи коллектор-эмиттер).

Транзисторы NPN работают аналогичным образом. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой npn имеют прямую проводимость. Обратной проводимости являются транзисторы типа pnp.

Остается добавить, что полупроводниковый кристалл аналогично реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и выключая поток фотонов или регулируя его интенсивность, можно проверить работу триода или изменить сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемы подключения схемотехники следующие: с общей базой, с общими эмиттерными электродами и розжиг с общим коллектором (рис. 8).

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Усилители с общей базой характеризуются:

• низкий входной импеданс, не превышающий 100 Ом;
• хорошие температурные свойства и частотные характеристики триода;
• высокое допустимое напряжение;
• требуется два разных источника питания.

Схемы с общим эмиттером имеют:

• высокие коэффициенты усиления по току и напряжению;
• низкие коэффициенты усиления мощности;
• инверсия выходного напряжения по отношению к входному.

При таком подключении достаточно источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» предусматривает:

• высокий входной импеданс и низкий выход;
• низкий коэффициент усиления по напряжению (<1).

Перспективы развития приборов

Перспективы, прежде всего, лежат в области дальнейшей миниатюризации устройств. Таким образом, американские ученые сегодня разрабатывают так называемый мономолекулярный транзистор. Основным элементом такого устройства является молекула бензола, к которой прикреплены три электрода.

Если идея оправдается, можно будет создавать сверхмощные компьютерные системы. В конце концов, размер молекулы намного меньше, чем размер сегодняшних MIS-триодов на кремниевом кристалле.

Видео «Подробно о полевых транзисторах»

Принцип работы МОП-транзисторов на примере прибора с n-проводимостью

Схема униполярного транзистора с изолированным затвором проводимостью n включает:

Кремниевая подложка. В подложке n-типа в узлах кристаллической решетки кремния находятся отрицательно заряженные атомы и свободные электроны, что получается путем введения специальных примесей.

Диэлектрик. Он служит для изоляции кремниевой подложки от электрода затвора. Оксид кремния используется в качестве диэлектрика.

В большинстве полевых МОП-транзисторов источник транзистора подключен к полупроводниковой подложке. Между стоком и истоком образуется «паразитный» диод. Устранение негативных последствий появления такого диода и даже его использование в положительных целях позволяет подключать его анодом к истоку в канале полевых транзисторов n, а анодом к стоку в устройствах с р-каналом.

Принцип действия:

1. Положительное напряжение приложено к затвору между затвором и истоком.
2. Между металлическим проводником двери и подложкой возникает электрическое поле.
3. Электрическое поле притягивает свободные электроны, ранее распределенные в кремниевой подложке, к слою у поверхности диэлектрика.
4. В приповерхностном слое появляется область (канал) проводимости n-типа, состоящая из свободных электронов.
5. Между выводами стока и истока появляется «мостик», по которому проходит электрический ток.
6. Проводимость полевого транзистора регулируется величиной внешнего управляющего напряжения. При снятии токопроводящий «мостик» исчезает и устройство закрывается.

MOSFET p-типа работает аналогичным образом. Показанный выше принцип работы упрощен. Используемые на практике в схемах устройства имеют более сложную конструкцию и, следовательно, более сложный принцип действия.

Отличие униполярных транзисторов от биполярных

МОП-транзистор приводится в действие электрическим полем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно источника. Полярность приложенного напряжения определяется типом канала транзистора (pon). В отличие от униполярных транзисторов, биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников формируется двумя типами зарядов: электронами и дырками.

Полевые транзисторы (униполярные), в отличие от биполярных, имеют меньше собственных шумов в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в устройствах звукоусилителя. МОП-транзисторы используются в микросхемах усилителей низкой частоты в проигрывателях виниловых дисков.

Откуда пошло название «МОП»

Если «разрезать» МОП-транзистор, можно увидеть следующее изображение.

Что касается еды на вашем столе, MOSFET будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа — это толстый кусок хлеба, диэлектрик — тонкий слой колбасы, металлический слой — тонкий ломтик сыра. В итоге у нас получается вот такой бутерброд.

А как устроен транзистор сверху вниз? Сыр — металлическая пластина, колбаса — диэлектрик, хлеб — полупроводник. Таким образом, мы получаем металл-диэлектрик-полупроводник. И если вы возьмете первые несколько букв каждого имени, вы получите MDP — металл-диэлектрик-полупроводник, верно? Это означает, что такой транзистор по первым буквам можно назвать МОП-транзистором. А поскольку в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), то можно сказать почти стекло, поэтому вместо названия «диэлектрик» взяли название «оксид, оксид», и оказалось, что металл-оксид- Полупроводник, сокращенно MOS. Ну теперь все нормально).

Далее в тексте мы договоримся называть МОП-транзистор просто полевым транзистором. Будет легче.

Как паять полевые транзисторы правильно и безопасно: 5 советов

Новичкам советую обратить пристальное внимание на эту проблему. Тогда вы не будете разочарованы проделанной работой.

Где спрятана засада или чем опасна статика для электроники

В повседневной жизни мы редко чувствуем статическое электричество, например, когда мы расчесываем волосы пластиковой расческой, выходим из машины после поездки или в некоторых других случаях.

Обычно статическое электричество доставляет нашему телу небольшую проблему, которая просто раздражает. Но с полупроводниками дело обстоит иначе.

МОП-транзисторы имеют очень тонкий изоляционный слой между затвором и материалом канала. Он образует емкостную связь затвор-исток, затвор-сток. Более того, сам диэлектрик создает этот эффект, работая как емкость.

Мы знаем, что любой конденсатор изготавливается для работы при определенном напряжении. При его превышении происходит разрыв изоляции. Десятка вольт, а иногда и меньше, обычно достаточно, чтобы повредить оксидную пленку полевого работника.

Сейчас я показываю фотографиями, какие опасности мы можем создать своими руками для транзисторов, если не будем соблюдать правила их пайки.

Я взял свой любимый трансформаторный паяльник «Момент», воткнул шнур питания в розетку, но кнопку включения не нажимал. Я протянул один конец провода мультиметра через крокодила на жале, а другой надел на палец. Установите режим вольтметра переменного тока.

Аппарат показывает 28 вольт. Такие индукции также создаются обесточенным трансформатором.

Продолжаю эксперимент. Черный зонд был оставлен на том же месте, а красный лежал на диэлектрической поверхности табурета, где расположены все устройства.

Почти 6,4 вольт. Когда я разделил красный зонд с воздушным пространством, показание в целом стало 8 вольт.

Но это совершенно случайные измерения, результаты которых зависят от многих факторов, а значит: напряжение может быть намного больше или меньше.

Мы можем даже не почувствовать это статическое электричество, но его случайный разряд может сжечь тонкий полупроводниковый переход в кристалле.

Чтобы этого не произошло, важно соблюдать обязательные рекомендации.

Как избежать скрытой опасности и безопасно работать паяльником: 5 рекомендаций

Совет №1: шунтирование выводов

повреждение полупроводниковых переходов при хранении и эксплуатации можно исключить, если оставить микросхемы, транзисторы, электронные изделия в пленочном слое.

Подобный результат, в частности, достигается за счет обертывания контактов их выводов тонкой медной проволокой без изоляции.

Совет №2: снятие статики с работающего оборудования

лучше всего работать с профессиональной паяльной станцией с заземленным наконечником. В противном случае заземлите жало паяльника и печатную плату отдельными проводниками. Шунтируйте выводы транзистора тонкой проволокой, которая будет удалена после пайки.

Чтобы удалить опасный потенциал статического электричества с пинцета и инструмента, с которым вы будете работать, заземляющий браслет на руке или другой части тела позволяет. Его сопротивление 1 МОм исключает возможность возникновения опасных электростатических разрядов.

Совет №3: подготовка рабочего места

Сухой воздух северных широт, особенно зимой, способствует накоплению статического электричества на окружающих предметах. Увлажнители и очистители воздуха успешно борются с этим явлением.

Антистатический коврик надежно и сразу же надежно устраняет статический потенциал, электрические помехи из окружающей среды.

Совет№4: профессиональные смеси

Специальный флюс марки FluxOff не только отлично удаляет канифоль и следы коррозии, но и эффективно снимает статическое электричество. Им просто нужно намочить стол.

Совет №5: быстрая пайка

Выбирайте минимально необходимую мощность сварщика, но работайте с ней быстро. Опытным мастерам удается нагреть жало, взять с собой припой, выключить паяльник, а затем припаять деталь на место.

Некоторые современные микросхемы и транзисторы защищены от статического электричества, но это не исключает необходимости соблюдения правил безопасной пайки со всеми остальными изделиями.

Как применять полевой транзистор для чайников

Слуховые аппараты были первыми устройствами для коммерческого использования, в которых использовались полевые транзисторы с pn переходом. Их изобретение относится к 1950-м годам. В более широком масштабе они использовались как элементы для телефонных станций.

В настоящее время использование таких устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии небольших размеров и большого перечня характеристик полевые транзисторы встречаются в кухонной технике (тостеры, чайники, микроволновые печи), компьютерах, аудио- и видеоаппаратуре и других электроприборах. Они используются в системах пожарной сигнализации.

На промышленных предприятиях транзисторная аппаратура используется для регулирования мощности станков. В области транспорта они устанавливаются в поездах и локомотивах, в системах впрыска топлива на легковых автомобилях. В жилищном и коммунальном хозяйстве транзисторы позволяют контролировать системы диспетчеризации и управления уличным освещением.

Кроме того, наиболее популярной областью использования транзисторов является производство компонентов, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора содержит более миниатюрные радиокомпоненты, которые при увеличении частоты более чем на 1,5 ГГц требуют большего энергопотребления. В связи с этим разработчики процессорной техники решили создавать многоядерное оборудование и не увеличивать тактовую частоту.