Střídače a mnoho dalších elektronická zařízení, zřídka se dnes obejdou bez použití výkonných MOSFETů (field-effect) popř. To platí jak pro vysokofrekvenční měniče, jako jsou svařovací invertory, tak pro různé domácí projekty, jejichž schémat je na internetu plné.

Parametry aktuálně vyráběných výkonových polovodičů umožňují spínat proudy desítek a stovek ampér při napětích až 1000 voltů. Výběr těchto součástek na moderním trhu s elektronikou je poměrně široký a vybrat si tranzistor s efektem pole s požadovanými parametry dnes není v žádném případě problém, protože každý sebevědomý výrobce podporuje konkrétní model technická dokumentace tranzistoru s efektem pole, kterou vždy najdete jak na oficiálních stránkách výrobce, tak u oficiálních prodejců.

Než začnete navrhovat zařízení využívající tyto výkonové komponenty, musíte vždy přesně vědět, s čím máte co do činění, zejména při výběru konkrétního tranzistoru s efektem pole. Za tímto účelem se obracejí na datasheety Datasheet je oficiální dokument výrobce elektronických součástek, který poskytuje popis, parametry, vlastnosti produktu, standardní schémata atd.

Pojďme se podívat, jaké parametry výrobce uvádí v datasheetu, co znamenají a k čemu jsou potřeba. Podívejme se na příklad datového listu pro tranzistor s efektem pole IRFP460LC. Jedná se o poměrně oblíbený výkonový tranzistor vyrobený pomocí technologie HEXFET.

HEXFET implikuje krystalovou strukturu, ve které jsou tisíce paralelně zapojených šestiúhelníkových tranzistorových buněk MOS organizovány v jednom krystalu. Toto řešení umožnilo výrazně snížit odpor otevřeného kanálu Rds(on) a umožnilo spínat vysoké proudy. Přejděme však k přehledu parametrů uvedených přímo v datovém listu na IRFP460LC od International Rectifier (IR).

Cm.

Na samém začátku dokumentu je uveden schematický obrázek tranzistoru, označení jeho elektrod: G-gate (gate), D-drain (drain), S-source (source), stejně jako jeho jsou uvedeny hlavní parametry a charakteristické vlastnosti. V tomto případě vidíme, že tento N-kanálový tranzistor s efektem pole je navržen pro maximální napětí 500 V, jeho odpor v otevřeném kanálu je 0,27 Ohmů a maximální proud je 20 A. Snížený náboj hradla umožňuje, aby tato součást byla používá se ve vysokofrekvenčních obvodech s nízkou cenou energie pro řízení spínání. Níže je tabulka (obr. 1) maximálních přípustných hodnot různých parametrů v různých režimech.

Id @ Tc = 25 °C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V - maximální trvalý odběrový proud při teplotě těla tranzistoru s efektem pole 25°C je 20 A. Při napětí hradla-zdroje 10 V.

Id @ Tc = 100 °C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V - maximální trvalý odběrový proud při teplotě těla tranzistoru s efektem pole 100 °C je 12 A. Při napětí hradla-zdroje 10 V.

Idm @ Tc = 25 °C; Pulsní odvodňovací proud - maximální pulzní, krátkodobý odběrový proud při teplotě tělesa tranzistoru s efektem pole 25°C je 80 A. Za předpokladu, že je udržována přijatelná teplota přechodu. Obrázek 11 poskytuje vysvětlení příslušných vztahů.

Pd @ Tc = 25°C Ztrátový výkon - maximální ztrátový výkon tělem tranzistoru při tělesné teplotě 25°C je 280 W.

Linear Derating Factor - s každým zvýšením teploty pouzdra o 1 °C se ztrátový výkon zvýší o dalších 2,2 W.

Vgs Gate-to-Source Voltage - maximální napětí mezi bránou a zdrojem by nemělo být vyšší než +30 V ani nižší než -30 V.

Eas Single Pulse Avalanche Energy - maximální energie jednoho pulzu na odtoku je 960 mJ. Vysvětlení je uvedeno na obrázku 12 (obr. 12).

Iar Avalanche Current - maximální přerušitelný proud je 20 A.

Ear Repetitive Avalanche Energy - maximální energie opakovaných pulzů na drénu by neměla překročit 28 mJ (pro každý pulz).

dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt - nejvyšší rychlost Nárůst napětí na kolektoru je 3,5 V/ns.

Tj, Tstg Rozsah provozních a skladovacích teplot – bezpečný teplotní rozsah od -55°C do +150°C.

Teplota pájení, po dobu 10 sekund - maximální povolená teplota pro pájení je 300°C a ve vzdálenosti minimálně 1,6 mm od těla.

Utahovací moment, šroub 6-32 nebo M3 - maximální utahovací moment při upevňování pouzdra by neměl překročit 1,1 Nm.

Rjc Junction-to-Case (chip-to-case) 0,45 °C/W.

Rcs Case-to-Sink, plochý, namazaný povrch (skříň chladiče) 0,24 °C/W.

Rja Junction-to-Ambient (crystal-to-ambient) závisí na zářiči a vnějších podmínkách.

Následující tabulka obsahuje vše potřebné elektrické charakteristiky tranzistor s efektem pole při teplotě krystalu 25°C (viz obr. 3).

V(br)dss Drain-to-Source Breakdown Voltage – napětí mezi kolektorem a zdrojem, při kterém dochází k průrazu, je 500 V.

ΔV(br)dss/ΔTj Breakdown Voltage Temp.Coefficient - teplotní koeficient, průrazné napětí, v tomto případě 0,59 V/°C.

Rds(on) Static Drain-to-Source On-Resistance - odpor mezi drain-to-source otevřeného kanálu při teplotě 25°C je v tomto případě 0,27 Ohmů. Záleží na teplotě, ale o tom později.

Vgs(th) Gate Threshold Voltage - prahové napětí pro sepnutí tranzistoru. Pokud je napětí hradla-zdroje nižší (v tomto případě 2 - 4 V), pak tranzistor zůstane uzavřený.

gfs Forward Transconductance - Strmost přenosové charakteristiky je rovna poměru změny kolektorového proudu ke změně napětí hradla. V tomto případě měřeno při napětí zdroje 50 V a proudu 20 A. Měřeno v Ampérech/Voltech nebo Siemens.

Idss Drain-to-Source Leakage Current - svodový svodový proud, závisí na napětí a teplotě mezi odtokem ke zdroji. Měřeno v mikroampérech.

Igss Gate-to-Source Forward Leakage a Gate-to-Source Reverse Leakage - hradlový svodový proud. Měřeno v nanoampérech.

Qg Total Gate Charge - náboj, který musí být dán bráně, aby se otevřel tranzistor.

Qgs Gate-to-Source Charge - nabíjení kapacity brány ke zdroji.

Nabíjení Qgd Gate-to-Drain („Miller“) – odpovídající nabíjení od brány k odtoku (Millerovy kapacity)

V tomto případě jsou tyto parametry měřeny při napětí zdroje kolektoru 400 V a proudu kolektoru 20 A. Obrázek 6 poskytuje vysvětlení vztahu mezi napětím hradla a zdroje plné nabití hradlo Qg Celkový náboj hradla a obrázky 13 aab ukazují diagram a graf těchto měření.

td(on) Turn-On Delay Time - doba otevření tranzistoru.

tr Rise Time - doba náběhu otevíracího impulsu (náběžná hrana).

td(off) Turn-Off Delay Time - doba uzavření tranzistoru.

tf Fall Time - doba doznívání pulzu (sepnutí tranzistoru, sestupná hrana).

V tomto případě byla měření provedena při napájecím napětí 250 V, s odběrovým proudem 20 A, s odporem hradla 4,3 Ohm a s odvodem odporu 20 Ohm. Diagram a grafy jsou znázorněny na obrázcích 10a a 10b.

Ld Internal Drain Inductance - vypouštěcí indukčnost.

Ls Internal Source Inductance - indukčnost zdroje.

Tyto parametry závisí na konstrukci pouzdra tranzistoru. Jsou důležité při návrhu budiče, protože přímo souvisí s parametry časování spínače, což platí zejména při vývoji vysokofrekvenčních obvodů.

Crss Reverse Transfer Capacitance - kapacita hradla-drain (Millerova kapacita).

Tato měření byla prováděna při frekvenci 1 MHz, s napětím kolektor-zdroj 25 V. Obrázek 5 ukazuje závislost těchto parametrů na napětí kolektor-zdroj.

Následující tabulka (viz obr. 4) popisuje charakteristiky integrované vnitřní diody tranzistoru s efektem pole, konvenčně umístěné mezi zdrojem a kolektorem.

Is Continuous Source Current (Body Diode) - maximální trvalý proud diody.

Proud pulsního zdroje Ism (tělesná dioda) - maximální přípustný impulsní proud přes diodu.

Vsd Diode Forward Voltage je propustný úbytek napětí na diodě při 25 °C a 20 A odebíracím proudu, když je hradlo 0 V.

trr Reverse Recovery Time - doba reverzní obnovy diody.

Qrr Reverse Recovery Charge - obnovovací nabíjení diody.

ton Forward Turn-On Time - doba zapnutí diody je dána především indukčnostmi kolektoru a zdroje.

Limity kolektorového proudu jsou dány jako funkce napětí kolektor-zdroj a napětí hradlo-zdroj pro dobu trvání impulsu 20 µs. První obrázek je pro teplotu 25°C, druhý pro 150°C. Vliv teploty na ovladatelnost otevření kanálu je zřejmý.

Obrázek 6 graficky znázorňuje přenosovou charakteristiku tohoto tranzistoru s efektem pole. Je zřejmé, že čím blíže je napětí hradla k 10 V, tím lépe se tranzistor otevírá. Vliv teploty je zde také patrný zcela jasně.

Obrázek 7 ukazuje závislost odporu otevřeného kanálu při odběrovém proudu 20 A na teplotě. Je zřejmé, že s rostoucí teplotou se zvyšuje také odpor kanálu.

Obrázek 9 ukazuje závislost poklesu napětí v propustném směru na vnitřní diodě na svodovém proudu a teplotě. Obrázek 8 ukazuje oblast bezpečná práce tranzistoru v závislosti na době trvání otevřeného stavu, velikosti mozkového proudu a napětí drain-source.

Obrázek 11 ukazuje maximální odběrový proud jako funkci teploty pouzdra.

Obrázky aab představují diagram měření a graf ukazující časový diagram otevírání tranzistoru během procesu zvyšování napětí hradla a během procesu vybíjení kapacity hradla na nulu.

Obrázek 14 ukazuje závislost maximální dovolené energie pulzu na hodnotě přerušovaného proudu a teplotě.

Obrázky aab znázorňují graf a diagram měření náboje hradla.

Obrázek 16 ukazuje diagram měření parametrů a graf typických přechodových jevů ve vnitřní diodě tranzistoru.

Na posledním obrázku je tělo tranzistoru IRFP460LC, jeho rozměry, vzdálenost vývodů, jejich číslování: 1-gate, 2-drain, 3-source.

Takže po přečtení datasheetu bude každý vývojář schopen vybrat vhodný výkon nebo ne, pole s efektem pole nebo IGBT tranzistor pro výkonový měnič, který je navržen nebo opravován, ať už je to takový, nebo jakýkoli jiný výkonový pulzní měnič.

Znáte-li parametry tranzistoru s efektem pole, můžete kompetentně vyvinout ovladač, nakonfigurovat regulátor, provádět tepelné výpočty a vybrat vhodný radiátor, aniž byste museli instalovat zbytečné.

Tranzistor s řízeným polem je polovodičové zařízení, ve kterém je proud vytvářen pouze hlavními nosiči náboje působením podélného elektrického pole a tento proud je řízen příčným elektrickým polem, které je vytvářeno napětím přivedeným na řídící elektroda.

Několik definic:

Vývod tranzistoru s efektem pole, ze kterého proudí hlavní nosiče náboje, se nazývá zdroj.

Vývod tranzistoru s efektem pole, ke kterému proudí hlavní nosiče náboje, se nazývá kolektor.

Vývod tranzistoru s efektem pole, na který je přivedeno řídicí napětí vytvářející příčné elektrické pole, se nazývá hradlo.

Část polovodiče, po které se pohybují hlavní nosiče náboje, mezi p-n přechodem, se nazývá tranzistorový kanál s efektem pole.

Proto jsou tranzistory s efektem pole rozděleny na kanálové tranzistory typu p nebo n.

Uvažujme princip činnosti na příkladu tranzistoru s kanálem typu n.

1) Uzi = 0; Icl = max;

2) |Uzi| > 0; Ic2< Ic1

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

Napětí je vždy přivedeno na bránu tak, aby se přechody uzavřely. Napětí mezi kolektorem a zdrojem vytváří podélné elektrické pole, díky kterému se hlavní nosiče náboje pohybují kanálem a vytvářejí svodový proud.

1) Při absenci napětí na bráně jsou pn přechody uzavřeny vlastním vnitřním polem, jejich šířka je minimální a šířka kanálu je maximální a odvodňovací proud bude maximální.

2) Když se zvýší blokovací napětí na bráně šířka p-n přechody se zvětší a šířka kanálu a odtokový proud se sníží.

3) Při dostatečně vysokých napětích hradla šířka p-n přechody se mohou zvýšit natolik, že se spojí, odtokový proud se rovná nule.

Napětí hradla, při kterém je odtokový proud nulový, se nazývá mezní napětí.

Závěr: tranzistor s efektem pole je řízené polovodičové zařízení, protože změnou napětí na hradle můžete snížit odběrový proud, a proto je zvykem říkat, že tranzistory s efektem pole s p-n manažery přechody fungují pouze v režimu vyčerpání kanálu.

Jak vysvětlit vysoký vstupní odpor tranzistoru s efektem pole?

Protože Vzhledem k tomu, že tranzistor s efektem pole je řízen elektrickým polem, není v řídicí elektrodě prakticky žádný proud, s výjimkou svodového proudu. Proto mají tranzistory s efektem pole vysoký vstupní odpor, asi 10 14 Ohmů.

Co určuje odběrový proud tranzistoru s efektem pole?

Závisí na dodávaných napětích U si a U z.

Obvody pro připojení tranzistorů s efektem pole.

Tranzistor s efektem pole může být zapojen do jednoho ze tří hlavních obvodů: se společným zdrojem (CS), společným kolektorem (OC) a společným hradlem (G).

V praxi se nejčastěji používá obvod s OE, podobně jako obvod s bipolárním tranzistorem s OE. Běžná zdrojová kaskáda poskytuje velmi velké proudové a výkonové zesílení. Schéma s OZ je podobné schématu s OB. Nezajišťuje proudové zesílení, a proto je v něm zesílení výkonu mnohonásobně menší než v obvodu OI. Kaskáda OZ má nízkou vstupní impedanci, a proto má omezené praktické využití v zesilovací technice.

Jaký je rozdíl mezi tranzistorem s efektem pole a bipolárním tranzistorem?

V tranzistoru s efektem pole se řízení proudu provádí elektrickým polem vytvořeným aplikovaným napětím, spíše než proudem báze. V řídicí elektrodě tedy prakticky není žádný proud, s výjimkou svodových proudů.

Statický režim spínání tranzistoru. Statické charakteristiky tranzistorů s efektem pole.

Mezi hlavní charakteristiky patří:

Charakteristika drain-gate (obr. a) je závislost sběrného proudu (Ic) na napětí hradla (Uс) pro tranzistory s kanálem typu n.

Odtoková charakteristika (obr. b) je závislost Ic na Uс at konstantní napětí na bráně Ic = f (Usi) u Uzi = Konst.

Hlavní parametry:

Vypínací napětí.

Charakteristika sklonu brány. Ukazuje, o kolik miliampérů se změní odběrový proud, když se napětí brány změní o 1 V.

Vnitřní odpor (nebo výstup) tranzistoru s efektem pole

Vstupní impedance

Vysvětlete vliv odebíraného proudu napětí U zi A U si .

Vliv vstupních napětí v tranzistoru v řízeném je znázorněn na obrázku:

Tři hlavní provozní režimy tranzistoru.

V různých typech tranzistorů s efektem pole a při různých vnějších napětích může mít hradlo dva typy efektů na kanál: v prvním případě (například u tranzistorů s efektem pole s řídicím p-n přechodem při napětích na elektrodách odpovídajících na obr. 2-1.5) zabraňuje toku proudu kanálem a snižuje počet nosičů náboje, které jím procházejí (tento režim se nazývá režim vyčerpání kanálu), ve druhém případě (například u tranzistorů MOS s indukovaným kanálem, zapojeným podle obr. 2-1.7), brána naopak stimuluje tok proudu kanálem a zvyšuje počet nábojů nosiče v proudu ( režim obohacení kanálu). Často o tom jen mluví štíhlý režim A režim obohacení . Všimněte si, že MOS tranzistory s indukovaným kanálem mohou být v aktivním režimu pouze v případě režimu obohacení kanálu a pro MOS tranzistory s vestavěným kanálem to může být jak režim obohacení, tak režim vyčerpání. U tranzistorů s efektem pole s pn přechodem způsobí pokus aplikovat dopředné předpětí na přechod jeho otevření a způsobí tok významného proudu v obvodu hradla. Skutečné procesy v tranzistoru jsou v tomto případě velmi závislé na jeho konstrukci, nejsou téměř nikdy dokumentovány a je obtížné je předvídat. Proto mluvit o režimu obohacení pro tranzistory s efektem pole s řídicím přechodem není akceptováno a je prostě zbytečné.

Režim saturace - charakterizuje stav nikoli celého tranzistoru jako celku, jak tomu bylo u bipolárních zařízení, ale pouze proudovodného kanálu mezi zdrojem a kolektorem. Tento režim odpovídá nasycení kanálu hlavními nosiči náboje. Takový fenomén jako nasycení je jednou z nejdůležitějších fyzikálních vlastností polovodičů. Ukazuje se, že když je na polovodičový kanál přivedeno vnější napětí, proud v něm lineárně závisí na tomto napětí pouze do určité meze ( saturační napětí), a při dosažení této hranice se stabilizuje a zůstává prakticky nezměněna až do rozpadu konstrukce. Při aplikaci na tranzistory s efektem pole to znamená, že když napětí zdroje kolektoru překročí určitou prahovou úroveň, přestane ovlivňovat proud v obvodu. Jestliže u bipolárních tranzistorů režim saturace znamenal úplnou ztrátu zesilovacích vlastností, pak u polních tranzistorů tomu tak není. Zde naopak saturace kanálu vede ke zvýšení zisku a snížení nelineárního zkreslení. Dokud napětí zdroje kolektoru nedosáhne saturace, proud kanálem roste lineárně se zvyšujícím se napětím (tj. chová se stejně jako v běžném rezistoru). Autor nezná žádný zavedený název pro tento stav tranzistoru s efektem pole (když kanálem teče proud, ale kanál je nenasycený), budeme ho nazývat režim desaturovaného kanálu(nachází uplatnění v analogových spínačích na tranzistorech s efektem pole). Režim saturace kanálu je obvykle normální, když je k obvodům zesilovače připojen tranzistor s efektem pole, takže v budoucnu, když uvažujeme o provozu tranzistorů v obvodech, na to nebudeme klást velký důraz, což znamená, že mezi kolektorem je napětí a zdroj tranzistoru dostatečný k nasycení kanálu.

Co charakterizuje klíčový provozní režim tranzistoru?

Klíčovým režimem činnosti tranzistoru je režim, ve kterém může být buď zcela otevřený nebo zcela uzavřený, a v ideálním případě neexistuje žádný mezistav, ve kterém je součástka částečně otevřena. Výkon uvolněný v tranzistoru ve statickém režimu se rovná součinu proudu protékajícího svorkami zdroje kolektoru a napětí aplikovaného mezi těmito svorkami.

V ideálním případě, kdy je tranzistor otevřený, tzn. v saturačním režimu má jeho odpor mezi svorkami zdroje kolektoru tendenci k nule. Ztráta výkonu v otevřeném stavu je součinem napětí rovného nule a určitého množství proudu. Ztrátový výkon je tedy nulový.

Ideálně, když je tranzistor uzavřen, tzn. v režimu cutoff má jeho odpor mezi svorkami zdroje kolektoru tendenci k nekonečnu. Ztráta výkonu v zavřeném stavu je součinem určité hodnoty napětí a hodnoty proudu rovné nule. Ztráta výkonu je tedy nulová.

Ukazuje se, že ve spínacím režimu je v ideálním případě výkonová ztráta tranzistoru nulová.

Co se nazývá zesilovací stupeň?

Spojení několika zesilovačů pro zvýšení parametrů elektrického signálu. Dělí se na předzesilovací stupně a koncové stupně. První z nich jsou určeny ke zvýšení úrovně napětí signálu a koncové stupně jsou navrženy tak, aby získaly požadovaný proud nebo výkon signálu.

Zájem o statické parametry tranzistoru s efektem pole s p-n-přechod na hradle, jako je počáteční odběrový proud a vypínací napětí, se nejčastěji projevuje u inženýrů a radioamatérů nebo jako charakteristiky uvedené v referenčních knihách pro porovnávání tranzistorů různé typy, nebo v souvislosti s výběrem tranzistorů s podobnými parametry pro diferenciální stupeň. Tento článek pojednává o použití statických parametrů při výpočtu obvodů založených na tranzistorech s efektem pole.

Definice

Na Obr. 1. konvenční grafické označení tranzistoru s efektem pole s n-kanál a manažer p-n- přechod na bránu:

Obr. 1

Označení jeho závěrů je tedy následující:

G(Brána) - závěrka;
S(Source) - zdroj;
D(Vypustit) - vypustit.

Hlavní statické parametry tranzistoru s efektem pole s p-n-Křižovatka na bráně je počáteční odběrový proud a vypínací napětí. Počáteční odběrový proud tranzistoru s efektem pole je definován jako proud protékající jeho kanálem při daném konstantním napětí kolektoru-zdroje a nulovém napětí hradla-zdroje. V anglické technické dokumentaci je tento parametr označen jako Já DSS.

Mezní napětí je prahová hodnota napětí hradlového zdroje, při jehož dosažení se proud kanálem tranzistoru s efektem pole již nemění a je prakticky roven nule. Měří se také při pevné hodnotě napětí kolektor-zdroj a v anglické dokumentaci je označeno jako V GS (vypnuto) nebo méně často jako V p.

Jako zesilovací prvek pracuje tranzistor s efektem pole při dostatečně vysokém napětí kolektor-zdroj VDS— na grafu rodiny výstupních charakteristik tranzistorů se tato hodnota napětí nachází v oblasti saturace. To znamená, že množství proudu přes kanál tranzistoru s efektem pole je odvodňovací proud já D, - závisí především pouze na velikosti napětí hradlo-zdroj VGS. Tato závislost odběrového proudu tranzistoru s efektem pole já D od vstupního napětí brány-zdroje VGS popisuje tzv. přenosovou charakteristiku tranzistoru. Pro tranzistory s ovládáním p-n-přechod se obvykle aproximuje následujícím výrazem:

Sběrný proud tranzistoru s efektem pole se tedy se změnou napětí na jeho hradle mění podle kvadratického zákona. Graficky je tato závislost znázorněna Obr.2 diagram:

Obr.2. Příklad aproximace závislosti kolektorového proudu I D na napětí hradla-zdroje V GS kvadratickou funkcí s počátečním kolektorovým proudem I DSS = 9,5 mA a hraničním napětím V GS(off) = -2,8 V.

Při takové změně odtokového proudu já D se změnou napětí hradla VGS a objeví se zesilovací vlastnosti tranzistoru s efektem pole. Kvantitativně jsou tyto vlastnosti charakterizovány takovým parametrem, jako je sklon, definovaný jako:

Je zřejmé, že hodnota strmosti vyjádřená statickými parametry tranzistoru s efektem pole Já DSS A V GS (vypnuto), lze získat odlišením výrazu pro přenosovou charakteristiku (1) Podle dV GS:

Tedy pro tranzistor se známými hodnotami počátečního odtokového proudu Já DSS a vypínací napětí V GS (vypnuto) při daném napětí brány-zdroje VGS Sklon přenosové charakteristiky lze vypočítat pomocí vzorce:

nebo při rovnosti:

získáme jiný výraz pro transkonduktanci při daném odběrovém proudu já D:

Nastavení pracovního bodu

Na Obr.3 ukazuje základní obvody pro připojení tranzistoru s efektem pole s řízením p-n- přechod na bránu:

a) zesilovací stupeň se společným zdrojem;
b) sledovač zdroje;
c) dvousvorková síť - stabilizátor proudu.

Obr.3 Základní obvody pro připojení tranzistoru s efektem pole s řídicím p-n přechodem na hradle.

Ve všech těchto okruzích nastavit požadovanou hodnotu odtokového proudu já D slouží jako rezistor obsažený ve zdrojovém obvodu R S. Potenciál brány tranzistoru s efektem pole se rovná potenciálu spodní svorky tohoto rezistoru, takže svodový proud já D, hradlo-zdrojové napětí VGS a odpor R S jsou elementárně spojeny Ohmovým zákonem:

Výpočet odporu R S pro nastavení požadovaného vypouštěcího proudu já D pro tranzistor s efektem pole se známými hodnotami počátečního odtokového proudu Já DSS a vypínací napětí V GS (vypnuto) lze také odvodit na základě výrazu pro přenosovou charakteristiku (1) :

odkud dostaneme rovnost:

Rozdělme obě strany rovnosti (6) na R S a s přihlédnutím k výrazu (5) , dostaneme:

Podle toho výraz pro hodnotu odporu R S bude mít následující podobu:

Teorie a praxe

Na základě výše uvedených matematických výpočtů je logické předpokládat, že měřením hodnot počátečního odtokového proudu Já DSS a vypínací napětí V GS (vypnuto)— hlavní statické parametry polem řízeného tranzistoru s řízením p-n- přechod na hradle - můžete určit strmost přenosové charakteristiky tranzistoru v daném pracovním bodě nebo nastavit pracovní bod tranzistoru tak, abyste získali požadovanou hodnotu strmosti, vypočítat parametry dalších prvků obvodu atd. Praktické výsledky se ale nejčastěji ukáží jako daleko od vypočítaných.

Tento rozpor mezi teorií a praxí je zaznamenán i v řadě směrodatných publikací na téma funkce tranzistoru s efektem pole. Takže například ve stejném odstavci je také uvedeno, že přenosová charakteristika tranzistoru s efektem pole "celkem přesně určeno kvadratickou závislostí" podle vzorce (1) a upozornění, že v praxi pomocí zařízení zafixujte hodnotu odpovídajícího vypínacího napětí V GS (vypnuto) velmi obtížné, a proto se napětí hradla-zdroje obvykle měří při ID = 0,1 · I DSS a poté dosazením těchto hodnot do vzorce (1) , vypočítejte odpovídající hodnotu vypínacího napětí pomocí vzorce:

Je také třeba poznamenat, že naměřená hodnota mezní napětí V GS (vypnuto), při kterém je velikost svodového proudu já D se stane nulou nebo rovnou několika mikroampérům, „ne ​​vždy uspokojí rovnost (1) , proto je výhodnější vypočítat hodnotu jako funkci V GS a výslednou přímku extrapolovat na aktuální hodnotu I D =0″.

Vzhledem k tomu, že mluvíme o nejvíce přesná definice přenosová charakteristika tranzistoru s řízeným polem s řízením p-n-přechod na bráně, pak hodnota vypínacího napětí V GS (vypnuto) konkrétní tranzistor je důležitý pouze jako parametr ve výrazu (1) , u kterého tento výraz nejvíce odpovídá skutečné přenosové charakteristice tohoto tranzistoru. Totéž lze říci o hodnotě počátečního odtokového proudu Já DSS. Může se tedy ukázat, že přímé měření statických parametrů tranzistoru s efektem pole nemá příliš praktický význam, protože tyto parametry nepopisují s dostatečnou přesností přenosovou charakteristiku tranzistoru.

V praxi při návrhu obvodů zesilovacích stupňů na bázi polních tranzistorů s řízením p-n- zapnutím brány se jejich provozní režim nikdy nezvolí tak, aby bylo napětí brány-zdroj VGS bylo blízko vypínacího napětí V GS (vypnuto) nebo na nulu. Přenosovou charakteristiku tedy není třeba popisovat (1) po celé své délce od I D = 0 před I D = I DSS, stačí to udělat pro určitou pracovní oblast od I D1 = I D (V GS1) před I D2 = I D (V GS2). Chcete-li to provést, vyřešme následující problém.

Hodnoty odtokového proudu nechte získat měřením Já D1 A Já D2 respektive pro dvě hodnoty napětí hradlového zdroje, které jsou od sebe vzdáleny VGS1 A VGS2:

Po vyřešení soustavy rovnic (9) Pokud jde o hodnoty počátečního odběrového proudu a vypínacího napětí, získáme parametry vzorce, které jsou více konzistentní s reálnou přenosovou charakteristikou (1) .

Nejprve určíme hodnotu. K tomu vydělíme druhou rovnici první tak, aby byla zmenšena a dostaneme jednu rovnici s jednou neznámou, kterou vyřešíme:

Tedy požadovaná hodnota mezního napětí pro vzorec (1) je určeno výrazem:

A odpovídající hodnota počátečního odtokového proudu se vypočítá nahrazením hodnoty získané vzorcem (10) hodnotu mezního napětí do následujícího výrazu získaného ze vzorce (1) :

Experimentální data

Počítáno podle vzorců (10) A (11) hodnoty vypínacího napětí a počátečního odtokového proudu po dosazení do vzorce (1) by měl poskytnout přesnější shodu tohoto vzorce s přenosovou charakteristikou skutečného tranzistoru s efektem pole. Pro kontrolu byla provedena kontrolní měření parametrů dvanácti polních tranzistorů čtyř typů - tři tranzistory od každého typu.

Pořadí měření pro každý tranzistor bylo následující. Nejprve byl změřen počáteční odtokový proud Já DSS a vypínací napětí V GS (vypnuto) tranzistor s efektem pole. Poté byla změřena napětí hradla-zdroje VGS1 A VGS2 pro dvě odpovídající hodnoty odtokového proudu Já D1 A Já D2, poněkud vzdálená od nulové hodnoty at V GS = V GS (vypnuto) a počáteční vypouštěcí proud Já DSS. Substituce VGS1, VGS2, Já D1 A Já D2 do vzorců (10) A (11) poskytl požadované hodnoty a . Aby bylo možné následně porovnat, jaká je dvojice parametrů tranzistoru s efektem pole - Já DSS A V GS (vypnuto) nebo a , - po dosazení do vzorce (1) dává přesnější shodu tohoto vzorce s přenosovou charakteristikou skutečného tranzistoru s řízeným polem, sběrný proud tranzistoru s řízeným polem byl nastaven přibližně na polovinu naměřené hodnoty jeho počátečního sběrného proudu Já DSS, tedy někde uprostřed přenosové charakteristiky tranzistoru, následuje měření napětí hradlo-zdroj odpovídající tomuto proudu. Hodnoty získané tímto způsobem Já D0 A VGS0 jsou souřadnice libovolně zvoleného pracovního bodu tranzistoru s efektem pole na jeho přenosové charakteristice. Nyní zbývá pouze dosadit hodnotu VGS0 do vzorce (1) nejprve s několika parametry Já DSS A V GS (vypnuto) a poté pomocí a a porovnejte obě vypočtené hodnoty odtokového proudu s naměřenou Já D0.

Výsledky měření parametrů dvanácti tranzistorů s efektem pole jsou uvedeny v tabulce níže.

№	Tranzistor	Naměřené hodnoty statických parametrů		Hodnoty statických parametrů podle vzorců (10) A (11)		VGS0, V	já D0, mA	Hodnota vypouštěcího proudu já D, vypočítané podle vzorce (1) s parametry Já DSS A V GS (vypnuto)		Hodnota vypouštěcího proudu já bych, vypočítané podle vzorce (1) s parametry DSS A V'GS (vypnuto)
		já DSS, mA	V GS(vypnuto), V	já bych DSS, mA	V'GS(vypnuto), V			já D, mA	Chyba, %	já bych 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

Barevně zvýrazněné chybové hodnoty mluví samy za sebe. Pokud porovnáme grafy přenosových charakteristik podobné těm, které jsou uvedeny v Obr.2, pak čára vytvořená z hodnot (; ) projde mnohem blíže k bodu ( VGS0; Já D0), než sestrojí z naměřených hodnot vypínacího napětí a počátečního odtokového proudu ( V GS (vypnuto); Já DSS).

Výsledky budou ještě přesnější, pokud body ( VGS1; Já D1) A ( VGS2; Já D2) vzít hranice užšího segmentu přenosové charakteristiky tranzistoru s efektem pole, na kterém bude pracovat v reálném obvodu. Zvláště je třeba poznamenat, že tato metoda stanovení statických parametrů tranzistorů s efektem pole je nepostradatelné pro tranzistory s velkým počátečním odběrovým proudem, např. J310.

© Zadorozhny Sergey Michajlovič, 2012, Kyjev

Literatura:

1. Bocharov L.N., “ Tranzistory s efektem pole"; Moskva, vydavatelství "Rádio a komunikace", 1984;
2. Tietze U., Schenk K., „Technologie polovodičových obvodů“; překlad z němčiny; Moskva, nakladatelství "Mir", 1982.

Jak často jste to jméno slyšeli MOS, MOSFET, MOS, tranzistor s efektem pole, tranzistor MOS, tranzistor s izolovaným hradlem? Ano, ano... to jsou všechna synonyma a odkazují na stejný rádiový prvek.

Celý název takového rádiového prvku v angličtině zní jako M etal Ó xide S polovodič F pole Eúčinek T tranzistory (MOSFET), což v doslovném překladu zní jako Metal Oxide Semiconductor Field Influence Transistor. Pokud to převedete do našeho mocného ruského jazyka, dopadne to jako tranzistor s efektem pole se strukturou Metal Oxide Semiconductor nebo jednoduše MOSFET;-). Proč se také nazývá MOSFET MOS tranzistor A ? S čím to souvisí? O těchto a dalších věcech se dozvíte v našem článku. Nepřepínejte na jinou kartu! ;-)

Typy MOSFETů

V rodině tranzistorů MOS existují hlavně 4 typy:

1) N-kanál s indukovaným kanálem

2) P-kanál s indukovaným kanálem

3) N-kanál s vestavěným kanálem

4) P-kanál s vestavěným kanálem

Jak jste si mohli všimnout, rozdíl je pouze v označení samotného kanálu. U indukovaného kanálu je označena přerušovanou čarou au integrovaného kanálu plnou čarou.

V moderní svět MOSFETy s vestavěným kanálem se používají stále méně často, takže se jich v našich článcích nebudeme dotýkat, ale budeme uvažovat pouze tranzistory N a P kanálů s indukovaným kanálem.

Odkud pochází název „MOP“?

Sérii článků o MOS tranzistorech začněme nejběžnějším N-kanálovým MOS tranzistorem s indukovaným kanálem. Jít!

Pokud vezmete tenký, tenký nůž a podélně rozříznete MOS tranzistor, uvidíte tento obrázek:

Při pohledu z perspektivy jídla na vašem stole vypadá MOSFET spíše jako sendvič. Polovodič typu P je tlustý kus chleba, dielektrikum je tenký kus klobásy a navrch dáme další vrstvu kovu - tenký plátek sýra. A dostaneme tento sendvič:

Jaká bude struktura tranzistoru shora dolů? Sýr je kov, klobása je dielektrikum, chléb je polovodič. Proto dostáváme kov-dielektrikum-polovodič. A pokud vezmete první písmena z každého jména, dostanete MDP - M kov- D a elektrikář- P polovodič, ne? To znamená, že takovému tranzistoru můžeme podle prvních písmen říkat MOS tranzistor ;-). A protože se jako dielektrikum používá velmi tenká vrstva oxidu křemičitého (SiO 2), můžeme říci, že je to téměř sklo, pak místo názvu „dielektrikum“ přijali název „oxid, oxid“ a ukázalo se M kov- Oželé- P Polovodič, zkráceně MOS. Tak a teď už všechno zapadlo ;-)

Struktura MOSFET tranzistoru

Podívejme se ještě jednou na strukturu našeho MOSFETu:

Máme „cihlu“ polovodičového materiálu P-vodivosti. Jak si pamatujete, hlavními nosiči v polovodiči typu P jsou díry, takže jejich koncentrace je taková tento materiál mnohem více než elektrony. Ale elektrony jsou také přítomny v P-polovodiči. Jak si pamatujete, elektrony v P-polovodiči jsou menší média a jejich koncentrace je ve srovnání s dírami velmi malá. Nazývá se „cihla“ polovodiče P Substráty. Je základem tranzistoru MOS, jelikož se na něm vytvářejí další vrstvy. Ze substrátu vychází špendlík se stejným názvem.

Další vrstvy jsou materiál typu N+, dielektrikum, kov. Proč N+ a nejen N? Faktem je, že tento materiál je silně dopován, to znamená, že koncentrace elektronů v tomto polovodiči je velmi vysoká. Z polovodičů typu N+, které jsou umístěny na okrajích, jsou dva vývody: Source a Drain.

Mezi Zdrojem a Odtokem je skrz dielektrikum kovová deska, ze které je výstup a nazývá se Brána. Mezi bránou a ostatními terminály není žádné elektrické spojení. Hradlo je obecně izolováno od všech vývodů tranzistoru, proto se také nazývá MOSFET izolovaný hradlový tranzistor.

MOSFET substrát

Takže, když se podíváme na obrázek výše, vidíme, že MOSFET v obvodu má 4 svorky (Source, Drain, Gate, Substrate), ale ve skutečnosti jsou pouze 3. V čem je vtip? Jde o to, že Substrát je obvykle spojen se Zdrojem. Někdy se to děje již v samotném tranzistoru ve fázi vývoje. Tím, že je Zdroj připojen k Substrát, tvoříme mezi Drainem a Zdrojem diodu, která někdy není ve schématech ani naznačena, ale je vždy přítomna:

Proto je nutné při zapojování MOS tranzistoru do obvodu dodržet pinout.

Princip činnosti tranzistoru MOSFET

Všechno je zde stejné jako v . Zdroj je výstup, odkud hlavní nosiče náboje začínají svou cestu, Drain je výstup, kudy proudí, a Brána je výstup, kterým řídíme tok hlavních nosičů.

Předpokládejme, že závěrka ještě není nikde připojena. Abychom uspořádali pohyb elektronů přes Source-Drain, potřebujeme zdroj energie Bat:

Uvážíme-li náš tranzistor z pohledu diod na nich založených, pak můžeme nakreslit ekvivalentní obvod pro naše kreslení. Bude to vypadat takto:

Kde

I-Source, P-Substrate, S-Sink.

Jak vidíte, dioda VD2 je obrácená, takže elektřina nikam to nepoteče.

Takže v tomto schématu

neočekává se pohyb elektrického proudu.

ALE…

Kanálová indukce v MOSFETu

Pokud na Bránu přivedete určité napětí, začnou v substrátu magické transformace. Začíná to indukovaný kanál.

Indukce, indukce - to doslova znamená „vedení“, „vliv“. Tento termín označuje vybuzení nějaké vlastnosti nebo aktivity v objektu v přítomnosti vzrušujícího subjektu (induktoru), ale bez přímého kontaktu (například prostřednictvím elektrického pole). Poslední výraz má pro nás hlubší význam: „přes elektrické pole“.

Také by nám neuškodilo připomenout si, jak se chovají obvinění různých znamení. Kdo nehrál námořní bitvu u poslední lavice ve fyzice a neplival na spolužáky papírové kuličky skrz tělo propisky, asi si pamatuje, že jako náboje odpuzují a na rozdíl od nábojů přitahují:

Na tomto principu vědci na začátku dvacátého století přišli na to, kde by se to všechno dalo uplatnit a vytvořili důmyslný rádiový prvek. Ukazuje se, že stačí přivést kladné napětí na Bránu vzhledem ke Zdroji a pod Bránou okamžitě vzniká elektrické pole. A protože na bránu přivedeme kladné napětí, znamená to, že se nabije kladně, že?

Protože naše dielektrická vrstva je velmi tenká, elektrické pole ovlivní také substrát, ve kterém je mnohem více děr než elektronů. A protože brána má kladný potenciál a díry kladný náboj, tak se náboje stejně jako náboje odpuzují a na rozdíl od nábojů přitahují. Obrázek bude prozatím vypadat takto bez zdroje napájení mezi Source a Drain:

Díry prchají pryč od brány a blíže k výstupu substrátu, protože podobné náboje se odpuzují a elektrony se naopak snaží dostat na kovovou desku brány, ale brání jim dielektrikum, které brání jim znovu se spojit s Bránou a vyrovnat potenciál na nulu. Elektrony proto nemají jinou možnost, než jednoduše vytvořit babelské pandemonium v ​​blízkosti dielektrické vrstvy.

Ve výsledku bude obrázek vypadat takto:

Viděl jsi to? Zdroj a Drain jsou spojeny tenkým kanálem elektronů! Říká se, že takový kanál byl indukován v důsledku elektrického pole vytvořeného hradlem tranzistoru.

Protože tento kanál propojuje Zdroj a Drain, které jsou vyrobeny z N+ polovodiče, máme tedy N-kanál. A takový tranzistor už se bude jmenovat N-kanálový MOSFET. Pokud jste četli článek vodiče a dielektrika, pak si pravděpodobně pamatujete, že ve vodiči je spousta volných elektronů. Protože Drain a Source byly spojeny můstkem velkého počtu elektronů, stal se tento kanál vodičem elektrického proudu. Jednoduše řečeno, mezi Zdrojem a Odtokem se vytvořil „drát“, kterým může protékat elektrický proud.

Ukazuje se, že pokud přivedeme napětí mezi Drain a Source s indukovaným kanálem, můžeme vidět tento obrázek:

Jak vidíte, obvod se uzavře a v obvodu začne tiše protékat elektrický proud.

Ale to není vše! Čím silnější je elektrické pole, tím větší je koncentrace elektronů, tím silnější je kanál. Jak udělat pole silnější? Na Gate stačí přivést větší napětí ;-) Přivedením většího napětí na Gate pomocí Bat2 zvětšíme tloušťku kanálu a tím i jeho vodivost! Nebo jednoduchými slovy, můžeme změnit odpor kanálu "hraním" s napětím hradla;-) No, geniálnější už to být nemůže!

Provoz P-kanálu MOSFET

V našem článku jsme analyzovali N-kanálový MOSFET s indukovaným kanálem. K dispozici je také P-kanálový MOSFET s indukovaným kanálem. P-kanál funguje úplně stejně jako N-kanál, ale celý rozdíl je v tom, že hlavními nosiči budou díry. V tomto případě změníme všechna napětí v obvodu na inverzní, na rozdíl od N-kanálového tranzistoru:

Na YouTube jsem našel velmi dobré video vysvětlující fungování MOSFETu. Doporučené zhlédnutí (nereklama):

U tranzistorů tohoto typu je hradlo odděleno od polovodiče vrstvou dielektrika, které se obvykle používá v křemíkových zařízeních jako oxid křemičitý. Tyto tranzistory se označují zkratkou MOS (metal-oxide-semiconductor) a MIS (metal-dielectric-semiconductor). V anglicky psané literatuře se obvykle označují zkratkou MOSFET nebo MISFET (Metal-Oxide (Insulator) -Semiconductor FET).

Tranzistory MOS jsou zase rozděleny do dvou typů.

V tzv tranzistory s vestavěným (vlastním) kanálem (tranzistor typu vyčerpání) a předtím, než je brána napájena, je zde kanál spojující zdroj a odtok.

V tzv tranzistory s indukovaným kanálem (obohacený tranzistor) výše uvedený kanál chybí.

MOS tranzistory se vyznačují velmi vysokým vstupním odporem. Při práci s takovými tranzistory je třeba přijmout zvláštní opatření na ochranu před statickou elektřinou. Například při pájení musí být všechny přívody zkratovány.

MOS tranzistor s vestavěným kanálem.

Kanál může mít vodivost typu p i n. Abychom byli konkrétní, podívejme se na tranzistor s kanálem typu p. Uveďme schematické znázornění struktury tranzistoru (obr. 1.97), konvenční grafické označení tranzistoru s kanálem typu p (obr. 1.98, a) a s kanálem typu n (obr. 1.98, b ). Šipka jako obvykle ukazuje směr od vrstvy p k vrstvě n.

Daný tranzistor (viz obr. 1.97) může pracovat ve dvou režimech: ochuzování a obohacování.

Režim vyčerpání odpovídá pozitivnímu ultrazvuku. Jak se toto zvyšuje, koncentrace děr v kanálu klesá (protože potenciál hradla je větší než potenciál zdroje), což vede ke snížení odvodňovacího proudu.

Ukažme si schéma zapojení tranzistoru (obr. 1.99).

Drenáž je ovlivněna nejen ultrazvukem, ale také mezi substrátem a zdrojem ultrazvuku. Vždy je však výhodnější ovládání hradlem, protože vstupní proudy jsou mnohem nižší. Kromě toho přítomnost na substrátu snižuje strmost.

Substrát tvoří p-n křižovatku se zdrojem, odtokem a kanálem. Při použití tranzistoru je třeba dbát na to, aby nedošlo k předpětí přechodu. V praxi je substrát připojen ke zdroji (jak je znázorněno na schématu) nebo k bodu v obvodu, který má potenciál větší než potenciál zdroje (potenciál odtoku ve výše uvedeném obvodu je menší než potenciál zdroje).

Ukažme si výstupní charakteristiky MOS tranzistoru (vestavěný p-kanál) typu KP201L (obr. 1.100) a jeho odvodňovací charakteristiku (obr. 1.101).

MOS tranzistor s indukovaným (indukovaným) kanálem.

Kanál může mít vodivost typu p i n. Abychom byli konkrétní, podívejme se na tranzistor s kanálem typu p. Uveďme schematické znázornění struktury tranzistoru (obr. 1.102), konvenční grafické označení tranzistoru s indukovaným kanálem typu p (obr. 1.103, a) a kanálem typu n (obr. 1.103, b).

Při nulovém napětí není uzi kanál (obr. 1.102) a kolektor je nulový. Tranzistor může pracovat pouze v režimu obohacení, což odpovídá negativnímu ultrazvuku. V tomto případě ufrom > 0. Pokud je splněna nerovnost ufrom>u od prahu, kde u od prahu je tzv. prahové napětí, pak se mezi zdrojem a kolektorem objeví kanál typu p, kterým může protékat proud.

Kanál typu p vzniká, protože koncentrace děr pod hradlem se zvyšuje a koncentrace elektronů klesá, což způsobuje, že koncentrace děr je větší než koncentrace elektronů.

Popsaný jev změny typu vodivosti se nazývá inverze typu vodivosti a polovodičová vrstva, ve které se vyskytuje (a která je kanálem), se nazývá inverzní (inverze). Přímo pod inverzní vrstvou vzniká vrstva ochuzená o mobilní nosiče náboje. Inverzní vrstva je mnohem tenčí než vrstva ochuzená (tloušťka inverzní vrstvy je 1 × 10 – 9 ... 5 × 10 – 9 m a tloušťka ochuzené vrstvy je 10krát nebo vícekrát větší).

Znázorněme spínací obvod tranzistoru (obr. 1.104), výstupní charakteristiky (obr. 1.105) a odvodňovací charakteristiku (obr. 1.106) pro MOS tranzistor s indukovaným p-kanálem KP301B.

Je užitečné poznamenat, že softwarový balík Micro-Cap II používá totéž matematický model(ale samozřejmě s jinými parametry).