Tranzistor (tranzistor, angl.) je trióda vyrobená z polovodičových materiálov, s tromi výstupmi, ktorej hlavnou vlastnosťou je riadiť značný prúd na výstupe obvodu s relatívne nízkym vstupným signálom. Tranzistory s efektom poľa sa používajú v rádiových komponentoch, z ktorých sú zostavené moderné zložité elektrické zariadenia. Ich vlastnosti umožňujú riešiť problémy vypnutia alebo zapnutia prúdu v elektrickom obvode dosky plošných spojov, prípadne jeho zosilnenie.
Čo je tranzistor s efektom poľa
Tranzistor s efektom poľa je zariadenie s tromi alebo štyrmi kontaktmi, v ktorých prúd na dvoch kontaktoch je nastaviteľný napätie elektrického poľa na treťom. Preto sa im hovorí poľné.
Kontakty:
Tranzistor s efektom poľa s n-p prechodom je špeciálny typ tranzistora, ktorý slúži pre kontrolu prúdu.
Od jednoduchého obyčajného sa líši tým, že prúd ním prechádza bez toho, aby prekročil zónu p-n prechodu, zónu vytvorenú na hraniciach týchto dvoch zón. Veľkosť p-n zóny je nastaviteľná.
Tranzistory s efektom poľa, ich typy
Tranzistory s efektom poľa s n-p prechodom sú rozdelené do tried:
- Podľa typu kanála vodiča: n alebo r. Znamienko, polarita, riadiaceho signálu závisí od kanálu. Znamienko by malo byť opačné ako n-zóna.
- Podľa štruktúry zariadenia: difúzne, legované pozdĺž p-n križovatky, s uzáverom, tenkovrstvové.
- Podľa počtu kontaktov: 3 a 4-pin. V prípade 4-pinového zariadenia substrát funguje aj ako brána.
- Podľa použitých materiálov: germánium, kremík, arzenid gália.
Triedy sú rozdelené podľa princípu činnosti:
- zariadenie ovládané p-n prechodom;
- izolovaná brána alebo bariérové zariadenie Schottky.
Tranzistor s efektom poľa, princíp činnosti
Jednoducho povedané, ako funguje tranzistor s efektom poľa manažér prechod, môžeme povedať toto: rádiová zložka pozostáva z dvoch zón: p - prechod a n - prechod. Preteká cez zónu elektrický prúd. Zóna p je prekrývajúca sa zóna, druh ventilu. Ak na to silno stlačíte, blokuje priestor pre prechod prúdu a prejde to menej. Alebo ak sa tlak zníži, prejde viac. Tento tlak sa vykonáva zvýšením napätia na kontakte brány umiestnenom v zóne rieky.
Zariadenie s riadiacim p-n kanálovým prechodom je polovodičový plátok s elektrickou vodivosťou jedného z týchto typov. Na konce dosky sú pripojené kontakty: odtok a zdroj, v strede je kontakt brány. Pôsobenie zariadenia je založené na variabilite hrúbky p-n medzery prechod. Keďže v oblasti blokovania nie sú takmer žiadni operátori mobilných poplatkov vodivosť je nulová. V polovodičovej doštičke sa v oblasti, ktorá nie je ovplyvnená blokovacou vrstvou, vytvorí kanál na vedenie prúdu. Keď je voči zdroju privedené záporné napätie, na bráne sa vytvorí tok, cez ktorý vytekajú nosiče náboja.
V prípade izolovanej brány je na nej tenká vrstva dielektrika. Tento typ zariadenia funguje na princípe elektrického poľa. Na jeho zničenie stačí malé množstvo elektriny. Preto sa na ochranu pred statickým napätím, ktoré môže dosiahnuť tisíce voltov, vytvárajú špeciálne kryty zariadení - pomáhajú minimalizovať vplyv vírusovej elektriny.
Prečo potrebujete tranzistor s efektom poľa?
Považovať prácu zložitých elektronických zariadení za prácu tranzistor s efektom poľa(ako jedna zo súčastí integrovaného obvodu) je ťažké si to predstaviť hlavné smery jeho práce päť:
- Vysokofrekvenčné zosilňovače.
- Basové zosilňovače.
- Modulácia.
- DC zosilňovače.
- Kľúčové zariadenia (spínače).
Na jednoduchom príklade si činnosť tranzistora, podobne ako spínača, možno predstaviť ako usporiadanie mikrofónu so žiarovkou. Mikrofón zachytáva zvuk, ktorý generuje elektrický prúd. Ide do uzamknutého tranzistora s efektom poľa. Prúd svojou prítomnosťou zapína prístroj, zapína elektrický obvod, ku ktorému je pripojená žiarovka. Svetlo sa rozsvieti, keď mikrofón zachytí zvuk, ale rozsvieti sa kvôli zdroju napájania, ktorý nie je pripojený k mikrofónu a je výkonnejší.
Použitá modulácia na ovládanie informačného signálu. Signál riadi frekvenciu oscilácie. Modulácia sa používa pre vysokú kvalitu zvukový signál v rozhlase, na prenos zvuku v televíznom vysielaní, vysielanie farebných a vysokokvalitných televíznych signálov. Používa sa všade tam, kde sa vyžaduje práca s kvalitným materiálom.
Ako zosilňovač tranzistor s efektom poľa pracuje zjednodušeným spôsobom: graficky môže byť akýkoľvek signál, najmä zvukový rad, znázornený ako prerušovaná čiara, kde jeho dĺžka je čas a výška zlomov je frekvencia zvuku. Na zosilnenie zvuku sa do rádiového komponentu privádza mohutné napätie, ktoré vďaka privádzaniu slabého signálu na ovládací kontakt získava potrebné frekvencie, avšak s vyššími hodnotami. Inými slovami, zariadenie proporcionálne prekreslí pôvodný riadok, ale s vyššími špičkovými hodnotami.
Aplikácia tranzistorov s efektom poľa
Prvé zariadenie, ktoré sa začalo predávať s tranzistorom s efektom poľa manažér p-n prechod bol načúvacie zariadenie. Jeho podoba bola zaznamenaná v päťdesiatych rokoch minulého storočia. V priemyselnom meradle sa používali v telefónnych ústredniach.
V modernom svete sa používajú zariadenia v celej elektrotechnike. Vzhľadom na malú veľkosť a rozmanitosť charakteristík tranzistora s efektom poľa ho možno nájsť v kuchynských spotrebičoch, audio a televíznych zariadeniach, počítačoch a elektronických detských hračkách. Používajú sa v zabezpečovacích systémoch zabezpečovacích mechanizmov aj požiarnych hlásičov.
Tranzistorové zariadenia sa používajú v továrňach pre regulátory výkonu strojov. V doprave, od prevádzky zariadení vo vlakoch a lokomotívach, až po systémy vstrekovania paliva súkromných automobilov. V bytových a komunálnych službách od dispečerských systémov po systémy riadenia pouličného osvetlenia.
Jednou z najdôležitejších aplikácií tranzistorov je výroba procesorov. V skutočnosti sa celý procesor skladá z mnohých miniatúrnych rádiových komponentov. Ale pri prechode na prevádzkové frekvencie nad 1,5 GHz začnú spotrebovávať energiu ako lavína. Výrobcovia procesorov sa preto radšej vydali cestou viacjadier ako zvyšovania taktov.
Výhody a nevýhody tranzistorov s efektom poľa
Tranzistory s efektom poľa a ich charakteristikami zanechal ďaleko za ostatnými druhmi zariadení. Široko sa používajú v integrovaných obvodoch ako spínače.
- kaskáda častí spotrebuje málo energie;
- zisk je vyšší ako u iných druhov;
- vysoká odolnosť proti hluku je dosiahnutá absenciou toku prúdu v bráne;
- vyššia rýchlosť zapínania a vypínania - môžu pracovať na frekvenciách neprístupných pre iné tranzistory.
- nižšia teplota zničenia ako u iných druhov;
- pri frekvencii 1,5 GHz sa spotreba energie začína prudko zvyšovať;
- citlivosť na statickú elektrinu.
Umožnili to vlastnosti polovodičových materiálov, ktoré boli brané ako základ pre tranzistory s efektom poľa používať zariadenia v každodennom živote a výrobe. Na základe tranzistorov vytvorili domáce spotrebiče obvyklým spôsobom. moderný človek formulár. Spracovanie vysokokvalitných signálov, výroba procesorov a iných vysoko presných komponentov je nemožné bez výdobytkov modernej vedy.
50. Základné vlastnosti, charakteristiky a typy tranzistorov riadených poľom.
Tranzistor s efektom poľa je polovodičové zariadenie, v ktorom prúd vytvárajú iba hlavné nosiče náboja pod vplyvom pozdĺžneho elektrického poľa a tento prúd je riadený priečnym elektrické pole, ktoré vzniká napätím privedeným na riadiacu elektródu (obr. 2.1).
Ryža. 2.1. Tranzistorové zariadenie s efektom poľa: A– s n-kanálom; b– s p-kanálom
Preto sú tranzistory s efektom poľa rozdelené na tranzistory s kanálom typu p alebo n. Bežné grafické znázornenie tranzistora s efektom poľa je znázornené na obr. 2.2 s kanálom typu n a typu p.
|
|
Preto môžeme konštatovať, že tranzistor s efektom poľa je riadené polovodičové zariadenie, pretože zmenou hradlového napätia možno znížiť odberový prúd, a preto sa zvykne tvrdiť, že tranzistory s efektom poľa s riadiacimi p-n prechodmi fungujú iba v režim vyčerpania kanálov.
2.2. Charakteristika a parametre tranzistorov riadených poľom
Medzi hlavné charakteristiky tranzistorov s efektom poľa patria:
· charakteristika vypúšťacieho hradla je závislosť odtokového prúdu I C od napätia hradla U ZI (obr. 2.4, Obr. A);
· charakteristika odtoku je závislosť I C od U SI at konštantné napätie na uzávere (obr. 2.4, b)
I C = f (U SI), pričom U SI = konšt.
Ryža. 2.4. Charakteristika tranzistorov riadených poľom p-n križovatka:A– odtokový uzáver (vstup); b- zásoby (výstup)
Základné parametre tranzistorov s efektom poľa:
· vypínacie napätie;
· sklon charakteristiky brány. Ukazuje, o koľko miliampérov sa zmení odberový prúd, keď sa napätie brány zmení o 1 V (obr. 2.4, A)
CITÁT S=∆Ic∆U zi , pričom U SI = konštanta,
;
· vnútorný (alebo výstupný) odpor tranzistora s efektom poľa (obr. 2.4, b)
Keď U SI = konšt.
· vstupná impedancia
.
Pretože na bránu je aplikované iba blokovacie napätie, prúd brány bude spätným prúdom uzavretého pn prechodu a bude veľmi malý. Hodnota vstupného odporu Rin bude veľmi veľká a môže dosiahnuť 10 9 Ohmov.
Izolované tranzistory s efektom hradlového poľa
2.3.2. Tranzistory s indukovanými kanálmi
Tieto zariadenia majú bránu vo forme kovového filmu, ktorý je izolovaný od polovodiča dielektrickou vrstvou, vo forme ktorej je použitý oxid kremičitý. Preto sa tranzistory s efektom poľa s izolovaným hradlom nazývajú MOS a MOS. Skratka MOS znamená kov, oxid, polovodič, zatiaľ čo MIS znamená kov, dielektrikum, polovodič.
MOSFETy môžu byť dvoch typov:
· tranzistory so vstavaným kanálom;
· tranzistory s indukovaným kanálom.
Ich grafické symboly sú znázornené na obr. 2.5.
Ryža. 2.5. Grafické označenie MOS tranzistorov: A– so vstavaným kanálom typu n; b– so vstavaným kanálom typu p; V– s indukovaným kanálom typu n; G– s indukovaným kanálom typu p
2.3.1. Tranzistor so vstavaným kanálom
Štruktúra tranzistora s efektom poľa so zabudovaným kanálom je znázornená na obr. 2,6, A. Základom takéhoto tranzistora je kremíkový kryštál vodivosti typu p alebo n.
Ryža. 2.6. MOSFET s integrovaným kanálom: A– štruktúra tranzistora so zabudovaným kanálom typu n; b– charakteristika brány
Záujem o statické parametre tranzistora s efektom poľa s p-n-prechod na hradle, ako je počiatočný odberový prúd a medzné napätie, sa najčastejšie prejavuje inžiniermi a rádioamatérmi buď ako charakteristiky uvedené v referenčných knihách na porovnávanie tranzistorov rôznych typov, alebo v súvislosti s výberom tranzistorov s podobnými parametrami pre diferenciálny stupeň. IN tento článok Budeme hovoriť o použití statických parametrov pri výpočte obvodov pomocou tranzistorov s efektom poľa.
Definície
Zapnuté Obr.1. podmienečný je daný grafické označenie tranzistor s efektom poľa s n- kanál a manažér p-n- prechod na bráne:
Obr.1
Označenie jej záverov je teda nasledovné:
G(Brána) - uzáver;
S(Source) - zdroj;
D(Drain) - odtok.
Hlavné statické parametre tranzistora s efektom poľa s p-n-Križovatka na bráne je počiatočný odberový prúd a vypínacie napätie. Počiatočný odberový prúd tranzistora s efektom poľa je definovaný ako prúd pretekajúci jeho kanálom pri danom konštantnom napätí zdroja kolektora a nulovom napätí hradlového zdroja. V anglickej technickej dokumentácii je tento parameter označený ako I DSS.
Medzné napätie je prahová hodnota napätia hradlového zdroja, po dosiahnutí ktorej sa prúd cez kanál tranzistora s efektom poľa už nemení a je prakticky rovný nule. Meria sa tiež pri pevnej hodnote napätia kolektor-zdroj a v anglickej dokumentácii sa označuje ako V GS (vypnuté) alebo menej často ako V p.
Ako zosilňovací prvok pracuje tranzistor s efektom poľa pri dostatočne vysokom napätí kolektor-zdroj VDS— na grafe skupiny výstupných charakteristík tranzistora sa táto hodnota napätia nachádza v oblasti nasýtenia. To znamená, že množstvo prúdu cez kanál tranzistora s efektom poľa je odvodňovací prúd ja D, - závisí hlavne len od hodnoty napätia hradla-zdroja VGS. Táto závislosť odtokového prúdu tranzistora s efektom poľa ja D od vstupného napätia hradla-zdroja VGS opisuje takzvanú prenosovú charakteristiku tranzistora. Pre tranzistory s riadením p-n-prechod sa zvyčajne aproximuje nasledujúcim výrazom:
Odberový prúd tranzistora s efektom poľa sa teda so zmenou napätia na jeho hradle mení podľa kvadratického zákona. Graficky je táto závislosť znázornená Obr.2 diagram:
Obr.2. Príklad aproximácie závislosti kolektorového prúdu I D na napätí hradla-zdroja V GS kvadratickou funkciou s počiatočným odberovým prúdom I DSS = 9,5 mA a medzným napätím V GS(off) = -2,8 V.
Pri takejto zmene odtokového prúdu ja D s meniacim sa napätím hradla VGS a objavia sa zosilňovacie vlastnosti tranzistora s efektom poľa. Kvantitatívne sú tieto vlastnosti charakterizované takým parametrom, ako je sklon, definovaný ako:
Je zrejmé, že hodnota strmosti vyjadrená z hľadiska statických parametrov tranzistora s efektom poľa I DSS A V GS (vypnuté), možno získať diferenciáciou výrazu pre prenosovú charakteristiku (1) Autor: dV GS:
To znamená pre tranzistor so známymi hodnotami počiatočného odtokového prúdu I DSS a vypínacie napätie V GS (vypnuté) pri danom napätí hradla-zdroja VGS Sklon prenosovej charakteristiky možno vypočítať pomocou vzorca:
alebo za predpokladu rovnosti:
získame iný výraz pre transkonduktanciu pri danom odberovom prúde ja D:
Nastavenie pracovného bodu
Zapnuté Obr.3 ukazuje základné obvody na pripojenie tranzistora riadeného poľom s riadením p-n- prechod na bráne:
a) zosilňovací stupeň so spoločným zdrojom;
b) sledovač zdroja;
c) dvojsvorková sieť - stabilizátor prúdu.
Obr.3 Základné obvody na pripojenie tranzistora riadeného poľom s riadiacim p-n prechodom na hradle.
Vo všetkých týchto obvodoch nastavte požadovanú hodnotu odtokového prúdu ja D slúži ako odpor zahrnutý v obvode zdroja R S. Potenciál brány tranzistora s efektom poľa sa rovná potenciálu spodnej svorky tohto odporu, takže odtokový prúd ja D, hradlo-zdrojové napätie VGS a odpor R S sú elementárne spojené Ohmovým zákonom:
Výpočet odporu R S na nastavenie požadovaného vypúšťacieho prúdu ja D pre tranzistor s efektom poľa so známymi hodnotami počiatočného odberového prúdu I DSS a vypínacie napätie V GS (vypnuté) možno odvodiť aj na základe výrazu pre prenosovú charakteristiku (1) :
odkiaľ dostaneme rovnosť:
Rozdeľme obe strany rovnosti (6) na R S a berúc do úvahy výraz (5) , dostaneme:
Podľa toho výraz pre hodnotu odporu R S bude mať nasledujúcu formu:
Teória a prax
Na základe vyššie uvedených matematických výpočtov je logické predpokladať, že meraním hodnôt počiatočného odtokového prúdu I DSS a vypínacie napätie V GS (vypnuté)— hlavné statické parametre tranzistora riadeného poľom s riadením p-n- prechod na hradle - môžete určiť strmosť prenosovej charakteristiky tranzistora v danom pracovnom bode alebo nastaviť pracovný bod tranzistora tak, aby ste získali požadovanú hodnotu strmosti, vypočítať parametre ostatných prvkov obvodu atď. Praktické výsledky sa však najčastejšie ukážu ako ďaleko od vypočítaných.
Tento rozpor medzi teóriou a praxou je zaznamenaný aj v mnohých smerodajných publikáciách na tému činnosti tranzistora s efektom poľa. Takže napríklad ten istý odsek obsahuje aj vyhlásenie, že prenosová charakteristika tranzistora s efektom poľa „celkom presne určené kvadratickou závislosťou“ podľa vzorca (1) , a upozornenie, že v praxi pomocou zariadenia zafixujte hodnotu zodpovedajúceho vypínacieho napätia V GS (vypnuté) veľmi ťažké, a preto sa napätie gate-source zvyčajne meria pri ID = 0,1.1 DSS a potom nahradením týchto hodnôt do vzorca (1) , vypočítajte zodpovedajúcu hodnotu medzného napätia pomocou vzorca:
Je tiež potrebné poznamenať, že nameraná hodnota medzného napätia V GS (vypnuté), pri ktorej je veľkosť odtokového prúdu ja D bude nula alebo sa rovná niekoľkým mikroampérom, „nie vždy uspokojí rovnosť (1) , preto je vhodnejšie vypočítať hodnotu ako funkciu V GS a výslednú priamku extrapolovať na aktuálnu hodnotu I D =0″.
Keďže hovoríme o čo najpresnejšom určení prenosovej charakteristiky tranzistora s riadeným poľom p-n-prechod na hradle, potom hodnota medzného napätia V GS (vypnuté) konkrétny tranzistor je dôležitý len ako parameter vo výraze (1) , pri ktorom sa tento výraz najviac zhoduje so skutočnou prenosovou charakteristikou tohto tranzistora. To isté možno povedať o hodnote počiatočného odtokového prúdu I DSS. Môže sa teda ukázať, že priame meranie statických parametrov tranzistora s efektom poľa nemá veľký praktický význam, keďže tieto parametre dostatočne presne nepopisujú prenosovú charakteristiku tranzistora.
V praxi pri návrhu obvodov zosilňovacích stupňov na báze poľných tranzistorov s riadením p-n- zapnutím brány sa ich prevádzkový režim nikdy nezvolí tak, že napätie brány-zdroj VGS bolo blízko medzného napätia V GS (vypnuté) alebo na nulu. Preto nie je potrebné popisovať prenosovú charakteristiku (1) po celej dĺžke od I D = 0 do I D = I DSS, stačí to urobiť pre určitú pracovnú oblasť od I D1 = I D (V GS1) do I D2 = I D (V GS2). Ak to chcete urobiť, vyriešte nasledujúci problém.
Hodnoty odtokového prúdu nechajte získať meraním I D1 A I D2 respektíve pre dve hodnoty napätia hradlového zdroja, ktoré sú od seba vzdialené VGS1 A VGS2:
Po vyriešení sústavy rovníc (9) Pokiaľ ide o hodnoty počiatočného odberového prúdu a medzného napätia, získame parametre vzorca, ktoré sú konzistentnejšie so skutočnou prenosovou charakteristikou (1) .
Najprv určme hodnotu. Aby sme to urobili, vydelíme druhú rovnicu prvou tak, aby bola zmenšená a dostaneme jednu rovnicu s jednou neznámou, ktorú vyriešime:
Teda požadovaná hodnota medzného napätia pre vzorec (1) sa určuje výrazom:
A zodpovedajúca hodnota počiatočného odtokového prúdu sa vypočíta nahradením hodnoty získanej vzorcom (10) hodnotu medzného napätia do nasledujúceho výrazu získaného zo vzorca (1) :
Experimentálne údaje
Vypočítané podľa vzorcov (10) A (11) hodnoty medzného napätia a počiatočného odtokového prúdu po dosadení do vzorca (1) by mal poskytnúť presnejšiu zhodu tohto vzorca s prenosovou charakteristikou skutočného tranzistora s efektom poľa. Na kontrolu boli vykonané kontrolné merania parametrov dvanástich tranzistorov s efektom poľa štyroch typov - troch tranzistorov každého typu.
Poradie meraní pre každý tranzistor bolo nasledovné. Najprv sa zmeral počiatočný odtokový prúd I DSS a vypínacie napätie V GS (vypnuté) tranzistor s efektom poľa. Potom sa merali napätia hradla-zdroja VGS1 A VGS2 pre dve zodpovedajúce hodnoty odtokového prúdu I D1 A I D2, trochu vzdialená od nulovej hodnoty at V GS = V GS (vypnuté) a počiatočný odtokový prúd I DSS. Substitúcia VGS1, VGS2, I D1 A I D2 do vzorcov (10) A (11) poskytli požadované hodnoty a . Aby bolo možné potom porovnať, aký pár parametrov má tranzistor s efektom poľa - I DSS A V GS (vypnuté) alebo a , - po substitúcii do vzorca (1) dáva presnejšiu zhodu tohto vzorca s prenosovou charakteristikou skutočného tranzistora riadeného poľom, odberový prúd tranzistora s efektom poľa bol nastavený približne na polovicu nameranej hodnoty jeho počiatočného odberového prúdu I DSS, teda niekde v strede prenosovej charakteristiky tranzistora, po ktorom nasleduje meranie napätia hradla-zdroja zodpovedajúceho tomuto prúdu. Hodnoty získané týmto spôsobom Ja D0 A VGS0 sú súradnice ľubovoľne zvoleného pracovného bodu tranzistora s efektom poľa na jeho prenosovej charakteristike. Teraz zostáva len nahradiť hodnotu VGS0 do vzorca (1) najprv s niekoľkými parametrami I DSS A V GS (vypnuté) a potom pomocou a a porovnajte obe vypočítané hodnoty odtokového prúdu s nameranou hodnotou Ja D0.
Výsledky merania parametrov dvanástich tranzistorov s efektom poľa sú uvedené v tabuľke nižšie.
| № | Tranzistor | Namerané hodnoty statických parametrov | Hodnoty statických parametrov podľa vzorcov (10) A (11) |
VGS0, IN |
ja D0, mA |
Hodnota prúdu odtoku ja D, vypočítané podľa vzorca (1)
s parametrami I DSS A V GS (vypnuté) |
Hodnota prúdu odtoku Ja by som, vypočítané podľa vzorca (1)
s parametrami DSS A V'GS (vypnuté) |
||||
ja DSS, mA |
V GS (vypnuté) , IN |
ja DSS, mA |
V'GS(vypnuté), IN |
ja D, mA |
chyba, % |
Ja by som mA |
chyba, % |
||||
| 1 | KP303V | 2,95 | -1,23 | 2,98 | -1,35 | -0,40 | 1,52 | 1,33 | -12,5 | 1,47 | -3,6 |
| 2 | KP303V | 2,89 | -1,20 | 2,95 | -1,32 | -0,40 | 1,48 | 1,28 | -13,1 | 1,43 | -3,2 |
| 3 | KP303V | 2,66 | -1,16 | 2,70 | -1,24 | -0,36 | 1,41 | 1,26 | -10,2 | 1,35 | -3,8 |
| 4 | 2P303E | 12,06 | -4,26 | 12,73 | -4,90 | -1,49 | 6,49 | 5,09 | -21,5 | 6,16 | -5,2 |
| 5 | 2P303E | 11,24 | -3,94 | 11,69 | -4,50 | -1,37 | 6,06 | 4,79 | -20,9 | 5,67 | -6,5 |
| 6 | 2P303E | 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 |
Hodnoty chýb zvýraznené farebne hovoria samy za seba. Ak porovnáme grafy prenosových charakteristík podobné tým, ktoré sú uvedené v Obr.2, potom čiara vytvorená z hodnôt (;) prejde oveľa bližšie k bodu ( VGS0; Ja D0) než ten, ktorý je skonštruovaný z nameraných hodnôt medzného napätia a počiatočného odberového prúdu ( V GS (vypnuté); I DSS).
Výsledky budú ešte presnejšie, ak body ( VGS1; I D1) A ( VGS2; I D2) vziať hranice užšieho segmentu prenosovej charakteristiky tranzistora s efektom poľa, na ktorom bude pracovať v reálnom obvode. Zvlášť treba poznamenať, že táto metóda na určenie statických parametrov tranzistorov s efektom poľa je nevyhnutná pre tranzistory s veľkým počiatočným odberovým prúdom, napr. J310.
©Zadorozhny Sergey Michajlovič, 2012, Kyjev
Literatúra:
- Bocharov L.N., „Poľné tranzistory“; Moskva, vydavateľstvo "Rádio a komunikácie", 1984;
- Tietze U., Schenk K., „Technológia polovodičových obvodov“; preklad z nemčiny; Moskva, vydavateľstvo "Mir", 1982.
Saturačný prúd I s0 v kolektorovom obvode tranzistora zapojeného podľa obvodu so spoločným zdrojom, s hradlom skratovaným so zdrojom (t.j. pri U z.i = 0) - typické len pre tranzistory s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom.
Odtokový prúd v pracovnom bode možno určiť podľa nasledujúceho vzorca:
I s = I s0 (1-U z.i /U ots) 2 (1)
kde U ots je medzné napätie.
Rovnica (1) je aproximáciou prenosových charakteristík akéhokoľvek tranzistora s efektom poľa (najmä s nízkymi medznými napätiami).
Medzné napätie U ots- jeden z hlavných parametrov charakterizujúcich tranzistor s efektom poľa. Keď sa hradlové napätie numericky rovná medznému napätiu, kanál tranzistora s efektom poľa je takmer úplne zablokovaný a zberný prúd má tendenciu k nule.
Meranie skutočnej hodnoty medzného napätia (pri úplnom zablokovaní kanála) je pomerne ťažké, pretože v tomto prípade je potrebné riešiť extrémne malé odberové prúdy, ktoré závisia aj od izolačného odporu. Referenčné údaje pre tranzistory s efektom poľa vždy udávajú, pri akej hodnote odberového prúdu bolo namerané vypínacie napätie. Napríklad pre tranzistory KP102 sa získali napätia U otc pri odberovom prúde 20 μA a pre tranzistor KP103 - pri odberovom prúde 10 μA.
Charakteristika sklonu prechodu. Vstupný odpor tranzistorov riadených poľom na strane riadiacej elektródy je 10 7 -10 9 Ohmov pre tranzistory s p-n prechodom. Pretože vstupné prúdy tranzistorov s efektom poľa sú extrémne malé, prúd vo výstupnom obvode je riadený vstupným napätím. Preto sú zosilňovacie vlastnosti tranzistora s efektom poľa, napr vákuové trubice, je vhodné charakterizovať sklon prietokovej charakteristiky.
Sklon tranzistorov s efektom poľa
Maximálna hodnota sklonu charakteristiky S max sa dosiahne pri U z.i = 0. V tomto prípade sa číselná hodnota Smax rovná vodivosti tranzistorového kanála s efektom poľa pri nulovom predpätí na jeho elektródach.
Sklon charakteristiky tranzistorov s efektom poľa je o 1 až 2 rády menší ako u bipolárnych tranzistorov, preto pri nízkych odporoch zaťaženia je zosilnenie kaskády na tranzistore s efektom poľa menšie ako zosilnenie podobného kaskáda na bipolárnom tranzistore.
Výraz pre sklon charakteristiky v pracovnom bode PT získame pomocou (1):
kde U g.i je napätie hradla, pri ktorom sa vypočíta S;
Vzťah (3) nám umožňuje vypočítať tretí pomocou dvoch známych parametrov.
Prierazné napätie. Mechanizmus rozpadu tranzistora s efektom poľa možno vysvetliť výskytom lavínového procesu pri prechode medzi hradlovým kanálom. Reverzné napätie diódy hradlového kanála sa mení pozdĺž dĺžky hradla a dosahuje maximálnu hodnotu na odtokovom konci kanála. Tu dochádza k poruche tranzistora s efektom poľa. Ak sa zamenia odtokové a zdrojové svorky, prierazné napätie sa takmer nezmení. Napríklad v tranzistore KP102 dochádza k poruche pri celkovom napätí medzi hradlom a kolektorom rovnajúcim sa 30 V. Toto napätie je minimálne; v skutočnosti je prierazné napätie v priemere asi 55 V a v niektorých vzorkách dosahuje 120 V.
Porucha nevedie k poruche PT s riadiacim p-n prechodom, ak rozptýlený výkon nepresiahne prípustnú hodnotu. Po poruche v normálnom prevádzkovom režime tieto tranzistory obnovia svoju funkčnosť. Táto vlastnosť tranzistorov s p-n prechodom im dáva určitú výhodu oproti MOS tranzistorom, pri ktorých porucha jednoznačne vedie k poruche zariadenia.
Je však potrebné urobiť výhradu, že ani pre PT s p-n prechodom nie je porucha vždy neškodná. Miera jeho vplyvu na parametre tranzistora je určená hodnotou a dobou trvania prúdu pretekajúceho bránou. V dôsledku poruchy sa teda môže zvodový prúd brány v normálnom režime zvýšiť.
Odpor dynamického kanála r k je určený výrazom
Tento odpor pri U c.i = 0 a ľubovoľné predpätie U c.i možno vyjadriť pomocou parametrov tranzistora:
Pri nízkom napätí odtokového zdroja v blízkosti pôvodu sa FET správa ako premenlivý ohmický odpor v závislosti od napätia hradla. Toto platí aj vtedy, ak sa zmení polarita kolektorového napätia (pozri obr. 4); len je potrebné, aby napätie na bráne bolo väčšie ako na odtoku.
Výkonové meniče, a mnohé iné elektronické zariadenia sa dnes už len málokedy zaobídu bez použitia výkonných MOSFETov (field-effect) resp. Platí to pre vysokofrekvenčné meniče, ako sú zváracie invertory, ako aj pre rôzne domáce projekty, ktorých schémy sú na internete plné.
Parametre v súčasnosti vyrábaných výkonových polovodičov umožňujú spínať prúdy desiatok a stoviek ampérov pri napätiach do 1000 voltov. Výber týchto komponentov moderný trh elektronika je pomerne široká a vybrať si tranzistor s efektom poľa s požadovanými parametrami dnes nie je v žiadnom prípade problém, keďže každý sebavedomý výrobca sprevádza konkrétny model tranzistora s efektom poľa technickou dokumentáciou, ktorú vždy nájdete na na oficiálnych stránkach výrobcu a od oficiálnych predajcov.
Predtým, než začnete navrhovať zariadenie využívajúce tieto výkonové komponenty, musíte vždy presne vedieť, s čím máte do činenia, najmä pri výbere konkrétneho tranzistora s efektom poľa. Na tento účel sa obracajú na katalógové listy úradný dokument od výrobcu elektronické komponenty, ktorá poskytuje popis, parametre, charakteristiky produktu, typické schémy atď.
Pozrime sa, aké parametre uvádza výrobca v datasheete, čo znamenajú a na čo sú potrebné. Pozrime sa na príklad údajového listu pre tranzistor s efektom poľa IRFP460LC. Jedná sa o pomerne populárny výkonový tranzistor vyrobený pomocou technológie HEXFET.
HEXFET znamená kryštálovú štruktúru, v ktorej sú tisíce paralelne zapojených šesťuholníkových tranzistorových buniek MOS organizovaných v jednom kryštáli. Toto riešenie umožnilo výrazne znížiť odpor otvoreného kanála Rds(on) a umožnilo spínať vysoké prúdy. Prejdime však k prehľadu parametrov uvedených priamo v údajovom liste na IRFP460LC od International Rectifier (IR).
Cm.
Na samom začiatku dokumentu je uvedený schematický obrázok tranzistora, sú uvedené označenia jeho elektród: G-gate (gate), D-drain (drain), S-source (source), ako aj jeho sú uvedené hlavné parametre a charakteristické vlastnosti. V tomto prípade vidíme, že tento N-kanálový tranzistor s efektom poľa je navrhnutý pre maximálne napätie 500 V, jeho odpor na kanáli je 0,27 Ohmov a maximálny prúd je 20 A. Znížený náboj hradla umožňuje tomuto komponentu možno použiť vo vysokofrekvenčných obvodoch s nízkou cenou energie na ovládanie spínania. Nižšie je uvedená tabuľka (obr. 1) maximálnych prípustných hodnôt rôznych parametrov v rôznych režimoch.
Id @ Tc = 25 °C; Trvalý odtokový prúd Vgs @ 10V - maximálny trvalý odtokový prúd pri teplote tela tranzistora s efektom poľa 25 °C je 20 A. Pri napätí hradla-zdroja 10 V.
Id @ Tc = 100 °C; Trvalý odtokový prúd Vgs @ 10V - maximálny trvalý odtokový prúd pri teplote tela tranzistora s efektom poľa 100 °C je 12 A. Pri napätí hradla-zdroja 10 V.
Idm @ Tc = 25 °C; Pulzný odvodňovací prúd - maximálny impulzný, krátkodobý odberový prúd pri teplote tela tranzistora s efektom poľa 25°C je 80 A. Za predpokladu, že sa udrží prijateľná teplota prechodu. Obrázok 11 poskytuje vysvetlenie príslušných vzťahov.
Pd @ Tc = 25°C Stratový výkon - maximálny stratový výkon telesa tranzistora pri telesnej teplote 25°C je 280 W.
Linear Derating Factor – s každým zvýšením teploty puzdra o 1 °C sa stratový výkon zvýši o ďalších 2,2 W.
Vgs Gate-to-Source Voltage - maximálne napätie medzi bránou a zdrojom by nemalo byť vyššie ako +30 V ani nižšie ako -30 V.
Eas Single Pulse Avalanche Energy - maximálna energia jedného impulzu na odtoku je 960 mJ. Vysvetlenie je uvedené na obrázku 12 (obr. 12).
Iar Avalanche Current - maximálny prerušiteľný prúd je 20 A.
Ear Repetitive Avalanche Energy - maximálna energia opakovaných impulzov na drene by nemala presiahnuť 28 mJ (pre každý impulz).
dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt - maximálna rýchlosť nárastu kolektorového napätia je 3,5 V/ns.
Tj, Tstg Rozsah prevádzkových teplôt a skladovacích teplôt – bezpečný teplotný rozsah od -55°C do +150°C.
Teplota spájkovania, po dobu 10 sekúnd - maximálna povolená teplota na spájkovanie je 300°C a vo vzdialenosti minimálne 1,6 mm od tela.
Uťahovací moment, skrutka 6-32 alebo M3 - maximálny krútiaci moment pri upevňovaní krytu by nemal presiahnuť 1,1 Nm.
Rjc Junction-to-Case (chip-to-case) 0,45 °C/W.
Rcs Case-to-Sink, Flat, Greased Surface (skriňa chladiča) 0,24 °C/W.
Rja Junction-to-Ambient (kryštál-k-okolie) závisí od žiariča a vonkajších podmienok.
Nasledujúca tabuľka obsahuje všetky potrebné elektrické charakteristiky tranzistora s efektom poľa pri teplote kryštálu 25°C (pozri obr. 3).
Breakdown Voltage V(br)dss Drain-to-Source – napätie medzi odtokom a zdrojom, pri ktorom dochádza k poruche, je 500 V.
ΔV(br)dss/ΔTj Breakdown Voltage Temp.Coefficient - teplotný koeficient, prierazné napätie, v tomto prípade 0,59 V/°C.
Rds(on) Static Drain-to-Source On-Resistance - odpor odtoku k zdroju otvoreného kanála pri teplote 25°C je v tomto prípade 0,27 Ohmov. Závisí to od teploty, ale o tom neskôr.
Vgs(th) Gate Threshold Voltage - prahové napätie pre zapnutie tranzistora. Ak je napätie hradla-zdroja menšie (v tomto prípade 2 - 4 V), tranzistor zostane zatvorený.
gfs Forward Transconductance - Strmosť prenosovej charakteristiky sa rovná pomeru zmeny kolektorového prúdu k zmene napätia hradla. V tomto prípade merané pri odberovom napätí 50 V a odberovom prúde 20 A. Merané v Ampéroch/Voltoch alebo Siemens.
Idss Drain-to-Source Leakage Current - zvodný zvodový prúd, závisí od napätia a teploty odtoku k zdroju. Merané v mikroampéroch.
Igss Gate-to-Source Forward Leakage a Gate-to-Source Reverse Leakage - hradlový zvodový prúd. Merané v nanoampéroch.
Qg Total Gate Charge - náboj, ktorý musí byť odovzdaný bráne, aby sa otvoril tranzistor.
Qgs Gate-to-Source Charge - nabíjanie kapacity brány k zdroju.
Nabíjanie Qgd Gate-to-Drain ("Miller") - zodpovedajúce nabíjanie od brány k odtoku (Millerove kapacity)
V tomto prípade sa tieto parametre merajú pri napätí zdroja odberu 400 V a odberovom prúde 20 A. Obrázok 6 poskytuje vysvetlenie vzťahu medzi napätím zdroja hradla a celkovým nábojom hradla Qg Total Gate Charge a Na obrázkoch 13a a b je znázornený diagram a graf týchto meraní.
td(on) Turn-On Delay Time - čas otvorenia tranzistora.
tr Rise Time - čas nábehu otváracieho impulzu (nábežnej hrany).
td(off) Turn-Off Delay Time - čas uzavretia tranzistora.
tf Fall Time - čas doznievania impulzu (zatvorenie tranzistora, zadná hrana).
V tomto prípade boli merania realizované pri napájacom napätí 250 V, s odberovým prúdom 20 A, s odporom brány 4,3 Ohm a odporom pri odbere 20 Ohm. Diagram a grafy sú znázornené na obrázkoch 10 a a b.
Ld Internal Drain Inductance - vypúšťacia indukčnosť.
Ls Internal Source Inductance - indukčnosť zdroja.
Tieto parametre závisia od konštrukcie krytu tranzistora. Sú dôležité pri navrhovaní budiča, pretože priamo súvisia s parametrami časovania spínača, to platí najmä pri vývoji vysokofrekvenčných obvodov.
Crss Reverse Transfer Capacitance - kapacita hradla-odtok (Millerova kapacita).
Tieto merania sa uskutočňovali pri frekvencii 1 MHz, s napätím kolektor-zdroj 25 V. Obrázok 5 ukazuje závislosť týchto parametrov od napätia kolektor-zdroj.
Nasledujúca tabuľka (pozri obr. 4) popisuje charakteristiky integrovanej internej diódy tranzistora s efektom poľa, konvenčne umiestneného medzi zdrojom a kolektorom.
Is Continuous Source Current (Body Diode) - maximálny trvalý prúd diódy.
Impulzný zdrojový prúd Ism (telesná dióda) - maximálny prípustný impulzný prúd cez diódu.
Dopredné napätie diódy Vsd je pokles napätia v priepustnom smere na dióde pri 25 °C a odberovom prúde 20 A, keď je brána 0 V.
trr Reverse Recovery Time - čas reverznej obnovy diódy.
Qrr Reverse Recovery Charge - obnovovacie nabíjanie diódy.
ton Forward Turn-On Time - čas zapnutia diódy je určený hlavne indukčnosťami kolektora a zdroja.
Limity odberového prúdu sú dané ako funkcia napätia kolektor-zdroj a napätia hradla zdroja pre trvanie impulzu 20 µs. Prvý obrázok je pre teplotu 25°C, druhý pre 150°C. Vplyv teploty na ovládateľnosť otvorenia kanála je zrejmý.
Obrázok 6 graficky znázorňuje prenosovú charakteristiku tohto tranzistora s efektom poľa. Je zrejmé, že čím bližšie je napätie hradla k 10 V, tým lepšie sa tranzistor otvára. Vplyv teploty je tu tiež celkom zreteľne viditeľný.
Obrázok 7 ukazuje závislosť odporu otvoreného kanála pri odberovom prúde 20 A od teploty. Je zrejmé, že so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje aj odpor kanála.
Obrázok 9 ukazuje závislosť poklesu napätia v priepustnom smere cez internú diódu od odberového prúdu a teploty. Obrázok 8 zobrazuje oblasť bezpečnej prevádzky tranzistora v závislosti od trvania času otvoreného stavu, veľkosti odberového prúdu a napätia zdroja kolektora.
Obrázok 11 zobrazuje maximálny odberový prúd ako funkciu teploty puzdra.
Obrázky a a b predstavujú diagram merania a graf zobrazujúci časový diagram otvárania tranzistora počas procesu zvyšovania napätia hradla a počas procesu vybíjania kapacity hradla na nulu.
Na obrázku 14 je znázornená závislosť maximálnej prípustnej energie impulzu od hodnoty prerušovaného prúdu a teploty.
Obrázky aab znázorňujú graf a diagram meraní náboja brány.
Obrázok 16 ukazuje diagram merania parametrov a graf typických prechodových javov vo vnútornej dióde tranzistora.
Na poslednom obrázku je telo tranzistora IRFP460LC, jeho rozmery, vzdialenosť medzi vývodmi, ich číslovanie: 1-gate, 2-drain, 3-source.
Po prečítaní údajového listu si teda každý vývojár bude môcť vybrať vhodný výkon alebo nie, poľný efekt alebo IGBT tranzistor pre navrhovaný alebo opravovaný výkonový menič, či už ide o akýkoľvek iný výkonový pulzný menič.
Keď poznáte parametre tranzistora s efektom poľa, môžete kompetentne vyvinúť ovládač, nakonfigurovať regulátor, vykonať tepelné výpočty a vybrať vhodný radiátor bez potreby inštalácie zbytočných.