Транзистор fet – Полевые транзисторы (FET-транзисторы)

Полевые транзисторы (FET-транзисторы)

Полевые транзисторы управляют током нагрузки с помощью электрического поля. Это поле создается поданным управляющим напряжением.

Полевой транзистор с p-n-переходом (J-FET1)-транзистор) (рис. 2).Имеет канал с проводимостью n-типа или p-типа между стоком (D) и истоком (S). Прохождение тока по каналу сток-исток управляется посредством управляющего напряжения через затвор (G).

__________________

1) J = junction (англ.) = запирающий слой

 

Рис. 2. Полевой транзистор с p-n-переходом, легированный примесью n-типа

 

Функция. В полевых транзисторах носители зарядов движутся по полупроводнику между стоком (С) и истоком (И). Поданное на затвор напряжение создает электрическое поле. Это поле в зависимости от типа конструкции может подавлять или усиливать проводимость. В полевом транзисторе с p-n-переходом, легированном примесью n-типа, существуют затворы, состоящие из областей, легированных примесью n-типа. Канал (запирающий слой) легирован примесью n-типа. При подаче на затвор некоторого напряжения, отрицательного относительно истока, образуется отталкивающее электрическое поле. Оно вытесняет электроны, протекающие по каналу сток-исток, и тем самым сужает поперечное сечение. Поскольку при включении-выключении затвора управляющий ток не течет, полевой транзистор работает без потерь мощности.

Полевой транзистор с изолированным затвором (IG-FET2)-транзистор). Как правило, изготавливается в виде МОП(MOSFET)-транзистора (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник) (рис. 3). При этом затвор образован не областью, легированной примесью p-типа, а металлическим электродом. Этот электрод изолирован от канала слоем оксида.

 

Рис. 3. МОП(MOSFET)-транзистор

Полевые транзисторы с изолированным затвором (IG-FET-транзисторы) можно разделить на следующие две группы:

1. МОП-транзисторы с индуцированным каналом (с обогащением канала): в МОП-транзисторе с обогащением канала при напряжении 0 В между затвором и истоком ток между стоком и истоком не течет.

2. МОП-транзисторы со встроенным каналом (с обеднением канала): в МОП-транзисторе с обеднением канала при напряжении 0 В между затвором и истоком между стоком и истоком течет ток.

_________________

2) IG от Isolate Gate (англ.) = изолированный затвор

В таблице 1 представлены различные типы полевых транзисторов.

Таблица 1

Полевые транзисторы имеют по сравнению с традиционными (биполярными) транзисторами определенные преимущества, особенно, касающиеся времени выключения и предельной частоты (таблица 2).

Таблица 2

Сравнение традиционных (биполярных) транзисторов и однополярного (полевого) транзистора
  Биполярный Полевой
Входное сопротивление низкое высокое
Управление током, потери мощности напряжением, без потерь мощности
Время включения 50 … 500 НС 10 … 600 НС
Время выключения 500 … 2000 НС 10 … 600 НС
Предельная частота 100 MГц несколько ГГц
Перегрузочная способность низкая хорошая
Термическая стабилизация требуется не требуется

 

Полевые транзисторы могут подобно традиционным транзисторам применяться в качестве выключателей и в усилительных схемах.

Тиристоры

 

Тиристор – это управляемый электронный выключатель с выпрямляющим эффектом. Состоит из 4 последовательно соединенных полупроводниковых слоев. 3 из этих полупроводниковых слоев снабжены выводами (рис. 1):

· анод (A)

· катод (K)

· управляющий электрод (G)

В зависимости от структуры полупроводниковых слоев различают тиристоры с управляющим электродом p-типа и тиристоры с управляющим электродом n-типа. Наиболее употребительным типом тиристоров является полупроводниковый p-n-p-n-элемент с управляющим электродом p-типа.

 

 

 

 

Рис. 1. Основная структура тиристора с управляющим электродом p-типа и его условное схематическое обозначение

Тиристор в режиме проводимости. В тиристоре с управляющим электродом p-типа происходит включение (отпирание), т.е. обеспечение проводимости четырех полупроводниковых слоев, посредством короткого импульса положительного напряжения, который подается на управляющий электрод (рис. 2). После отпирания тиристор остается проводящим всё время, пока между анодом (A) и катодом (K) имеется небольшая разность потенциалов. Это имеет место, когда течет минимальный рабочий ток (ток удержания). В отличие от транзистора рабочий ток в самом тиристоре не регулируемый.

 

Рис. 2. Тиристор в качестве выключателя

 

После отпирания тиристор работает как диод.

 

Тиристор в режиме запирания. Заставить тиристор запереть, т.е. прервать прохождение тока, можно следующим образом:

· Кратковременно прервать ток нагрузки. При больших токах нагрузки это практически невозможно.

· Подавить протекающий ток удержания на доли секунды, при этом подать на анод (A) короткий импульс отрицательного напряжения.

· Изменить направление тока нагрузки, как это происходит при переменном токе при прохождении через нуль. После этого он должен вновь отпираться после каждого прохождения через нуль.

 

 

Тиристоры могут применяться в следующих областях:

· для выпрямления (переменного напряжения в постоянное), например, при использовании больших автобусных генераторов.

· для преобразования напряжения (постоянного напряжения в переменное, например, в преобразователях).

· для регулируемого выпрямления. Постоянное напряжение может регулироваться по величине.

· в однофазных преобразователях-регуляторах переменного напряжения, например, регуляторах света ламп накаливания. Величина напряжения может регулироваться.

· в преобразователях частоты. С их помощью может регулироваться частота переменного напряжения, генерированного из постоянного напряжения. Таким образом может осуществляться регулирование числа оборотов электродвигателей переменного напряжения.

· в силовых электронных устройствах с номинальными напряжениями от 50 В до 8 000 В и номинальными токами от 0,4 A до 4 500 A..


Похожие статьи:

poznayka.org

Введение в полевые транзисторы (JFET)

Добавлено 24 марта 2018 в 15:35

Сохранить или поделиться

Транзистор представляет собой линейное полупроводниковое устройство, которое управляет током с помощью электрического сигнала меньшей мощности. Транзисторы можно грубо сгруппировать в два основных типа: биполярные и полевые. В предыдущей главе мы изучили биполярные транзисторы, которые используют малый ток для управления большим током. В данной главе мы введем основное понятие полевого транзистора (устройства, использующего малое напряжение для управления током), а затем сосредоточимся на одном конкретном типе: полевой транзистор с управляющим PN переходом. В следующей главе мы рассмотрим еще один тип полевых транзисторов, полевой транзистор с изолированным затвором

.

Все полевые транзисторы являются однополярными, а не биполярными устройствами. То есть основной ток через них состоит из электронов в полупроводнике N-типа или из дырок в полупроводнике P-типа. Это становится более очевидным, если посмотреть на физическую структуру устройства:

N-канальный полевой транзистор

В полевом транзисторе с управляющим PN-переходом (JFET) управляемый ток проходит от истока к стоку или от стока к истоку в зависимости от полярности. Управляющее напряжение подается между затвором и истоком. Обратите внимание, что ток не должен проходить через PN-переход на своем пути между истоком и стоком: путь (называемый каналом) является непрерывным блоком полупроводникового материала. На показанном изображении этот канал является полупроводником N-типа. Также производятся полевые транзисторы с каналом P-типа:

P-канальный полевой транзистор

Как правило, N-канальные полевые транзисторы используются чаще, чем P-канальные. Причины этого связаны с некоторыми деталями в теории полупроводников, которые я бы предпочел не обсуждать в этой главе. Как и в случае с биполярными транзисторами, я считаю, что лучший способ первоначального изучения полевых транзисторов – избегать теории, когда это возможно, и сосредоточиться вместо этого на рабочих характеристиках. Единственное практическое различие между N- и P-канальными полевыми транзисторами, которое вам необходимо сейчас знать, – это смещение PN-перехода, образованного между материалом затвора и каналом.

При отсутствии напряжения между затвором и истоком канал представляет собой широко открытый путь для потока электронов. Однако, если между затвором и истоком приложено напряжение такой полярности, что PN-переход смещен в обратном направлении, поток между истоком и стоком начинает ограничиваться или регулироваться, так же как это было и с биполярными транзисторами при установке тока базы. Максимальное напряжение затвор-исток «передавливает» весь ток от истока к стоку, тем самым заставляя полевой транзистор работать в режиме отсечки. Это поведение связано с тем, что область истощения PN-перехода расширяется под воздействием напряжения обратного смещения, в конечном счете занимая всю ширину канала, если напряжение достаточно велико. Это воздействие можно сравнить с уменьшением потока жидкости через гибкий шланг при его сжимании: при применении достаточной силы шланг будет пережат достаточно, чтобы полностью блокировать поток.

Сравнение работы полевого транзистора с передавливанием гибкого шланга

Обратите внимание на то, как это поведение полностью противоположно биполярному транзистору. Биполярные транзисторы являются

нормально выключенными устройствами: если нет тока через базу, то нет тока через коллектор или эмиттер. Полевые транзисторы, наоборот, являются нормально включенными устройствами: отсутствие напряжения, приложенного к затвору, допускает протекание максимального тока между истоком и стоком. Кроме того, обратите внимание, что величина тока через полевой транзистор определяется сигнальным напряжением, а не сигнальным током, как у биполярных транзисторов. Фактически, когда PN-переход затвор-исток смещен в обратном направлении, ток через затвор должен быть близок к нулю. По этой причине мы классифицируем полевой транзистор как устройство, управляемое напряжением, а биполярный транзистор как устройство, управляемое током.

Если PN-переход затвор-исток смещен небольшим напряжением в прямом направлении, канал полевого транзистора «открывается» немного больше, чтобы пропустить больший ток. Тем не менее, PN-переход полевого транзистора не предназначен для обработки какой-либо существенной величины тока, и поэтому ни при каких обстоятельствах не рекомендуется использовать прямое смещение перехода.

Это очень сжатый обзор работы полевого транзистора. В следующем разделе мы рассмотрим использование полевого транзистора в качестве коммутационного устройства.

Оригинал статьи:

Сохранить или поделиться

radioprog.ru

JFET и MOSFET 2019

Оба являются управляемыми напряжением полевыми транзисторами (FET), которые в основном используются для усиления слабых сигналов, в основном беспроводных сигналов. Это устройства UNIPOLAR, которые могут усиливать аналоговые и цифровые сигналы. Полевой транзистор (FET) представляет собой тип транзистора, который изменяет электрическое поведение устройства, используя эффект электрического поля. Они используются в электронных схемах от радиочастотной технологии до переключения и управления мощностью до усиления. Они используют электрическое поле для контроля электропроводности канала. FET подразделяется на JFET (транзистор полевого транзистора) и полевой транзистор полевого транзистора (MOSFET). Оба они в основном используются в интегральных схемах и весьма схожи в принципах работы, но имеют небольшой состав. Давайте сравним два в деталях.

Что такое JFET?

JFET — это самый простой тип полевого транзистора, в котором ток может либо проходить от источника к дренажу, либо к истоку источника. В отличие от биполярных переходных транзисторов (BJT), JFET использует напряжение, приложенное к клемме затвора, для управления током, протекающим через канал между клеммами стока и источника, что приводит к тому, что выходной ток пропорционален входному напряжению. Терминал затвора имеет обратное смещение. Это трехполюсное однополюсное полупроводниковое устройство, используемое в электронных переключателях, резисторах и усилителях. Он предполагает высокую степень изоляции между входом и выходом, что делает его более стабильным, чем биполярный переходный транзистор. В отличие от BJT, количество допустимого тока определяется сигналом напряжения в JFET.

Он обычно подразделяется на две основные конфигурации:

  • N-Channel JFET — Ток, протекающий через канал между дренажем и источником, отрицателен в виде электронов. Он имеет более низкое сопротивление, чем типы P-канала.
  • P-Channel JFET — Ток, текущий, хотя канал положителен в форме отверстий. Он имеет более высокое сопротивление, чем его N-канальные аналоги.

Что такое MOSFET?

MOSFET представляет собой четырехполюсный полупроводниковый полевой транзистор, изготовленный контролируемым окислением кремния и где приложенное напряжение определяет электропроводность устройства. MOSFET представляет собой транзистор с полевым эффектом на основе оксида металла. Затвор, который расположен между каналами источника и стока, электрически изолирован от канала тонким слоем оксида металла. Идея состоит в том, чтобы контролировать напряжение и ток между каналами источника и стока. МОП-транзисторы играют важную роль в интегральных схемах из-за их высокого входного импеданса. Они в основном используются в усилителях мощности и переключателях, а также играют важную роль в разработке встроенных систем в качестве функциональных элементов.

Они обычно подразделяются на две конфигурации:

  • Режим истощения MOSFET — Устройства обычно «ВКЛЮЧЕНЫ», когда напряжение затвор-источник равно нулю. Напряжение приложения ниже, чем напряжение стока от источника
  • Режим улучшения MOSFET — Устройства обычно «ВЫКЛ», когда напряжение затвор-источник равно нулю.

Разница между JFET и MOSFET

Основы полевого транзистора и полевого МОП-транзистора

Как JFET, так и MOSFET являются транзисторами с напряжением, используемыми для усиления слабых сигналов как аналоговых, так и цифровых. Оба являются униполярными устройствами, но с разным составом. В то время как JFET обозначает транзистор с пол

ru.esdifferent.com

Полевые транзисторы и полевые транзисторы 2019

FET против MOSFET

Транзистор, полупроводниковое устройство, является устройством, которое позволило использовать все наши современные технологии. Он используется для управления током и даже для его усиления на основе входного напряжения или тока. Существует два основных типа транзисторов: BJT и FET. Под каждой основной категорией существует много подтипов. Это наиболее существенное отличие FET и MOSFET. FET означает полевой транзистор и представляет собой семейство очень разных транзисторов, которые в совокупности полагаются на электрическое поле, создаваемое напряжением на затворе, для управления потоком тока между дренажем и источником. Одним из многих типов полевых транзисторов является полупроводниковый полевой транзистор с металлическим оксидом или МОП-транзистор. Металлооксидный полупроводник используется в качестве изолирующего слоя между затвором и подложкой транзистора.

В настоящее время оксидная изоляция большинства МОП-транзисторов представляет собой диоксид кремния. Это может показаться запутанным, поскольку кремний не металл, а металлоид. Первоначально металл фактически использовался, но был заменен на кремний из-за его превосходных характеристик. Диоксид кремния в основном представляет собой конденсатор, который держит заряд всякий раз, когда напряжение подается на затвор. Затем этот заряд создает поле путем вытягивания противоположно заряженных частиц или отталкивания частиц с тем же зарядом и позволяет или ограничивает поток тока между дренажем и источником.

Хотя существует множество транзисторов, которые могут использоваться в цифровых схемах, в настоящее время это MOSFET. CMOS (комплементарный металл-оксидный полупроводник) в основном использует полевые МОП-транзисторы p-типа и n-типа в парах, чтобы дополнять друг друга. В этой конфигурации MOSFETS имеют только значительное потребление энергии во время переключения, а не во время его состояния. Это очень желательно, особенно в современном вычислительном оборудовании, где мощности и тепловые пределы выдвигаются к краю. Другие типы полевых транзисторов не могут копировать эту возможность или слишком дороги для производства.

Прогресс в MOSFETs постоянно развивается, как в размерах, так и в компаниях, которые продолжают идти на более мелкие архитектуры. Но и в дизайне, как 3D-полевые МОП-транзисторы, которые показывают многообещающие перспективы. МОП-транзисторы являются транзистором выбора на сегодняшний день, поскольку исследователи пытаются найти другие типы транзисторов, которые могут быть подходящей заменой для него.

Резюме:

1.MOSFET — это тип FET 2.MOSFET — предпочтительный тип полевых транзисторов для цифровых схем

ru.esdifferent.com

Полевые транзисторы (FET-транзисторы)

Полевые транзисторы управляют током нагрузки с помощью электрического поля. Это поле создается поданным управляющим напряжением.

Полевой транзистор с p-n-переходом (J-FET1)-транзистор) (рис. 2).Имеет канал с проводимостью n-типа или p-типа между стоком (D) и истоком (S). Прохождение тока по каналу сток-исток управляется посредством управляющего напряжения через затвор (G).

__________________

1) J = junction (англ.) = запирающий слой

 
 

 

Рис. 2. Полевой транзистор с p-n-переходом, легированный примесью n-типа

 

Функция. В полевых транзисторах носители зарядов движутся по полупроводнику между стоком (С) и истоком (И). Поданное на затвор напряжение создает электрическое поле. Это поле в зависимости от типа конструкции может подавлять или усиливать проводимость. В полевом транзисторе с p-n-переходом, легированном примесью n-типа, существуют затворы, состоящие из областей, легированных примесью n-типа. Канал (запирающий слой) легирован примесью n-типа. При подаче на затвор некоторого напряжения, отрицательного относительно истока, образуется отталкивающее электрическое поле. Оно вытесняет электроны, протекающие по каналу сток-исток, и тем самым сужает поперечное сечение. Поскольку при включении-выключении затвора управляющий ток не течет, полевой транзистор работает без потерь мощности.

Полевой транзистор с изолированным затвором (IG-FET2)-транзистор). Как правило, изготавливается в виде МОП(MOSFET)-транзистора (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник) (рис. 3). При этом затвор образован не областью, легированной примесью p-типа, а металлическим электродом. Этот электрод изолирован от канала слоем оксида.

 
 

 

Рис. 3. МОП(MOSFET)-транзистор

Полевые транзисторы с изолированным затвором (IG-FET-транзисторы) можно разделить на следующие две группы:

1. МОП-транзисторы с индуцированным каналом (с обогащением канала): в МОП-транзисторе с обогащением канала при напряжении 0 В между затвором и истоком ток между стоком и истоком не течет.

2. МОП-транзисторы со встроенным каналом (с обеднением канала): в МОП-транзисторе с обеднением канала при напряжении 0 В между затвором и истоком между стоком и истоком течет ток.

_________________

2) IG от Isolate Gate (англ.) = изолированный затвор

В таблице 1 представлены различные типы полевых транзисторов.

Таблица 1

Полевые транзисторы имеют по сравнению с традиционными (биполярными) транзисторами определенные преимущества, особенно, касающиеся времени выключения и предельной частоты (таблица 2).

Таблица 2

Сравнение традиционных (биполярных) транзисторов и однополярного (полевого) транзистора
  Биполярный Полевой
Входное сопротивление низкое высокое
Управление током, потери мощности напряжением, без потерь мощности
Время включения 50 … 500 НС 10 … 600 НС
Время выключения 500 … 2000 НС 10 … 600 НС
Предельная частота 100 MГц несколько ГГц
Перегрузочная способность низкая хорошая
Термическая стабилизация требуется не требуется

 

Полевые транзисторы могут подобно традиционным транзисторам применяться в качестве выключателей и в усилительных схемах.

Тиристоры

 

Тиристор – это управляемый электронный выключатель с выпрямляющим эффектом. Состоит из 4 последовательно соединенных полупроводниковых слоев. 3 из этих полупроводниковых слоев снабжены выводами (рис. 1):

· анод (A)

· катод (K)

· управляющий электрод (G)

В зависимости от структуры полупроводниковых слоев различают тиристоры с управляющим электродом p-типа и тиристоры с управляющим электродом n-типа. Наиболее употребительным типом тиристоров является полупроводниковый p-n-p-n-элемент с управляющим электродом p-типа.

 

 
 

 

 

 

Рис. 1. Основная структура тиристора с управляющим электродом p-типа и его условное схематическое обозначение

Тиристор в режиме проводимости. В тиристоре с управляющим электродом p-типа происходит включение (отпирание), т.е. обеспечение проводимости четырех полупроводниковых слоев, посредством короткого импульса положительного напряжения, который подается на управляющий электрод (рис. 2). После отпирания тиристор остается проводящим всё время, пока между анодом (A) и катодом (K) имеется небольшая разность потенциалов. Это имеет место, когда течет минимальный рабочий ток (ток удержания). В отличие от транзистора рабочий ток в самом тиристоре не регулируемый.

 
 

 

Рис. 2. Тиристор в качестве выключателя

 

После отпирания тиристор работает как диод.

 

Тиристор в режиме запирания. Заставить тиристор запереть, т.е. прервать прохождение тока, можно следующим образом:

· Кратковременно прервать ток нагрузки. При больших токах нагрузки это практически невозможно.

· Подавить протекающий ток удержания на доли секунды, при этом подать на анод (A) короткий импульс отрицательного напряжения.

· Изменить направление тока нагрузки, как это происходит при переменном токе при прохождении через нуль. После этого он должен вновь отпираться после каждого прохождения через нуль.

 

 

Тиристоры могут применяться в следующих областях:

· для выпрямления (переменного напряжения в постоянное), например, при использовании больших автобусных генераторов.

· для преобразования напряжения (постоянного напряжения в переменное, например, в преобразователях).

· для регулируемого выпрямления. Постоянное напряжение может регулироваться по величине.

· в однофазных преобразователях-регуляторах переменного напряжения, например, регуляторах света ламп накаливания. Величина напряжения может регулироваться.

· в преобразователях частоты. С их помощью может регулироваться частота переменного напряжения, генерированного из постоянного напряжения. Таким образом может осуществляться регулирование числа оборотов электродвигателей переменного напряжения.

· в силовых электронных устройствах с номинальными напряжениями от 50 В до 8 000 В и номинальными токами от 0,4 A до 4 500 A..

Полупроводниковые резисторы

Это – элементы электрической цепи с двумя выводами, которым всегда требуется электропитание.

 
 

 

 

Представляют собой резисторы, зависимые от напряжения. Сопротивление варисторов внезапно падает при увеличении напряжения, т.е. сильно возрастает ток в них. Их характеристика подобна характеристике диода Зенера (стабилитрона), однако не зависит от направления тока (поляризации).

 

При низком напряжении варисторы (VDR) имеют высокое сопротивление, а при высоких напряжениях – низкое.

 

Применение. Варисторы применяются для предотвращения высоких перенапряжений, которым могут подвергаться, например, электронные элементы. Такие перенапряжения возникают при быстром изменении тока в катушках. При этом могут возникать высокие напряжения самоиндукции.

Для защиты электронного элемента варистор должен быть включен параллельно источнику напряжения, генерирующему высокий пик напряжения (катушка) (рис. 1). При возникновении пика напряжения варистор накоротко замыкает катушку.

Кроме того, варисторы применяются для стабилизации напряжения. В электрической схеме они выполняют функцию диода Зенера (стабилитрона).

 

 

 

Рис. 1: Блок схемной защиты с варистором

 
 

 

Термисторы также называются резисторами с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC-резисторами) или терморезисторами с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC-терморезисторами).

 

При низких температурах NTC-резисторы имеют высокое сопротивление, а при высоких температурах – низкое.

 

Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры их сопротивление уменьшается (рис. 2). Зависимость сопротивления от температуры нелинейная.

 
 

 

 

Рис. 2. Характеристика сопротивления/ температуры NTC-резистора

 

Применение. Применяются в качестве датчиков в установках, в которых должно определяться значение температуры.

При этом данные температуры преобразуются в значение напряжения, которое далее применяется для индикации температуры или управления и регулирования.

 
 

 

 

Рис. 1. Примеры применения NTC-резисторов

 

Определение температуры (рис. 1a). При повышении температуры значение сопротивления NTC-резистора (R1) уменьшается. В делителе напряжения увеличивается падение напряжения на резисторе RV. Шкалу напряжения UV на индикаторе можно калибровать в градусах Цельсия.

Задержка при срабатывании реле (рис. 1b). При включении значение сопротивления NTC-резистора (R1) большое, при этом сопротивление параллельно соединенного резистора Rn тоже настолько большое, что в реле K1 не достигается ток трогания. Вследствие прохождения тока происходит нагревание NTC-резистора, и при этом уменьшается его сопротивление. Ток возрастает до тех пор, пока не достигнет величины тока трогания, и пока не переключится реле K1. Посредством контактов реле может переключаться, например, двигатель внутреннего сгорания с наддувом.

 

Позисторы также называются резисторами с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC-резисторами) или терморезисторами с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC-терморезисторами).

При низких температурах PTC-резисторы имеют маленькое сопротивление, а при высоких температурах – большое.

 

 

 

Рис. 2. Характеристика сопротивления/ температуры PTC-резистора

 

Они имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры их сопротивление растет (рис. 2). Зависимость сопротивления от температуры нелинейная.

Применение. PTC-резисторы применяются в тех же областях, что и NTC-резисторы. Однако при построении электрической схемы следует иметь ввиду, что PTC-резисторы имеют обратную характеристику сопротивления/температуры.

 

 

Рис. 3. Примеры применения PTC-резисторов

 

Температурозависимое управление (рис. 3a). В электрической цепи посредством переменного резистора задается ток удержания реле при определенной температуре, например, в системе защиты от обледенения кондиционера воздуха. При превышении заданной температуры, сильно возрастает сопротивление PTC-резистора R2, реле обесточивается. Посредством контактов реле запускается желаемый коммутационный процесс.

Защита от перегрузки (рис. 3b). В электрическую цепь нагрузки монтируется PTC-резистор. При превышении допустимой величины тока происходит нагрев PTC-резистора. При этом возрастает величина его сопротивления, тем самым PTC-резистор ограничивает ток до допустимой величины, например, в системе обогрева наружных зеркал заднего вида.

Оптоэлектроника

 
 

 

Фоторезисторы представляют собой светозависимые резисторы. Величина их сопротивления уменьшается при увеличении освещенности.

Фоторезисторы применяются в качестве индикаторов пламени в отопительных установках и системах сигнализации, в автоматических включателях/ выключателях уличного освещения и фоторелейных барьерах (например, в установках для мойки автомобилей, в датчиках зажигания).

 
 

 

 

Рис. 1. Светозависимая система управления

 

Светозависимая система управления (рис. 1). При возрастании величины сопротивления LDR-резистора в темноте база B транзистора становится положительной вследствие деления напряжения между резисторами R1 и RV. Транзистор переключается, загорается лампа накаливания.

Фотодиоды. Представляют собой полупроводниковые элементы, которые …

· … с источником напряжения работают как светозависимый резистор (рис. 2).

· … без источника напряжения работают как фотоэлемент (рис. 3).

Возможно изготовление фотодиодов очень маленького размера и их применение в качестве фотоэлектрических преобразователей в в цепях управления и контурах регулирования.

 
 

 

 

Когда на фотодиод попадает свет, его сопротивление уменьшается при увеличении освещенности. При этом становится возможным прохождение тока через фотодиод, и срабатывает реле. Запускается желаемый коммутационный процесс. Фотодиоды эксплуатируются в запирающем (обратном) направлении (рис. 2).

 

Рис. 2: Принципиальная схема фотодиода

 

При попадании на них света фотоэлементы выделяют напряжение, которое зависит от полупроводникового материала и освещенности. Они применяются, например, в часах, микрокалькуляторах и люксметрах в качестве источника напряжения.

 

    
  
 
 

 

 

Рис. 3. Характеристики фотоэлемента

 

Характеристическими параметрами фотоэлемента являются напряжение без нагрузки U0 и ток короткого замыкания Ik (рис. 3). В кремниевых фотоэлементах напряжение без нагрузки при 1 000 люкс (лк) составляет около 0,4 В, в селеновых фотоэлементах – около 0,3 В. Освещенность указана в люксах (лк).

 

При освещении фотоэлементы выделяют напряжение, которое зависит от полупроводникового материала и освещенности.

 

Применение. Соединенные вместе на большой площади кремниевые фотоэлементы могут быть задействованы в использовании солнечной энергии (солнечные элементы). Их КПД составляет около 20 %, т.е. они преобразуют в электрическую энергию 20 % световой энергии. Они работают в качестве генераторов напряжения в фотогальванических энергетических установках, в частности для электроснабжения парковочных автоматов, горных жилищ, передающих станций и спутников.

 

При подаче напряжения эти диоды в зависимости от материала, из которого они изготовлены, излучают свет соответствующего цвета: зеленого, желтого, оранжевого, красного или голубого. Их рабочее напряжение составляет от 1,5 В до 3 В. При их работе с другими напряжениями в схеме должен быть предусмотрен защитный резистор для ограничения тока (рис. 4).

Благодаря своему низкому энергопотреблению, которое составляет всего несколько mW (мВт), они применяются в автомобиле в качестве световых индикаторов и сигнализаторов.

Светодиоды эксплуатируются в пропускном (прямом) направлении.

 
 

 

Рис. 4. Светодиод с добавочным резистором

 
 

 

Обычно транзистор включается и выключается через базу с помощью положительного или отрицательного напряжения.

В фототранзисторе свет или инфракрасное излучение через световое отверстие попадает на обеднённый слой коллекторного перехода и генерирует в нем фототок Ip, который растет пропорционально освещенности EV (рис. 1). Фототок действует как ток базы.

Коллекторный ток фототранзистора увеличивается с ростом освещенности.

 
 

 

Рис. 1. Фототранзистор с усилительным транзистором

 

Применение. В автомобильной технике фототранзисторы применяются в светозависимых системах управления, например, в системе управления затемнением внутренних зеркал заднего вида, в оптронах.

Оптроны (оптоэлектронные устройства сопряжения). Состоят из излучателя и приемника излучения, которые встроены в общий светонепроницаемый корпус, в связи с чем приемник принимает излучение только от излучателя (рис. 2). В качестве излучателей применяются преимущественно светодиоды инфракрасного диапазона.

Приемниками излучения (детекторами) в зависимости от конкретной области применения служат фотодиоды, фототранзисторы или фототиристоры.

 

Оптроны чаще всего сопрягают две электрические цепи посредством инфракрасного излучения, а разделяют их гальванически.

Уровень выходного напряжения составляет 5 В, т.е. все сигналы, поступающие в оптрон, преобразуются и выводятся на выход в виде напряжения величиной от 0 В до 5 В. Это напряжение подается на соответствующие блоки управления в качестве входного сигнала для последующей обработки.

 

Рис. 2. Оптрон с фотодиодом и фототранзистором

 

Полупроводниковые элементы, зависимые от магнитного поля

 
 

 

 

Эффект Холла возникает в полупроводниковом слое, обтекаемом питающим током Iv (рис. 3). Магнитное поле, направленнное перпендикулярно к полупроводниковому слою, создает напряжение Холла UH между контактными площадками A. Его величина зависит от напряженности магнитного поля.

 
 

 

Рис. 3. Эффект Холла

 

Полупроводниковые элементы, зависимые от давления

 
 

 

В пьезоэлектрических датчиках при воздействии на них тяговых, сжимающих или толкающих усилий происходит перенос электрических зарядов, и тем самым на их электродах генерируется электрическое напряжение. Этот пьезоэффект проявляется, например, кристаллами кварца (Si02) (рис. 4). В автомобиле пьезоэлементы применяются, например, в качестве датчиков давления и датчиков детонации.

 
 

 

 

Рис. 4. Пьезоэлектрический датчик

Интегральные схемы

С помощью планарной технологии возможно изготовление всех компонентов электрической схемы (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов, тиристоров), включая токопроводящие соединения, в рамках одного общего технологического процесса на одной единственной (монолитной)1) кремниевой подложке (чипе)2).

При этом отдельные интегральные схемы, так называемые ICs3), объединяются в монолитные интегральные схемы (рис. 1).

 
 

 

 

Рис. 1: Пример интегральной схемы монолитной технологии

(с выбором стадий производства)

Поскольку в интегральной схеме IC больше нет никаких «самостоятельных» элементов (элементы имеют внешние выводы), говорят о логических, или функциональных, элементах.

Планарная технология. Под планарной технологией понимается метод изготовления полупроводниковых элементов и чипов. При этом в ходе следующих друг за другом технологических операций наносятся изолированные друг от друга слои, содержащиеся в полупроводниковых элементах наряду с токопроводящими соединениями и выводами. Нанесение может осуществляться посредством трафаретной печати при толстослойной технологии или посредством напыления при тонкослойной технологии. Так, один чип может содержать в себе свыше 100 000 активных функциональных элементов (например, транзисторы, диоды) и пассивных функциональных элементов (например, резисторы, конденсаторы).

 

1) монолитный (греч.) = из одного камня

2) чип (англ.) = фишка, камень

3) Integrated Circuits (англ.} = интегральные схемы

Гибридные схемы. Представляют собой комбинацию интегральных схем и отдельных самостоятельных элементов (рис. 2). Они соединяются друг с другом на несущей плате посредством разъемов, пайки или другими способами. Благодаря этому возможно целенаправленное изготовление схем с особыми свойствами, например, схем блока управления зажиганием.

 
 

 

Рис. 2. Регулятор напряжения генератора гибридной технологии

 

Вопросы на повторение

1. Какими носителями заряда обладают полупроводники n-типа и полупроводники p-типа?

2. Какой должна быть полярность p-n-перехода для протекания прямого тока?

 

3. Что понимается под противодействующим напряжением?

4. Какая часть характеристической кривой диода Зенера используется для стабилизации напряжения?

5. Что понимается под однополуволновой схемой?

6. Как устроен транзистор структуры n-p-n?

7. Как называются выводы электродов транзистора?

8. Какой должна быть полярность транзистора структуры n-p-n для того, чтобы он был токопроводящим?

9. Как ведет себя при нагревании термистор?

10. Как изменяется сопротивление варистора при увеличении напряжения?

11. Как ведет себя фоторезистор при попадании на него света?

12. Что понимается под светодиодом?

13. Для чего предназначены оптроны?

14. Как устроены гибридные схемы?

 

Библиографический список

 

1. Данилов, И. А., Иванов, М. П. Общая электротехника с основами электроники, М.: Высшая школа, 2003.

2. Касаткин, А. С. Основы электротехники. М.: Высшая школа, 2002.

3. Рекурс, Г. Г., Белоусов, А. И. Сборник задач по электротехнике и основам электроники. М.: Высшая школа, 2001.

 

 

Неустроев Олег Геннадьевич

 

 

Электротехника

Курс лекций

 

Компьютерная верстка и оригинал-макет

И.А. Вахрушева

 

Формат А4. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman.

Заказ № 124 Тираж 100.

 

Напечатано в редакционно-издательском отделе

ФГОУ СПО «Ижевский государственный политехнический колледж»

г. Ижевск, ул. Салютовская, 33.

 


Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

Полевые транзисторы FET Полевым называется транзистор действие

Полевые транзисторы (FET)

Полевым называется транзистор, действие которого основано на использовании тока основных носителей заряда в полупроводнике (электронов и дырок). Управление током основных носителей осуществляется внешним электрическим полем. Первый полевой транзистор был создан в 1952 году В. Шокли. В настоящее время транзистор является почти универсальным активным компонентом радиоэлектронной аппаратуры. Полевые транзисторы также называют униполярными. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Преимущества полевого транзистора перед биполярным: ► Высокое входное сопротивление ► Малая потребляемая мощность ► Схемы с ПТ более помехоустойчивые ► Габариты ПТ значительно меньше, что позволяет повысить плотность компоновки интегральных схем на ПТ недостатки: ► Чувствительность к статическому электричеству

Имеется два типа полевых транзисторов: ► ПТ с затвором на p-n переходе (с управляющим p-n переходом) ► ПТ с изолированным затвором: • со встроенным каналом • с индуцированным каналом

Условные обозначения ПТ: ► ► ► а и б — с управляющим р-п переходом; в и г — с изолированным затвором и встроенным каналом; д и е — с изолированным затвором и индуцированным каналом. (Стрелка, направленная внутрь( обозначает транзистор с каналом типа n, а наружу — с каналом типа р).

ПТ с управляющим p-n переходом: Условные обозначения: С каналом n-типа С каналом р-типа С З И И Схема структуры исток затвор сток И- p + n p + З UЗИ — Принцип действия: Напряжение затвор — исток, приложенное к pn переходу в обратном направлении , изменяет ширину канала, по которому проходит ток исток — сток и, следовательно, его сопротивление. С канал (n-типа)

Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n-каналом и управляющим р-n-переходом В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противоположных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Перекрытие канала в полевом транзисторе Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Характеристики ПТ с управляющим p-n -переходом и каналом типа n: Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при постоянном напряжении затвор-исток. На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора. Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо. Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Третья зона графика — область пробоя

Характеристики ПТ с управляющим p-n -переходом и каналом типа n: Стоко-затворная характеристика. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом: исток затвор сток из олятор n канал n Подложка p З С И И с каналом n с каналом р Есть подложка из полупроводника с pпроводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с nпроводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностная перемычка, проводимость которой также nтипа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно. Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток.

ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом: исток затвор сток из олятор n канал n Подложка p З С И И с каналом n с каналом р А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения. Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти. Конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока.

ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом: 1. При отсутствии управляющего напряжения (Uзи) через канал протекает ток между И и С. 2. При подаче Uзи прямой полярности (p+, n-) в канал притягиваются электроны из подложки его сопротивление уменьшается, ток через нагрузку растет. 3. При подаче напряжения обратной полярности электроны из канала выталкиваются сопротивление его увеличивается.

Семейства стоковых и стоко-затворная характеристик транзистора с встроенным каналом

МДП — транзистор с индуцированным каналом У транзистора с индуцированным каналом канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. Если подать напряжение только на исток и сток, ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт. Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т. е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе. Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Семейства стоковых и стоко-затворная характеристик транзистора с индуцированным каналом

МНОП – транзистор с плавающим затвором М — металл, Н – сплав HSi 3 N 4, О – оксид металла, П – полупроводник Принцип действия этих транзисторов основан на том, что в сильных электрических полях электроны могут проникать в диэлектрик на глубину до 1 мкм. В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида Si. O 2 и толстый слой нитрида Si 3 N 4. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28. . 30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой Si. O 2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой Si. O 2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28… 30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение. Применяются в интегральных микросхемах ЗУ в виде ячейки для хранения 1 бит информации

Схемы включения полевых транзисторов Чаще всего применяется схема с общим истоком, как дающая большее усиление по току и мощности. Схема с общим затвором усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение. Схему с общим стоком также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало. С общим истоком С общим затвором

Области применения ПТ: ► для работы во входных каскадах усилителей низкой частоты и постоянного тока с высоким входным сопротивлением ► для применения в широкополосных усилителях в диапазоне частот до 150 МГц, а также в переключающих и коммутирующих устройствах ► для применения в охлаждаемых каскадах пред усилителей устройств ядерной спектрометрии, и т. д.

present5.com

Мощные мосфет транзисторы. MOSFET транзисторы

Как показывает опыт, новички, сталкивающиеся с проверкой элементной базы подручными средствами, без каких-либо проблем справляются с проверкой диодов и биполярных транзисторов, но затрудняются при необходимости проверить столь распространенные сейчас MOSFET-транзисторы (разновидность полевых транзисторов). Я надеюсь, что данный материал поможет освоить этот нехитрый способ проверки полевых транзисторов.

Очень кратко о полевых транзисторах

На данный момент понаделано очень много всяких полевых транзисторов. На рисунке показаны графические обозначения некоторых разновидностей полевых транзисторов.

G-затвор, S-исток, D-сток. Сравнивая полевой транзистор с биполярным, можно сказать, что затвор соответствует базе, исток – эмиттеру, сток полевого транзистора – коллектору биполярного транзистора.

Наиболее распространены n-канальные MOSFET – они используются в цепях питания материнских млат, видеокарт и т.п. У MOSFET имеется встроенный диод:

Типовое включение полевого (MOSFET) транзистора:

Напряжение на затворе!

У подавляющего большинства полевых транзисторов нельзя на затвор (G) подавать напряжение больше 20В относительно истока (S), а некоторые образцы могут убиться при напряжении выше пяти вольт!

Проверка полевых транзисторов (MOSFET)

И вот, иногда наступает момент, когда необходимо полевой транзистор проверить, прозвонить или определить его цоколевку. Сразу оговоримся, что проверить таким образом можно «logic-level» полевые транзисторы, которые можно встретить в цепях питания на материнских платах и видеокартах. «logic-level» в данном случае означает, что речь идет о приборах, которые управляются, т.е. способны полностью открывать переход D-S, при приложении к затвору относительно небольшого, до 5 вольт, напряжения. На самом деле очень многие MOSFET способны открыться, пусть даже и не полностью, напряжением на затворе до 5В.

В качестве примера возьмем N-канальный MOSFET IRF1010N для его проверки (прозвонки). Известно, что у него такая цоколевка: 1 – затвор (G), 2 – сток (D), 3 – исток (S). Выводы считаются как показано на рисунке ниже.

1. Мультиметр выставляем в режим проверки диодов, этот режим очень часто совмещен с прозвонкой. У цифрового мультиметра красный щуп «+», а черный «–», проверить это можно другим мультиметром.
На любом уважающем себя мультиметре есть такая штуковина

2. Щуп «+» на вывод 3, щуп «–» на вывод 2. Получаем на дисплее мультиметра значения 400…700 – это падение напряжения на внутреннем диоде.

3. Щуп «+» на вывод 2, щуп «–» на вывод 3. Получаем на дисплее мультиметра бесконечность. У мультиметров обычно обозначается как 1 в самом старшем разряде. У мультиметров подороже, с индикацией не 1999 а 4000 будет показано значение примерно 2,800 (2,8 вольта).

4. Теперь удерживая щуп «–» на выводе 3 коснуться щупом «+» вывода 1, потом вывода 2. Видим, что теперь щупы стоят так же, как и в п.3, но теперь мультиметр показывает 0…800мВ – у MOSFET открыт канал D-S. Если продолжать удерживать щупы достаточно долго, то станет заметно, что падение напряжения D-S увеличивается, что означает, что канал постепенно закрывается.

5. Удерживая щуп «+» на выводе 2, щупом «–» коснуться вывода 1, затем вернуть его на вывод 3. Как видим, канал опять закрылся и мультиметр показывает бесконечность.

Поясним, что же происходит. С прозвонкой внутреннего диода все понятно. Непонятно почему канал остается либо закрытым, либо открытым? На самом деле все просто. Дело в том, что у мощных MOSFET емкость между затвором и истоком достаточно большая, например у взятого мной транзистора IRF1010N измеренная емкость S-G составляла 3700пФ (3,7нФ). При этом сопротивление S-G составляет сотни ГОм (гигаом) и более. Не забыли – полевые транзисторы управляются электрическим полем, а не током в отличие от биболярных. Поэтому в п.4 касаясь “+” затвора (G) мы его заряжаем относительно истока (S) как обычный конденсатор и управляющее напряжение на затворе может держаться еще достаточно долго.

Помой транзистор!

Если хвататься за выводы транзистора руками, особенно жирными и влажными, емкость транзистора будет разряжаться значительно быстрее, т.к. сопротивление будет определяться не диэлектриком у затвора транзистора, а поверхностным сопротивлением. Не смытый флюс также сильно снижает сопротивление. Поэтому рекомендую помыть транзистор, перед проверкой, например, в спирто-бензиновой смеси.

P.S. Спирто-бензиновая смесь при испарении может генерировать статическое электричество, которое, как известно, негативно действует на полевые транзисторы.

Небольшие пояснения о мультиметрах

1. У цифровых мультиметров режим проверки диодов проводится измерением падения напряжения на щупах, при этом по щупам прибор пропускает стабильный ток 1мА. Именно поэтому в данном режиме прибор показывает не сопротивление, а падение напряжения. Для германиевых диодов оно равно 0,3…0,4В, для кремниевых 0,6…0,8В. Но что бы там не измерялось напряжение на щупах прибора редко превышает 3В – это ограничение накладывается схемотехникой мультиметров.
2. В п.4 при измерении падения напряжения отк

levevg.ru