Как работают транзисторы MOSFET | hardware

Мощные транзисторы MOSFET хорошо известны своей исключительной скоростью переключения при весьма малой мощности управления, которую нужно прикладывать к затвору. Основная причина в том, что затвор изолирован, поэтому требуется мощность только на перезаряд емкости затвор-исток, и в статическом режиме цепь затвора практически не потребляет тока. В этом отношении мощные MOSFET по своим характеристикам приближаются к «идеальному переключателю». Основные недостатки, которые не дают MOSFET стать «идеальным», это сопротивление открытого канала R_DS(on), и значительная величина положительного температурного коэффициента (чем выше температура, тем выше сопротивление открытого канала). В этом апноуте обсуждаются эти и другие основные особенности высоковольтных N-канальных мощных MOSFET, и предоставляется полезная информация по выбору транзисторов и их применению (перевод статьи [1]).

Для того, чтобы было проще понять работу полевого N-канального транзистора MOSFET, его стоит сравнить с широко распространенным биполярным кремниевым транзистором структуры

База выполняет те же функции, что и затвор, коллектор соответствует стоку, а эмиттер соответствует истоку.

Давайте рассмотрим простейшую схему включения транзистора NPN:

Когда входной ключ разомкнут, то через эмиттерный переход транзистора T1 ток не течет, и канал коллектор-эмиттер имеет высокое сопротивление. Говорят, что транзистор закрыт, через его канал коллектор-эмиттер ток практически не течет. Когда замыкается входной ключ, то от батарейки B1 через резистор R1 и эмиттерный переход транзистора течет открывающий ток. Когда транзистор открыт, то его сопротивление канала коллектор-эмиттер уменьшается, и почти все напряжение батареи B2 оказывается приложенным к нагрузке R3. Т. е. когда во входной цепи течет ток (через R1), то в выходной цепи тоже течет ток (через R3), но в выходной цепи ток и напряжение (т.

А так будет в этой схеме работать транзистор MOSFET:

На первый взгляд все то же самое — когда на входе есть управляющая мощность, она также появляется и на выходе (обычно усиленная во много раз). В этом смысле биполярный транзистор и MOSFET-транзистор очень похожи. Но есть два самых важных различия:

• Биполярный транзистор управляется током, а полевой транзистор напряжением.

Примечание: отсюда, кстати и пошло название полевого транзистора: его канал управляется не током, а электрическим полем затвор-исток.

Это означает, что входное сопротивление биполярного транзистора мало, а входное сопротивление MOSFET-транзистора очень велико. Обратите внимание на входной ток биполярного транзистора — 0.3 мА, этот ток в основном определяется сопротивлением резистора R1.

У полевого транзистора MOSFET в этом отношении все по-другому. Входной ток определяется главным образом сопротивлением резистора R2, поэтому входной ток очень мал. Практически все входное напряжение оказывается приложенным к R2 и к переходу затвор — исток полевого транзистора. Причина проста: затвор и исток изолированы друг от друга слоем оксида кремния, по сути это конденсатор, поэтому ток через затвор практически не течет.

По этой причине на низких частотах, когда входная емкость не шунтирует источник сигнала, полевой транзистор имеет гораздо большее усиление по мощности в сравнении с биполярным транзистором.

• Падение напряжения на выходном канале у полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного.

Для данного примера падение напряжения коллектор-эмиттер биполярного транзистора составит примерно 0.3V, а у полевого 0.1V и даже меньше. Обычно выходное сопротивление у полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного.

В исходном состоянии, когда на затворе относительно истока нулевое положительное напряжение, сопротивление канала определяется количеством неосновных носителей в полупроводнике, и очень велико. Когда к затвору прикладывается положительное напряжение относительно истока, то появляется проводящий ток канал сток-исток. Поэтому MOSFET иногда называют полевым транзистором с индуцированным каналом.

[Структура мощного транзистора MOSFET]

На рис. 1 показан срез структуры N-канального транзистора MOSFET компании Advanced Power Technology (APT). (Здесь рассматриваются MOSFET только N-структуры, как самые популярные.) Положительное напряжение, приложенное от вывода истока (source) к выводу затвора (gate), заставляет электроны притянуться ближе к выводу затвора в области подложки. Если напряжение исток-затвор равно или больше определенного порогового напряжения, достаточного для накапливания нужного количества электронов для достижения инверсии слоя n-типа, то сформируется проводящий канал через подложку (говорят, что канал MOSFET расширен). Электроны могут перетекать в любом направлении через канал между стоком и истоком. Положительный (или прямой) ток стока втекает в сток, в то время как электроны перемещаются от истока к стоку. Прямой ток стока будет заблокирован, как только канал будет выключен, и предоставленное напряжение сток-исток будет прикладываться в обратном направлении к p-n переходу подложка-сток.

Рис. 1. Срез рабочей структуры транзистора MOSFET.

R_DS(on). Основные составляющие, которые входят в сопротивление открытого канала R_DS(on), включают сам канал, JFET (аккумулирующий слой), область дрейфа R_drift, паразитные сопротивления (металлизация, соединительные провода, выводы корпуса). При напряжениях приблизительно выше 150V в сопротивлении открытого канала доминирует область дрейфа. Эффект R_DS(on) относительно невелик на высоковольтных транзисторах MOSFET. Если посмотреть на рис.

Рис. 2. Зависимость R_DS(on) от тока через канал.

Температура, с другой стороны, сильно влияет на R_DS(on). Как можно увидеть на рис. 3, сопротивление приблизительно удваивается при возрастании температуры от 25°C до 125°C. Температурный коэффициент R_DS(on) определяется наклоном кривой графика рис. 3, и он всегда положителен для большинства поставщиков транзисторов MOSFET. Большой положительный температурный коэффициент R_DS(on) определяется потерями на соединении I²R, которые увеличиваются с ростом температуры.

Рис. 3. Зависимость R

Положительный температурный коэффициент R_DS(on) очень полезен, когда нужно параллельно включать транзисторы MOSFET, поскольку это обеспечивает их температурную стабильность и равномерное распределение рассеиваемой мощности между транзисторами. Этим MOSFET выгодно отличаются от традиционных биполярных транзисторов. Но это не гарантирует, что параллельно соединенные транзисторы будут равномерно распределять между собой общий ток. Это широко распространенное заблуждение [2]. То, что действительно делает MOSFET простыми для параллельного включения — это их относительно малый разброс по параметрам между отдельными экземплярами в пределах серии, в частности по параметру R

Для любого заданного размера кристалла R_DS(on) также увеличивается с увеличением допустимого напряжения V_(BR)DSS, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость нормализированного R_DS(on) от V_(BR)DSS.

Кривая нормализированного R_DS(on) в зависимости от V_(BR)DSS для Power MOS V и Power MOS 7 MOSFET показывает, что R_DS(on) растет пропорционально квадрату V_(BR)DSS. Эта нелинейная зависимость между R_DS(on) и V_(BR)DSS является побудительным стимулом для исследования технологий с целью уменьшить потери проводимости мощных транзисторов [3].

[Внутренние и паразитные элементы]

JFET. В структуре MOSFET Вы можете представить себе встроенный JFET, как это показано на рис. 1. JFET оказывает значительное влияние на R_DS(on), и является частью нормального функционирования MOSFET.

Внутренний диод на подложке (Intrinsic body diode). Переход p-n между подложкой и стоком формирует внутренний диод, так называемый body diode (см. рис. 1), или паразитный диод. Обратный ток стока не может быть блокирован, потому что подложка замкнута на исток, предоставляя мощный путь для тока через body diode. Расширение канала транзистора (при положительном напряжении на затворе относительно истока) уменьшает потери на прохождение обратного тока стока, потому что электроны проходят через канал в дополнение к электронам и неосновным носителям, проходящим через  body diode.

Наличие внутреннего диода на подложке удобно в схемах, для которых требуется путь для обратного тока стока (часто называемого как ток свободного хода), таких как схемах мостов. Для таких схем предлагаются транзисторы FREDFET, имеющие улучшенные восстановительные характеристики (FREDFET это просто торговое имя компании Advanced Power Technology, используемое для выделения серий MOSFET с дополнительными шагами в производстве, направленными на ускорение восстановления intrinsic body diode). В FREDFET нет отдельного диода; это тот же MOSFET intrinsic body diode. Для управления временем жизни неосновных носителей во внутреннем диоде применяется либо облучение электронами (наиболее часто используемый вариант) или легирование платиной, что значительно уменьшает заряд обратно смещенного перехода и время восстановления.

Побочный эффект от обработки FREDFET — повышенный ток утечки, особенно на высоких температурах. Однако, если учесть, что MOSFET имеет очень малый начальный ток утечки, то добавленный через FREDFET ток утечки остается допустимым до температур перехода ниже 150°C. В зависимости от дозы облучения FREDFET может иметь R_DS(on) больше, чем у соответствующего MOSFET. Прямое напряжение для паразитного диода для FREDFET также немного больше. Заряд затвора и скорость переключения у MOSFET и FREDFET идентичны. Поэтому термин MOSFET здесь будет использоваться всегда для обоих типов MOSFET и FREDFET, если специально не оговорено что-то другое.

Скорость восстановления для паразитного диода у MOSFET или даже у FREDFET намного хуже в сравнении со скоростью быстрого дискретного диода. В приложениях, где жесткие рабочие условия с температурой порядка 125°C, потери на включение из-за восстановления из обратного смещения примерно в 5 раз выше, чем у быстрых дискретных диодов. НА это есть 2 причины:

1. Рабочая область паразитного диода совпадает с рабочей областью MOSFET или FREDFET, и рабочая область у дискретного диода для той же функции намного меньше, поэтому у дискретного диода намного меньше заряд восстановления.

2. Паразитный диод MOSFET или даже FREDFET не оптимизирован под обратное восстановление, как это сделано для дискретного диода.

Как и любой стандартный кремниевый диод, у паразитного диода заряд восстановления и время зависит от температуры, di/dt (скорости изменения тока), и величины тока. Прямое напряжение паразитного диода, VSD, уменьшается с ростом температуры по коэффициенту примерно 2.5 mV/°C.

Паразитный биполярный транзистор. Разделенная на слои структура MOSFET также формирует паразитный биполярный транзистор (BJT) структуры NPN, и его включение на является частью нормального функционирования. Если BJT откроется и войдет в насыщение, то это может вызвать самоблокировку, при которой MOSFET не может быть выключен кроме как через внешний разрыв цепи тока стока. Высокая мощность рассеивания (например, при возникновении сквозного тока в плече моста) при самоблокировке может вывести MOSFET из строя.

База паразитного BJT замкнута на исток, чтобы предотвратить самоблокировку, и потому что напряжение пробоя (breakdown voltage) было бы значительно уменьшено (для того же самого значения R_DS(on)), если бы база была оставлена плавающей. Существует теоретическая возможность самоблокировки при очень большой скорости dv/dt в момент выключения. Однако для современных стандартных мощных транзисторов очень трудно создать схему, где будет достигнута такое высокое dv/dt.

Есть риск включения паразитного BJT, если внутренний диод проводит, и затем выключается с чрезмерно высоким изменением dv/dt. Мощная коммутация dv/dt вызывает высокую плотность неосновных носителей заряда (положительные носители, или дырки) в подложке, что может создать напряжение на подложке, достаточное для включения паразитного BJT. По этой причине в даташите указано ограничение пиковой коммутации (восстановление встроенного диода) dv/dt. Пиковая коммутация dv/dt для FREDFET выше в сравнении с MOSFET, потому что у FREDFET снижено время жизни неосновных носителей заряда.

[На что влияет температура]

Скорость переключения. Температура практически не влияет на скорость переключения и потери, потому что (паразитные) емкости мало зависят от температуры. Однако ток обратного восстановления в диоде увеличивается с температурой, так что температурные эффекты внешнего диода (это может быть дискретный диод, или внутренний диод в MOSFET или FREDFET) влияют на потери включения мощных схем.

Пороговое напряжение, или напряжение отсечки (Threshold voltage). Напряжение отсечки затвора, обозначаемое как VGS(th), является важным стандартным параметром. Оно говорит, насколько много миллиампер через сток будет течь при пороговом напряжении на затворе, когда транзистор в основном выключен, но находится на пороге включения. У напряжения отсечки есть отрицательный температурный коэффициент; это означает, что напряжение отсечки уменьшается с ростом температуры. Температурный коэффициент влияет на время задержки включения и выключения, и следовательно влияет на выбор «мертвого времени» в мостовых схемах.

Переходная характеристика (Transfer characteristic). На рис. 5 показана переходная характеристика MOSFET-транзистора APT50M75B2LL.

Рис. 5. Пример переходной характеристики MOSFET.

Переходная характеристика зависит как от температуры, так и от тока стока. На рис. 5 при токе ниже 100 A напряжение затвор-исток имеет отрицательный температурный коэффициент (при заданном токе стока уменьшается напряжение затвор-исток при повышении температуры). При токе выше 100 A температурный коэффициент становится положительным. Температурный коэффициент напряжения затвор-исток и ток стока в том месте, где коэффициент меняет знак, важен для проектирования работы схем в линейном режиме [4].

Напряжение пробоя (Breakdown voltage). Напряжение пробоя имеет положительный температурный коэффициент, этот будет обсуждаться в секции Walkthrough.

Устойчивость к перегрузке по току (Short circuit capability). Возможность противостояния коротким замыканиям не всегда встречается в даташите. Причина понятна — MOSFET стандартной мощности не подходят для устойчивой работы в режиме перегрузки по току в сравнению с IGBT или другими транзисторами, работающими с высокой плотностью тока. Само собой разумеется, что MOSFET и FREDFET (в некотором смысле) устойчивы к перегрузке по току.

[Обзор параметров даташита. Максимальные предельные значения]

Назначение даташитов, предоставляемых APT, состоит в предоставлении соответствующей информации, которая полезна и удобна для выбора подходящего устройства в конкретном приложении. Предоставляются графики, чтобы можно было экстраполировать от одного набора рабочих условий к другому. Следует отметить, что графики предоставляют типичную производительность, но не минимумы или максимумы. Производительность также зависит кое в чем от схемы; различные тестовые схемы приведут к отличающимся результатам.

V_DSS, напряжение сток-исток. Это оценка максимального напряжения сток-исток не вызывая лавинного пробоя (avalanche breakdown) с затвором, замкнутым на исток при температуре 25°C. В зависимости от температуры напряжение лавинного пробоя могло бы быть фактически меньше, чем параметр V_DSS. См. описание V_(BR)DSS в разделе «Статические электрические характеристики».

V_GS, напряжение затвор-исток. Это предельное напряжение между выводами затвора и истока. Назначение этого параметра — предотвратить повреждение изолирующего оксидного слоя затвора (например, от статического электричества). Фактическая устойчивость оксидной пленки затвора намного выше, чем заявленный параметр V_GS, но он варьируется в зависимости от производственных процессов, так что если укладываться в предел V_GS, то это гарантирует надежную работу приложения.

I_D, непрерывный ток стока. I_D определяет максимальный уровень продолжающегося постоянного тока, когда транзистор выходит из строя при максимальной температуре перехода T_J(max), для случая 25°C, и иногда для более высокой температуры. Он основан на термосопротивлении между корпусом и переходом RӨJC, и для случая температуры T_C может быть вычислен по формуле:

Это выражение просто говорит о том, какая максимальная мощность может рассеиваться

при максимальной генерируемой теплоте из-за потерь в соединении I²_D X R_DS(on)@T_J(max), где R_DS(on)@T_{J (max)} сопротивление открытого канала при максимальной температуре перехода. Отсюда можно вывести I_D:

Обратите внимание, что в I_D не входят никакие потери на переключение, и случай с температурой 25°C на практике встречается редко. По этой причине в приложениях, где MOSFET часто переключается, фактический коммутируемый ток обычно меньше половины I_D @ TC = 25°C; обычно между 1/4 до 1/3.

Зависимость I_D от T_C. Этот график просто отражает формулу 2 для диапазона температур. Здесь также не учтены потери на переключение. На рис. 6 приведен пример такого графика. Обратите внимание, что в некоторых случаях выводы корпуса транзистора ограничивают максимально допустимый продолжительный ток (переключаемый ток может быть больше): 100 A для корпусов TO-247 и TO-264, 75 A для TO-220 и 220 A для SOT-227.

Рис. 6. Максимальный ток стока в зависимости от температуры.

I_DM, импульсный ток стока. Этот параметр показывает, какой импульс тока может выдержать устройство. Этот ток может значительно превышать максимально допустимый постоянный ток. Назначение этого параметра IDM состоит в том, чтобы удержать рабочий омический регион в пределе выходных характеристик. Посмотрите на рис. 7:

Рис. 7. Выходная характеристика MOSFET.

На этом графике есть максимальный ток стока для соответствующего напряжения затвор-исток, когда транзистор MOSFET открыт. Если рабочая точка при данном напряжении затвор-исток переходит выше омического региона «колена» рис. 7, то любое дальнейшее увеличение тока через сток приведет к значительному увеличению напряжения сток-исток (транзистор переходит из режима насыщения в линейный режим) и последующей потере проводимости. Если мощность рассеивания станет слишком велика, и это будет продолжаться довольно долго, то устройство может выйти из строя. Параметр I_DM нужен для того, чтобы установить рабочую точку ниже «колена» для типичных применений транзистора в ключевом режиме.

Нужно ограничить плотность тока, чтобы предотвратить опасный нагрев, что иначе может привести к необратимому перегоранию MOSFET.

Чтобы избежать проблем с превышением тока через соединительные провода иногда применяют плавкие предохранители. В случае перегрузки по току выгорят именно они вместо транзистора.

Относительно температурных ограничений на I_DM, рост температуры зависит от длительности импульса тока, интервала времени между импульсами, интенсивности рассеивания тепла, сопротивления открытого канала R_DS(on), а также и от формы и амплитуды импульса тока. Если просто удержаться в пределах I_DM, то это еще не означает, что температура перехода не будет превышена. См. обсуждение переходного теплового сопротивления в разделе «Температурные и механические характеристики», чтобы узнать способ оценки температуры перехода во время импульса тока.

P_D, общая мощность рассеивания. Этот параметр определяет максимальную мощность, которую может рассеивать устройство, и он основан на максимально допустимой температуре перехода и термосопротивлении R_ӨJC для случая температуры 25°C.

Линейный коэффициент снижения мощности это просто инверсия R_ӨJC.

T_J, T_STG: рабочий и складской диапазон температур перехода. Этот параметр ограничивает допустимую температуру кристалла устройства во время работы и во время хранения. Установленные пределы гарантируют, что будут соблюдены гарантийные эксплуатационные сроки устройства. Работа в пределах этого диапазона может значительно увеличить срок службы.

E_AS, лавинная энергия одиночного импульса. Если импульс напряжения (возникающий обычно из-за утечки и случайной индуктивности) не превышает напряжение пробоя, то не будет лавинного пробоя устройства, так что нет необходимости рассеивать энергию пробоя. Параметр максимальной лавинной энергии оценивает устройство в плане рассеивания мощности режима лавинного пробоя при переходных процессах с повышенным напряжением.

Все устройства, которые оценены по лавинной энергии, имеют параметр E_AS. Лавинная энергия связана с параметром разблокированного индуктивного переключения (unclamped inductive switching, UIS). E_AS показывает, сколько лавинной энергии устройство может поглотить. Условия для схемы тестирования Вы можете найти в документации по ссылкам, и E_AS вычисляется по формуле:

Здесь L величина индуктивности, из которой поступает импульс тока i_D, случайно поступающий в на закрытый переход транзистора через сток при тесте. Индуцируемое напряжение превышает напряжение пробоя MOSFET, что вызывает лавинный пробой. Лавинный пробой позволяет импульсу тока от индуктивности течь через MOSFET, даже если он закрыт. Энергия, запасенная в индуктивности, аналогична энергии, сохраненной в утечке и/или случайной индуктивности, и она должна быть рассеяна в MOSFET.

Когда транзисторы MOSFET соединены параллельно, это совершенно не означает, что у них одинаковое напряжение пробоя. Обычно пробьется только один транзистор, и только на него поступит вся энергия тока лавинного пробоя.

E_AR, повторная лавинная энергия. Этот параметр стал «промышленным стандартом», но он не имеет смысла без информации о частоте, других потерях и эффективности охлаждения. Рассеивание тепла (охлаждение) часто ограничивает значение повторной рассеиваемой энергии. Также трудно предсказать, сколько энергии находится в лавинном событии. То, о чем говорит E_AR в действительности, означает, что устройство может выдерживать повторяющиеся лавинные пробои без какого-либо ограничения по частоте, если устройство не перегрето, что в принципе верно для любого устройства, которое может испытать лавинный пробой. Во время анализа проекта хорошей практикой является измерение температуры устройства или его радиатора во время работы — чтобы увидеть, что MOSFET не перегрет, особенно если возможны условия лавинного пробоя.

I_AR, ток лавинного пробоя. Для некоторых устройств, которые могут выйти из строя во время лавинного пробоя, этот параметр дает лимит на максимальный ток пробоя. Так что это как бы «точный отпечаток» спецификаций лавинной энергии, показывающий реальные возможности устройства.

[Статические электрические характеристики]

V_(BR)DSS, Drain-source breakdown voltage, напряжение пробоя сток-исток. Параметр V_(BR)DSS (иногда его называют BV_DSS) определяет максимальное напряжение сток-исток, при котором через канал сток-исток будет течь ток не больше допустимого при заданной температуре и нулевом напряжении между затвором и истоком. Фактически этот параметр соответствует напряжению лавинного пробоя канала сток-исток закрытого транзистора. 

Как показано на рис. 8, у параметра V_(BR)DSS есть положительный температурный коэффициент. Таким образом, MOSFET может выдержать больше напряжение, если он нагрет, по сравнению с холодным состоянием. Фактически в охлажденном состоянии V_(BR)DSS будет меньше, чем предельно допустимое напряжение сток-исток V_DSS, указанное для температуры 25°C. В примере, показанном на рис. 8 при -50°C, напряжение V_(BR)DSS будет составлять 90% от максимально допустимого V_DSS, указанного для температуры 25°C. 

Рис. 8. Нормализованная зависимость напряжения пробоя от температуры. 

V_GS(th), Gate threshold voltage, напряжение отсечки затвора. Это пороговое напряжение затвор-исток, при превышении которого транзистор начнет открываться. Т. е. при напряжении на затворе выше V_GS(th) транзистор MOSFET начинает проводить ток через канал сток-исток. Для параметра V_GS(th) также указываются условия проверки (ток стока, напряжение сток-исток и температура кристалла). Все транзисторы MOSFET допускают некоторый разброс порогового напряжения отсечки затвора от устройства к устройству, что вполне нормально. Таким образом, для V_GS(th) указывается диапазон (минимум и максимум), в который должны попасть все устройства указанного типа. Как уже обсуждалось ранее в разделе «На что влияет температура», V_GS(th) имеет отрицательный температурный коэффициент. Это значит, что с увеличением нагрева MOSFET откроется при более низком напряжении затвор-исток. 

R_DS(on), ON resistance, сопротивление в открытом состоянии. Этот параметр определяет сопротивление открытого канала сток-исток при указанном токе (обычно половина от тока I_D), напряжении затвор-исток (обычно 10V) и температуре 25°C, если не указано что-либо другое. 

I_DSS, Zero gate voltage drain current, ток утечки канала. Это ток, который может течь через закрытый канал сток-исток, когда напряжение на затвор-исток равно нулю. Поскольку ток утечки увеличивается с температурой, то I_DSS указывается для комнатной температуры и для нагретого состояния. Потери мощности из-за тока утечки I_DSS через канал сток-исток обычно незначительны. 

I_GSS, Gate-source leakage current, ток утечки затвора. Это ток, который может через затвор при указанном напряжении затвор-исток. 

[Динамические характеристики] 

Рис. 9 показывает месторасположения внутренних емкостей транзистора MOSFET. Величина этих емкостей определяется структурой MOSFET, используемыми материалами и приложенными напряжениями. Эти емкости не зависят от температуры, так что температура не влияет на скорость переключения MOSFET (за исключением незначительного эффекта, связанного с пороговым напряжением, которое зависит от температуры). 

Рис. 9. Паразитные емкости транзистора MOSFET в структуре кристалла. 

Емкости C_gs и C_gd меняются в зависимости от приложенного к ним напряжений, потому что они затрагивают обедненные слои в устройстве [8]. Однако на C_gs намного меньше меняется напряжение в сравнении с C_gd, так что емкость C_gs изменяется меньше. Изменение C_gd при изменении напряжения сток-затвор может быть больше, потому что напряжение может меняться в 100 раз или больше. 

На рис. 10 показаны внутренние емкости MOSFET с точки зрения схемотехники. Емкости затвор-сток и затвор-исток могут повлиять на схему управления, и вызвать нежелательные эффекты при быстрых переключениях в мостовых схемах. 

Рис. 10. Паразитные емкости транзистора MOSFET в рабочей схеме. 

Если кратко, то чем меньше C_gd, тем будет меньше влияние на схему управления при перепаде напряжения при включении транзистора. Также емкости C_gs и C_gd формируют емкостный делитель напряжения, и при большом соотношении C_gs к C_gd желательно защитить схему управления от паразитных помех от перепадов напряжения, возникающих при переключении. Это соотношение, умноженное на пороговое напряжение, определяет качество защиты схемы управления от переключений в выходной цепи, и силовые транзисторы MOSFET компании APT лидируют в индустрии по этому показателю. 

C_iss, Input capacitance, входная емкость. Это емкости, измеренная между выводами затвора истока, когда по переменному напряжению сток замкнут на исток. C_iss состоит из параллельно соединенных емкостей C_gd (емкость затвор-сток) и C_gs (емкость затвор-исток): 

Входная емкость должна быть заряжена до порогового напряжения перед тем, как транзистор начнет открываться, и разряжена до напряжения общего провода перед тем, как транзистор выключится. Таким образом, сопротивление управляющей схемы и емкость Ciss образуют интегрирующую цепь, которая напрямую влияет на задержки включения и выключения. 

C_oss — Output capacitance, выходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и истоком, когда затвор замкнут по переменному току на сток. Coss состоит из параллельно соединенных емкостей C_ds (емкость сток-исток) и C_gd (емкость затвор-сток):

Для приложений с мягким переключением параметр C_oss важен, потому что влияет на резонанс схемы. 

C_rss, Reverse transfer capacitance, обратная переходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и затвором, когда исток соединен с землей. Обратная переходная емкость эквивалентна емкости затвор-сток. 

Обратная переходная емкость часто упоминается как емкость Миллера. Это один из главных параметров, влияющих на время нарастания и спада напряжения во время переключения. Он также влияет на эффекты времени задержки выключения. 

На рис. 11 показан пример зависимости типичных значений емкости от напряжения сток-исток. 

Рис. 11. Зависимость емкости от напряжения. 

Емкости уменьшаются при увеличении напряжения сток-исток, особенно это влияет на выходную и обратную переходную емкости.

Q_gs, Q_gd и Q_g, Gate charge, заряд затвора. Значения заряда отражают заряд, сохраненный на внутренних емкостях, описанных ранее. Заряд затвора используется для разработки схемы управления, поскольку нужно учитывать изменения емкости при изменении напряжения на переходах переключения [9, 10].

На рис. 12 показано, что Q_gs заряжается от начала координат до первого перегиба и далее заряжается до второго перегиба кривой (этот заряд известен как заряд Миллера), и Q_g является зарядом от начала координат до точки, где V_GS равно указанному управляющему напряжению затвора. 

Рис. 12. V_GS как функция заряда затвора. 

Заряд затвора незначительно изменяется с током стока и напряжением сток-исток, но не зависит от температуры. Для этого параметра указываются условия тестирования. График заряда затвора, обычно приведенный в даташите, показывает кривые заряда затвора для фиксированного тока стока и различных напряжений сток-исток. Напряжение горизонтального участка V_GS(pl), «плато», показанное на рис. 12, незначительно увеличивается с ростом тока (и соответственно уменьшается при снижении тока). Напряжение  также имеет прямо пропорциональную зависимость от порогового напряжения, так что изменения порогового напряжения коррелирует и изменением напряжения плато. 

[Резистивные параметры времени переключения (данные resistive switching)]

Эти параметры имеются в даташите по чисто историческим причинам. 

t_d(on), Turn-on delay time, время задержки включения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток на 10% превысит напряжение отсечки затвора до момента времени, когда ток стока вырастет больше 10% от указанного выходного тока. Это показывает задержку начала поступления тока в нагрузку.

t_d(off), Turn-off delay Time, время задержки выключения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% напряжения отсечки затвора до момента, когда ток стока упадет ниже 90% от указанного выходного тока. Это показывает задержку отключения тока в нагрузке.

t_r, Rise time, время нарастания. Это время, за которое ток стока вырастет от 10% до 90% (значение тока указывается).

t_f, Fall time, время спада. Это время, за которое ток стока спадет от 90% до 10% (значение тока указывается). 

[Энергии переключения в индуктивностях] 

Из-за того, что данные resistive switching трудно использовать для предсказания потерь на переключение в реальных рабочих условиях мощных преобразователей, компания Advanced Power Technology включает во многие даташиты транзисторов MOSFET и FREDFET данные энергии переключения в индуктивностях. Это предоставляет разработчику ключевых блоков питания удобный способ сравнения быстродействия транзисторов MOSFET или FREDFET с другими транзисторами, даже если они выполнены по другой технологии наподобие IGBT. Поэтому можно использовать для разработки самый подходящий по качеству мощный транзистор. 

На рис. 13 показана схема тестирования переключения транзистора с учетом потерь в индуктивностях. Это импульсный тест, где применяется очень короткий по длительности цикл открытого состояния транзистора, так что энергия, запасенная в индуктивности, успеет рассеяться намного раньше поступления последующих импульсов, и саморазогрев можно не учитывать. Температура транзистора и фиксирующего диода во время теста регулируется принудительно от внешнего термостата. 

Рис. 13. Схема тестирования потерь на индуктивности.

В таблице динамических характеристик указываются следующие условия тестирования: VDD на рис. 13, ток теста, напряжение управления для затвора, сопротивление затвора и температура кристалла. Обратите внимание, то сопротивление затвора может включать сопротивление выхода микросхемы драйвера. Поскольку время переключения и энергии меняются с температурой (главным образом из-за диода в тестовой схеме), то данные предоставляются как для комнатной температуры, так и для разогретого состояния диода и тестируемого транзистора. Также предоставляется график зависимости между временем переключения и энергиями тока стока, и сопротивлением затвора. Определения времени задержки (включения) и времени нарастания и спада тока совпадают с аналогичными временами для данных resistive switching. 

Фактические формы сигнала при переключениях используются в даташите для определения различных измеренных параметров. Рис. 14 показывает форму сигнала включения и определения, связанные с ним. Энергия переключения может быть масштабирована напрямую для изменений между напряжением в приложении и энергией при тестовом напряжении, указанном в даташите. Так что, к примеру, если тесты в даташите были проведены при напряжении 330V, и в приложении применяется напряжение 400, то для масштабирования нужно просто умножить энергию переключения из даташита на коэффициент 400/330. 

Рис. 14. Формы сигналов включения и соответствующие определения. 

Времена переключения и энергии очень зависят от других компонентов и случайных (паразитных) индуктивностей в схеме. Диод сильно влияет на энергию включения. Паразитная индуктивность, включенная последовательно с истоком, является частью пути возвратного управляющего тока, и поэтому значительно влияет на времена переключения и энергии. Таким образом, время переключения и значения энергии, представленные в даташите, могут отличаться от того, что наблюдается в реальном приложении силового узла блока питания или ключа управления мотором. 

E_on, Turn-on switching energy with diode, энергия включения с диодом. Это зафиксированная индуктивная энергия включения, которая включает индуктивный коммутирующий реверсивный ток восстановления диода в тестируемом транзисторе, и она учитывает потери при включении. Обратите внимание, что транзисторы FREDFET в схемах мостов получают жесткие условия переключения, где паразитный диод сложно коммутируется, и энергия включения примерно в 5 раз выше, чем если бы использовался дискретный диод с быстрым восстановлением, наподобие того как показано в схеме рис. 13. 

Энергия включения является интегралом результата от тока стока и напряжения сток-исток на интервале от момента, когда ток стока вырастет больше 5% или 10% от тестового тока, то момента, когда напряжение спадет ниже 5% от тестового напряжения, как это показано на рис. 14. 

E_off, Turn-off switching energy, энергия выключения. Это параметр, характеризующий фиксацию потерь на индуктивности при выключении. На рис. 13 показана схема тестирования, и рис. 15 показывает форму сигнала и определения. E_off является интегралом результата от тока стока и напряжением сток-исток на интервале времени от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% до момента, когда ток стока станет нулевым. Это соответствует измерениям энергии выключения по JEDEC-стандарту 24-1. 

Рис. 15. Формы сигналов выключения и соответствующие определения. 

[Температурные и механические характеристики]

R_ƟJC, Junction to case thermal resistance, тепловое сопротивления между подложкой и корпусом. Этот параметр характеризует эффективность передачи тепла от кристалла к внешнему корпусу транзистора. Выделяющееся тепло является результатом потерь мощности в самом транзисторе. Обратите внимание, что тесты компании APT показывают температуры пластмассы, совпадающую с металлической частью корпуса дискретного компонента. 

Максимальное значение R_ƟJC включает допуск, учитывающий погрешности изменения для обычного процесса производства. Из-за улучшений производственного процесса в индустрии есть тенденция сокращения разницы между максимальным значением R_ƟJC и его реальным значением. 

Z_ƟJC, Junction to case transient thermal impedance, переходной термический импеданс между подложкой и корпусом. Этот параметр учитывает теплоемкость устройства, так что он может использоваться для оценки мгновенных температур из-за потерь мощности. 

В условиях проведения теста на термоимпеданс на тестируемый транзистор прикладываются импульсы мощности различной длительности, и при этом ждут спада температуры между каждым импульсом. Это дает измерение переходного термосопротивления для «одиночного импульса». Из этого строится модель резистор-емкость (RC) по кривой изменения температуры. Рис. 16 показывает такую RC-модель переходного термосопротивления. Некоторые даташиты могут показывать конденсаторы и резисторы, включенные параллельно, но это будет ошибкой. Конденсаторы «заземлены», как это показано на рис 16, и значения компонента остаются такими же. Нет никакого физического значения для промежуточных узлов в модели. Разное количество пар резистор-конденсатор используется просто для того, чтобы создать хорошую подгонку к фактическим измененным данным термосопротивления. 

Рис. 16. RC-модель переходного термосопротивления. 

Чтобы симулировать возрастание температуры с помощью RC-модели, Вы прикладываете источник тока с магнитудой, соответствующей рассеиваемой мощности в MOSFET. Таким образом, Вы можете использовать систему PSPICE или другой программный симулятор электронных схем, чтобы применить ввод произвольных потерь мощности. Из этого Вы можете оценить повышение температуры участка подложка-корпус как напряжение на ступеньках лестницы, установив ZEXT в ноль, как это показано на рис. 16. Вы можете расширить модель, чтобы включить теплоотвод, добавив дополнительные конденсаторы и/или резисторы. 

Переходное термосопротивление в виде семейства кривых, опубликованное в даташите, это просто симуляция прямоугольного импульса, основанная на RC-модели термосопротивления. Рис. 17 показывает пример. Вы можете использовать семейство кривых для оценки пикового нарастания температуры для прямоугольных импульсов мощности, которые являются обычными в источниках питания. Однако из за того, что минимальная длительность импульса 10 мкс, график имеет значение только для частот ниже 100 кГц. На более высоких частотах Вы будете просто использовать термосопротивление R_ƟJC.

Рис. 17. Семейство кривых термосопротивления.

[Пример анализа даташита]

Предположим, что в реальном приложении ключевого блока питания Вы хотите применить жесткое переключение тока 15A на частоте 200 кГц при напряжении 400V, при средней скважности 35%. Напряжение управления затвора 15V, и сопротивление цепи управления затвора составляет 15Ω для включения и 5Ω для выключения. Также предположим, что Вы хотите позволить максимальную температуру перехода 112°C, с удержанием температуры корпуса транзистора 75°C. С транзистором, рассчитанным на 500V, есть запас только в 100V между напряжением в приложении и V_DSS. С учетом скачков напряжения на шине питания 400V узкий запас по напряжению все равно достаточен, потому что у транзистора MOSFET есть эффект лавинного пробоя, который дает «безопасную цепь». Это конфигурация с продолжительной проводимостью, так что быстро восстанавливающийся диод FREDFET не нужен, MOSFET будет работать достаточно хорошо. Такой транзистор Вам следует выбрать? 

Поскольку это приложение с довольно высокой частотой переключения, то лучшим выбором будет серия Power MOS 7. Посмотрим на транзистор APT50M75B2LL. Его расчетный ток 57A, что больше чем в 3 раза переключаемого тока — хорошая стартовая точка, учитывая высокую частоту и жесткое переключение. Давайте оценим потери проводимости, потери переключения, и посмотрим, будет ли тепло рассеиваться достаточно быстро. Общая мощность, которую можно рассеять: 

При 112°C сопротивление R_DS(on) примерно в 1.8 раз больше, чем при комнатной температуре (см. рис. 3). Так что потери на проводимость составят: 

Pconduction = (1.8*0.075Ω * 15A) * 15A = 30.4 Вт 

Для оценки потерь на включение мы можем посмотреть на график зависимости потерь переключения от тока при температуре 125°C, показанный на рис. 18. Даже при том, что наше приложение требует максимальную температуру перехода 112°C, этот график будет достаточно точен, потому что энергия переключения MOSFET не чувствительна к температуре, за исключением изменений температуры, связанных с диодом в схеме. Поэтому не будет больших изменений при переходе от 112°C к 125°C. В любом случае, наша оценка будет консервативной. 

Рис. 18. Индуктивные потери переключения. 

По рис. 18 на токе 15A значение E_on будет около 300 μJ, и E_off около 100 μJ. Значения были измерены при 330V, а в нашем приложении на шине питания 400V. Так что мы можем просто сделать масштабирование энергий переключения по напряжению:

Данные на рис. 18 были также измерены при сопротивлении затвора 5Ω, и мы будем использовать 15Ω при включении. Поэтому мы можем использовать график зависимости энергии переключения от данных сопротивления затвора, показанный на рис. 19, чтобы снова сделать масштабирование энергии. 

Рис. 19. Зависимость энергии переключения от сопротивления затвора. 

Даже при том, что тестовый ток на рис. 19 больше, чем в нашем приложении, разумно учесть соотношение в изменении энергии переключения между рис. 19 и нашим случаем. От 5Ω до 15Ω значение E_on поменяется с коэффициентом около 1.2 (1500μJ / 1250μJ, см. рис. 19). Применим это с данным, скорректированным по напряжению, которые мы видим на рис. 18, и получим E_on = 1.2*364μJ = 437μJ. 

Потери на переключение составят: 

Pswitch = fswitch — ( Eon + Eoff) = 200kHz — (437μJ +121μJ) = 112 Вт

Pconduction + Pswitch = 142.4 Вт, что дает возможность сохранить температуру перехода ниже 112°C в случае корпуса, охлажденного до 75°C. Так что APT50M70B2LL будет удовлетворять требованиям этого примера применения. Такая же техника может использоваться для менее мощных транзисторов MOSFET. На практике потери часто больше всего бывают на переключении. Чтобы поместить транзистор на радиатор и поддерживать температуру корпуса 75°C вероятно потребуется керамическая прокладка (для электрической изоляции) между корпусом и теплоемким радиатором. Преимущество MOSFET состоит в том, что могут применяться демпферы и/или техники резонанса для уменьшения потерь на переключение, причем с транзисторами MOSFET не нужно беспокоиться о влиянии на переключение эффектов зависимости от напряжения или температуры.

[UPD160207. Figure-of-merit]

Для оценки транзисторов FET применяют так называемый показатель качества, Figure of merit (FOM) [11]. Он учитывает одновременно потери на включенном транзисторе и потери на переключение. Обычно FOM вычисляется как произведение сопротивления канала сток-исток открытого транзистора R_(DS)ON на заряд затвора Q_G. Q_G это заряд, который надо поместить на затвор транзистора MOSFET, чтобы он полностью открылся. С точки зрения рационального дизайна трудно одновременно снизить оба параметра, так что они хороши для оценки качества разработки ключа на полевом транзисторе.

Конечно, сравнение имеет смысл делать только в неком стандартном наборе условий. Это означает, что не только напряжение между затвором и истоком V_GS поставляет заряд, также и напряжение сток-исток V_DS влияет на сопротивление R(DS). (Это означает, что не просто канал полностью открыт, а то, что сопротивление R(DS) изменяется вверх и вниз.) Усложненный анализ учитывает, что R_(DS)ON немного меняется с током стока, так что при сравнении переключающихся транзисторов рабочий ток стока I_D также должен быть определен.

Иногда Вы увидите незначительно отличающийся показатель качества FOM: FOMSW, который будет произведением от which R_(DS)ON и Q. Он характеризует заряд переключения, который немного меньше Q_G.

[Ссылки]

1. Power MOSFET tutorial site:eetimes.com.
2. R. Severns, E. Oxner; «Parallel Operation of Power MOSFETs», technical article TA 84-5, Siliconix Inc. 
3. J. Dodge; «Latest Technology PT IGBTs vs. Power MOSFETs», application note, Advanced Power Technology.
4. R. Frey, D. Grafham — APT, T. Mackewicz — TDIDynaload; «New 500V Linear MOSFETs for a 120 kW Active Load», application note APT0002, Advanced Power Technology.
5. Реле и транзисторы: как они работают в качестве электронных переключателей.
6. JFET site:wikipedia.org.
7. Bipolar junction transistor site:wikipedia.org.
8. N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins; «Power Electronics » Converters Applications, and Design», text book published by Wiley.
9. K. Dierberger, «Gate Drive Design for Large Die MOSFETs», application note APT9302, Advanced Power Technology.
10. R. McArthur, «Making Use of Gate Charge Information in MOSFET and IGBT Datasheets», application note APT0103, Advanced Power Technology.
11. Оценка качества транзисторов MOSFET.

Транзистор — принцип работы.Основные параметры.

Как устроен транзистор.

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это — кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются — база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу — к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. — для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую — рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим — А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения — т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны . Если подавать теперь на переход база — эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер — коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала — будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база — эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат — еще большему росту тока эмиттер — коллектор. В конце, концов ток перестает расти — транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения — транзистор закроется, ток эмиттер — коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа. Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например — в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия — сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. — транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает — транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы — до 100 мВт ;
транзисторы средней мощности — от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы — больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) — от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. — у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор — величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I_Dmax — максимальный ток стока.

2.U_DSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.U_GSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р_Dmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t_on — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.t_off — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.R_DS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

На главную страницу

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

Что такое транзистор — простым языком

Транзистор – это электронный компонент, который управляет высоким током с помощью низкого. Транзистор еще можно назвать полупроводниковым триодом. Это второе название пришло к нему от его «родителя» – электровакуумного триода, одной из разновидностей так называемых «ламп».

Видимая часть транзистора состоит из корпуса и трех «ножек»-выводов (однако существуют и разновидности транзисторов, у которых количество выводов больше трех). Корпус транзистора изготовляют из керамики, металлических сплавов или пластмассы. Заглядывая наперед, отметим, что существует два вида транзисторов – биполярный и полевой.

Внутри корпуса биполярного транзистора размещается три слоя полупроводника, два из которых расположены по краям и имеют одинаковый тип проводимости (p либо n), это – коллектор и эмиттер. Третий слой расположен между первыми двумя и отличается типом проводимости от своих соседей. Это – база.

Расположение полупроводников определяет тип транзистора: p-n-p либо n-p-n. На каждый из полупроводников нанесен металлический слой. С помощью этого слоя и проволочных связей полупроводники соединены с выводами транзистора. Однако не стоит забывать, что расположение выводов транзистора может меняться, в зависимости от модели транзистора.

На изображении – биполярный транзистор n-p-n типа.

Полевой транзистор также имеет в своем арсенале полупроводники, но их расположение, количество и принцип работы отличается от биполярных транзисторов и зависит от вида полевого транзистора.

Транзисторы используются в большинстве электронных схем. Это может быть как простой генератор частоты, так и материнская плата компьютера.

Заглянем под крышку усилителя – и тут транзисторы. Они аккуратно разместились на схеме радиоприемника, чтобы преобразовать радиосигнал в аналоговый. Если нужно собрать электронный стабилизатор или ключ – не обойдетесь без транзисторов.

Существует ряд сверхмощных транзисторов. Они могут работать с нагрузкой до 1.5 кВт и применяют их в промышленной сфере. Рабочая температура таких транзисторов может достигать 200-300 градусов Цельсия. Для их охлаждения используют радиаторы теплоотвода.

Группа транзисторов, в совокупности с дополнительными элементами, может совершать ряд логических операций и представляет собой своего рода процессор. Собственно, процессор на основе полупроводника и является группой транзисторов. Они заключены в общий корпус и связаны там между собой таким образом, как если бы располагались на монтажной плате. В мощных процессорах, благодаря миниатюрности кристаллов полупроводника, может быть заключено до нескольких десятков миллионов транзисторов.

В биполярных транзисторах управление током коллектора происходит путем изменения управляющего тока базы. Ток, которым нужно управлять, направлен по цепи – «эмиттер-коллектор». Однако, в состоянии покоя транзистора этот ток не может проходить между ними. Это вызвано сопротивлением эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв полупроводника. Но стоит подать на базу транзистора незначительный ток, и сопротивление между эмиттером и коллектором упадет, тем самым даст возможность проходить току через эмиттер и коллектор, усиливая выходной сигнал. Изменяя ток базы, можно изменять ток на выходе транзистора.

В полевых транзисторах такое управление осуществляется благодаря созданию поперечного электрического поля, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Это значительно уменьшает энергопотребление транзистора, так как сопротивление затвора велико, и для создания поля не нужно постоянно поддерживать управляющий ток. Если бы не полевой транзистор, мы меняли бы батарейки в пульте от телевизора в разы чаще, чем обычно.

Таким образом, транзисторы можно сравнить с водопроводным краном, где подача и слив воды – это эмиттер\исток и коллектор\сток транзистора, а рукоять вентиля – это его база\затвор.

На большинстве схем транзисторы могут обозначаться буквами «VT», «Q», «T», «ПТ», «ПП». К буквам может применяться приписка в виде цифры, например «VT 4», которая указывает номер детали на схеме. Или модель транзистора целиком, например «T KT-315Б».
Транзисторы делятся на два вида: биполярный и полевой.

Схематическое обозначение биполярного транзистора:

Как видно на рисунке, обозначение транзисторов разных типов отличается направлением стрелки эмиттера. Транзисторы n-p-n типа обозначаются со стрелкой эмиттера, направленной от базы. В случае p-n-p типа, стрелка будет направлена в сторону базы транзистора. На многих схемах эмиттер, коллектор и база отмечены буквами латинского языка: эмиттер – «E», база – «B» коллектор – «C».

Типовая схема подключения биполярных транзисторов:

Рекомендовано практически во всех схемах с биполярным транзистором давать дополнительное сопротивление ко входам коллектора и базы. Это продлит срок службы транзистора и стабилизирует его работу.

Обозначений полевых транзисторов есть больше, чем биполярных. Основные представлены на изображениях ниже.

Как вы видите, выводы транзистора обозначены буквами «З»-затвор, «С»-сток, «И»-исток. Функцию базы выполняет затвор, а коллектор и эмиттер, это – сток и исток, соответственно. Как биполярные транзисторы делятся на n-p-n и p-n-p, так полевые делятся на:

• с управляющим p-n переходом с каналом n-типа;
• с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа;
• с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа;
• с управляющим p-n переходом с каналом p-типа;
• с изолированным затвором с индуцированным каналом p-типа;
• с изолированным затвором со встроенным каналом p-типа.

Некоторые транзисторы с управляющим p-n-переходом предоставляют доступ к каналу с помощью четвертой «ножки»-вывода либо используется сам корпус транзистора.

На изображениях ниже – схемы включения полевых транзисторов:

С управляющим p-n-переходом с общим истоком

С управляющим p-n-переходом с общим стоком

С управляющим p-n-переходом с общим затвором

Маркировка транзистора наносится на корпус, иногда нужно также обращать внимание на длину выводов. Современная маркировка транзисторов зависит от производителя. По причине этого, рекомендовано изучать спецификации от производителей, чтобы корректно читать маркировку.

Маркировка бывает цветовая, кодовая и смешанная. Есть случаи нестандартной маркировки, где могут использоваться различного рода символы.

На двух графиках представлены вольт амперные характеристики отдельно для биполярных и полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы:

Полевые транзисторы:

транзисторы. микросхемы

         α=ΔIk/ΔIэ 

         β=ΔIk/ΔIб 

         ΔIэ/ΔIб=β+1=1/1-α 

         α=β/1+β ;   β=α/1-α  

Всё о полевых транзисторах

Полевой (униполярный) транзистор — полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Мы уже рассмотрели устройство биполярных транзисторов и их работу, теперь давайте узнаем о том, какие бывают полевые транзисторы. Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной. Сейчас в большей степени используются приборы с изолированным затвором, о типах полевых транзисторов и их особенностях сегодня мы и поговорим. В статье я буду проводить сравнение с биполярными транзисторами, в отдельных местах.

Определение

Полевой транзистор – это полупроводниковый полностью управляемый ключ, управляемый электрическим полем. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность управляющего напряжения зависит от типа канала транзистора. Здесь прослеживается хорошая аналогия с электронными вакуумными лампами.

Другое название полевых транзисторов – униполярные. «УНО» — значит один. В полевых транзисторах в зависимости от типа канала ток осуществляется только одним типом носителей дырками или электронами. В биполярных транзисторах ток формировался из двух типов носителей зарядов – электронов и дырок, независимо от типа приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить на:

• транзисторы с управляющим p-n-переходом;
• транзисторы с изолированным затвором.

И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых – отрицательное относительно истока.

У всех типов полевых транзисторов есть три вывода (иногда 4, но редко, я встречал только на советских и он был соединен с корпусом).

1. Исток (источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном).

2. Сток (приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора биполярного транзистора).

3. Затвор (управляющий электрод, аналог сетки на лампах и базы на биполярных транзисторах).

Транзистор с управляющим pn-переходом

Транзистор состоит из таких областей:

1. Канал;

2. Сток;

3. Исток;

4. Затвор.

На изображении вы видите схематическую структуру такого транзистора, выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. На конкретной схеме (это p-канальный прибор) затвор – это n-слой, имеет меньше удельное сопротивление, чем область канала (p-слой), а область p-n-перехода в большей степени расположена в p-области по этой причине.

Условное графическое обозначение:

а – полевой транзистор n-типа, б – полевой транзистор p-типа

Чтобы легче было запомнить, вспомните обозначение диода, где стрелка указывает от p-области в n-область. Здесь также.

Первое состояние – приложим внешнее напряжение.

Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Можно провести аналогию с нормально-замкнутым ключом. Этот ток называется Iснач или начальный ток стока при Uзи=0.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, без приложенного управляющего напряжения к затвору является максимально открытым.

Напряжение к стоку и истоку прикладывается таким образом:

Через исток вводятся основные носители зарядов!

Это значит, что если транзистор p-канальный, то к истоку подключают положительный вывод источника питания, т.к. основными носителями являются дырки (положительные носители зарядов) – это так называемая дырочная проводимость. Если транзистор n-канальный к истоку подключают отрицательный вывод источника питания, т.к. в нем основными носителями заряда являются электроны (отрицательные носители зарядов).

Исток — источник основных носителей заряда.

Вот результаты моделирования такой ситуации. Слева расположен p-канальный, а справа n-канальный транзистор.

Второе состояние – подаём напряжение на затвор

При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока (Uзи) для p-канального и отрицательное для n-канального, он смещается в обратном направлении, область p-n-перехода расширяется в сторону канала. В резльтате чего ширина канала уменьшается, ток снижается. Напряжение затвора, при котором ток через ключ перестает протекать называется, напряжением отсечки.

Ключ начинает закрываться.

Достигнуто напряжение отсечки, и ключ полностью закрыт. На картинке с результатами моделирования отображено такое состояние для p-канального (слева) и n-канального (справа) ключа. Кстати на английском языке такой транзистор называется JFET.

Режимы работы

Рабочий режим транзистора при напряжение Uзи либо нулевое, либо обратное. За счет обратного напряжения можно «прикрывать транзистор», используется в усилителях класса А и прочих схемах где нужно плавное регулирование.

Режим отсечки наступает, когда Uзи=Uотсечки для каждого транзистора оно своё, но в любом случае прикладывается в обратном направлении.

Характеристики, ВАХ

Выходной характеристикой называют график, на котором изображена зависимость тока стока от Uси (приложенного к выводам стока и истока), при различных напряжениях затвора.

Можно разбить на три области. Вначале (в левой части графика) мы видим омическую область – в этом промежутке транзистор ведет себя как резистор, ток возрастает почти линейно, доходя до определенного уровня, переходит в область насыщения (в центре графика).

В правой части график мы видим, что ток опять начинает расти, это область пробоя, здесь транзистор находиться не должен. Самая верхняя ветвь изображенная на рисунке – это ток при нулевом Uзи, мы видим, что ток здесь самый большой.

Чем больше напряжение Uзи, тем меньше ток стока. Каждая из ветвей отличается на 0.5 вольта на затворе. Что мы подтвердили моделированием.

Здесь изображена стоко-затворная характеристика, т.е. зависимость тока стока от напряжения на затворе при одинаковом напряжении стока-исток (в данном примере 10В), здесь шаг сетки также 0.5В, мы опять видим что чем ближе напряжение Uзи к 0, тем больший ток стока.

В биполярных транзисторах был такой параметр как коэффициент передачи тока или коэффициент усиления, он обозначался как B или h31э или Hfe. В полевых же для отображения способности усиливать напряжение используется крутизна обозначается буквой S

S=dIc/dUзи

То есть крутизна показывает, насколько миллиАмпер (или Ампер) растёт ток стока при увеличении напряжения затвор-исток на количество Вольт при неизменяемом напряжении сток-исток. Её можно вычислить исходя из стоко-затворной характеристики, на приведенном выше примере крутизна равняется порядка 8 мА/В.

Схемы включения

Как и у биполярных транзисторов есть три типовых схемы включения:

1. С общим истоком (а). Используется чаще всех, даёт усиление по току и мощности.

2. С общим затвором (б). Редко используется, низкое входное сопротивления, усиления нет.

3. С общим стоком (в). Усиление по напряжению близко к 1, большое входное сопротивление, а выходное низкое. Другое название – истоковый повторитель.

Особенности, преимущества, недостатки

• Главное преимущество полевого транзистора высокое входное сопротивление. Входное сопротивление это отношения тока к напряжению затвор-исток. Принцип действия лежит в управлении с помощью электрического поля, а оно образуется при приложении напряжения. То есть полевые транзисторы управляются напряжением.
• Полевой транзистор практически не потребляет тока управления, это снижает потери управления, искажения сигнала, перегрузку по току источника сигнала…
• В среднем частотные характеристики полевых транзисторов лучше, чем у биполярных, это связано с тем, что нужно меньше времени на «рассасывание» носителей заряда в областях биполярного транзистора. Некоторые современные биполярные транзисторы могут и превосходить полевые, это связано с использованием более совершенных технологий, уменьшения ширины базы и прочего.
• Низкий уровень шумов у полевых транзисторов обусловлен отсутствием процесса инжекции зарядов, как у биполярных.
• Стабильность при изменении температуры.
• Малое потребление мощности в проводящем состоянии – больший КПД ваших устройств.

Простейший пример использования высокого входного сопротивление – это приборы согласователи для подключения электроакустических гитар с пьезозвукоснимателями и электрогитар с электромагнитными звукоснимателями к линейным входам с низким входным сопротивлением.

Низкое входное сопротивление может вызвать просадки входного сигнала, исказив его форму в разной степени в зависимости от частоты сигнала. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Вот простейшая схема такого устройства. Подойдет для подключения электрогитар в линейный вход аудио-карты компьютера. С ней звук станет ярче, а тембр богаче.

Главным недостатком является то, что такие транзисторы боятся статики. Вы можете взять наэлектризованными руками элемент, и он тут же выйдет из строя, это и есть следствие управления ключом с помощью поля. С ними рекомендуют работать в диэлектрических перчатках, подключенным через специальный браслет к заземлению, низковольтным паяльником с изолированным жалом, а выводы транзистора можно обвязать проволокой, чтобы закоротить их на время монтажа.

Современные приборы практически не боятся этого, поскольку по входу в них могут быть встроены защитные устройства типа стабилитронов, которые срабатывают при превышении напряжения.

Иногда у начинающих радиолюбителей опасения доходят до абсурда, типа надевания на голову шапочек из фольги. Всё описанное выше хоть и является обязательным к исполнению, но не соблюдение каких либо условий не гарантирует выход из строя прибора.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Этот вид транзисторов активно используется в качестве полупроводниковых управляемых ключей. Причем работают они чаще всего именно в ключевом режиме (два положения «вкл» и «выкл»). У них есть несколько названий:

1. МДП-транзистор (метал-диэлектрик-полупроводник).

2. МОП-транзистор (метал-окисел-полупроводник).

3. MOSFET-транзистор (metal-oxide-semiconductor).

Запомните – это лишь вариации одного названия. Диэлектрик, или как его еще называют окисел, играет роль изолятора для затвора. На схеме ниже изолятор изображен между n-областью около затвора и затвором в виде белой зоны с точками. Он выполнен из диоксида кремния.

Диэлектрик исключает электрический контакт между электродом затвора и подложкой. В отличие от управляющего p-n-перехода он работает не на принципе расширения перехода и перекрытия канала, а на принципе изменения концентрации носителей заряда в полупроводнике под действием внешнего электрического поля. МОП-транзисторы бывают двух типов:

1. Со встроенным каналом.

2. С индуцированным каналом

Транзисторы со встроенным каналом

На схеме вы видите транзистор с встроенным каналом. Из неё уже можно догадаться, что принцип его работы напоминает полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, т.е. когда напряжение затвора равно нулю – ток протекает через ключ.

Около истока и стока созданы две области с повышенным содержанием примесных носителей заряда (n+) с повышенной проводимостью. Подложкой называется основание P-типа (в данном случае).

Обратите внимание, что кристалл (подложка) соединена с истоком, на многих условных графических обозначениях он так и рисуется. При повышении напряжения на затворе в канале возникает поперечное электрическое поле, оно отталкивает носители зарядов (электроны) и канал закрывается при достижении порогового Uзи.

Режимы работы

При подаче отрицательного напряжения затвор-исток ток стока падает, транзистор начинает закрывать – это называется режим обеднения.

При подаче положительного напряжения на затвор-исток происходит обратный процесс – электроны притягиваются, ток возрастает. Это режим обогащения.

Всё вышесказанное справедливо для МОП-транзисторов со встроенным каналом N-типа. Если канал p-типа все слова «электроны» заменяются на «дырки», полярности напряжения изменяются на противоположные.

Моделирование

Транзистор со встроенным каналом n-типа с нулевым напряжением на затворе:

Подадим на затвор -1В. Ток снизился в 20 раз.

Согласно datasheet на этот транзистор пороговое напряжение затвор-исток у нас в районе одного вольта, а типовое его значение – 1.2 В, проверим это.

Ток стал в микроамперах. Если еще немного повысить напряжение, он исчезнет полностью.

Я выбрал транзистор наугад, и мне попался достаточно чувствительный прибор. Попробую изменить полярность напряжения, чтобы на затворе был положительный потенциал, проверим режим обогащения.

При напряжении на затворе 1В ток увеличился в четыре раза, по сравнению с тем, что был при 0В (первая картинка в этом разделе). Отсюда следует, что в отличие от предыдущего типа транзисторов и биполярных транзисторов он без дополнительной обвязки может работать как на повышение тока, так и на понижение. Это заявление весьма грубо, но в первом приближении имеет право на существование.

Характеристики

Здесь всё практически так же как и в транзисторе с управляющим переходом, за исключением наличия режима обогащения в выходной характеристике.

На стоко-затворной характеристике четко видно, что отрицательное напряжение вызывает режим обеднение и закрытие ключа, а положительное напряжение на затворе – обогащение и большее открытие ключа.

Транзисторы с индуцированным каналом

МОП-транзисторы с индуцированным каналом не проводят ток при отсутствии напряжения на затворе, вернее ток есть, но он крайне мал, т.к. это обратный ток между подложкой и высоколегированными участками стока и истока.

Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом аналог нормально-разомкнутого ключа, ток не протекает.

При наличии напряжения затвор-исток, т.к. мы рассматриваем n-тип индуцируемого канала то напряжение положительное, под действием поля притягиваются отрицательные носители зарядов в область затвора.

Так появляется «коридор» для электронов от истока к стоку, таким образом, появляется канал, транзистор открывается, и ток через него начинает протекать. Подложка у нас p-типа, в ней основными являются положительные носители зарядов (дырки), отрицательных носителей крайне мало, но под действием поля они отрываются от своих атомов, и начинается их движение. Отсюда отсутствие проводимости при отсутствии напряжения.

Характеристики

Выходная характеристика в точности повторяет такую же у предыдущих разница заключается лишь в том, что напряжения Uзи становятся положительными.

Стоко-затворная характеристика показывает то же самое, отличия опять-таки в напряжениях на затворе.

При рассмотрении вольтамперных характеристик крайне важно внимательно смотреть на величины, прописанные по осям.

Моделирование

На ключ подали напряжение 12 В, а на затворе у нас 0. Ток через транзистор не протекает.

Добавим 1 вольт на затвор, но ток и не думал протекать…

Добавляя по одному вольту я обнаружил, что ток начинает расти с 4в.

Добавив еще 1 Вольт, ток резко возрос до 1.129 А.

В Datasheet указано пороговое напряжение открытия этого транзистора на участке от 2-х до 4-х вольт, а максимальное на затвор-истор от -20, до +20 В, дальнейшие приращения напряжения не дали результатов и на 20 вольтах (несколько миллиампер я не считаю, в данном случае).

Это значит, что транзистор полностью открыт, если бы его не было, ток в этой цепи составил бы 12/10=1.2 А. В дальнейшем я изучал как работает этот транзистор, и выяснил, что на 4-х вольтах он начинает открываться.

Добавляя по 0.1В, я заметил, что с каждой десятой вольта ток растёт всё больше и больше, и уже к 4.6 Вольта транзистор практически полностью открыт, разница с напряжением на затворе в 20В в токе стока всего лишь 41 мА, при 1.1 А – это чепуха.

Этот эксперимент отражает то, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при достижении порогового напряжения, что позволяет ему отлично работать в качестве ключа в импульсных схемах. Собственно, IRF740 – один из наиболее распространенных в импульсных блоках питания.

Результаты измерений тока затвора показали, что действительно полевые транзисторы почти не потребляют управляющего тока. При напряжении в 4.6 вольта ток был, всего лишь, 888 нА (нано!!!).

При напряжении в 20В он составлял 3.55 мкА (микро). У биполярного транзистора он был бы порядка 10 мА, в зависимости от коэффициента усиления, что в десятки тысяч раз больше чем у полевого.

Не все ключи открываются такими напряжениями, это связано с конструкцией и особенностями схемотехники устройств где они применяются.

Особенности использования ключей с изолированным затвором

Два проводника, а между ними диэлектрик – что это? Это транзистор, собственно затвор имеет паразитную ёмкость, она замедляет процесс переключения транзистора. Это называется плато Миллера, вообще этот вопрос достоин отдельного серьезного материала с точным моделированием, с применением другого софта (не проверял эту особенность в multisim).

Разряженная ёмкость в первый момент времени требует большого зарядного тока, да и редкие управляющие устройства (шим-контроллеры и микроконтроллеры) имеют сильные выходы, поэтому используют драйверы для полевых затворов, как в полевых транзисторах, так и в IGBT(биполярный с изолированным затвором). Это такой усилитель, который преобразует входной сигнал в выходной такой величины и силы тока, достаточный для включения и выключения транзистора. Ток заряда также ограничивается последовательно соединенным с затвором резистором.

При этом некоторые затворы могут управляться и с порта микроконтроллера через резистор (тот же IRF740).

Условные графические изображения

Они напоминают полевые транзисторы с управляющим затвором, но отличаются тем, что на УГО, как и в самом транзисторе, затвор отделен от подложки, а стрелка в центре указывает на тип канала, но направлена от подложки к каналу, если это n-канальный mosfet – в сторону затвора и наоборот.

Для ключей с индуцированным каналом:

Может выглядеть так:

Обратите внимание на англоязычные названия выводов, в datasheet’ах и на схемах часто указываются они.

Для ключей со встроенным каналом:

Ранее ЭлектроВести писали, что транзисторы приближаются к физическому пределу размера, и чтобы дальше наращивать их производительность, индустрия активно ищет альтернативные технологии. Одну из них предлагают американские ученые.

По материалам: electrik.info.

Полевые транзисторы разновидности | Техника и Программы

Типы полевых транзисторов гораздо более разнообразны, чем биполярных (к полевым, кстати, и принадлежал самый Первый прототип транзистора, изо­бретенный Шокли еще в 1946 году). Только основных разновидностей суще­ствует более десятка, но всем им присущи общие черты, которые мы сейчас кратко и рассмотрим.

Простейший полевой транзистор с /²-«-переходом показан на рис. 6.10, а— в данном случае с «-каналом. Аналогичные базе, коллектору и эмиттеру выво­ды называются затвор, сток и исток. Если потенциал затвора равен потенциа­лу истока (то есть имеется в виду аналог замыкания цепи база-эмиттер у би­полярного), то, в отличие от биполярного, полевой транзистор с р-п-переходом открыт. Но есть и еще одно существенное отличие — если бипо­лярный транзистор при полном открывании имеет почти нулевое сопротив­ление цепи коллектор-эмиттер, то полевой в этих условиях работает доволь­но стабильным источником тока: ток в цепи истока почти не зависит от напряжения на стоке. Сама величина тока зависит от конкретного экземпляра транзистора и называется начальный ток стока. Запереть его удается пода­чей отрицательного (порядка 7—10 В) напряжения на затвор относительно истока, а в промежутке полевик с w-каналом находится в активном режиме, когда ток стока зависит от напряжения на затворе.

Рис. 6.10. Полевые транзисторы: а — включение полевого транзистора с р-п-переходом и п-каналом; б — полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) в режиме ключа; в — внутренняя структура IGBT-транзистора

Уникальной особенностью полевого транзистора является то, что в рабочем режиме он фактически не потребляет тока по входу затвора — достаточно иметь соответствующий потенциал, ведь диод затвор-исток в рабочем режи­ме смещен в обратном направлении и ток через него определяется только токами утечки, которые равны нано- и микроамперам, как говорилось ранее! В этом отношении полевой транзистор аналогичен электронной лампе. А ес­ли мы сместим этот переход в положительном направлении (когда потенциал затвора превысит потенциал истока и диод затвор-исток откроется), то поле­вой транзистор с /²-«-переходом уже перестанет работать как транзистор.

В различных типах полевых транзисторов с изолированным затвором (т. н. МОП-транзисторах, от «металл-окисел-полупроводник» или, по-английски, ‘ MOS, иначе их называют MOSFET), последний вообще изолирован от цепи сток-исток тонким слоем окисла кремния Si02, и там в принципе нет и не может быть никакого тока через цепь затвора. Правда, когда на затвор пода­ется переменное напряжение или короткий импульс, в дело вступает конден­сатор, образованный затвором и истоком. Как следует из главы 5, перезаряд этого конденсатора (его емкость может составлять десятки пикофарад) мо­жет приводить к значительному реактивному току в цепи затвора. На подоб­ных транзисторах построены практически все современные логические мик­росхемы, отличающиеся практически нулевым потреблением тока в статическом режиме (см. главу 15).

Старые образцы MOSFET-транзисторов с «-каналом (например, отечествен­ные КП305, КПЗ 13) требовали для полного запирания небольшого отрица­тельного смещения на затворе относительно истока (порядка 0,5—0,8 В). Со­временные MOSFET-транзисторы (рис. 6.10,6) управляются аналогично биполярному в схеме с общим эмиттером — при нулевом напряжении на за­творе относительно истока транзистор заперт, при положительном напряже­нии порядка 8—20 В — полностью открыт, причем в открытом состоянии он представляет собой крайне малое сопротивление — у некоторых типов менее 0,01 Ом. Такие транзисторы выпускаются на мощности от единиц до сотен ватт и используются, например, для управления шаговыми двигателями или в импульсных источниках питания.

Вообще полевики гораздо ближе к той модели транзистора, когда проме­жуток коллектор-эмиттер или сток-исток представляются, как управляемое сопротивление — у полевых транзисторбв это действительно сопротивле­ние. Условно говоря, со схемотехнической точки зрения биполярные тран­зисторы являются приборами для усиления тока, а полевые — для усиления напряжения.

Приведенные нами примеры не исчерпывают разнообразия типов полевых транзисторов. Например, т. н. ЮВТ-транзисторы (Insulated Gate Bipolar Transistors— биполярный транзистор с изолированным затвором), появив­шиеся в 1980-е годы, объединяют в себе полевую и биполярную структуры, отчего управляющий электрод в них зовется, как и в полевых, затвором, а два других, аналогично биполярным, — коллектором и эмиттером. На самом де­ле ЮВТ-транзистор представляет собой довольно сложную полупроводнико­вую структуру (рис. 6.10, в), с положительной обратной связью между разно-полярными «обычными» транзисторами и с управлением от полевого (ср. со структурой однопереходного транзистора на рис. 10.3).

ЮВТ-транзисторы используются в качестве мощных ключей (десятки-сотни ампер при напряжениях более 1000 вольт). Управляются они положительным напряжением на затвор? относительно эмиттера, причем у некоторых типов насыщение наступает уже при подаче 2,7—4 В на затвор, и такие транзисто­ры могут управляться непосредственно от логических схем. Платой за такую роскошь является довольно высокое напряжение насыщения между коллек­тором и эмиттером, характерное для биполярных транзисторов — от 1 В для относительно маломощных приборов (единицы ампер) до 2—3 В для более мощных (десятки и сотни ампер).

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

На главную

Uкэ………………… постоянное напряжение коллектор-эмиттер

Uкэо,гр……………. граничное напряжение

Uкэо……………….. постоянное напряжение коллектор-эмиттер при токе базы, равном нулю
UкэR……………… постоянное   напряжение   коллектор-эмиттер  при заданном сопротивлении в цепи база-эмиттер
Uкэк……………….. постоянное   напряжение   коллектор-эмиттер  при короткозамкнутых выводах базы и эмиттера
Uкэх……………….. постоянное  напряжение  коллектор-эмиттер  при заданном обратном напряжении база-эмиттер
UкэR,и…………… импульсное  напряжение   коллектор-эмиттер   при заданном сопротивлении в цепи база-эмиттер
Uкэк,и…………….. импульсное   напряжение   коллектор-эмиттер  при короткозамкнутых выводах базы и эмиттера
Uкэх,и…………….. импульсное   напряжение   коллектор-эмиттер   при заданном обратном напряжении база-эмиттер
Uкэо,проб………. пробивное напряжение коллектор-эмиттер при токе базы, равном нулю
UкэR,проб……… пробивное   напряжение   коллектор-эмиттер   при заданном сопротивлении в цепи база-эмиттер
Uкэк,проб………. пробивное   напряжение   коллектор-эмиттер  при короткозамкнутых выводах базы и эмиттера
Uкэх,проб………… пробивное   напряжение   коллектор-эмиттер   при заданном обратном напряжении база-эмиттер
Uкэ,макс………….. максимально допустимое  постоянное   напряжение коллектор-эмиттер
Uкэ,и,макс……… максимально допустимое  импульсное  напряжение коллектор-эмиттер

Uкб……………….. постоянное напряжение коллектор-база

Uкб, и…………….. импульсное напряжение коллектор-база

Uкбо, проб………… пробивное напряжение коллектор-база при токе базы, равном нулю
Uкб, макс………… максимально допустимое  постоянное   напряжение коллектор-база
Uкб,и,макс…….. максимально допустимое  импульсное  напряжение коллектор-база
Uэбо, проб……….. пробивное напряжение эмиттер-база при токе базы, равном нулю

Uэб………………… постоянное напряжение эмиттер-база

Δ Uбэ…………….. падение напряжения на участке база-эмиттер

Uэб,макс…………. максимально  допустимое   постоянное   напряжение эмиттер-база

Uси………………. напряжение сток-исток

Uзи ………………. напряжение затвор-исток

Uип………………. напряжение исток-подложка

Uси,макс……….. максимально допустимое напряжение сток-исток

Uзи,макс……….. максимально допустимое напряжение затвор-исток

Uзс,макс……….. максимально допустимое напряжение затвор-сток

Uсп,макс……….. максимально допустимое напряжение сток-подложка

Uип,макс………. максимально допустимое напряжение исток-подложка

Uзп,макс……….. максимально допустимое напряжение затвор-подложка

Uзи пор…………. пороговое напряжение полевого транзистора

Uзи отс………….. напряжение отсечки

Uп…………………. напряжение литания

Iк…………………… постоянный ток коллектора

Iэ…………………… постоянный ток эмиттера

Iб………………….. постоянный ток базы

Iк,и………………… импульсный ток коллектора

Iэ,и………………… импульсный ток эмиттера

Iб,и ………………. импульсный ток базы

Iкр…………………. критический ток биполярного транзистора

Iк,нас ……………. постоянный ток коллектора в режиме насыщения

I,нас………………. постоянный ток базы в режиме насыщения

Iк,макс…………… максимально допустимый постоянный ток коллектора

Iэ,макс…………… максимально допустимый постоянный ток эмиттера

Iб,макс………….. максимально допустимый постоянный ток базы

Iк,и,макс………… максимально допустимый импульсный ток коллектора

Iэ,и,макс………… максимально допустимый импульсный ток эмиттера

Iкбо………………. обратный ток коллектора

Iэбо………………. обратный ток эмиттера

IкэR……………….. обратный ток коллектор-эмиттер

Iс,макс ………….. максимально допустимый постоянный ток стока

Iс,ост……………… остаточный ток стока

Iз(пр),макс……… максимально допустимый прямой ток затвора

Iс,и,макс………… максимально допустимый импульсный ток стока

Iс нач …………….. начальный ток стока

Iз ут……………….. ток утечки затвора

Сг…………………… емкость генератора

Сэ………………….. емкость эмиттерного перехода

Ск………………….. емкость коллекторного перехода

С₁₁ и………………. входная емкость полевого транзистора

С_{22  и……………………………} выходная емкость полевого транзистора

C₁₂ и………………. проходная емкость полевого транзистора

Сзсо………………. емкость затвор-сток при отсоединенном выводе истока

Сзио……………….. емкость затвор-исток при отсоединенном выводе стока

f…………………….. частота

fгр…………………. граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером (ОЭ)
Кур………………… коэффициент усиления по мощности биполярного (полевого) транзистора
Кш.…………………. коэффициент   шума   биполярного   (полевого) транзистора

Кнас………………. коэффициент насыщения

Кст U……………. коэффициент стоячей волны по напряжению

l…………………….. длина выводов

Р……………………. постоянная  рассеиваемая  мощность  биполярного (полевого) транзистора
Рср………………… средняя  рассеиваемая   мощность  биполярного (полевого) транзистора
Pи………………….. импульсная    рассеиваемая мощность биполярного (полевого) транзистора

Рк………………….. постоянная рассеиваемая мощность коллектора

Рк,ср……………… средняя рассеиваемая мощность коллектора

Рвх…………………. входная мощность биполярного (полевого) транзистора

Рвх (по)…………. входная  мощность  в  пике  огибающей  (средняя мощность однотонового сигнала с амплитудой, равной

амплитуде двухтонового сигнала в пике огибающей)
Рвых(по)………… выходная мощность  в пике огибающей  (средняя мощность однотонового сигнала с амплитудой, равной

амплитуде двухтонового сигнала  в пике огибающей)

Рпад………………. мощность падающей волны СВЧ сигнала

Рмакс ……………. максимально допустимая  постоянная  рассеиваемая мощность биполярного (полевого) транзистора
Ри,макс………….. максимально допустимая импульсная рассеиваемая мощность биполярного (полевого) транзистора
Рк,и,макс……….. максимально допустимая  импульсная рассеиваемая мощность  коллектора
Pк,ср,макс……… максимально  допустимая  средняя  рассеиваемая мощность коллектора

Q…………………… скважность

Zвх………………… входное полное сопротивление на большом сигнале

бrэ…………………. последовательное активное сопротивление эмиттера

Rк………………….. сопротивление в цепи коллектор-источник питания

Rбэ…………………. сопротивление в цепи база-эмиттер

R6………………….. сопротивление в цепи база-источник питания

Rн…………………. сопротивление нагрузки

Rr………………….. выходное сопротивление генератора при измеренениях

Rси…………………. сопротивление сток-исток полевого транзистора

Rси отк………….. сопротивление сток-исток в открытом состоянии

Rt…………………. тепловое сопротивление

Rт(п-к)…………. тепловое сопротивление переход-корпус

Rт, и(п-к)…….. импульсное тепловое сопротивление переход-корпус

Rт (п-с)………… тепловое сопротивление переход-среда

h₂₁э………………… статический коэффициент передачи тока в режимах малого и большого сигналов

Т……………………….  температура окружающей среды

Тк…………………. температура корпуса, для бес корпусных транзисторов -кристаллодержателя (подложки)

Тп………………….. температура р-п перехода

t  в к л…………………. время включения

tвыкл……………… время выключения

tзд………………….. время задержки

tнр…………………. время нарастания

tрас………………… время рассасывания

tсп………………….. время спада

tи…………………… длительность импульса

tф…………………… длительность фронта импульса

Разница между BJT и MOSFET: преимущества и недостатки

Транзисторы BJT и MOSFET представляют собой электронные полупроводниковые устройства, которые выдают большой изменяющийся электрический сигнал o / p для небольших изменений малых сигналов i / p. Благодаря этой особенности эти транзисторы используются либо как переключатель, либо как усилитель. Первый транзистор был выпущен в 1950 году, и его можно рассматривать как одно из самых важных изобретений 20 века. Устройство быстро развивается, а также внедряются различные типы транзисторов.Первый тип транзистора — это BJT (биполярный переходный транзистор), а MOSFET (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником) — еще один тип транзистора, представленный позже. Для лучшего понимания этой концепции в этой статье приводится основное различие между BJT и MOSFET.

Что такое BJT?

Транзистор с биполярным переходом — это один из типов полупроводниковых устройств, и в былые времена эти устройства использовались вместо электронных ламп. BJT — это устройство с управлением по току, где o / p базового терминала или терминала эмиттера является функцией тока в базовом терминале.По сути, работа транзистора BJT определяется током на выводе базы. Этот транзистор состоит из трех выводов, а именно эмиттера, базы и коллектора. Фактически, BJT — это кремниевый элемент, который включает в себя три области и два перехода. Эти две области называются P-переходом и N-переходом.

Существует два типа транзисторов, а именно PNP и NPN. Основное различие между BJT и MOSFET заключается в их носителях заряда. В транзисторе PNP P обозначает положительный заряд, а основные носители заряда — дырки, тогда как в транзисторе NPN N обозначает отрицательный заряд, а основными носителями заряда являются электроны.Принципы работы этих транзисторов практически одинаковы, и основное различие заключается в смещении, а также полярности источника питания для каждого типа. BJT подходят для слаботочных приложений, например, для коммутации.

Принцип работы BJT

Принцип работы BJT включал использование напряжения между двумя выводами, такими как база и эмиттер, для регулирования протекания тока через вывод коллектора. Например, конфигурация общего эмиттера показана на рисунке ниже.

Изменение напряжения влияет на ток, поступающий на клемму базы, и этот ток, в свою очередь, влияет на вызываемый ток включения / выключения. Таким образом, показано, что входной ток управляет потоком переменного тока. Итак, этот транзистор — это устройство, управляемое током. Пожалуйста, перейдите по ссылке ниже, чтобы узнать больше о; Основное различие между BJT и FET.

Что такое MOSFET

MOSFET — это один из видов полевого транзистора (FET), который состоит из трех выводов, а именно затвора, истока и стока.Здесь ток стока регулируется напряжением на выводе затвора. Следовательно, эти транзисторы являются устройствами с регулируемым напряжением.

Эти транзисторы доступны в 4 различных типах, таких как P-канал или N-канал с режимом улучшения или режимом истощения. Клеммы истока и стока изготовлены из полупроводника N-типа для N-канальных полевых МОП-транзисторов и в равной степени для устройств с P-каналом. Клемма затвора сделана из металла и отделяется от клемм истока и стока с помощью оксида металла.Эта изоляция обеспечивает низкое энергопотребление, и это преимущество этого транзистора. Следовательно, этот транзистор используется там, где полевые МОП-транзисторы с p- и n-каналом используются в качестве строительных блоков для снижения энергопотребления, как цифровая логика CMOS.

подразделяются на два типа, такие как режим улучшения и режим истощения.

Режим истощения: Когда напряжение на клемме «G» низкое, канал показывает максимальную проводимость. Если напряжение на клемме «G» положительное или отрицательное, проводимость канала будет уменьшена.

Режим улучшения: Когда напряжение на клемме «G» низкое, устройство не проводит ток. Когда на вывод затвора подается большее напряжение, проводимость этого устройства хорошая.

Пожалуйста, перейдите по ссылке ниже, чтобы узнать больше о; Что такое MOSFET с рабочим?

Принцип работы полевого МОП-транзистора

Работа полевого МОП-транзистора зависит от МОП (металлооксидного конденсатора), который является важной частью полевого МОП-транзистора. Оксидный слой присутствует среди двух выводов, таких как исток и сток.Применяя напряжения затвора + Ve или –Ve, мы можем установить от p-типа до n-типа. Когда на вывод затвора подается напряжение + Ve, то отверстия, существующие под оксидным слоем, с силой отталкивания, и отверстия проталкиваются вниз через подложку. Область отклонения занята связанными зарядами –Ve, которые связаны с атомами акцептора.

Различия между BJT и MOSFET

Разница между BJT и MOSFET в табличной форме обсуждается ниже. Итак, сходство между BJT и MOSFET обсуждается ниже.

Ключевые различия между BJT и MOSFET

Ключевые различия между BJT и MOSFET транзисторами обсуждаются ниже.

• BJT представляет собой транзистор с биполярным переходом, тогда как MOSFET представляет собой полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника.
• BJT имеет три клеммы, а именно базу, эмиттер и коллектор, в то время как MOSFET имеет три клеммы, а именно исток, сток и затвор.
• BJT используются для приложений с низким током, тогда как MOSFET используется для приложений с высокой мощностью.
• В настоящее время считается, что в аналоговых и цифровых схемах MOSFET используются чаще, чем BJTS.
• Работа BJT зависит от тока на клемме базы, а работа полевого МОП-транзистора зависит от напряжения на электроде затвора с оксидной изоляцией.
• BJT — это устройство, управляемое током, а MOSFET — устройство, управляемое напряжением.
  MOSFET используются больше, чем BJT в большинстве приложений
• Структура MOSFET сложнее, чем BJT

Какой усилитель лучше BJT или MOSFET?

И BJT, и MOSFET обладают уникальными характеристиками, а также собственными преимуществами и недостатками. Но мы не можем сказать, что хорошо в BJT и MOSFET, поскольку вопрос крайне субъективен. Но перед выбором BJT или MOSFET необходимо учитывать несколько факторов, таких как уровень мощности, эффективность, напряжение привода, цена, скорость переключения и т. Д.

Обычно MOSFET используется в источниках питания более эффективно, потому что MOSFET работает быстрее из-за использования оксидов металлов помимо BJT.Здесь BJT зависит от комбинации электрон-дырка. МОП-транзистор
работает с малой мощностью при переключении на высокой частоте, потому что он имеет быструю скорость переключения, поэтому он ведет через управляемый оксидом сетки полевой эффект, но не через рекомбинацию электрона или дырки, как BJT. В MOSFET схема, такая как управление затвором, очень проста
Есть множество причин, которые выделяются

Меньшие потери проводимости

Биполярный переходной транзистор имеет стабильное падение напряжения насыщения, например 0.7 В, тогда как полевой МОП-транзистор имеет сопротивление в открытом состоянии 0,001 Ом, что приводит к меньшим потерям мощности.

Высокое входное сопротивление

В биполярном переходном транзисторе используется низкий базовый ток для работы с большим током коллектора. И они работают как усилитель тока. MOSFET — это устройство, управляемое напряжением, и почти не учитывает ток затвора. Затвор работает как конденсатор номинального значения, и это является значительным преимуществом в приложениях переключения и высокого тока, потому что коэффициент усиления силовых BJT составляет от среднего до низкого, что требует высоких базовых токов для создания больших токов.

Площадь, занимаемая MOSFET, меньше по сравнению с BJT примерно на 1/5. Работа BJT не так проста по сравнению с MOSFET. Таким образом, полевые транзисторы можно очень легко спроектировать и использовать как пассивные элементы вместо усилителей.

Почему MOSFET лучше чем BJT?

Есть много преимуществ использования MOSFET вместо BJT, как показано ниже.

очень чувствителен по сравнению с BJT, потому что большинство носителей заряда в MOSFET — это ток.Так что это устройство активируется очень быстро по сравнению с BJT. Таким образом, он в основном используется для переключения мощности SMPS.

MOSFET не претерпевает больших изменений, тогда как в BJT ток коллектора будет изменяться из-за изменений температуры, базового напряжения передатчика и усиления по току. Однако этого огромного изменения нет в MOSFET, потому что он является основным носителем заряда.

Входное сопротивление полевого МОП-транзистора очень велико, как и диапазон мегомов, тогда как входное сопротивление биполярного транзистора находится в пределах килоом.Следовательно, изготовление полевых МОП-транзисторов идеально подходит для схем на основе усилителей.

По сравнению с биполярными транзисторами, полевые МОП-транзисторы имеют меньше шума. Здесь шум можно определить как случайное вторжение в сигнал. Как только транзистор используется для увеличения сигнала, внутренний процесс транзистора инициирует некоторые из этих случайных помех. Как правило, BJT вносят в сигнал огромный шум по сравнению с MOSFET. Таким образом, полевые МОП-транзисторы подходят для обработки сигнала в противном случае усилители напряжения.

Размер MOSFET очень мал по сравнению с BJT. Таким образом, их можно разместить на меньшем пространстве. По этой причине в процессорах компьютеров и микросхем используются полевые МОП-транзисторы. Итак, конструкция MOSFET очень проста по сравнению с BJT.

Температурный коэффициент BJT и FET

Температурный коэффициент полевого МОП-транзистора является положительным для сопротивления, что значительно упрощает параллельную работу полевого МОП-транзистора. В первую очередь, если полевой МОП-транзистор передает усиленный ток, он очень легко нагревается, увеличивает свое сопротивление и заставляет этот поток тока перемещаться к другим устройствам параллельно.

Температурный коэффициент BJT отрицательный, поэтому резисторы необходимы на протяжении всего параллельного процесса биполярного переходного транзистора.

Вторичного пробоя полевого МОП-транзистора не происходит, поскольку его температурный коэффициент положительный. Однако транзисторы с биполярным переходом имеют отрицательный температурный коэффициент, поэтому это приводит к вторичному пробою.

Преимущества BJT перед MOSFET

Преимущества BJT перед MOSFET включают следующее.

• BJT лучше работают в условиях высокой нагрузки и с более высокими частотами по сравнению с MOSFETS
• BJT имеют более высокую точность воспроизведения и лучшее усиление в линейных областях, как было оценено с помощью полевых МОП-транзисторов.
• По сравнению с полевыми МОП-транзисторами, BJTS работают намного быстрее из-за низкой емкости управляющего контакта. Но MOSFET более устойчив к нагреву и может имитировать хороший резистор.
• BJT — очень хороший выбор для приложений с низким напряжением и низким энергопотреблением

К недостаткам BJT можно отнести следующее.

• Поражает радиацией
• Издает больше шума
• Имеет меньшую термостойкость
• Базовый контроль BJT очень сложен
• Частота переключения низкая и высокая сложное управление
• Время переключения BJT низкое по сравнению с напряжением и током с высокой переменной частотой.

Преимущества и недостатки MOSFET

Преимущества MOSFET включают следующее.

• Меньше
• Изготовление простое
• Входное сопротивление высокое по сравнению с JFET
• Поддерживает высокоскоростную работу
• Низкое энергопотребление, поэтому для каждого чипа может быть разрешено больше компонентов за пределами области
• MOSFET с типом расширения используется в цифровых схемах
• У него нет затворного диода, поэтому можно работать через положительное или отрицательное напряжение затвора.
• Он широко используется по сравнению с JFET
• Сопротивление стока полевого МОП-транзистора высокое из-за низкого сопротивления канала

К недостаткам MOSFET можно отнести следующее.

• К недостаткам MOSFET можно отнести следующее.
• Срок службы полевого МОП-транзистора низкий
• Для точного измерения дозы требуется частая калибровка
• Они очень уязвимы для перегрузки по напряжению; поэтому требуется специальное обращение из-за установки

Таким образом, это все о различии между BJT и MOSFET, которое включает в себя, что такое BJT и MOSFET, принципы работы, типы MOSFET и различия.Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые сомнения относительно этой концепции или проектов в области электротехники и электроники, пожалуйста, оставьте свой отзыв, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, каковы характеристики BJT и MOSFET?

Что такое сток транзистора?

Сток транзистора — это часть полевого транзистора, обычно называемого полевым транзистором, и эквивалент эмиттера на стандартном полупроводниковом транзисторе.Полевой транзистор состоит из четырех основных компонентов и соответствующих выводов, называемых затвором, истоком, корпусом и стоком. Когда управляющее напряжение присутствует на затворе и корпусе полевого транзистора, любой электрический сигнал, ожидающий на истоке, будет перемещаться от истока к стоку транзистора и из вывода стока. Таким образом, сток транзистора может относиться либо к выходному компоненту полевого транзистора, либо к клемме, которая соединяет компонент с другой схемой.

В то время как полевые транзисторы выполняют функции, аналогичные стандартным транзисторам с переходным типом, то, как они выполняют эти функции, сильно отличается.Обычный транзистор состоит из трех частей материала, несущих переменный статический заряд: положительно-отрицательно-положительный, называемый PNP, или отрицательно-положительно-отрицательный, называемый NPN. Эти части, называемые коллектором, эмиттером и базой, сплавлены вместе, что по сути создает диод с двумя анодами или двумя катодами.

Если электрический сигнал ожидает на коллекторе транзистора и нет напряжения на базе, говорят, что транзистор выключен и не проводит электрический сигнал.Если напряжение затем поступает на базу транзистора, это изменяет электрический заряд базы. Это изменение заряда включает транзистор, и коллекторный сигнал проходит через транзистор и выходит из его эмиттера для использования другими электронными схемами.

Полевые транзисторы работают по совершенно иному принципу.Полевой транзистор состоит из четырех частей материала, каждый с выводом, который называется истоком, затвором, стоком и корпусом. Из этих четырех только исток, сток и корпус несут статический заряд. Либо этот заряд будет отрицательным в истоке и стоке, называемый полевым транзистором с n-каналом, либо он будет положительным в обоих, что называется полевым транзистором с каналом p-типа. В любом случае тело полевого транзистора будет нести заряд напротив истока и стока.

Эти четыре детали затем собираются в порядке, отличном от порядка стандартных транзисторов.Исток и сток будут соединены с любым концом корпуса. Затем затвор соединяется с истоком и стоком, перекрывая их, но не вступая в прямой контакт с корпусом транзистора. Вместо этого ворота устанавливаются параллельно телу и на определенном расстоянии от него.

Если полевой транзистор является устройством n-канального типа, то либо отсутствие напряжения, либо отрицательное напряжение, подключенное между истоком и стоком, переключит полевой транзистор в выключенное состояние, и он не будет проводить сигнал между истоком и стоком.Когда корпус полевого транзистора заряжен, подача положительного напряжения на затвор полевого транзистора переключит его во включенное состояние. Заряд затвора начнет вытягивать электроны из корпуса полевого транзистора, по существу создавая поле, называемое проводящим каналом.

Если напряжение на затворе достаточно велико, точка, называемая его пороговым напряжением, может полностью сформироваться проводящий канал.Как только проводящий канал сформируется полностью, напряжение на истоке полевого транзистора сможет проводить свой сигнал через проводящий канал к стоку транзистора и из него. Если затем напряжение на затворе опускается ниже порогового значения, поле на затворе и корпусе полевого транзистора мгновенно схлопывается, унося за собой проводящий канал и возвращая полевой транзистор в выключенное состояние.

очень чувствительны к пороговым напряжениям затвора.Использование напряжения затвора, которое лишь немного выше требуемого, а затем его незначительное понижение, очень быстро включит и выключит полевой транзистор. В результате, незначительное изменение напряжения затвора на очень высокой частоте может включать и выключать полевой транзистор на гораздо более высоких скоростях и с гораздо меньшими напряжениями, чем это возможно со стандартным транзистором. Скорости, с которыми могут переключаться полевые транзисторы, делают их идеальными транзисторами для высокоскоростных цифровых схем. Они находят широкое применение в таких устройствах, как цифровые интегральные схемы и микропроцессоры, и они являются предпочтительными транзисторами для использования в современных компьютерных процессорах.

Открытый коллектор против открытого дренажа — Digilent Blog

В чем разница между Pmod OD1 и Pmod OC1 ? В чем разница между выходом с открытым стоком и выходом с открытым коллектором ? В чем разница между MOSFET (металлооксидный полевой транзистор) и BJT (биполярный транзистор)? Оказывается, это, по сути, один и тот же вопрос! Однако для осознания этого может потребоваться некоторое время, особенно если вы новичок в понимании различных транзисторных технологий.Чтобы найти ответ, мы начнем с последней версии вопроса и вернемся к первой.

Краткий обзор транзисторов

BJT и MOSFET — это два разных типа транзисторов. У них схожие функции, но разные характеристики. С точки зрения функциональности, они оба могут использоваться как усилители или переключатели. Как усилители, они принимают небольшой ток на одном конце и производят гораздо больший ток на другом конце. Это особенно полезно в аналоговых схемах, где транзисторы составляют основу таких компонентов, как операционные усилители.

В качестве переключателей небольшой ток через одну часть транзистора может включать больший ток через другую его часть. Другими словами, транзистор может находиться в двух различных состояниях и представлять два разных значения; 0 или 1, выключено или включено. Это особенно полезно в цифровых схемах и является основой работы всех компьютерных микросхем.

Все транзисторы сделаны из кремния, электрически нейтрального химического элемента, определенного как полупроводник , что означает, что он не является ни сильным проводником электричества, ни отличным изолятором.Что такого полезного в кремнии, так это то, что его поведение можно изменить известным способом, добавив примеси, с помощью процесса, называемого «легирование». Если кремний легирован определенными химическими веществами, он получает дополнительные «свободные» электроны и может легче переносить электрический ток. Этот тип кремния известен как n-тип или отрицательный тип.

Можно сделать и обратное, создав p-типа или положительного типа, который имеет меньше свободных электронов и часто описывается как имеющий дырок, там, где должны быть электроны.Однако обратите внимание, что кремний n-типа или p-типа не заряжен электрически. Следовательно, их можно соединить вместе, и электроны и дырки не начнут пересекать n-p переход, пока не будет приложен электрический ток (BJT) или напряжение (MOSFET). Различные конфигурации кремния n-типа и p-типа — вот что приводит к разнице между BJT и MOSFET.

БЮЦ

Биполярные переходные транзисторы (BJT) — это токовые устройства , которые бывают двух типов: NPN и PNP.Как следует из названия, NPN BJT имеют два слоя кремния n-типа, окружающие один слой кремния p-типа (и наоборот для PNP). У каждого слоя есть определенное имя: эмиттер, база и коллектор. См. Рисунок 1.

Принципы работы каждого типа BJT практически идентичны; Функциональное отличие заключается в основном в смещении переходов. Например, когда на базу NPN-транзистора подается положительное смещение, устройство включается, и ток течет от эмиттера к коллектору.Также известный как переключатель нижнего уровня, эмиттер подключается к GND , а коллектор подключается к нагрузке. Напротив, когда отрицательное смещение (или 0 В / GND) применяется к базе транзистора PNP, устройство включается, и ток течет от коллектора к эмиттеру в противоположном направлении от устройства NPN. Также известный как переключатель высокого напряжения, эмиттер подключается к источнику напряжения , а коллектор подключается к нагрузке.

С точки зрения плюсов и минусов, BJT удобны для управления маломощными светодиодами и аналогичными устройствами от обычных микроконтроллеров, которые могут выдавать только постоянное напряжение 5 В, таких как chipKIT и Arduino. Полевые МОП-транзисторы логического уровня можно использовать таким же образом, но, как правило, они дороже и их труднее найти, чем стандартные МОП-транзисторы, для включения которых требуется 10 В или более. BJT также переключаются быстрее, чем MOSFET, поэтому они хороши для высокочастотных приложений, однако они менее энергоэффективны, поэтому не всегда являются отличным выбором для приложений с батарейным питанием, где нагрузка переменная.

Для получения дополнительной информации о теории, лежащей в основе BJT, см. Ссылку , , а для получения поучительной анимации перейдите по ссылке , здесь .

МОП-транзисторы

Металлооксидные полевые транзисторы (MOSFET) — это , управляемые напряжением, устройства и похожи на BJT в том, что у них есть три разных вывода: исток , (аналог эмиттера), сток , (аналог коллектора) , и ворота (аналог основания).Как и BJT, полевые МОП-транзисторы состоят из кремния n-типа и p-типа, но они устроены несколько иначе. См. Рисунок 3.

Существует несколько подкатегорий полевых МОП-транзисторов, но я упомяну две подкатегории: N-канал и P-канал . Разница между ними заключается в приложенном напряжении и в том, какой тип носителя заряда отвечает за протекание тока. Для N-канального MOSFET источник подключается к земле , и устройство активируется путем подачи положительного напряжения на затвор .Это создает электрическое поле, «эффект поля», и позволяет электронам течь по тонкому каналу от истока к стоку. Для P-канального MOSFET источник подключается к Vcc , и устройство активируется путем подключения затвора к земле . Здесь носителями заряда выступают дырки, а не электроны. Чаще всего используются полевые МОП-транзисторы N-типа.

Примечание. Поскольку через полевой МОП-транзистор протекает только один тип заряда (электрон или дырка), они являются «униполярными» транзисторами в отличие от биполярных транзисторов, которые позволяют обоим типам зарядов проходить через переходы NP / PN.

С точки зрения плюсов и минусов, полевые МОП-транзисторы имеют бесконечно высокое входное сопротивление, что делает их полезными в усилителях мощности. Они также более энергоэффективны, чем BJT, и более терпимы к нагреванию. Хотя биполярные транзисторы могут переключаться быстрее, полевые МОП-транзисторы по-прежнему достаточно быстры для приложений с частотой менее 1 МГц и сегодня являются наиболее часто используемыми транзисторами. В общем, вы можете думать, что высокий входной импеданс и низкое энергопотребление = MOSFET, а работа на очень высоких частотах и ​​возможности привода с большим током = BJT.

Дополнительные сведения о полевых МОП-транзисторах см. В этой статье.

В чем разница между выходом с открытым стоком и выходом с открытым коллектором?

Я уверен, что после прочтения вышеперечисленных разделов вы догадались, как ответить на эту версию вопроса. Если вы сказали, что разница между MOSFET и BJT, вы были бы правы! Выходной вывод с открытым стоком или открытым коллектором — это просто вывод, управляемый одним транзистором, либо MOSFET, либо BJT соответственно. С точки зрения использования, ответ отражает вышеприведенное обсуждение плюсов и минусов самих MOSFET и BJT.Конечно, их также можно комбинировать, чтобы создать очень интересные схемы, используя сильные стороны каждой.

В чем разница между Pmod OD1 и Pmod OC1?

Наконец, мы подошли к последней форме вопроса, и снова ответ теперь очевиден. Pmod OD1 — это модуль вывода с открытым стоком с четырьмя выходными контактами с открытым стоком, каждый из которых управляется N-канальным полевым МОП-транзистором. Pmod OC1 — это модуль с открытым коллектором с четырьмя выходными контактами с открытым коллектором, каждый из которых управляется NPN BJT.Оба модуля используются для потребления более высокого тока, чем могут обеспечить контакты на вашем Digilent FPGA или микроконтроллере.

Pmod OC1 был разработан для управления устройствами с чуть более высоким током при 200 мА, такими как небольшая лампа или реле, и имеет более высокий рейтинг ESD, чем Pmod OD1. Поэтому он особенно прочен и подходит для студентов, которые учатся использовать эту схему. Он рассчитан на напряжение до 20 В. Pmod OD1 имеет винтовые клеммы на каждом штыре и был разработан специально для привода шаговых двигателей.Однако он также может использоваться для многих других приложений с высоким током до 3 А. Он рассчитан на напряжение до 40 В.

Для получения дополнительной информации о Pmod OD1 или Pmod OC1 посетите Digilent wiki или оставьте комментарий ниже!

Список литературы

Как использовать MOSFET — Учебное пособие для начинающих

Как использовать биполярный транзистор BJT — Учебное пособие для начинающих

Как работают транзисторы

Основы: Выходы с открытым коллектором

Разница между BJT и MOSFET

Открытый коллектор — Википедия

Поставщики и ресурсы беспроводной связи RF

О компании RF Wireless World

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи.На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, оптоволокно, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, Bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д. Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP.Он также имеет академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.

Статьи о системах на основе Интернета вещей

Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей. Узнать больше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система очистки туалетов самолета. • Система измерения столкновений • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной торговли • Система мониторинга качества воды. • Система Smart Grid • Система умного освещения на базе Zigbee • Умная парковка на базе Zigbee • Система умной парковки на основе LoRaWAN

RF Статьи о беспроводной связи

В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, относящиеся к испытаниям и измерениям, по тестированию на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF / PHY. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЬИ ДЛЯ ССЫЛКИ >>.

Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤

Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤

Основы и типы замирания : В этой статье рассматриваются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые замирания и т.д. Читать дальше➤

Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G. Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤

Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи по соседнему каналу, помехи в совмещенном канале, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤

5G NR Раздел

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д. 5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • 5G NR CORESET • Форматы DCI 5G NR • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Эталонные сигналы 5G NR • 5G NR m-последовательность • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • Уровень MAC 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень 5G NR PDCP

Учебные пособия по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ Учебников >>

Учебное пособие по 5G — В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Учебное пособие по основам 5G. Частотные диапазоны Учебник по миллиметровым волнам Волновая рама 5G мм Зондирование волнового канала 5G мм 4G против 5G Испытательное оборудование 5G Сетевая архитектура 5G Сетевые интерфейсы 5G NR канальное зондирование Типы каналов 5G FDD против TDD Разделение сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G TF

Этот учебник GSM охватывает основы GSM, архитектуру сети, элементы сети, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура или иерархия кадров GSM, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания, MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы работы с мобильным телефоном, Планирование RF, нисходящая линия связи PS-вызовов и восходящая линия связи PS-вызовов.
➤Подробнее.

LTE ​​Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.

RF Technology Stuff

Эта страница мира беспроводной радиосвязи описывает пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP от 70 МГц до диапазона C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера ➤Конструкция RF-фильтра ➤Система VSAT ➤Типы и основы микрополосковой печати ➤ОсновыWaveguide

Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования DUT на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.ИНДЕКС испытаний и измерений >>
➤Система PXI для T&M. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤Измерения слоя PHY ➤Тест на соответствие устройства WiMAX ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤ Тест на соответствие LTE UE ➤Тест на соответствие TD-SCDMA

Волоконно-оптическая технология

Оптоволоконный компонент , основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в оптоволоконной связи. Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебник по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤SONET основы ➤SDH Каркасная конструкция ➤SONET против SDH

Поставщики и производители радиочастотных беспроводных устройств

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, микросхема резистора, микросхема конденсатора, индуктор микросхемы, ответвитель, оборудование ЭМС, программное обеспечение для проектирования радиочастот, диэлектрический материал, диод и т. д.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤RF Циркулятор ➤RF Изолятор ➤Кристаллический осциллятор

MATLAB, Labview, встроенные исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL ➤Код MATLAB для дескремблера ➤32-битный код ALU Verilog ➤T, D, JK, SR триггеры labview коды

* Общая информация о здоровье населения *

Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: часто мойте их.
2. КОЛЕНО: Откашляйтесь
3. ЛИЦО: Не трогай его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома

Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, чтобы остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.

RF Беспроводные калькуляторы и преобразователи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц. Сюда входят такие беспроводные технологии, как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д. СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤5G NR ARFCN против преобразования частоты ➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤LTE EARFCN для преобразования частоты ➤Калькулятор антенн Яги ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR

IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ ➤EnOcean ➤Учебник по LoRa ➤Учебник по SIGFOX ➤WHDI ➤6LoWPAN ➤Zigbee RF4CE ➤NFC ➤Lonworks ➤CEBus ➤UPB

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

RF Wireless Учебники

Различные типы датчиков

Поделиться страницей

Перевести страницу

»Примечания по электронике

FET представляют собой форматы общего истока, общего затвора и общего стока, каждый из которых имеет свои собственные характеристики..

Конструкция схемы полевого транзистора, полевого транзистора Включает:
Основы проектирования схемы полевого транзистора Конфигурации схемы Общий источник Общий дренажный / истоковый повторитель Общие ворота

Конфигурации схемы полевого транзистора представляют собой форматы общего истока, общего затвора и общего стока. Каждый из них имеет свои собственные характеристики усиления по напряжению и току, а также входного и выходного сопротивления.

Выбор конфигурации или топологии схемы полевого транзистора является одним из ключевых параметров проектирования, на котором основывается общая конструкция схемы.

Основы конфигурации полевого транзистора

Терминология, используемая для обозначения трех основных конфигураций полевого транзистора, указывает на электрод полевого транзистора, который является общим для входных и выходных цепей. Это дает начало трем терминам: общий затвор, общий сток и общий исток.

Три различных конфигурации схемы полевого транзистора:

• Общий источник: Эта конфигурация полевого транзистора, вероятно, является наиболее широко используемой. Схема общего источника обеспечивает средние уровни входного и выходного сопротивления.Усиление по току и напряжению можно описать как среднее, но выход является обратным входному, то есть изменение фазы на 180 °. Это обеспечивает хорошую общую производительность и поэтому часто считается наиболее широко используемой конфигурацией.
  Конфигурация цепи полевого транзистора с общим истоком
• Общий сток: Эта конфигурация полевого транзистора также известна как истоковый повторитель. Причина этого в том, что напряжение истока следует за напряжением затвора. Обладая высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, он широко используется в качестве буфера.Коэффициент усиления по напряжению равен единице, хотя коэффициент усиления по току велик. Входной и выходной сигналы синфазны.
  Общий сток (истоковый повторитель) Конфигурация цепи полевого транзистора
• Общий затвор: Эта конфигурация транзистора обеспечивает низкий входной импеданс при высоком выходном сопротивлении. Несмотря на высокое напряжение, коэффициент усиления по току невелик, а общий коэффициент усиления по мощности также невелик по сравнению с другими доступными конфигурациями полевых транзисторов. Другой важной особенностью этой конфигурации является то, что вход и выход находятся в фазе.
  Конфигурация цепи полевого транзистора с общим затвором

Сводная таблица конфигурации цепи полевого транзистора

В таблице ниже приведены основные характеристики различных конфигураций схемы полевых транзисторов.

Как видно, разные конфигурации или топологии имеют разные характеристики.Общий источник — это наиболее широко используемая конфигурация схемы полевого транзистора, которая приравнивается к транзисторному усилителю с общим эмиттером. Повторитель с общим стоком или истоком на полевом транзисторе используется в качестве буферного усилителя и приравнивается к транзисторному усилителю с общим эмиттером.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

NUS5530MN

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > транслировать Acrobat Distiller 7.0 (Windows) 2006-05-17T14: 42: 24-07: 00BroadVision, Inc.2020-10-14T17: 26: 34 + 08: 002020-10-14T17: 26: 34 + 08: 00application / pdf

IGBT: часто задаваемые вопросы (FAQ))

Компании начинают осознавать потенциал новых рынков и возможности получения дохода ниже по мере того, как они исследуют более комплексную модель «кремний для обслуживания», которая охватывает от центра обработки данных до мобильной периферии. В частности, с уменьшением ASP (средние цены продажи) и все более непомерно высокими затратами на проектирование на все более низких узлах многие компании ищут новые потоки доходов в широком диапазоне вертикалей, включая Интернет вещей (IoT). ).

Однако с учетом того, что количество установок Интернета вещей, как ожидается, будет увеличиваться примерно на 15–20% ежегодно до 2020 года, безопасность в настоящее время воспринимается как серьезная возможность, так и серьезная проблема для полупроводниковой промышленности.

Помимо услуг, концепция оборудования с открытым исходным кодом (OSH) и создание микросхем из разукрупненных, предварительно проверенных чиплетов начинает набирать обороты по мере того, как компании сокращают расходы и сокращают время вывода на рынок гетерогенных конструкций.

Конкретные стратегии раскрытия всего потенциала кремния и услуг, несомненно, будут различаться, поэтому для нас важно исследовать будущее, в котором полупроводниковые компании, а также различные отрасли, организации и правительственные учреждения будут играть открытую и совместную роль в помогая устойчиво монетизировать как микросхемы, так и услуги.

В 2016 и 2017 годах продолжались быстрые приобретения и консолидация отрасли:

• Компания Analog Devices приобрела Linear Technology
• Infineon приобрела International Rectifier
• Компания ROHM приобрела Powervation
.
• Renesas приобрела Intersil

Крупные производители полупроводников позиционируют себя, чтобы лучше конкурировать в нескольких вертикалях, включая облачные вычисления, искусственный интеллект (AI) и беспилотные автомобили.Согласно KPMG, многие компании все чаще рассматривают слияния и поглощения (M&A) как единственный способ стимулировать рост реальной выручки, делая новый акцент на вопросе «производить или покупать», при этом многие выбирают ответ «покупать».

В то же время расходы на разработку микросхем продолжали расти и существенно влияли на количество разработок в усовершенствованных узлах. В частности, общее количество запусков SoC с расширенной производительностью многоядерных процессоров в первый раз практически не изменилось и выросло лишь незначительно за последние пять лет.Хотя цены на дизайн неуклонно растут с 40 нм, аналитиков больше всего беспокоит увеличение затрат на дизайн на 7 и 5 нм.

Рич Вавжиняк, старший аналитик Semico Research, подтверждает, что начало проектирования, превышающее 10 нм, будет сдерживаться ростом затрат на разработку. Хотя общее количество проектов, которые переносятся на новые узлы, может не сильно отличаться от предыдущих обновлений геометрии процесса, Вавжиняк говорит, что сроки для таких переходов большинством компаний будут более продолжительными.

Совершенно очевидно, что необходимы новые модели как для НИОКР, так и для доходов, поскольку усиление консолидации отрасли и ослабление АСП в долгосрочной перспективе невозможно. Именно поэтому отрасль стремится к Интернету вещей, чтобы создать дополнительные потоки доходов, и аналитики McKinsey Global Institute (MGI) оценивают, что IoT может иметь ежегодный экономический эффект от 3,9 до 11,1 триллиона долларов к 2025 году по нескольким вертикалям. Однако с учетом того, что количество установок Интернета вещей, как ожидается, будет увеличиваться примерно на 15–20% ежегодно до 2020 года, безопасность считается как серьезной возможностью, так и проблемой для полупроводниковых компаний.

Таким образом, MGI рекомендует создавать решения безопасности, которые позволяют компаниям, производящим полупроводники, расширяться в смежные области бизнеса и разрабатывать новые бизнес-модели. Например, компании могут помочь создать предложения по обеспечению сквозной безопасности, которые необходимы для успеха Интернета вещей. В идеале, по мнению MGI, отрасль должна играть ведущую роль при разработке таких предложений, чтобы гарантировать, что они получат свою справедливую долю в цепочке создания стоимости.

С нашей точки зрения, решения для сквозной безопасности Интернета вещей, развернутые как платформа как услуга (PaaS), имеют решающее значение для помощи полупроводниковым компаниям в получении возобновляемых доходов от реализации конкретных услуг.Для клиентов PaaS предлагает простой способ безопасной разработки, запуска и управления приложениями и устройствами без сложностей, связанных с построением и обслуживанием сложной инфраструктуры.

Такие решения безопасности, которые также могут использовать аппаратный корень доверия, должны поддерживать идентификацию устройства и взаимную аутентификацию (верификацию), стандартные проверки аттестации, безопасные обновления устройств по беспроводной сети (OTA), аварийное восстановление и ключ управление, а также вывод из эксплуатации и переназначение ключей для лучшего управления устройствами и смягчения различных атак, включая распределенный отказ в обслуживании (DDoS).

Умные города

Недоступные микросхемы — такие как микросхемы, встроенные в инфраструктуру интеллектуального города Интернета вещей — могут предложить полупроводниковым компаниям возможность реализовать долгосрочную модель PaaS «кремний для обслуживания». Действительно, инфраструктура будущего умного города почти наверняка будет спроектирована с использованием микросхем в труднодоступных местах, включая подземные водопроводные трубы, воздуховоды для кондиционирования воздуха, а также под улицами и на парковках.

Интеллектуальное уличное освещение, отзывчивые вывески и маячки Bluetooth нового поколения также требуют перспективных решений, чтобы избежать постоянного физического обслуживания и обновлений.Следовательно, микросхема, обеспечивающая питание инфраструктуры умного города, должна поддерживать безопасную конфигурацию функций в полевых условиях, а также различные услуги на основе PaaS, такие как расширенная аналитика, предупреждения о профилактическом обслуживании, алгоритмы самообучения и интеллектуальное проактивное взаимодействие с клиентами.

Умные дома

Прогнозируется, что к 2020 году глобальный рынок умного дома достигнет стоимости не менее 40 миллиардов долларов. По данным Markets and Markets, рост пространства умного дома можно объяснить множеством факторов, в том числе значительными достижениями в секторе Интернета вещей; возрастающие требования к удобству, безопасности и защищенности потребителей; более выраженная потребность в энергосберегающих решениях с низким уровнем выбросов углерода.Однако, как мы уже обсуждали ранее, крайне важно обеспечить реализацию безопасности Интернета вещей на этапе проектирования продукта, чтобы предотвратить использование злоумышленниками устройств умного дома и прерывание обслуживания.

В дополнение к потенциально прибыльным возможностям кибербезопасности для компаний, производящих полупроводники, устройства «умный дом» обещают создать повторяющиеся потоки доходов для поддержки устойчивой модели «переход от кремния к услугам». В качестве примера Кристопер Дин из MarketingInsider выделяет популярные устройства Echo от Amazon.Поскольку уже продано не менее 15 миллионов Echo, пользователи Echo, скорее всего, станут активными потребителями Amazon, используя устройство для отслеживания списков желаний и поиска товаров, которые им впоследствии предлагается купить. Между тем, Nest использует данные термостата в качестве платформы для предложения услуг по управлению энергопотреблением коммунальным компаниям в Соединенных Штатах, при этом компании платят за значимую и действенную информацию о клиентах по подписке.

Автомобильная промышленность

По данным IC Insights, в период с 2016 по 2021 год продажи микросхем для автомобильных систем и Интернета вещей будут расти на 70% быстрее, чем общие доходы от IC.В частности, продажи интегральных схем для автомобилей и других транспортных средств, по прогнозам, вырастут с 22,9 млрд долларов в 2016 году до 42,9 млрд долларов в 2021 году, а доходы от функциональности Интернета вещей увеличатся с 18,4 млрд долларов в 2016 году до 34,2 млрд долларов в 2021 году.

Прогнозируемый рост продаж автомобильных микросхем неудивителен, поскольку современные автомобили по сути представляют собой сеть сетей, оснащенных рядом встроенных методов и возможностей связи. Однако это означает, что автомобили теперь более уязвимы для кибератак, чем когда-либо прежде.

Потенциальные уязвимости системы безопасности включают незащищенную связь между транспортными средствами, несанкционированный сбор информации о водителе или пассажирах, захват контроля над критически важными системами, такими как тормоза или акселераторы, перехват данных транспортного средства, вмешательство в работу сторонних ключей и изменение избыточного кода. обновления прошивки по воздуху (OTA). Что касается последнего, производители автомобилей сейчас сосредоточены на предоставлении безопасных обновлений OTA для различных систем, при этом глобальный рынок автомобильных обновлений OTA, по прогнозам, будет расти со среднегодовым темпом роста 18.2% с 2017 по 2022 год и достигнет 3,89 миллиарда долларов к 2022 году.

Производители автомобилей также работают над тем, чтобы в цепочке поставок транспортных средств не было украденных и контрафактных компонентов. Тем не менее, широкий спектр устройств с серого рынка все еще можно найти для питания дорогостоящих модулей, таких как бортовые информационно-развлекательные системы и фары, а также в критически важных системах безопасности, включая модули подушек безопасности, тормозные модули и органы управления трансмиссией. Таким образом, защита периферийных устройств и компонентов транспортных средств от несанкционированного доступа путем внедрения ряда многоуровневых аппаратных и программных решений безопасности стала приоритетной задачей для ряда производителей автомобилей.

Помимо внедрения многоуровневых решений безопасности, полупроводниковая промышленность явно выиграет от принятия подхода IoT «как услуга» к автомобильному сектору. Например, компании могут развернуть сенсорные автомобильные системы, которые заблаговременно обнаруживают потенциальные проблемы и неисправности. Это решение, которое в наиболее оптимальной конфигурации сочетает в себе микросхемы и услуги, может быть продано как аппаратный и программный продукт или развернуто как услуга с ежемесячной или ежегодной абонентской платой.

Медицина и здравоохранение

Имплантированные медицинские устройства с длительным сроком службы, несомненно, потребуют от полупроводниковой промышленности высокой степени готовности к будущему, чтобы избежать частых физических обновлений и технического обслуживания. Шрихари Яманур, специалист по дизайну в области исследований и разработок в Stellartech Research Corp., отмечает, что медицинские устройства в конечном итоге будут адаптированы для удовлетворения потребностей отдельных пациентов, что приведет к расширению применения точной медицины.

Кроме того, ожидается, что отрасль медицинского страхования будет использовать машинное обучение для оптимизации и снижения стоимости медицинского обслуживания, в то время как цифровые медицинские устройства также будут использоваться страховой отраслью для выявления пациентов из группы риска и оказания помощи.Поэтому медицинские устройства, особенно имплантируемые модели, должны быть спроектированы таким образом, чтобы поддерживать «модель перехода от кремния к услугам» через конфигурацию функций в полевых условиях и безопасные обновления OTA, а также услуги на основе PaaS, включая сбор и анализ соответствующих данных; проактивное обслуживание, продвинутые алгоритмы; и интуитивно понятный интерфейс как для пациентов, так и для врачей.

Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом и дезагрегированные чиплеты

Наряду с услугами, оборудование с открытым исходным кодом, предлагаемое такими организациями и компаниями, как RISC-V и SiFive, начало положительно влиять на индустрию полупроводников, поощряя инновации, сокращая затраты на разработку и ускоряя время вывода продукта на рынок.

Успех программного обеспечения с открытым исходным кодом — в отличие от закрытого, огороженного сада — продолжает создавать важный прецедент для полупроводниковой промышленности. Столкнувшись с чрезмерно высокими затратами на разработку, ряд компаний предпочитают избегать ненужных сборщиков дорожных сборов, уделяя больше внимания архитектуре с открытым исходным кодом, поскольку они работают над созданием новых потоков доходов, ориентированных на услуги.

Помимо аппаратного обеспечения с открытым исходным кодом, концепция построения кремния из предварительно проверенных чиплетов начинает набирать обороты, поскольку полупроводниковая промышленность движется к снижению затрат и сокращению времени вывода на рынок гетерогенных конструкций.По словам Энн Стефора Мутчлер из Semiconductor Engineering, концепция чиплета некоторое время находилась в стадии разработки, хотя исторически она воспринималась как потенциальное направление будущего, а не реальное решение в тени убывающего закона Мура. Это восприятие начинает меняться по мере увеличения сложности конструкции, особенно в усовершенствованных узлах (10/7 нм), а также по мере объединения новых рынков, требующих частично настраиваемых решений.

Концепция предварительно проверенных чиплетов вызвала интерес U.Агентство перспективных исследовательских проектов S. Defense (DARPA), которое недавно развернуло свою программу общей гетерогенной интеграции и стратегий повторного использования IP (CHIPS). В сотрудничестве с полупроводниковой промышленностью успешная реализация CHIPS позволила бы увидеть ряд IP-блоков, подсистем и микросхем, объединенных на переходнике в корпусе, подобном 2.5D.

Инициатива CHIPS заняла центральное место в августе 2017 года, когда участники из военного, коммерческого и академического секторов собрались в штаб-квартире DARPA на официальном стартовом совещании по программе Агентства по стратегии общей гетерогенной интеграции и повторного использования интеллектуальной собственности (ИС).

Как сообщил на конференции д-р Дэниел Грин из DARPA, программа направлена ​​на разработку новой технологической структуры, в которой различные функции и блоки интеллектуальной собственности, в том числе хранение данных, вычисления, обработка сигналов, а также управление формой и потоком данных — можно разделить на небольшие чиплеты. Затем их можно смешивать, сопоставлять и комбинировать на промежуточном элементе, что-то вроде соединения частей головоломки. Фактически, говорит Грин, всю обычную печатную плату с множеством различных, но полноразмерных микросхем в конечном итоге можно было бы сжать до гораздо меньшего промежуточного устройства, на котором размещена куча, но гораздо меньших микросхем.

Согласно DARPA, конкретные технологии, которые могут возникнуть в результате инициативы CHIPS, включают компактную замену целых печатных плат, сверхширокополосные радиочастотные (РЧ) системы и системы быстрого обучения для извлечения интересной и действенной информации из гораздо больших объемов обычных данных. .

Возможно, неудивительно, что полупроводниковая промышленность уже рассматривает дезагрегированный подход в виде микросхем SerDes и специализированных маломощных интерфейсов «кристалл-кристалл» для конкретных приложений.Безусловно, жизнеспособное разделение кремниевых компонентов может быть достигнуто путем перемещения высокоскоростных интерфейсов, таких как SerDes, на отдельные кристаллы в виде микросхем SerDes, смещения IP аналогового датчика на отдельные аналоговые микросхемы и реализации перехода кристалла с очень низким энергопотреблением и малой задержкой. die интерфейсы через MCM или через переходник с использованием технологии 2.5D.

Помимо использования заведомо исправной матрицы для SerDes в более зрелых узлах (N-1) или наоборот, ожидается, что дезагрегация упростит создание нескольких SKU при оптимизации затрат и снижении риска.Точнее, дезагрегирование приведет к разбивке SoC на более высокопроизводительные и меньшие матрицы и позволит компаниям создавать определенные конструкции с несколькими вариантами. Действительно, интерфейсы «от кристалла к кристаллу» могут более легко адаптироваться к различным приложениям, связанным с памятью, логикой и аналоговыми технологиями. Кроме того, для интерфейсов «от кристалла к кристаллу» не требуется согласованной скорости линии / передачи и количества дорожек, в то время как FEC может потребоваться, а может и не потребоваться в зависимости от требований к задержке.

Следует отметить, что несколько компаний активно занимаются агрегацией SoC / ASIC для коммутаторов и других систем.Точно так же полупроводниковая промышленность разрабатывает ASIC с интерфейсами «кристалл-кристалл» на ведущих узлах FinFET, в то время как по крайней мере один серверный чип следующего поколения разрабатывается с дезагрегированным вводом-выводом на отдельном кристалле.

Заключение

За последние пять лет полупроводниковая промышленность столкнулась с множеством сложных проблем. К ним относятся увеличение затрат на разработку, размытие ASP, насыщение рынка и повышенная, но неустойчивая деятельность по слияниям и поглощениям. В течение 2018 года полупроводниковая промышленность продолжает стремиться к возвращению к стабильности и органическому росту в рамках параметров новой бизнес-парадигмы, одновременно жизнеспособной и основанной на сотрудничестве.В этом контексте компании, производящие полупроводники, осознают потенциал новых рынков и возможности получения доходов в нисходящем направлении, поскольку они исследуют более комплексную модель «от кремния к услугам», которая охватывает центр обработки данных и мобильную периферию.

Сюда входят решения для сквозной безопасности IoT и услуги на основе PaaS, такие как конфигурация функций на месте, расширенная аналитика, предупреждения о профилактическом обслуживании, алгоритмы самообучения и интеллектуальное упреждающее взаимодействие с клиентами. Помимо услуг, концепция оборудования с открытым исходным кодом и создание микросхем из разукрупненных, предварительно проверенных микросхем начинает набирать обороты, поскольку компании переходят к сокращению затрат и сокращению времени вывода на рынок гетерогенных конструкций.