Zariadenie tranzistor s efektom poľa s izolovanou bránou a vstavaným kanálom je znázornené na obr. 4.6. Je to polovodičový monokryštál; zvyčajne kremík, kde sa vytvára nejaký typ elektrickej vodivosti, v tomto prípade p-typ. Obsahuje dve oblasti s elektrickou vodivosťou opačného typu (v našom prípade n-typ), ktoré sú vzájomne prepojené tenkou povrchovou vrstvou rovnakého typu vodivosti. Z týchto dvoch zón sa vytvárajú elektrické zásuvky, ktoré sa nazývajú zdroj a odtok. Na povrchu kanálika je vrstva dielektrika (zvyčajne oxidu kremičitého) s hrúbkou rádovo a naprašovaním je na ňu nanesený tenký kovový film, z ktorého je vyrobený aj elektrický výstup - uzávierka. Niekedy zo základne (tzv substrát(P)) je urobený aj záver, ktorý je skratovaný na zdroj.

Ryža. 4.6. Štruktúra izolovaného hradlového tranzistora s efektom poľa s vloženým kanálom n-typ

Ak v neprítomnosti napätia na bráne je medzi zdrojom a odtokom aplikované napätie akejkoľvek polarity, potom cez kanál preteká prúd, čo je tok elektrónov. Cez substrát nebude pretekať žiadny prúd, pretože jeden z pn-prechody budú pod pôsobením spätného napätia.

Keď je na bránu privedené záporné napätie vzhľadom na zdroj, a teda kryštál, v kanáli sa objaví priečne napätie. elektrické pole, ktorý vytlačí elektróny z oblasti kanála do základne. Kanál je ochudobnený o hlavné nosiče - elektróny, jeho odpor sa zvyšuje a odtokový prúd klesá. Čím zápornejšie je napätie brány, tým menší je tento prúd. Tento režim sa nazýva chudý režim.

Keď sa na bránu privedie kladné napätie vzhľadom na zdroj, smer priečneho elektrického poľa sa zmení na opačný a naopak bude priťahovať elektróny zo zdrojovej a drenážnej oblasti, ako aj z polovodičový kryštál. Zvyšuje sa vodivosť kanála a zvyšuje sa odtokový prúd. Tento režim sa nazýva režim obohacovania.

Uvažovaný tranzistor teda môže pracovať v režime vyčerpania aj v režime obohatenia vodivého kanála, čo je znázornené jeho výstupnými charakteristikami (obr. 4.7, a) a riadiacou charakteristikou (obr. 4.7, b).

Výstupné charakteristiky tranzistora MIS sú podobné výstupným charakteristikám tranzistora s efektom poľa s riadením pn-prechod. Vysvetľuje to skutočnosť, že keď sa napätie zvyšuje od nuly, najprv pôsobí Ohmov zákon a prúd rastie takmer priamo úmerne k napätiu a potom sa pri určitom napätí kanál začne zužovať, vo väčšej miere v blízkosti odtoku, pretože na pn- prechod medzi kanálom a kryštálom zvyšuje spätné napätie, oblasť tohto prechodu, ochudobnená o nosiče, sa rozširuje a odpor kanála sa zvyšuje. Výsledkom je, že odtokový prúd zažíva dva vzájomne opačné procesy a zostáva prakticky konštantný až do napätia, pri ktorom dôjde k elektrickému prierazu.

Ryža. 4.7. Statická charakteristika tranzistora MIS s integrovaným kanálom n-typ

Ak má polovodičový kryštál tranzistora s efektom poľa elektrickú vodivosť n-typ, vodivý kanál musí byť p-typ. V tomto prípade je potrebné obrátiť polaritu napätia.

Tranzistory s efektom poľa so zapnutým vstavaným kanálom elektrické schémy sú znázornené konvenčnými grafickými symbolmi znázornenými na obr. 4.8.

Ryža. 4.8. Bežné grafické symboly tranzistora MIS s integrovaným kanálom n- typ (a) a p- typ (b)

Zariadenie takéhoto tranzistora je znázornené na obrázku 4.9. Od predchádzajúceho tranzistora sa líši tým, že nemá zabudovaný kanál medzi oblasťou zdroja a odtoku. Pri absencii napätia na bráne prúd medzi zdrojom a odtokom nebude tiecť pre žiadnu polaritu napätia, pretože jeden z pn-prechody budú nevyhnutne uzamknuté.

Ak sa na bránu aplikuje napätie s kladnou polaritou vzhľadom na zdroj, potom sa pôsobením výsledného priečneho elektrického poľa elektróny zo zdrojovej a odtokovej oblasti, ako aj z kryštálových oblastí, presunú na blízky povrch. regiónu smerom k bráne. Keď hradlové napätie prekročí určitú prahovú hodnotu, koncentrácia elektrónov v povrchovej vrstve vzrastie natoľko, že presiahne koncentráciu diery v tejto oblasti a dôjde tu k inverzii typu elektrickej vodivosti, tj. vytvorí sa kanál n- v odtokovom okruhu sa objaví typ a prúd. Čím väčšie je kladné hradlové napätie, tým väčšia je vodivosť kanála a aktuálnejšie odtok.

Takýto tranzistor teda môže fungovať iba v režime obohacovania. Pohľad na jeho výstupné charakteristiky a regulačné charakteristiky je na obr. 4.10.

Ryža. 4.10. Statické charakteristiky tranzistora MIS s indukovaným kanálom n-typ

Ak má polovodičový kryštál elektrický pohon n-typ, potom by mala byť oblasť zdroja a odtoku p-typ. Rovnaký typ vedenia bude tiež indukovaný v kanáli, ak sa na bránu aplikuje záporné napätie vzhľadom na zdroj.

Grafické znázornenie tranzistorov s efektom poľa s izolovaným hradlom je na obrázku 4.11.

Ryža. 4.11. Bežné grafické symboly tranzistora MIS indukovaným kanálom n- typ (a) a p- typ (b)

V poslednej dobe sa tranzistory MIS čoraz častejšie označujú termínom vypožičaným zo zahraničnej literatúry, - MOSFET (kovOxidový polovodičový tranzistor s efektom poľa).

Tranzistor s izolovaným hradlovým poľom je polovodičové zariadenie, v ktorom je riadiaca elektróda oddelená od vodivého kanála dielektrickou vrstvou.
Na rozdiel od FET s riadiacim p n-prechodom zostáva vstupný odpor FET s izolovaným hradlom veľmi veľký pri akejkoľvek polarite napätia aplikovaného na vstup.
Tranzistory s efektom poľa so vstavaným kanálom môžu pracovať v režime vyčerpania aj v režime obohatenia kanála s voľnými nosičmi náboja.
FET s indukovaným kanálom môžu fungovať iba v režime obohatenia.
Hlavnými výhodami tranzistora s efektom poľa je jeho vysoká odolnosť voči priamy prúd a špičková technológia. Ten určuje široké použitie tranzistorov s efektom poľa pri vývoji mikroobvodov.

Tranzistory MIS a bipolárne tranzistory vykonávajú rovnaké funkcie: pracujú v obvode alebo ako lineárny zosilňovač alebo ako kľúč. V tabuľke. Tabuľka 4.1 poskytuje stručné a sľubné porovnanie týchto dvoch typov tranzistorov.

Tabuľka 4.1

Vlastnosti bipolárnych a MIS tranzistorov

V súčasnosti tranzistory s efektom poľa v mnohých aplikáciách nahrádzajú bipolárne tranzistory. Je to spôsobené tým, že po prvé, riadiaci obvod tranzistorov s efektom poľa spotrebuje zanedbateľnú energiu, pretože vstupný odpor týchto zariadení je veľmi vysoký. Zosilnenie výkonu a prúdu v tranzistoroch MIS je spravidla oveľa väčšie ako v bipolárnych. Po druhé, vzhľadom na skutočnosť, že riadiaci obvod je izolovaný od výstupného obvodu, prevádzková spoľahlivosť a odolnosť obvodov na báze tranzistorov MIS sa výrazne zvyšuje. Po tretie, tranzistory MIS majú nízku úroveň vlastného šumu, ktorý je spojený s absenciou vstrekovania nosiča náboja. Po štvrté, tranzistory s efektom poľa majú vyššiu rýchlosť, pretože nemajú inerciálne procesy akumulácie a resorpcie nosičov náboja. Výsledkom je, že vysokovýkonné tranzistory MIS čoraz viac nahrádzajú bipolárne tranzistory tam, kde sa vyžaduje vysoká rýchlosť a zvýšená spoľahlivosť.

Tranzistory MOS však majú aj nevýhody. Po prvé, kvôli vysokému odporu kanála v otvorenom stave majú tranzistory MOS väčší pokles napätia ako pokles napätia na nasýtenom bipolárnom tranzistore. Po druhé, MOS tranzistory majú výrazne nižšiu hraničnú teplotu štruktúry, rovnajúcu sa 150°C (pre bipolárne tranzistory 200°C).

Spojením p-oblasti tranzistora so zdrojom vzniká ďalší prídavný prvok - reverzná dióda. Preto je MIS tranzistor navrhnutý tak, aby táto dióda zodpovedala rovnakým indikátorom ako MIS tranzistor a mala krátky čas zotavenia pre blokovacie vlastnosti.

Tranzistor s efektom poľa je polovodičové zariadenie, v ktorom prúd vytvárajú iba hlavné nosiče náboja pôsobením pozdĺžneho elektrického poľa a tento prúd je riadený priečnym elektrickým poľom, ktoré vzniká napätím privedeným na riadiaca elektróda.

Niekoľko definícií:

Výstup tranzistora s efektom poľa, z ktorého prúdia hlavné nosiče náboja, sa nazýva zdroj.

Výstup tranzistora s efektom poľa, ku ktorému prúdia hlavné nosiče náboja, sa nazýva mozgov.

Výstup tranzistora s efektom poľa, na ktorý je privedené riadiace napätie, ktoré vytvára priečne elektrické pole, sa nazýva hradlo.

Úsek polovodiča, pozdĺž ktorého sa pohybujú hlavné nosiče náboja, medzi p-n prechodom, sa nazýva kanál tranzistora s efektom poľa.

Preto sú tranzistory s efektom poľa rozdelené na kanálové tranzistory typu p alebo n.

Uvažujme o princípe činnosti na príklade tranzistora s kanálom typu n.

1) Uzi = 0; Ic1 = max;

2) |Uzi| > 0; Ic2< Ic1

3) |Uzi| >> 0; Ic3 = 0

Brána je vždy napájaná takým napätím, aby boli prechody uzavreté. Napätie medzi odtokom a zdrojom vytvára pozdĺžne elektrické pole, vďaka ktorému sa hlavné nosiče náboja pohybujú kanálom a vytvárajú odtokový prúd.

1) Pri absencii napätia na bráne sú p-n prechody uzavreté vlastným vnútorným poľom, ich šírka je minimálna a šírka kanála je maximálna a odtokový prúd bude maximálny.

2) So zvýšením blokovacieho napätia na bráne šírka p-n križovatiek sa zväčšuje, zatiaľ čo šírka kanála a odtokový prúd sa zmenšujú.

3) S dostatočne vysokým napätím hradla sa šírka p-n prechodov môže zväčšiť natoľko, že sa zlúčia, odtokový prúd sa stane nulovým.

Napätie hradla, pri ktorom je odtokový prúd nulový, sa nazýva medzné napätie.

Záver: tranzistor s riadeným poľom je riadené polovodičové súčiastky, keďže zmenou hradlového napätia je možné znížiť odberový prúd a preto sa zvykne tvrdiť, že poľom riadené tranzistory s riadiacimi pn prechodmi fungujú len pri vyčerpaní kanála režim.

Ako vysvetliť vysokú vstupnú impedanciu tranzistora s efektom poľa?

Pretože tranzistor s efektom poľa je riadený elektrickým poľom, potom v riadiacej elektróde nie je prakticky žiadny prúd, s výnimkou unikajúceho prúdu. Preto majú tranzistory s efektom poľa vysoký vstupný odpor, rádovo 10 14 ohmov.

Čo určuje odberový prúd tranzistora s efektom poľa?

Závisí od dodávaných napätí U si a U zi.

Schémy zapínania tranzistorov s efektom poľa.

Tranzistor s efektom poľa môže byť zapnutý podľa jednej z troch hlavných schém: so spoločným zdrojom (OI), spoločným kolektorom (OS) a spoločným hradlom (OZ).

V praxi sa najčastejšie používa obvod s OI, podobný obvodu na bipolárnom tranzistore s OE. Kaskáda so spoločným zdrojom poskytuje veľmi veľké prúdové a výkonové zosilnenie. Obvod s OZ je podobný obvodu s OB. Neposkytuje prúdové zosilnenie, a preto je v ňom výkonové zosilnenie mnohonásobne menšie ako v obvode OI. Kaskáda OZ má nízku vstupnú impedanciu, a preto má obmedzené praktické využitie v zosilňovacej technike.

Aký je rozdiel medzi tranzistorom s efektom poľa a bipolárnym tranzistorom?

V tranzistore s efektom poľa je prúd riadený elektrickým poľom vytvoreným aplikovaným napätím a nie základným prúdom. Preto v hradlovej elektróde nie je prakticky žiadny prúd, s výnimkou zvodových prúdov.

Statický režim zapínania tranzistora. Statické charakteristiky tranzistorov s efektom poľa.

Medzi hlavné charakteristiky patrí:

Charakteristika kolektorového hradla (obr. a) je závislosť kolektorového prúdu (Ic) od napätia hradla (Usi) pre n-kanálové tranzistory.

Drevená charakteristika (obr. b) je závislosť Ic od Usi pri konštantnom hradlovom napätí Ic = f (Usi) pri Uzi = Konšt.

Hlavné parametre:

Medzné napätie.

Strmosť charakteristiky odtoku. Ukazuje, o koľko miliampérov sa zmení odtokový prúd, keď sa napätie brány zmení o 1 V.

Vnútorný odpor (alebo výstup) FET

Vstupná impedancia

Vysvetlite vplyv odberu napätia na prúd U zi A U si .

Vplyv vstupných napätí v riadenom tranzistore je znázornený na obrázku:

Tri hlavné prevádzkové režimy tranzistora.

IN rôzne druhy poľom riadených tranzistorov a pri rôznych vonkajších napätiach môže mať hradlo na kanáli dva typy účinkov: v prvom prípade (napríklad pri poľom riadených tranzistoroch s riadiacim pn prechodom pri napätiach na elektródach zodpovedajúcich obr. 2). -1,5), zabraňuje toku prúdu cez kanál, čím sa znižuje počet nosičov náboja, ktoré ním prechádzajú (tento režim sa nazýva režim vyčerpania kanálov), v druhom prípade (napríklad v tranzistoroch MIS s indukovaným kanálom, zapojeným podľa obr. 2-1.7), brána naopak stimuluje tok prúdu cez kanál, čím sa zvyšuje počet nábojov nosiče v prúde ( režim obohatenia kanála). Často sa len hovorí chudý režim A režim obohatenia . Všimnite si, že MOS tranzistory s indukovaným kanálom môžu byť v aktívnom režime iba v prípade režimu obohatenia kanála a pre MOS tranzistory s integrovaným kanálom to môže byť režim obohatenia aj režim vyčerpania. V FET s riadiacim p-n prechodom pokus o aplikáciu predpätia na tento prechod spôsobí jeho otvorenie a v hradlovom obvode preteká významný prúd. Reálne procesy v tranzistore v tomto prípade silne závisia od jeho konštrukcie, nie sú takmer nikdy zdokumentované a je ťažké ich predvídať. Preto nie je zvykom hovoriť o režime obohatenia pre tranzistory s efektom poľa s riadiacim prechodom a je to jednoducho zbytočné.

Režim nasýtenia - charakterizuje stav nie celého tranzistora ako celku, ako to bolo u bipolárnych zariadení, ale iba vodivého kanála medzi zdrojom a kolektorom. Tento režim zodpovedá nasýteniu kanála hlavnými nosičmi náboja. Takýto fenomén ako nasýtenia je jednou z najdôležitejších fyzikálnych vlastností polovodičov. Ukazuje sa, že keď je na polovodičový kanál privedené vonkajšie napätie, prúd v ňom lineárne závisí od tohto napätia iba do určitej hranice ( saturačné napätie), a pri dosiahnutí tejto hranice sa stabilizuje a zostáva prakticky nezmenená až do rozpadu konštrukcie. Pri aplikácii na tranzistory s efektom poľa to znamená, že keď napätie zdroja kolektora prekročí určitú prahovú úroveň, prestane ovplyvňovať prúd v obvode. Ak pre bipolárne tranzistory režim saturácie znamenal úplnú stratu zosilňovacích vlastností, potom pre poľné tranzistory to neplatí. Tu naopak saturácia kanála vedie k zvýšeniu zisku a zníženiu nelineárneho skreslenia. Kým napätie kolektora-zdroja nedosiahne saturáciu, prúd cez kanál sa lineárne zvyšuje so zvyšujúcim sa napätím (t.j. správa sa rovnako ako v bežnom rezistore). Autorovi nie je známy žiadny ustálený názov pre takýto stav tranzistora s efektom poľa (keď kanálom tečie prúd, ale kanál nie je nasýtený), budeme ho nazývať režim desaturovaného kanála(nájde uplatnenie v analógových spínačoch na tranzistoroch s efektom poľa). Režim nasýtenia kanála je zvyčajne normálny, keď je v zosilňovacích obvodoch zapnutý tranzistor s efektom poľa, preto v budúcnosti pri zvažovaní fungovania tranzistorov v obvodoch na to nebudeme klásť veľký dôraz, čo znamená, že existuje napätie medzi odtok a zdroj tranzistora, ktorý je dostatočný na nasýtenie kanála.

Čo charakterizuje kľúčový režim činnosti tranzistora?

Kľúč sa nazýva taký režim činnosti tranzistora, v ktorom môže byť úplne otvorený alebo úplne zatvorený a v ideálnom prípade chýba medzistav, v ktorom je komponent čiastočne otvorený. Výkon rozptýlený v tranzistore v statickom režime sa rovná súčinu prúdu tečúceho cez svorky kolektor-zdroj a napätia aplikovaného medzi týmito svorkami.

V ideálnom prípade, keď je tranzistor otvorený, t.j. v režime nasýtenia má jeho odpor medzi svorkami zdroja odtoku tendenciu k nule. Strata výkonu v otvorenom stave je výsledkom napätia rovného nule a určitého množstva prúdu. Rozptýlený výkon je teda nulový.

Ideálne je, keď je tranzistor uzavretý, t.j. v režime cutoff má jeho odpor medzi svorkami zdroja odtoku tendenciu k nekonečnu. Strata výkonu v zatvorenom stave je súčinom určitej hodnoty napätia a hodnoty prúdu rovnajúcej sa nule. Preto je strata výkonu nulová.

Ukazuje sa, že v kľúčovom režime je v ideálnom prípade strata výkonu tranzistora nulová.

Čo je to zosilňovacie štádium?

Spojenie niekoľkých zosilňovačov určených na zvýšenie parametrov elektrického signálu. Delia sa na predzosilňovacie stupne a koncové stupne. Prvé sú určené na zvýšenie úrovne napätia signálu a výstupné stupne sú navrhnuté tak, aby získali požadovaný prúd alebo výkon signálu.

Tranzistor s efektom poľa je taká súčiastka, ktorou vplyvom pozdĺžneho elektrického poľa preteká prúd v dôsledku pohybu nosičov náboja čisto jedného typu.Keďže princíp činnosti tranzistorov s efektom poľa je založený na tzv. pohyb hlavných nosičov náboja jedného druhu vodivosti, takéto zložky sa nazývajú aj unipolárne.

Hradlo je výstup tranzistora s efektom poľa, do ktorého je privádzané napätie z riadiaceho zariadenia. Treba zdôrazniť, že tranzistory s efektom poľa sú riadené napätím a bipolárne tranzistory prúdom. Zdroj sa nazýva výstup, ktorý zvyčajne slúži ako zdroj nosičov náboja vstupujúcich do tranzistora z napájacieho zariadenia. Drain je koniec súčiastky, cez ktorý opúšťajú nosiče náboja tranzistor. Pohyb hlavných nosičov náboja zo zdroja do odtoku nastáva v oblasti, ktorá sa nazýva kanál tranzistora s efektom poľa. Kanály tranzistorov s efektom poľa môžu byť elektronického aj dierového typu vedenia. Elektróny pôsobia ako nosiče náboja v tranzistoroch typu n s efektom poľa a diery v zariadeniach typu p. Tranzistory s efektom poľa sa delia na zariadenia s riadiacim prechodom a s izolovaným hradlom a tie sa delia na tranzistory so vstavaným kanálom a zariadenia s indukovaným kanálom.

Medzi hlavné parametre tranzistorov s efektom poľa patrí vstupný odpor, vnútorný odpor tranzistora, nazývaný aj výstup, strmosť odberovej charakteristiky, medzné napätie a ďalšie. Vstupný odpor tranzistora je pomer prírastku napätia hradla k zdroju k prírastku prúdu hradla. Vnútorný odpor tranzistora je pomer zvýšenia napätia medzi odtokom k zdroju a nárastu odberového prúdu pre dané napätie medzi hradlom a zdrojom. Sklon charakteristiky kolektor-brána je pomer nárastu prúdu kolektora k nárastu napätia medzi hradlom a zdrojom pri pevnom napätí kolektor-zdroj.

5.2. FET s riadiacou križovatkou

5.2.1. Návrh tranzistorov s efektom poľa s riadiacim prechodom

Prvý FET s kontrolným uzlom teoreticky vypočítal William Shockley v roku 1952. Jednou z odrôd takýchto tranzistorov - unitron - je polovodičová doska s otvorom alebo elektronickým typom vedenia. Na jej konce sú nanesené vodivé fólie, ku ktorým sú pripojené odtokové a zdrojové vodiče, a široké čelá sú dotované, aby sa dosiahol opačný typ vodivosti v porovnaní s vodivosťou dosky a k týmto čelám je pripojený hradlový vodič. Iný typ tranzistorov s efektom poľa s riadiacim prechodom - tecnetron - môže byť tvorený napríklad germániovou tyčou, na ktorej konce sú napojené prívody zdroja a odvodu, a okolo tyče je vytvorený prstencový uzáver. pridanie india.

Zjednodušená konštrukcia tranzistora riadeného poľom s riadiacim prechodom a kanálom typu p je znázornená na obr. 5.1.

Obrázok ukazuje, že kanál sa nachádza medzi dvoma p-n prechodmi. Konštrukcia komponentov s n-kanálom sa nelíši od konštrukcie FET s p-kanálom, ako je možné vidieť na obr. 5.2.

Ale v tranzistoroch s efektom poľa s kanálom typu n má polovodič, v ktorom sa kanál vyskytuje, elektronický typ vodivosti a oblasti hradla majú dierovú vodivosť. FET s n-kanálom môžu mať lepšie frekvenčné a teplotné vlastnosti a generovať menej hluku ako p-kanálové zariadenia.

5.2.2. Princíp činnosti tranzistorov riadených poľom s riadiacim prechodom

Princípom činnosti tranzistorov s efektom poľa s riadiacim uzlom je zmena plochy prierezu kanála pod vplyvom poľa, ku ktorému dochádza pri privedení napätia medzi bránu a zdroj. Zjednodušená štruktúra tranzistora riadeného poľom s riadiacim prechodom a kanálom typu p je znázornená na obr. 5.3.

Kým nie je medzi hradlom a zdrojom privedené riadiace napätie, vplyvom vnútorného poľa elektrón-dierových prechodov sú tieto zablokované, prierez kanála je najväčší, jeho odpor je nízky a odberový prúd tranzistora je maximálny. . Napätie medzi bránou a zdrojom, pri ktorom je odberový prúd najväčší, sa nazýva saturačné napätie.

Ak sa medzi hradlom a zdrojom privedie malé napätie, ktoré o niečo viac uzavrie pn prechody, tak zóny, ku ktorým je hradlo pripojené, budú ochudobnené o nosiče náboja, veľkosti týchto zón objemového náboja sa zväčšia a čiastočne zablokujú. prierez kanála, odpor kanála sa zvýši a odtokový prúd sa zníži. Regióny ochudobnené o nosiče náboja takmer nevedú elektriny a tieto oblasti sú nerovnomerné pozdĺž dĺžky polovodičového plátku. Takže na konci dosky, ku ktorej je pripojený odtokový terminál, oblasti ochudobnené o nosiče náboja budú najvýraznejšie prekrývať kanál a na opačnom konci, ku ktorému je pripojený zdrojový terminál, pokles krížového kanála. - prierezová plocha bude najmenšia.

Ak sa medzi hradlom a zdrojom použije ešte väčšie napätie, potom sa oblasti zbavené nosičov náboja zväčšia natoľko, že prierez kanála môže byť nimi úplne zablokovaný. V tomto prípade bude odpor kanála najväčší a odtokový prúd bude prakticky chýbať. Napätie hradla a zdroja zodpovedajúce tomuto prípadu sa nazýva medzné napätie.

Medzi najdôležitejšie charakteristiky tranzistorov s efektom poľa patrí charakteristika kolektora a skupina charakteristík kolektora. Charakteristika kolektorového hradla odráža závislosť kolektorového prúdu od napätia aplikovaného na svorky hradla-zdroj pri pevnom napätí kolektor-zdroj. Toto je znázornené na obr. 5.4 pre tranzistory riadené poľom s riadiacim prechodom a kanálmi vodivosti typu p a n.

Skupina odvodňovacích charakteristík predstavuje závislosť kolektorových prúdov od napätí kolektor-zdroj pri pevných stabilných napätiach hradlo-zdroj, čo je znázornené na obr. 5.5.

Po dosiahnutí určitého významného napätia odtok-zdroj sa rozvinie lavínový rozpad oblasti medzi bránou a odtokom. V tomto prípade dochádza k prudkému zvýšeniu odtokového prúdu, čo možno vidieť na charakteristike odtoku.

Prevádzka tranzistorov s efektom poľa s riadiacim prechodom je možná iba vyčerpaním kanála nosičmi náboja. Vzhľadom na skutočnosť, že signálové napätie je aplikované na uzavretý prechod, vstupná impedancia kaskády je veľká a pre zariadenia diskutované vyššie môže dosiahnuť 109 ohmov.

5.3. Izolované tranzistory s efektom hradlového poľa

Izolovaný hradlový tranzistor s efektom poľa je tak pomenovaný, pretože jeho hradlo je vyrobené z tenkého kovový povlak, uložený na dielektrickej vrstve, ktorá oddeľuje bránu od kanála. Z tohto dôvodu sa tranzistory s izolovaným hradlovým poľom označujú skratkou MIS (metal-dielectric-semiconductor). Dielektrická vrstva je často tvorená oxidom kremičitým. Takéto tranzistory s efektom poľa sa označujú skratkou MOS (kov - oxid - polovodič). Izolované hradlové FETy majú vyšší vstupný odpor, až 1015 ohmov, ako FET riadiaceho spoja.

5.3.1. Tranzistory s efektom poľa so vstavaným kanálom

Štruktúra tranzistora s efektom poľa so zabudovaným kanálom typu n je znázornená na obr. 5.6.

Aplikuje sa napájaním konštantný tlak medzi terminálmi odtokového zdroja. Pokiaľ neexistuje napätie hradla, kanál má určitý odpor, hlavné nosiče náboja sa po ňom pohybujú, a preto tečie určitý odberový prúd tranzistora. Ak je napájací zdroj pripojený ku svorkám hradla-zdroja n-kanálového tranzistora tak, že na hradlo je privedené kladné napätie, potom budú malé nosiče náboja prítomné v substráte vtiahnuté do kanála elektrickým poľom. Koncentrácia nosičov náboja v kanáli sa zvýši, jeho odpor sa zníži, čo znamená, že sa zvýši odtokový prúd. Ak pripojíte napájací zdroj s obrátenou polaritou tak, že na bránu pôsobí záporné napätie vzhľadom na zdroj, elektróny prítomné v kanáli budú pôsobením poľa vytlačené von do substrátu. V tomto prípade sa koncentrácia nosičov náboja v kanáli zníži, odpor kanála sa zvýši a odtokový prúd sa zníži. Ak je napätie blokovacieho hradla-zdroja také vysoké, že takmer všetky nosiče náboja sú zatlačené do substrátu, potom bude odtokový prúd takmer chýbať. Charakteristiky hradla tranzistorov s efektom poľa so zabudovanou vodivosťou typu n a typu p sú znázornené na obr. 5.7.

Dospeli sme k záveru, že tranzistory s efektom poľa so vstavaným kanálom fungujú v režime vyčerpania aj v režime obohatenia kanála.

5.3.2. Tranzistory s efektom poľa s indukovaným kanálom

Štruktúra tranzistora typu n s efektom poľa s indukovaným kanálom je znázornená na obr. 5.8.

Keď napätie medzi hradlom a zdrojom tranzistora s efektom poľa znázornené na obrázku chýba, alebo ak je na hradlo privedené napätie so zápornou polaritou, kanál sa neobjaví a prúd odvádzania tranzistora netečie. Keď sa na hradlo tranzistora privedie napätie s kladnou polaritou vzhľadom na zdroj, vznikne elektrické pole, ktoré vtiahne elektróny do oblasti pod hradlom, ktoré boli v substráte ako menšie nosiče náboja. A otvory z kanála budú poľom vytlačené nabok do substrátu s vodivosťou typu p. Koncentrácia elektrónov v lokálnej časti polovodiča pod bránou medzi odtokom a zdrojom sa zvyšuje v porovnaní s koncentráciou otvorov, to znamená, že dochádza k zmene typu vedenia a objavuje sa kanál, alebo, ako sa hovorí , je vyvolaný. V dôsledku toho sa nosiče náboja pohybujú pozdĺž kanála a tečie odtokový prúd. Charakteristiky hradla tranzistorov s efektom poľa s indukovaným vodivým kanálom typu p a n sú uvedené na obr. 5.9.

Urobme záver, že tranzistory s efektom poľa s indukovaným kanálom fungujú čisto v režime obohacovania kanála nosičmi náboja.

5.4. Prevádzkové režimy tranzistorov s efektom poľa

5.4.1. Dynamický režim tranzistora

Dynamický režim činnosti je režim, v ktorom je záťaž pripojená k tranzistoru, ktorý zosilňuje vstupný signál. Takouto záťažou môže byť rezistor Rc zapojený do série s kolektorom tranzistora s efektom poľa zapojeného podľa obvodu so spoločným zdrojom, ako je znázornené na obr. 5.10.

Konštantné napájacie napätie kaskády Up je súčtom úbytkov napätia na svorkách drain-source tranzistora a na rezistore Rc, to znamená Up = URc + Usi.r. Zároveň sa podľa Ohmovho zákona úbytok napätia na zaťažovacom rezistore Rc rovná súčinu ním pretekajúceho prúdu Ic.r a jeho odporu: URc = Ic.r. Rc. Podľa toho, čo bolo povedané, napájacie napätie kaskády je: Up \u003d Usi.r + Ic.r. Rc. Posledný výraz možno prepísať s ohľadom na napätie drain-source tranzistora a v tomto prípade získame lineárny vzorec pre výstupný obvod Usi.r = Up - Ic.r. Rc, ktorý sa nazýva rovnica dynamického režimu.

Na výstupných statických charakteristikách tranzistora, aby sme získali predstavu o prevádzkových režimoch kaskády, je postavená dynamická charakteristika, ktorá má tvar čiary. Zoberme si obrázok 5.11, ktorý ukazuje takúto dynamickú odozvu zosilňovacieho stupňa.

Na nakreslenie tejto čiary, ktorá sa tiež nazýva záťažová čiara, potrebujete poznať dve súradnice bodov zodpovedajúcich kaskádovému napájaciemu napätiu a odtokovému prúdu v režime nasýtenia. Táto čiara zaťaženia pretína skupinu výstupných statických charakteristík a priesečník, ktorý sa nazýva pracovná čiara, zodpovedá určitému napätiu hradla-zdroja. Po znalosti polohy pracovného bodu je možné vypočítať niektoré predtým neznáme prúdy a napätia v konkrétnom zariadení.

5.4.2. Režim tranzistorového kľúča

Ukazuje sa, že v kľúčovom režime je v ideálnom prípade strata výkonu tranzistora nulová. V praxi, samozrejme, keď je tranzistor zapnutý, existuje určitý mierny odpor medzi odtokom a zdrojom. Keď je tranzistor zatvorený, cez svorky zdroja kolektora preteká malé množstvo prúdu. Strata výkonu v tranzistore v statickom režime je teda malá. Avšak v dynamickom režime, keď sa tranzistor otvára alebo zatvára, jeho pracovný bod si vynúti lineárnu oblasť, v ktorej môže byť prúd cez tranzistor bežne polovičný ako maximálny odberový prúd a napätie kolektor-zdroj môže dosiahnuť polovicu maxima. hodnotu. V dynamickom režime sa teda v tranzistore uvoľňuje obrovská strata výkonu, čo by negovalo všetky úžasné vlastnosti kľúčového režimu, ale našťastie je trvanie tranzistora v dynamickom režime oveľa menšie ako trvanie zotrvania. v statickom režime. V dôsledku toho môže byť účinnosť skutočnej tranzistorovej kaskády pracujúcej v kľúčovom režime veľmi vysoká a môže dosahovať 93% - 98%.

Tranzistory pracujúce v kľúčovom režime sú široko používané v meničoch výkonu, spínaných zdrojoch, vo koncových stupňoch niektorých vysielačov atď.

Moskatov E. A. Kniha „Elektronická technológia. Štart"

http://moskatov.narod.ru/Books/The_electronic_technics/MOSFET.html

Ide o polovodičové zariadenia, ktoré sa v modernej elektronike tešia čoraz väčšej obľube. Ich činnosť je založená na použití polovodičového prúdovodného kanála, ktorého odpor je riadený elektrickým poľom, čím je zabezpečená kontrola veľkosti prúdu pretekajúceho kanálom.

Tranzistory s efektom poľa sa tiež nazývajú unipolárne tranzistory, pretože prenos náboja v nich vykonávajú iba hlavné nosiče. Prúd týchto nosičov tečie len v jednom type polovodiča – resp n-typ, príp p-typ. Na rozdiel od poľnej prevádzky bežného tranzistora je založený na prenose menšinových aj väčšinových nosičov náboja. Je to spôsobené tým, že prúd v nich tečie cez dopredne predpätý prechod báza-emitor (väčšinové nosiče) a spätne predpätý prechod báza-kolektor (menšinové nosiče). Preto sa nazývajú obyčajné tranzistory bipolárny tranzistory.

Tranzistor s efektom poľa má tri elektródy: zdroj s ( zdroj), uzávierka g ( brána) a potopiť d ( vypustiť). Tieto elektródy zodpovedajú žiariču, báze a kolektoru bipolárny tranzistor.

FETy sú malé a majú veľmi vysoký vstupný odpor.Sú menej citlivé na zmeny teploty ako bipolárne tranzistory, a preto sú menej náchylné na tepelný únik. Pozoruhodná je aj jednoduchosť navrhovania obvodov FET, ktoré používajú menej komponentov ako podobné obvody založené na bipolárnych tranzistoroch.

FET sa ľahko vyrábajú a sú vhodnejšie na použitie v integrovaných obvodoch ako ich náprotivky, bipolárne tranzistory.

Existujú dva typy tranzistorov s efektom poľa: tranzistory s riadením pn-prechod a tranzistory s kovovo-oxidovo-polovodičovou štruktúrou (MOS tranzistor).

Tranzistor s riadiacim pn prechodom

Zvážte polovodičový kanál n- typ (kanál n-typ), na ktorý je privedené konštantné napätie V DD (obrázok 26.1(a)). Prúd bude prechádzať kanálom z prúdu do zdroja, nazývaného odtokový prúd. ja d . Ak teraz vo vnútri P-kanál difúziou vytvorí plochu R-typ, nazývaný uzáver (obr. 26.1 (b)), potom rp-prechod. Rovnakým spôsobom ako v prípade bežného rp-prechod, v prechodovej oblasti sa vytvorí vrstva ochudobnená o hlavné nosiče náboja. Je možné vidieť, že vrstva vyčerpania obmedzuje tok prúdu cez kanál, čím sa znižuje jeho efektívna šírka. Inými slovami, zvyšuje odpor kanála. Šírka vrstvy vyčerpania sa môže zväčšiť, t.j. tok prúdu môže byť ďalej obmedzený, ak sa na spoj privedie napätie V GS , čo posunie prechod na opačný smer(Obr. 26.1(b)). Zmenou hodnoty spätného predpätia na bráne je možné riadiť hodnotu odtokového prúdu ja D . Na obr. zobrazený 26.2 priečny rezštruktúry tranzistora s efektom poľa uvažovaného typu.

Ryža. 26.1. Princíp činnosti tranzistora riadeného poľom s riadením rp-prechod.

Štruktúra prierezu

tranzistor s efektom poľa s riadením rp-prechod.

Ryža. 26.3.Symboly tranzistorov

s manažérom rp- prechod.

Používajú sa aj tranzistory s efektom poľa s kanálom p- typ, napájaný zdrojom záporného napätia - V D.D. Symboly pre oba typy tranzistorov s ovládaním pn-prechod sú znázornené na obr. 26.3.

Výstupné charakteristiky

rp- prechod v obvode so spoločným zdrojom je znázornený na obr. 26.4. Sú podobné výstupným charakteristikám bipolárneho tranzistora. Tieto charakteristiky ukazujú závislosť výstupného prúdu ja D od výstupného napätia V DS (Drain-to-Source Voltage) pre dané hodnoty napätia brány V GS (napätie medzi bránou a zdrojom).

Rozsah predpätia hradla-zdroj je pomerne veľký (niekoľko voltov), na rozdiel od bipolárneho tranzistora, kde je napätie báza-emitor takmer konštantné.

Je vidieť, že so zvýšením (v absolútnej hodnote) hradlového napätia klesá odtokový prúd. Toto znižovanie nastáva dovtedy, kým rozširujúca sa vrstva odstraňovania prechodu medzi hradlami a kanálmi nezablokuje celý kanál a zastaví tok prúdu. V tomto prípade sa hovorí, že FET je v medznom stave.

Medzné napätie

zvážiť výstupnú charakteristiku pre V GS = 0 (obr. 26.4). So zvyšujúcim sa napätím V DS (od nulovej hodnoty) odtokový prúd sa postupne zvyšuje, až kým nedosiahne bod P, po ktorom sa hodnota prúdu prakticky nemení. Napätie v bode P sa nazýva medzné napätie. Pri tomto napätí vrstva vyčerpania spojená s reverzne predpätým prechodom brána-kanál takmer úplne pokrýva kanál. Avšak prúd prúdu ja D sa v tomto bode nezastaví, pretože vďaka tomuto prúdu vzniká vrstva vyčerpania. Všetky krivky skupiny výstupných charakteristík majú svoje vlastné hraničné body: P 1 , P 2, atď. Ak tieto body spojíte navzájom čiarou, potom napravo od nej leží oblasť odrezania, ktorá je pracovnou oblasťou tranzistora s efektom poľa.

FET zosilňovač so spoločným zdrojom

Schéma typického zosilňovača AF na tranzistore s efektom poľa je znázornená na obr. 26.5. V tomto obvode cez zvodový odpor R 1 je veľmi malý zvodový prúd hradla odvedený do šasi. Rezistor R 3 poskytuje potrebnú spätnú odchýlku zvýšením potenciálu zdroja nad potenciál brány.

Ryža. 26.4.Skupina výstupných charakteristík tranzistora s riadením rp-prechod.

Ryža. 26.5. UZCH zapnutý P-kanálový tranzistor s efektom poľa s ovládaním rp- prechod.

Okrem toho tento odpor tiež poskytuje DC stabilitu zosilňovača. R 2 - zaťažovací odpor, ktorý môže mať veľmi vysoký odpor (až 1,5 MΩ). Oddeľovací kondenzátor OD 2 v zdrojovom obvode eliminuje zápor spätná väzba na striedavý prúd cez odpor R 3. Všimnite si, že oddeľovací kondenzátor OD 1 môže mať malú kapacitu (0,1 uF) kvôli vysokému vstupnému odporu FET.

Keď je signál privedený na vstup zosilňovača, prúd kolektora sa mení, čo následne spôsobuje zmenu výstupného napätia na kolektore tranzistora. Počas kladného polcyklu vstupného signálu sa napätie hradla zvyšuje v kladnom smere, napätie spätného predpätia prechodu hradlo-zdroj klesá a preto sa zvyšuje prúd. ja D tranzistor s efektom poľa. Zvýšiť ja D vedie k zníženiu výstupného (odtokového) napätia a záporný polcyklus zosilneného signálu sa reprodukuje na výstupe. Naopak, záporná polovica cyklu vstupného signálu zodpovedá kladnej polovici cyklu výstupného signálu. Vstupné a výstupné signály zosilňovača so spoločným zdrojom sú teda v protifáze.

Výpočet statického režimu

Jednou z výhod tranzistora s efektom poľa je veľmi nízky zvodový prúd hradla, ktorého hodnota nepresahuje niekoľko pikoampérov (10 -12 A). Preto v obvode zosilňovača na obr. 26,5 uzávierka je takmer na nulovom potenciáli. FET prúd tečie z odtoku k zdroju a zvyčajne sa identifikuje ako odtokový prúd. ja D (čo sa samozrejme rovná zdrojovému prúdu ja S).

Zvážte schému na obr. 26.5. Za predpokladu ja D = 0,2 mA, vypočítajte potenciál zdroja: V S \u003d 0,2 mA 5 kOhm \u003d 1 V. Toto je hodnota spätného predpätia ovládacieho prvku pn-prechod.

Pokles napätia na rezistore R 2 = 0,2 mA 30 kΩ = 6 V.

Odtokový potenciál V D \u003d 15 - 6 \u003d 9 V.

Zaťažovacia čiara

Záťažovú čiaru je možné nakresliť presne rovnakým spôsobom ako v prípade bipolárneho tranzistora. Na obr. 26.6 zobrazuje čiaru zaťaženia pre stránku okruhu. 26.5.

Ak ja D = 0, teda V D.S. = V DD = 15 V. Toto je bod X na čiare zaťaženia.

Ak V DS = 0, potom takmer celé napätie V DD napájacieho zdroja klesá cez odpor R 2. v dôsledku toho ja D= V dd/ R 2 = 15 V / 30 kΩ = 0,5 mA. Toto je bod Y na čiare zaťaženia. Pracovný bod Q je zvolený tak, aby tranzistor pracoval v medznej oblasti.

Zvolený pracovný bod Q (kľudový bod) na obr. 26.6 je určená hodnotami: ja D = 0,2 mA, V GS = - 1 V, V DS = 9 V.

MOSFET

V tranzistore s efektom poľa tohto typu hrá úlohu hradla kovová elektróda elektricky izolovaná od polovodiča tenkým dielektrickým filmom, v tomto prípade oxidom. Odtiaľ pochádza názov tranzistora „MOS“ – skratka pre „metal-oxide-semiconductor“.

kanál P-typu v MOSFET vzniká priťahovaním elektrónov zo substrátu R-typ dielektrickej hradlovej vrstvy (obr. 26.7). Šírka kanála sa môže zmeniť privedením elektrického potenciálu na bránu. Pozitívne kŕmenie (vo vzťahu k substrátu)

Ryža. 26.6. Záťažová čiara zosilňovača FET (obr. 26.5).

Ryža. 26.7.

potenciál vedie k expanzii kanála P-typu a zvýšenie prúdu týmto kanálom, prívod negatívneho potenciálu spôsobí zúženie kanála a pokles prúdu. Pre MOSFET s kanálom R-situácia typu je obrátená.

Existujú dva typy MOSFET: tranzistory pracujúce v režim obohatenia a tranzistory pracujúce v chudý režim. Tranzistor pracujúci v režime obohatenia je v stave vypnutia prúdu (normálne vypnutý), keď je napätie predpätia V GS = 0.

Ryža. 26.8. P- typ pracujúci v režime obohatenia a symbol tohto tranzistora.

Ryža. 26.9. Výstupné charakteristiky MOSFET s kanálom n- typ pracujúci v režime vyčerpania a symbol tohto tranzistora.

Prúdový tok začína iba vtedy, keď je na bránu privedené predpätie. Výstupné charakteristiky P-kanálový MOSFET s kanálom P-typ pracujúci v režime obohacovania a jeho symbol sú znázornené na obr. 26.8.

MOSFET v režime DE funguje, keď nie je žiadne predpätie brány (normálne zapnuté). Pre MOSFET s kanálom n-typ, odtokový prúd sa zvyšuje, keď je na bránu privedené kladné napätie, a klesá, keď je privedené záporné napätie (obr. 26.9).

R-typ je znázornený na obr. 26.10. Všimnite si, že prerušovaná hrubá čiara znamená, že MOSFET je v režime obohatenia (normálne vypnutý).

Ryža. 26.10. Symbol MOSFET s kanálom R-typ.

Ryža. 26.11.MOSFET zosilňovač s kanálom R-typ pracujúci v štíhlom režime.

Plná čiara sa používa na označenie MOSFET pracujúceho v režime vyčerpania (normálne zapnutý). Substrátová svorka je označená písmenom "b", zvyčajne je spojená so zdrojovou svorkou. Na obr. 26.11 obvod typického zosilňovača MOSFET so spoločným zdrojom s kanálom R- typ pracujúci v štíhlom režime. Používa sa zdroj záporného napätia. Kladné predpätie medzi bránou a zdrojom V GS je vytvorený bežným spôsobom s odporom R 3 v zdrojovom obvode.

Toto video hovorí o typoch FET:

História vzniku a implementácie tranzistorov s efektom poľa

Prvý tranzistor s efektom poľa vynašiel Julius Edgar Lilienfeld, rakúsko-uhorský fyzik, ktorý väčšinu svojho života zasvätil štúdiu tranzistorového efektu. Stalo sa tak v roku 1928, no prvá technológia výroby tranzistorov neumožňovala fyzickú implementáciu tohto rádiového prvku v priemysle. Prvý funkčný FET s izolovanou bránou bol podľa Lilienfeldových spisov vyrobený v USA až v roku 1960. 7 rokov predtým iná technológia výroby tranzistora s efektom poľa na základe manažér p-n prechod (MOS tranzistor). Na základe práce Waltera Schottkyho v roku 1966 navrhol americký inžinier Carver Andress Mead nový typ tranzistora s použitím Schottkyho bariéry. V roku 1977 sa zistilo, že použitie tranzistorov s efektom poľa vo výpočtovej technike výrazne zvyšuje vypočítaný výkon elektronických zariadení, čo znamenalo začiatok vývoja počítačových procesorov a logických obvodov založených na tranzistore s efektom poľa. Správnejší názov pre tranzistor s efektom poľa je unipolárny tranzistor (riadený jediným elektrickým poľom), ale tento názov sa medzi ľuďmi neudomácnil.

Fyzikálny základ činnosti tranzistora s efektom poľa

Poľný (unipolárny) tranzistor sa nazýva elektronické zariadenie, ktorý je založený na princípe používania nábojov len jedného znaku, t.j. elektróny alebo diery. Riadenie prúdu v tranzistoroch s efektom poľa sa vykonáva zmenou vodivosti kanála pôsobením elektrického poľa, a nie napäťovým potenciálom, čo je hlavný rozdiel medzi tranzistorom s efektom poľa a bipolárnym. Podľa spôsobu vytvárania kanála sa rozlišujú tranzistory s efektom poľa p-n križovatka, vstavaný kanál a indukovaný kanál. Tranzistory so vstavaným a indukovaným kanálom tiež patria k rôznym tranzistorom MIS.

FET zariadenie

a - s p-n prechodom; b - s izolovanou bránou a vstavaným kanálom; c - s izolovanou bránou a indukovaným kanálom.

Činnosť tranzistorov s efektom poľa je založená na pohybe hlavných nosičov v polovodiči.

Tranzistor s efektom poľa s p-n prechodom.

Tento tranzistor pozostáva z hlavného kanála polovodiča typu n vyrobeného z kremíkovej doštičky s ohmickými vodičmi na každom konci. Kanál je vytvorený difúznou metódou (vnášanie dopovaného materiálu) a tvorí najtenšiu vrstvu s dierovou vodivosťou. Kanál je uzavretý medzi dvoma elektródami typu p, ktoré sú navzájom spojené. N-kanál teda tvorí dva p-n prechody rovnobežné so smerom prúdu. Terminál, cez ktorý vstupujú nosiče náboja, sa nazýva zdroj (I) a elektróda, z ktorej náboj vyteká, sa nazýva odtok (C). Obe p-vrstvy sú elektricky prepojené a majú vonkajšiu elektródu nazývanú brána (G). Existujú dva typy kanálov. Pozitívny náboj prúdi cez p kanál a záporný náboj prúdi cez n kanál. Obrázok nižšie ukazuje kanál negatívneho vodivého poľa riadený poľom s kladnou polaritou. V tomto prípade sa elektróny pohybujú kanálom zo zdroja do odtoku. Tranzistory s efektom poľa s kanálom typu p majú tiež podobný dizajn.

Riadiace alebo vstupné napätie (Uz) je privedené medzi bránu a zdroj. Toto napätie pre oba p-n prechody je obrátené. Vo výstupnom obvode, ktorý zahŕňa aj kanál tranzistora, je napätie U a kladný pól pripojený k kolektoru.

Schopnosť ovládať tranzistor sa vysvetľuje tým, že pri zmene napätia Uzi sa zmení šírka p-n prechodov, čo sú úseky v polovodiči, ktoré sú ochudobnené o nosiče náboja. Pretože p-vrstva s nižším odporom má vyššiu koncentráciu nečistôt v porovnaní s n-vrstvou, zmena šírky kanála je riadená n-vrstvou s vyšším odporom. V tomto prípade sa mení prierez a vodivosť vodivého kanála (Ic je odtokový prúd) zo zdroja do odtoku.

Charakteristickým znakom činnosti tranzistora s efektom poľa je vplyv napätia Uzi a Usi na vodivosť kanála. Vplyv použitých napätí je znázornený na obrázku nižšie.

Na obrázku:

A) Napätie sa privádza len do vstupného riadiaceho obvodu. Zmena Usi riadi prierez kanála po celej šírke, avšak výstupný prúd Ic=0 kvôli absencii napätia Usi.

B) Prítomné je len napätie v kanáli, chýba riadiace napätie a začína tiecť prúd Ic. Na odtokovej elektróde sa vytvára pokles napätia, v dôsledku čoho sa kapacita kanála zužuje a má určitú hodnotu p-n hranice prechody sú uzavreté. Vnútorný odpor kanála sa zvyšuje a prúd Ic už nemôže prechádzať.

C) V tomto variante je na obrázku znázornená celková hodnota napätí, keď je napäťový kanál Usi zablokovaný malým riadiacim napätím Uzi. Keď sa toto napätie aplikuje, oblasť n sa rozšíri a prúd Ic začne tiecť.

Izolovaný tranzistor s efektom hradlového poľa (MIS a MOS)

V týchto tranzistoroch je hradlová elektróda oddelená od kanála tenkou izolačnou vrstvou oxidu kremičitého. Ďalším názvom pre tieto tranzistory sú teda tranzistory MOS (štruktúra kov-oxid-polovodič). Prítomnosť dielektrika poskytuje vysokú vstupnú impedanciu uvažovaných tranzistorov. Prienik riadiaceho poľa do kanála nie je náročný, ale hradlový prúd je značne znížený a nezávisí od polarity napätia aplikovaného na hradlo. Tranzistory MIS (kovovo-dielektricko-polovodičová štruktúra) sú vyrobené z kremíka. Princíp činnosti MOS tranzistorov je založený na vplyve zmeny vodivosti povrchovej vrstvy polovodiča na rozhraní s dielektrikom pod vplyvom priečneho elektrického poľa.

Kanály poľných MIS tranzistorov môžu byť vyčerpané (b - vstavaný kanál) a obohatené typu (c - indukovaný kanál), (pozri obrázok tranzistorového zariadenia s efektom poľa).

Prúd Ic preteká cez vstavaný kanál pri absencii napätia Uzi. Jeho hodnota môže byť riadená smerom nadol použitím kladného napätia Uzi, ak je tranzistor s kanálom p, a záporného napätia, ak je tranzistor s kanálom n. Inými slovami, zatvorte tranzistor riadiacim spätným napätím.

V indukovanom kanáli, ak nie je napätie U a prúd medzi kolektorom a zdrojom je veľmi malý. Keď sa použije riadiace napätie, prúd Isi sa zvýši.

Takže riadiace napätie, keď je privedené na bránu tranzistora so vstavaným kanálom, zatvára tranzistor, v indukčnom kanáli tranzistor otvára.

Volt - ampér a drain - gate charakteristika tranzistora s efektom poľa

CVC tranzistora s efektom poľa určuje jeho výstupné (zásobné) charakteristiky a tiež obsahuje informácie o jeho vlastnostiach v rôznych prevádzkových režimoch. Okrem toho VAC zobrazuje vzťah medzi parametrami. Podľa grafu môžete určiť niektoré parametre, ktoré nie sú zdokumentované v popise tranzistora, vypočítať napäťovú úroveň obvodov predpätia (Uzi), stabilizovať režim a tiež vyhodnotiť činnosť tranzistora s efektom poľa v široký rozsah prúdov a napätí.

Obrázok vľavo ukazuje príklad odvodňovacej charakteristiky tranzistora s efektom poľa s p-n prechodom a kanálom typu p pri rôznych pevných riadiacich napätiach Uzi. Grafy znázorňujú závislosť odtokového prúdu (Ic) od napätia odtokového zdroja (Usi). Každá z týchto kriviek má 3 charakteristické oblasti:

1. Silná závislosť prúdu Ic od napätia Usi (oblasť až po prerušovanú čiaru). Táto časť určuje periódu saturácie kanálu až do napätia Usus, pri ktorom sa tranzistor prepne do uzavretého (otvoreného) stavu. Čím vyššie je riadiace predpätie Uzi, tým skôr sa tranzistor s efektom poľa zatvorí (otvorí).

2. Slabá závislosť prúdu Ic, keď je kanál nasýtený na svoju maximálnu hodnotu a prechádza do trvalo uzavretého (otvoreného) stavu.

3. V momente, keď napätie Usi presiahne maximum prípustné pre tranzistor s efektom poľa, dôjde k nevratnému elektrickému členenie p-n prechod. Tranzistor s efektom poľa zlyhá.

Charakteristika drain-gate ukazuje závislosť Ic od napätia medzi bránou a zdrojom.

Napätie brány, pri ktorom sa odtokový prúd dostane na nulu, je veľmi dôležitá charakteristika tranzistor s efektom poľa. Zodpovedá vypínaciemu napätiu zariadenia v obvode brány a nazýva sa vypínacie napätie alebo vypínacie napätie.

Podmienené grafické obrázky tranzistorov s efektom poľa v elektrických obvodoch sú nasledovné.

Kde je tranzistor s efektom poľa:

a - s p-n prechodom a p-kanálom;

b - s p-n križovatkou a n-kanálom;

c - so vstavaným p-kanálom vyčerpaného typu;

d - so vstavaným n-kanálom vyčerpaného typu;

e – s indukovaným p-kanálom obohateného typu;

f – s indukovaným obohateným n-kanálom typu;

g - p-typ (c) a výstup zo substrátu;

h - p-typ (e) a výstup zo substrátu

Európske označenie kontaktov: gate - gate, drain - drain, source - source, tab - substrát (často v neizolovaných tranzistoroch je to drain).

Hlavné technické vlastnosti tranzistora s efektom poľa

Moderné tranzistory s efektom poľa sa vyznačujú hlavnými charakteristikami, teplotné charakteristiky a elektrické charakteristiky pri teplotách do +25 stupňov na substráte (zdroj). Okrem toho existujú statické a dynamické charakteristiky tranzistorov s efektom poľa, ktoré určujú maximálny výkon pri ich použití vo frekvenčných signáloch. Osobitná pozornosť by sa mala venovať frekvenčným charakteristikám pri použití tranzistorov v generátoroch, modulátoroch, impulzné bloky napájací zdroj, moderné digitálne zosilňovače triedy D a vyššie. Frekvenčné vlastnosti sú určené časovou konštantou obvodu RC brány, ktorá určuje rýchlosť vypínania/vypínania kanálu. Pre tranzistory riadené poľom s izolovaným hradlom (MOS a MIS) je vstupná kapacita oveľa menšia ako u tranzistorov riadených poľom s p-n prechodom, čo umožňuje ich použitie vo vysokofrekvenčných zariadeniach.

Hlavné charakteristiky tranzistorov s efektom poľa sú:

Vds (Vdss) alebo Usi max - určuje maximálnu prípustnú hodnotu napätia medzi zdrojom a odtokom;

Id alebo Ic - maximum prípustný prúd odtok prechádzajúci cez otvorený kanál tranzistora;

Rdc(on) je odpor kanála medzi bránou a zdrojom (zvyčajne indikovaný spolu s riadiacim napätím Uzi alebo Vgs).

Iz ut alebo Igss - zvodový prúd brány pri danom napätí medzi bránou a zvyškom výstupov, navzájom uzavreté.

Pd alebo Pmax - maximálny stratový výkon tranzistora pri teplote spravidla +25 stupňov.

Tepelné parametre tranzistora s efektom poľa určujú stabilitu jeho charakteristík pri prevádzke v teplotnom rozsahu, pretože vlastnosti polovodičových materiálov sa menia pri zmene teploty. Hodnota Ic, sklon a zvodový prúd hradla silne závisia od teploty.

Tj alebo Tmax je teplota deštrukcie kryštálu substrátu, zodpovedajúca maximálnej prípustnej prevádzkovej teplote

Tstg alebo Tmin - minimálna negatívna teplota, pri ktorej sa pozorujú hlavné pasové parametre tranzistora

Charakteristickým znakom činnosti tranzistorov s efektom poľa v porovnaní s bipolárnymi je veľmi nízke šumové číslo alebo Ksh. Tento koeficient má malý vplyv na napätie odtokového zdroja, odtokový prúd, ako aj na prevádzkovú teplotu tranzistora (až do +50 stupňov).

1. Neodporúča sa znižovať teplotu tranzistorov s efektom poľa počas ich prevádzky pod -5 stupňov, ako aj prekročiť Prevádzková teplota+60 +70 stupňov (ľudovo - teplota držania prsta).
2. Počas prevádzky je potrebné zvoliť prevádzkové napätia a prúdy, ktoré nepresiahnu 70% maximálnych prípustných parametrov podľa pasu (datasheet).
3. Tranzistory nemôžete používať v maximálnych režimoch pre dva parametre súčasne.
4. Nedovoľte, aby tranzistor pracoval s vypnutým hradlom.
5. Hradlo tranzistorov s efektom poľa s p-n prechodom nemôže byť napájané napätím, ktoré predpína prechod v smer dopredu. Pre p-kanál to bude záporné napätie, pre n-kanál bude kladné.
6. Poľné tranzistory MOS a MIS je vhodné skladovať so skratovanými vodičmi. Tranzistory s nízkym výkonom - frekvenčné tranzistory tejto štruktúry zlyhávajú zo statického napätia.
7. Stav tranzistora s efektom poľa môžete skontrolovať pomocou elektronického testera analogicky s týmto videom http://www.youtube.com/watch?v=jQ6l6C8LMSw