Транзистор (transistor, англ.) – триод, из полупроводниковых материалов, с тремя выходами, основное свойство которого – сравнительно низким входным сигналом управлять значительным током на выходе цепи. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению.
Что такое полевой транзистор
Полевой транзистор - это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми.
Контакты:
Полевой транзистор с п – р переходом – особый вид транзисторов, которые служат для управления током .
Он отличается от простого обычного тем, что ток в нем проходит, не пересекая зоны р — n перехода, зоны, образующейся на границы этих двух зон. Размер р — n зоны регулируется.
Полевые транзисторы, их виды
Полевые транзисторы с п – р переходом делят на классы:
- По типу канала проводника: n или р. От канала зависит знак, полярность, сигнала управления. Она должна быть противоположна по знаку n -зоне.
- По структуре прибора: диффузные, сплавные по р – n — переходом, с затвором , тонкопленочные.
- По числу контактов: 3-х и 4-контактные. В случае 4-контактного прибора, подложка также исполняет роль затвора.
- По используемым материалам: германий, кремний, арсенид галлия.
Классы делятся по принципу работы:
- устройство под управлением р — n перехода;
- устройство с изолированным затвором или с барьером Шоттки.
Полевой транзистор, принцип работы
По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль. Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.
Прибор с управляющим р — п канальным переходом - это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине - контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода. Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю
. В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал. При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.
В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля . Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества. Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.
Зачем нужен полевой транзистор
Рассматривая работу сложной электронной техники, как работу полевого транзистора (как одного из компонентов интегральной схемы) сложно представить, что основных направления его работы пять:
- Усилители высоких частот.
- Усилители низких частот.
- Модуляция.
- Усилители постоянного тока.
- Ключевые устройства (выключатели).
На простом примере работу транзистора, как выключателя, можно представить как компоновку микрофона с лампочкой. Микрофон улавливает звук, от этого появляется электрический ток. Он поступает на запертый полевой транзистор. Своим присутствием ток включает устройство, включает электрическую цепь, к которой подключена лампочка. Лампочка загорается при улавливании звука микрофоном, но горит за счет источника питания, не связанного с микрофоном и более мощного.
Модуляция применяется для управления информационным сигналом. Сигнал управляет частотой колебания. Модуляция применяется для качественного звукового сигнала в радио, для передачи звукового ряда в телевизионных передачах, трансляции цвета и телевизионного сигнала высокого качества. Она применяется везде, где требуется работа с материалом высокого качества.
Как усилитель полевой транзистор упрощенно работает так: графически любой сигнал, в частности, звуковой ряд, можно представить в виде ломаной линии, где ее длина – это время, а высота изломов частота звука. Для усиления звука на радиодеталь подают мощное напряжение, которое приобретает необходимые частоты, но с более большими значениями, за счет подачи слабого сигнала на управляющий контакт. Другими словами, устройство пропорционально перерисовывает изначальную линию, но с более высокими пиковыми значениями.
Применение полевых транзисторов
Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат . Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.
В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике
. Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.
На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков . В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.
Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров . По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.
Плюсы и минусы полевых транзисторов
Полевые транзисторы своими характеристиками оставили далеко позади другие виды устройства. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.
- каскад деталей расходует мало энергии;
- усиление выше, чем у других видов;
- высокая помехоустойчивость достигается отсутствием прохождения тока в затворе;
- более высокая скорость включения и выключения – они могут работать на недоступных другим транзисторам частотах.
- более низкая температура разрушения, чем у других видов;
- на частоте 1,5 ггц, потребляемая энергия начинает резко возрастать;
- чувствительность к статическому электричеству.
Характеристики полупроводниковых материалов, взятых за основу полевых транзисторов, позволили применять устройства в быту и производстве . На основе плевых транзисторов создали бытовую технику в привычном для современного человека виде. Обработка высококачественных сигналов, производство процессоров и других высокоточных компонентов невозможна без достижений современной науки.
50. Основные свойства, характеристики и типы полевых транзисторов.
Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управление этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Устройство полевого транзистора: а – с n-каналом; б – с p-каналом
Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом р-типа или n-типа. Условное графическое изображение полевого транзистора приведено на рис. 2.2, с каналом n-типа и р-типа соответственно.
|
|
Следовательно можно сделать вывод, что полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока, и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими р-n переходами работают только в режиме обеднения канала.
2.2. Характеристики и параметры полевых транзисторов
К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:
· стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока I С от напряжения на затворе U ЗИ (рис. 2.4, а );
· стоковая характеристика – это зависимость I С от U СИ при постоянном напряжении на затворе (рис. 2.4, б )
I С = f (U СИ), при U ЗИ = const.
Рис. 2.4. Характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом:а – стокозатворная (входная); б – стоковая (выходная)
Основные параметры полевых транзисторов:
· напряжение отсечки;
· крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В (рис. 2.4, а )
QUOTE S=∆Ic∆U зи , при U СИ = const,
;
· внутреннее (или выходное) сопротивление полевого транзистора (рис. 2.4, б )
При U ЗИ = const;
· входное сопротивление
.
Так как на затвор подаётся только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять собой обратный ток закрытого p-n перехода и будет очень мал. Величина входного сопротивления R вх будет очень велика и может достигать 10 9 Ом.
Полевые транзисторы с изолированным затвором
2.3.2. Транзисторы с индуцированным каналом
Данные приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл, окись, полупроводник, а МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник.
МОП-транзисторы могут быть двух видов:
· транзисторы со встроенным каналом;
· транзисторы с индуцированным каналом.
Их графические обозначения приведены на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Графическое обозначение МОП-транзисторов:а – со встроенным каналом n-типа; б – со встроенным каналом p-типа; в – с индуцированным каналом n-типа; г – с индуцированным каналом p-типа
2.3.1. Транзистор со встроенным каналом
Структура полевого транзистора со встроенным каналом приведена на рис. 2.6, а . Основой такого транзистора является кристалл кремния р- или n-типа проводимости.
Рис. 2.6. МОП-транзистор со встроенным каналом: а – структура транзистора со встроенным каналом n-типа; б – стокозатворная характеристика
Интерес к статическим параметрам полевого транзистора с p-n -переходом на затворе, таким как начальный ток стока и напряжение отсечки, проявляется чаще всего инженерами и радиолюбителями либо как к приводимым в справочниках характеристикам для сравнения транзисторов различных типов, либо в связи с подбором близких по параметрам транзисторов для дифференциального каскада. В настоящей статье речь пойдёт об использовании статических параметров при расчёте схем на полевых транзисторах.
Определения
На рис.1. приведено условное графическое обозначение полевого транзистора с n -каналом и управляющим p-n -переходом на затворе:
Рис.1
Обозначение его выводов соответственно следующее:
G
(Gate) — затвор;
S
(Source) — исток;
D
(Drain) — сток.
Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n -переходом на затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки. Начальный ток стока полевого транзистора определяется как ток, протекающий через его канал при заданном постоянном напряжении сток-исток и равном нулю напряжении затвор-исток. В англоязычной технической документации этот параметр обозначают как I DSS .
Напряжение отсечки — это такое пороговое значение напряжения затвор-исток, по достижении которого ток через канал полевого транзистора уже не изменяется и практически равен нулю. Его также измеряют при фиксированном значении напряжения сток-исток и в англоязычной документации обозначают как V GS(off) или реже как V p .
В качестве усилительного элемента полевой транзистор работает при достаточно большом напряжении сток-исток V DS — на графике семейства выходных характеристик транзистора это значение напряжения расположено в области насыщения. Это значит, что величина тока через канал полевого транзистора, — ток стока I D , — зависит в основном лишь от величины напряжения затвор-исток V GS . Эту зависимость тока стока полевого транзистора I D от входного напряжения затвор-исток V GS описывает так называемая передаточная характеристика транзистора. Для транзисторов с управляющим p-n -переходом её обычно аппроксимируют следующим выражением:
Таким образом ток стока полевого транзистора с изменением напряжения на его затворе изменяется по квадратичному закону. Графически эту зависимость иллюстрирует приведенная на рис.2 диаграмма:
Рис.2. Пример аппроксимации зависимости тока стока I D от напряжения затвор-исток V GS квадратичной функцией при начальном токе стока I DSS = 9,5 mA и напряжении отсечки V GS(off) = -2,8 V.
В таком изменении тока стока I D с изменением напряжения затвор-исток V GS и проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Количественно эти свойства характеризует такой его параметр как крутизна, определяемая как:
Понятно, что значение крутизны, выраженное через статические параметры полевого транзистора I DSS и V GS(off) , можно получить дифференцируя выражение для передаточной характеристики (1) по dV GS :
То есть для транзистора с известными значениями начального тока стока I DSS и напряжения отсечки V GS(off) при заданном напряжении затвор-исток V GS крутизну передаточной характеристики можно рассчитать по формуле:
или, учитиывая равенство:
получаем еще одно выражение для крутизны при заданном токе стока I D :
Установка рабочей точки
На рис.3 приведены основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n -переходом на затворе:
а) усилительный каскад с общим истоком;
б) истоковый повторитель;
в) двухполюсник — стабилизатор тока.
Рис.3 Основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе.
Во всех этих схемах для установки требуемого значения тока стока I D служит включенный в цепь истока резистор R S . Потенциал затвора полевого транзистора равен потенциалу нижнего по схеме вывода этого резистора, поэтому ток стока I D , напряжение затвор-исток V GS и сопротивление R S элементарно связаны между собой законом Ома:
Расчет сопротивления R S для установки требуемого тока стока I D для полевого транзистора с известными значеними начального тока стока I DSS и напряжения отсечки V GS(off) также можно произвести на основании выражения для передаточной характеристики (1) :
откуда получаем равенство:
Разделим обе части равенства (6) на R S и, с учётом выражения (5) , получим:
Соответственно выражение для значения сопротивления R S примет следующий вид:
Теория и практика
Исходя из приведенных математических выкладок логично предположить, что, измерив значения начального тока стока I DSS и напряжения отсечки V GS(off) — основных статических параметров полевого транзистора с управляющим p-n -переходом на затворе, — можно определить крутизну передаточной характеристики транзистора в заданной рабочей точке или установить рабочую точку транзистора так, чтобы получить требуемое значение крутизны, рассчитать параметры других элементов схемы, и пр. Но практические результаты чаще всего оказываются далеки от расчетных.
Такое несоответствие теории и практики отмечается и в ряде авторитетных публикаций на тему работы полевого транзистора. Так, например, в один и тот же абзац содержит и утверждение о том, что передаточная характеристика полевого транзистора «достаточно точно определяется квадратичной зависимостью» в соответствии с формулой (1) , и оговорку, что на практике с помощью прибора зафиксировать величину соответствующего напряжения отсечки V GS(off) очень трудно, и поэтому обычно измеряют напряжение затвор-исток при I D = 0,1·I DSS , а затем, подставив эти значения в формулу (1) , вычисляют уже соответствующее ей значение напряжения отсечки по формуле:
В также отмечается, что измеренное значение напряжения отсечки V GS(off) , при котором величина тока стока I D становится нулевой или равной нескольким микроамперам, «не всегда будет удовлетворять равенству (1) , поэтому удобнее вычислять величину как функцию V GS и экстраполировать полученную прямую линию до значения тока I D =0″ .
Поскольку речь идёт о наиболее точном определении передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n -переходом на затворе, то величина напряжения отсечки V GS(off) конкретного транзистора важна лишь как параметр в выражении (1) , при котором это выражение наиболее соответствует реальной передаточной характеристике этого транзистора. То же самое можно сказать и о величине начального тока стока I DSS . Таким образом может оказаться, что прямое измерение статических параметров полевого транзистора особого практического смысла не имеет, поскольку эти параметры не описывают с достаточной точностью передаточную характеристику транзистора.
На практике при проектировании схем усилительных каскадов на полевых транзисторах с управляющим p-n -переходом на затворе режим их работы никогда не выбирают таким, чтобы напряжение затвор-исток V GS было близким к напряжению отсечки V GS(off) или к нулю. Следовательно, нет никакой необходимости описывать передаточную характеристику (1) на всём её протяжении от I D =0 до I D =I DSS , достаточно сделать это для некоего рабочего участка от I D1 =I D (V GS1) до I D2 =I D (V GS2) . Для этого решим следующую задачу.
Пусть путём измерения получены значения тока стока I D1 и I D2 соответственно для двух отстоящих друг от друга значений напряжения затвор-исток V GS1 и V GS2 :
Решив систему уравнений (9) относительно значений начального тока стока и напряжения отсечки мы получим более соответствующие реальной передаточной характеристике параметры формулы (1) .
Сначала определим значение . Для этого разделим второе уравнение на первое чтобы сократилось и получилось одно уравнение с одним неизвестным, которое решаем:
Таким образом искомое значение напряжения отсечки для формулы (1) определяется выражением:
А соответствующее значение начального тока стока вычисляется путём подстановки полученного по формуле (10) значения напряжения отсечки в следующее выражение, полученное из формулы (1) :
Экспериментальные данные
Вычисленные по формулам (10) и (11) значения напряжения отсечки и начального тока стока после подстановки в формулу (1) должны дать более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора. Чтобы это проверить были проведены контрольные измерения параметров двенадцати полевых транзисторов четырёх типов — по три транзистора каждого типа.
Порядок измерений для каждого транзистора был следующим. Сначала измерялись начальный ток стока I DSS и напряжение отсечки V GS(off) полевого транзистора. Затем были измерены значения напряжений затвор-исток V GS1 и V GS2 для двух соответствующих им значений тока стока I D1 и I D2 , несколько отстоящих от нулевого значения при V GS =V GS(off) и начального тока стока I DSS . Подстановка V GS1 , V GS2 , I D1 и I D2 в формулы (10) и (11) давала искомые значения и . Чтобы иметь возможность затем сравнить, какая же пара параметров полевого транзистора, — I DSS и V GS(off) или и , — после подстановки в формулу (1) даёт более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора, ток стока полевого транзистора устанавливался примерно равным половине измеренного значения его начального тока стока I DSS , то есть где-то посередине передаточной характеристики транзистора, с последующим измерением соответствующего этому току напряжения затвор-исток. Полученные таким образом значения I D0 и V GS0 — это координаты произвольно выбранной рабочей точки полевого транзистора на его передаточной характеристике. Осталось подставить теперь значение V GS0 в формулу (1) сначала с парой параметров I DSS и V GS(off) , а затем с и , и сравнить оба вычисленных значения тока стока с измеренным I D0 .
Результаты измерений параметров двенадцати полевых транзисторов приведены в таблице ниже.
| № | Транзистор | Измеренные значения статических параметров | Значения статических параметров по формулам (10) и (11) |
V GS0 , В |
I D0 , мА |
Значение тока стока I D
, вычисленное по формуле (1)
с параметрами I DSS и V GS(off) |
Значение тока стока I’ D
, вычисленное по формуле (1)
с параметрами I’ DSS и V’ GS(off) |
||||
I DSS , мА |
V GS(off) , В |
I’ DSS , мА |
V’ GS(off) , В |
I D , мА |
Ошибка, % |
I’ D , мА |
Ошибка, % |
||||
| 1 | КП303В | 2,95 | -1,23 | 2,98 | -1,35 | -0,40 | 1,52 | 1,33 | -12,5 | 1,47 | -3,6 |
| 2 | КП303В | 2,89 | -1,20 | 2,95 | -1,32 | -0,40 | 1,48 | 1,28 | -13,1 | 1,43 | -3,2 |
| 3 | КП303В | 2,66 | -1,16 | 2,70 | -1,24 | -0,36 | 1,41 | 1,26 | -10,2 | 1,35 | -3,8 |
| 4 | 2П303Е | 12,06 | -4,26 | 12,73 | -4,90 | -1,49 | 6,49 | 5,09 | -21,5 | 6,16 | -5,2 |
| 5 | 2П303Е | 11,24 | -3,94 | 11,69 | -4,50 | -1,37 | 6,06 | 4,79 | -20,9 | 5,67 | -6,5 |
| 6 | 2П303Е | 10,92 | -3,77 | 11,26 | -4,31 | -1,29 | 5,91 | 4,73 | -20,0 | 5,53 | -6,3 |
| 7 | 2N3819 | 10,64 | -3,47 | 10,76 | -3,91 | -1,08 | 5,90 | 5,05 | -14,4 | 5,64 | -4,4 |
| 8 | 2N3819 | 10,22 | -3,51 | 10,29 | -3,90 | -1,06 | 5,73 | 4,98 | -13,1 | 5,46 | -4,8 |
| 9 | 2N3819 | 10,30 | -3,38 | 10,46 | -3,80 | -1,07 | 5,67 | 4,81 | -15,2 | 5,40 | -4,8 |
| 10 | 2N4416A | 8,79 | -2,98 | 9,05 | -3,27 | -1,04 | 4,46 | 3,71 | -16,9 | 4,20 | -5,9 |
| 11 | 2N4416A | 10,10 | -3,22 | 10,31 | -3,55 | -1,18 | 4,98 | 4,04 | -19,0 | 4,58 | -8,0 |
| 12 | 2N4416A | 10,92 | -3,93 | 12,66 | -4,32 | -1,63 | 5,36 | 4,09 | -23,6 | 4,92 | -8,2 |
Выделенные цветом значения погрешностей говорят сами за себя. Если же сравнивать графики передаточной характеристики, подобные приведенному на рис.2 , то линия, построенная по значениям (; ), пройдёт гораздо ближе к точке (V GS0 ; I D0 ), чем построенная по измеренным значениями напряжения отсечки и начального тока стока (V GS(off) ; I DSS ).
Результаты будут ещё более точными, если в качестве точек (V GS1 ; I D1 ) и (V GS2 ; I D2 ) взять границы более узкого отрезка передаточной характеристики полевого транзистора, на котором он будет работать в реальной схеме. Особо следует отметить, что данный метод определения статических параметров полевых транзисторов незаменим для транзисторов с большим начальным током стока, например для таких как J310 .
©Задорожный Сергей Михайлович, 2012г., г.Киев
Литература:
- Бочаров Л.Н., «Полевые транзисторы»; Москва, издательство «Радио и связь», 1984;
- Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982.
Ток насыщения I с0 в цепи стока транзистора, включённого по схеме с общим истоком, при затворе накоротко замкнутым с истоком (т. е. при U з.и =0) - характерен лишь для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.
Ток стока в рабочей точке можно определить по следующей формуле :
I с = I с0 (1-U з.и /U отс) 2 (1)
где U отс - напряжение отсечки.
Уравнение (1) является приближенным для характеристики передачи любого полевого транзистора (особенно с малыми напряжениями отсечки).
Напряжение отсечки U отс - один из основных параметров, характеризующих полевой транзистор. При напряжении на затворе, численно равном напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал полевого транзистора, и ток стока при этом стремится к нулю.
Измерение истинного значения напряжения отсечки (при полном перекрытии канала) произвести довольно трудно, так как при этом приходится иметь дело с чрезвычайно малыми токами стока, к тому же зависящими от сопротивления изоляции. В справочных данных на полевые транзисторы всегда указывается, при каком значении тока стока произведены измерения напряжения отсечки. Так, например, для транзисторов КП102 напряжения U отс получены при токе стока 20 мкА, а у транзистора КП103 - при токе стока 10 мкА.
Крутизна проходной характеристики. Входное сопротивление полевых транзисторов со стороны управляющего электрода составляет 10 7 -10 9 Ом для транзисторов с p-n-переходом. Так как входные токи полевых транзисторов чрезвычайно малы, то управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением. Поэтому усилительные свойства полевого транзистора, как и электронных ламп, целесообразно характеризовать крутизной проходной характеристики.
Крутизна полевых транзисторов
Максимальное значение крутизны характеристики S макс достигается при U з.и =0. При этом численное значение S макс равно проводимости канала полевого транзистора при нулевых смещениях на его электродах.
Крутизна характеристики полевых транзисторов на 1-2 порядка меньше, чем у биполярных транзисторов, поэтому при малых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на полевом транзисторе меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.
Выражение для крутизны характеристики в рабочей точке ПТ получим, используя (1):
где U з.и - напряжение затвор-исток, при котором вычисляется S;
Соотношение (3) позволяет по двум известным параметрам рассчитать третий.
Пробивное напряжение. Механизм пробоя полевого транзистора можно объяснить возникновением лавинного процесса в переходе затвор - канал. Обратное напряжение диода затвор - канал изменяется вдоль длины затвора, достигая максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Если выводы стока и истока поменять местами, то пробивное напряжение почти не изменится. Например, у транзистора КП102 пробой наступает при суммарном напряжении между затвором и стоком, равном 30 В. Это напряжение является минимальным; фактически напряжение пробоя составляет в среднем около 55 В, а у отдельных экземпляров достигает 120 В .
Пробой не приводит к выходу из строя ПТ с управляющим р-n-переходом, если при этом рассеиваемая мощность не превышает допустимой. После пробоя в нормальном рабочем режиме эти транзисторы восстанавливают свою работоспособность. Это свойство транзисторов с p-n-переходом даёт им известное преимущество перед МОП-транзисторами, у которых пробой однозначно приводит к выходу прибора из строя.
Однако необходимо оговориться, что и для ПТ с р-n-переходом пробой не всегда безвреден. Степень его влияния на параметры транзистора определяется значением и продолжительностью действия тока, протекающего при этом через затвор. Так, в результате пробоя может увеличиться ток утечки затвора в нормальном режиме .
Динамическое сопротивление канала r к определяется выражением
Это сопротивление при U с.и = 0 и произвольном смещении U з.и можно выразить через параметры транзистора :
При малом напряжении сток-исток вблизи начала координат ПТ ведёт себя как переменное омическое сопротивление, зависящее от напряжения на затворе. Это остаётся справедливым даже в случае изменения полярности напряжения стока (см. рис. 4); необходимо только, чтобы напряжение на затворе было больше, чем на стоке .
Силовые инверторы, да и многие другие электронные устройства, редко обходятся сегодня без применения мощных MOSFET (полевых) или . Это касается как высокочастотных преобразователей типа сварочных инверторов, так и разнообразных проектов-самоделок, схем коих полным полно в интернете.
Параметры выпускаемых ныне силовых полупроводников позволяют коммутировать токи в десятки и сотни ампер при напряжении до 1000 вольт. Выбор этих компонентов на современном рынке электроники довольно широк, и подобрать полевой транзистор с требуемыми параметрами отнюдь не является проблемой сегодня, поскольку каждый уважающий себя производитель сопровождает конкретную модель полевого транзистора технической документацией, которую всегда можно найти как на официальном сайте производителя, так и у официальных дилеров.
Прежде чем приступить к проектированию того или иного устройства, с применением названных силовых компонентов, всегда нужно точно знать, с чем имеешь дело, особенно когда выбираешь конкретный полевой транзистор. Для этого и обращаются к datasheet"ам. Datasheet представляет собой официальный документ от производителя электронных компонентов, в котором приводятся описание, параметры, характеристики изделия, типовые схемы и т.д.
Давайте же посмотрим, что за параметры указывает производитель в даташите, что они обозначают и для чего нужны. Рассмотрим на примере даташита на полевой транзистор IRFP460LC. Это довольно популярный силовой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET.
HEXFET подразумевает такую структуру кристалла, когда в одном кристалле организованы тысячи параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек гексагональной формы. Это решение позволило значительно снизить сопротивление открытого канала Rds(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. Однако, перейдем к обзору параметров, указанных непосредственно в даташите на IRFP460LC от International Rectifier (IR).
См.
В самом начале документа дано схематичное изображение транзистора, приведены обозначения его электродов: G-gate (затвор), D-drain (сток), S-source (исток), а также указаны его главные параметры и перечислены отличительные качества. В данном случае мы видим, что этот полевой N-канальный транзистор рассчитан на максимальное напряжение 500 В, сопротивление его открытого канала составляет 0,27 Ом, а предельный ток равен 20 А. Пониженный заряд затвора позволяет использовать данный компонент в высокочастотных схемах при невысоких затратах энергии на управление переключением. Ниже приведена таблица (рис. 1) предельно допустимых значений различных параметров в различных режимах.
Id @ Tc = 25°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V - максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 20 А. При напряжении затвор-исток 10 В.
Id @ Tc = 100°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V - максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 100°C, составляет 12 А. При напряжении затвор-исток 10 В.
Idm @ Tc = 25°C; Pulsed Drain Current - максимальный импульсный, кратковременный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 80 А. При условии соблюдения приемлемой температуры перехода. На рисунке 11 (Fig 11) дается пояснение относительно соответствующих соотношений.
Pd @ Tc = 25°C Power Dissipation - максимальная рассеиваемая корпусом транзистора мощность, при температуре корпуса в 25°C, составляет 280 Вт.
Linear Derating Factor - с повышением температуры корпуса на каждый 1°C, рассеиваемая мощность возрастает еще на 2,2 Вт.
Vgs Gate-to-Source Voltage - максимальное напряжение затвор-исток не должно быть выше +30 В или ниже -30 В.
Eas Single Pulse Avalanche Energy - максимальная энергия единичного импульса на стоке составляет 960 мДж. Пояснение дается на рисунке 12 (Fig 12).
Iar Avalanche Current - максимальный прерываемый ток составляет 20 А.
Ear Repetitive Avalanche Energy - максимальная энергия повторяющихся импульсов на стоке не должна превышать 28 мДж (для каждого импульса).
dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt - предельная скорость нарастания напряжения на стоке равна 3,5 В/нс.
Tj, Tstg Operating Junction and Storage Temperature Range – безопасный температурный диапазон от -55°C до +150°C.
Soldering Temperature, for 10 seconds - допустимая при пайке максимальная температура составляет 300°C, причем на расстоянии минимум 1,6мм от корпуса.
Mounting torque, 6-32 or M3 screw - максимальный момент при креплении корпуса не должен превышать 1,1 Нм.
Rjc Junction-to-Case (кристалл-корпус) 0.45 °C/Вт.
Rcs Case-to-Sink, Flat, Greased Surface (корпус-радиатор) 0.24 °C/Вт.
Rja Junction-to-Ambient (кристалл-окружающая среда) зависит от радиатора и внешних условий.
Следующая таблица содержит все необходимые электрические характеристики полевого транзистора при температуре кристалла 25°C (см. рис. 3).
V(br)dss Drain-to-Source Breakdown Voltage - напряжение сток-исток, при котором наступает пробой равно 500 В.
ΔV(br)dss/ΔTj Breakdown Voltage Temp.Coefficient - температурный коэффициент, напряжения пробоя, в данном случае 0,59 В/°C.
Rds(on) Static Drain-to-Source On-Resistance - сопротивление сток-исток открытого канала при температуре 25°C, в данном случае, составляет 0,27 Ом. Оно зависит от температуры, но об этом позже.
Vgs(th) Gate Threshold Voltage - пороговое напряжение включения транзистора. Если напряжение затвор-исток будет меньше (в данном случае 2 - 4 В), то транзистор будет оставаться закрытым.
gfs Forward Transconductance - Крутизна передаточной характеристики, равна отношению изменения тока стока к изменению напряжения на затворе. В данном случае измерена при напряжении сток-исток 50 В и при токе стока 20 А. Измеряется в Ампер/Вольт или Сименсах.
Idss Drain-to-Source Leakage Current - ток утечки стока, он зависит от напряжения сток-исток и от температуры. Измеряется микроамперами.
Igss Gate-to-Source Forward Leakage и Gate-to-Source Reverse Leakage - ток утечки затвора. Измеряется наноамперами.
Qg Total Gate Charge - заряд, который нужно сообщить затвору для открытия транзистора.
Qgs Gate-to-Source Charge - заряд емкости затвор-исток.
Qgd Gate-to-Drain ("Miller") Charge - соответствующий заряд затвор-сток (емкости Миллера)
В данном случае эти параметры измерены при напряжении сток-исток, равном 400 В и при токе стока 20 А. На рисунке 6 дано пояснение относительно связи величины напряжения затвор-исток и полного заряда затвора Qg Total Gate Charge, а на рисунках 13 a и b приведены схема и график этих измерений.
td(on) Turn-On Delay Time - время открытия транзистора.
tr Rise Time - время нарастания импульса открытия (передний фронт).
td(off) Turn-Off Delay Time - время закрытия транзистора.
tf Fall Time - время спада импульса (закрытие транзистора, задний фронт).
В данном случае измерения проводились при напряжении питания 250 В, при токе стока 20 А, при сопротивлении в цепи затвора 4,3 Ом, и сопротивлении в цепи стока 20 Ом. Схема и графики приведены на рисунках 10 a и b.
Ld Internal Drain Inductance - индуктивность стока.
Ls Internal Source Inductance - индуктивность истока.
Данные параметры зависит от исполнения корпуса транзистора. Они важны при проектировании драйвера, поскольку напрямую связаны с временными параметрами ключа, особенно это актуально при разработке высокочастотных схем.
Crss Reverse Transfer Capacitance - емкость затвор-сток (емкость Миллера).
Данные измерения проводились на частоте 1 МГц, при напряжении сток-исток 25 В. На рисунке 5 показана зависимость данных параметров от напряжения сток-исток.
Следующая таблица (см. рис. 4) описывает характеристики интегрированного внутреннего диода полевого транзистора, условно находящегося между истоком и стоком.
Is Continuous Source Current (Body Diode) - максимальный непрерывный длительный ток диода.
Ism Pulsed Source Current (Body Diode) - максимально допустимый импульсный ток через диод.
Vsd Diode Forward Voltage - прямое падение напряжения на диоде при 25°C и токе стока 20 А, когда на затворе 0 В.
trr Reverse Recovery Time - время обратного восстановления диода.
Qrr Reverse Recovery Charge - заряд восстановления диода.
ton Forward Turn-On Time - время открытия диода обусловлено главным образом индуктивностями стока и истока.
Приведены пределы тока стока, в зависимости от напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток при длительности импульса 20 мкс. Первый рисунок - для температуры 25°C, второй - для 150°C. Очевидно влияние температуры на управляемость открытием канала.
На рисунке 6 графически представлена передаточная характеристика данного полевого транзистора. Очевидно, чем ближе напряжение затвор-исток к 10 В, тем лучше открывается транзистор. Влияние температуры также просматривается здесь довольно отчетливо.
На рисунке 7 приведена зависимость сопротивления открытого канала при токе стока в 20 А от температуры. Очевидно, с ростом температуры увеличивается и сопротивление канала.
На рисунке 9 приведена зависимость прямого падения напряжения на внутреннем диоде от величины тока стока и от температуры. На рисунке 8 показана область безопасной работы транзистора в зависимости от длительности времени открытого состояния, величины тока стока и напряжения сток-исток.
На рисунке 11 показана зависимость максимального тока стока от температуры корпуса.
На рисунках а и b представлены схема измерений и график, показывающий временную диаграмму открытия транзистора в процессе нарастания напряжения на затворе и в процессе разряда емкости затвора до нуля.
На рисунке 14 показана зависимость максимально допустимой энергии импульса от величины прерываемого тока и температуры.
На рисунках а и b показаны график и схема измерений заряда затвора.
На рисунке 16 показана схема измерений параметров и график типичных переходных процессов во внутреннем диоде транзистора.
На последнем рисунке изображен корпус транзистора IRFP460LC, его размеры, расстояние между выводами, их нумерация: 1-затвор, 2-сток, 3-исток.
Так, прочитав даташит, каждый разработчик сможет подобрать подходящий силовой или не очень, полевой или IGBT-транзистор для проектируемого либо ремонтируемого силового преобразователя, будь то , или любой другой силовой импульсный преобразователь.
Зная параметры полевого транзистора, можно грамотно разработать драйвер, настроить контроллер, провести тепловые расчеты, и подобрать подходящий радиатор без необходимости ставить лишнее.