общий исток, общий сток, общий затвор
⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 8Следующая ⇒Полевые транзисторы (униполярные)— п/п приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля.
С точки зрения носителя заряда их называют униполярные (одной полярности).
С точки зрения управления электрическим полем — полевыми.
Различают схемы включения:
— с общим истоком (подобно общему эмиттеру) которые позволяют получить усиление тока и напряжения и инвертирование фаз напряжения при усилении, имеют очень высокое входное и выходное сопротивления;
— с общим стоком (подобно общему коллектору и эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем) имеет коэффициент усиления по напряжению, стремящийся к единице, выходное напряжение по значению и фазе повторяют входное, имеют очень высокое входное и низкое выходное сопротивления;
— с общим затвором (подобно общей базе)не дает усиления тока и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме с ОИ, входное сопротивление мало, в усилителях не используются, применяется в качестве линейных ключей и электронных потенциометров.
Схемы включений ПТ.
1. Схема с общим истоком
Схема обладает высоким входным сопротивлением, которое ограничивается сопротивлением затвора (КП303Г – утечка 0,1нА), и достаточно высоким выходным сопротивлением, также, как и в схемах с ОЭ.
Фаза инвертируется.
С целью увеличения Кu включаем Сu и Ru’. Для обеспечения максимального Кu можно принять Ru’ равное 0. Однако, из-за нелинейности выходной характеристики возникают большие нелинейные искажения, особенно для большого сигнала. (Кu=S*Rc).
Используются для согласования между собой высокоомного генератора и усилителя, также в качестве ключевого каскада в импульсных блоках питания (благодаря отсутствия у них явления вторичного пробоя, характерного для БПТ).
2.Схема с общим стоком.
Выходное сопротивление уменьшается за счёт введения последовательной ООС по напряжению с помощью Ru.
Используется для согласования высокого сопротивления генератора с низким сопротивлением усилителя, высокого выходного сопротивления источника тока усилителя напряжения с низким сопротивлением нагрузки, особенно в выходных каскадах сверхкачественных усилителей мощности относительно низкой стоимости.
3.Схема с общим затвором.
В отличие от БПТ сопротивление канала ПТ является линейной, т.е. не вносит нелинейных искажений.
БТИЗ (IGBT) – биполярный транзистор с изолированным затвором. Достоинства по сравнению с МОП.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — InsulatedGateBipolarTransistors) — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1 приведено условное обозначение IGBT.
Рис. 1. Условное обозначение IGBT | Рис. 2. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT |
Коммерческое использование IGBT началось с 80-х годов и уже претерпела четыре стадии своего развития.
IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления — выводом G (затвор).
Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.
23.
В общем случае обратную связь (ОС) можно определить как связь выходной цепи усилителя или каскада усиления с его входной цепью. Она образуется тогда, когда усиленный сигнал с выхода отдельного каскада усилителя или усилителя в целом передается на его вход через цепи, дополнительно вводимые для этого (внешняя ОС) или уже имеющиеся в нем для выполнения других функций (внутренняя ОС). К последним, например, относятся общая цепь источника питания усилителя, межэлектродные емкости в электронных приборах.
В большинстве случаев внутренняя ОС и непреднамеренно возникшие цепи внешней ОС (например, из-за близкого расположения при монтаже деталей, соединительных проводов входных и выходных цепей усилителя) вызывают так называемую
На рисунке приведена структурная схема усилителя с коэффициентом усиления К, охваченного внешней цепью ОС с коэффициентом передачи β. Цепь вместе с усилителем, к которому она подключена, образует замкнутый контур, называемый петлей ОС. Стрелками показаны направления прохождения сигнала.
Часть усиленного внешнего сигнала с выхода усилителя (прямая цепь передачи сигналов) поступает по цепи ОС на его вход и складывается там с внешним сигналом. При таком сложении амплитуд сигналов (внешнего и ОС) на входе усилителя возможны два принципиально отличных по конечному действию случая: либо сумма амплитуд сигналов больше амплитуды внешнего сигнала (фазы колебаний с одинаковой частотой на выходе цепи ОС и входной сигнала совпадают, сдвиг фаз равен 0°), либо меньше его (их фазы противоположны, сдвиг фаз равен 180°). В первом случае говорят о
Обратная связь (ОС), охватывающая один каскад, называется местной, несколько — общей.
Если во входной цепи усилителя вычитается ток в цепи ОС из тока входного сигнала, то такую ООС называют параллельной. Если во входной цепи вычитается напряжение входного сигнала из сигнала ОС, то такую ООС называют последовательной. По способу получения (снятия) сигнала ООС с выхода усилителя различают ООС по напряжению (когда сигнал ООС пропорционален
Транзисторы.» База, Эмиттер, Коллектор», «Сток, исток, затвор», это одно и тоже, просто разные обозначения или есть разница?
<a rel=»nofollow» href=»http://umal.me/0sc» target=»_blank» >Смотрu тут</a>
Дaвно спpашuвалa <a rel=»nofollow» href=»http://umal.me/0sc» target=»_blank» > ответ</a>
<a rel=»nofollow» href=»http://umal.me/0sc» target=»_blank» >Смотpu тут</a>
Есть разница. Первое для биполярных транзисторов, второе для полевых, они совершенно по-разному устроены. Между этими транзисторами есть только аналогия по назначению выводов. Как и с электронными лампами — «сетка, катод, анод» .
это типа одно и тоже у разных типов транзисторов
Это как бутылки с вином и водкой. Все вроде одинаково, а внутри содержание разное.
оба теоретически как управляемый вентиль т. е. есть два контакта для подключения в цепь и управление физически разные явления происходят
Теоретическая часть
Лабораторная работа № 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Цель работы: изучение свойств полевых транзисторов, приобретение практических навыков анализа характеристик полевых транзисторов.
Работа выполняется в системе моделирования MicroCAP.
В работе необходимо определить характеристики полевых транзисторов.
Полевыми транзисторами называются полупроводниковые элементы, которые в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем, т.е. практически без затрат мощности управляющего сигнала.
Существуют две больших группы полевых транзисторов:
полевые транзисторы с управляющим p – n переходом (JFET – Junction Field Effect Transistor), в которых изоляция канала от источника управляющего напряжения обеспечивается обратно смещенным p – n переходом;
полевые транзисторы с МОП (металл – оксид — полупроводник) или МДП (металл – диэлектрик — полупроводник) структурой. Зарубежное обозначение MOSFET (или сокращенно MOS). В этих транзисторах изоляция канала от управляющего электрода обеспечивается с помощью диэлектрика (двуокиси кремния).
МОП – транзисторы бывают двух видов: со встроенным (созданным технологически) каналом и с индуцированным (создается внешним электрическим полем) каналом. Все типы транзисторов могут быть как n – канальные, так и p – канальные. Классификация и условные графические изображения транзисторов приведены на рис.1.
В системе моделирования MicroCAP транзисторы с управляющим p – n переходом обозначаются как NJFET и PJFET, МОП – транзисторы как NMOS и PMOS. В MicroCAP не делается различие между МОП транзисторами со встроенным и индуцированным (наведенным) каналом. Отличить один тип транзистора от другого можно по величине напряжения отсечки или пороговому напряжению – параметр VTO полевого транзистора. DNMOS и DPMOS – это МОП транзисторы с индуцированным каналом, у которых подложка соединена с истоком.
Затвор З (G – gate) – управляющий электрод. Он управляет величиной сопротивления между стоком С (D — drain) и истоком И (S — source). Управляющим напряжением является напряжение Uзи. Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т.е. их свойства не изменяются, если электроды С и И поменять местами.
Рассмотрим сначала работу полевого транзистора с управляющим р – n переходом. Полевой транзистор с управляющим p – n – переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от которого сделаны два вывода – сток – исток рис.2. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод – затвор. Для включения транзистора напряжение Uси прикладывают так, чтобы между стоком и истоком протекал ток, а напряжение, приложенное к затвору смещает его в обратном направлении (рис.3).
Сопротивление области сток – исток (канала) зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему отрицательного обратного напряжения на затворе. Это приводит к увеличению сопротивления канала. Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p – n — переходом основана на изменении сопротивления канала сток – исток за счет изменения обратного напряжения Uзи. Напряжение Uзи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения тока стока называется напряжением отсечки полевого транзистора – Uзи отс.
Ширина p – n — перехода, следовательно, и сопротивление канала зависит от тока, протекающего через канал. Если Uси > 0, то ток стока, создает по длине канала падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор – канал, это приводит к уменьшению проводимости канала (к увеличению сопротивления). По мере роста Uси ток стока как функция напряжения сток – исток, все сильнее отклоняется от линейной. При определенном значении тока наступает режим насыщения, который характеризуется, тем, что с увеличением Uси ток стока (канала) увеличивается незначительно.
Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения.
Характеристики полевого транзистора с управляющим p – n – переходом показаны на рис. 4.
Качественно характеристики полевого транзистора подобны характеристикам биполярного транзистора. При этом сток полевого транзистора соответствует коллектору биполярного транзистора, затвор — базе и исток – эмиттеру биполярного транзистора. Так как входной ток полевого транзистора практически равен 0, то входная характеристика не строится.
Из передаточной характеристики видно, что ток стока транзистора протекает при напряжении Uзи = 0. Такие транзисторы называются нормально-открытыми. Значение тока стока при Uзи = 0 называется начальным током стока IC нач. Его величина для маломощных полевых транзисторов может быть равна IC нач = 1, …, 50 мА. Напряжение Uзи не должно превосходить величины 0 В, т.к. в противном случае p – n переход между затвором и каналом смещается в прямом направлении и транзистор будет потреблять большой входной ток, при этом теряется основное преимущество полевого транзистора – возможность управления напряжением, а не током.
Напряжение Uзи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения называется напряжением отсечки полевого транзистора. Для n – канальных транзисторов напряжение отсечки отрицательное, а для p – канальных положительное. Величина напряжения отсечки составляет |Uотс| = 0,5 … 5 В.
В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить три области.
Область I – крутая область – может использоваться как омическое управляемое сопротивление. При этом напряжение между стоком и истоком относительно мало.
Область II называется пологой или областью насыщения. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом (в области насыщения) участке характеристик. В III области происходит пробой транзистора.
Как уже отмечалось, напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Как видно из выходных характеристик, напряжение насыщения меняется при изменении напряжения Uзи. Так как влияние Uзи и Uси на ширину канала у стокового вывода практически одинаково, то Uси нас при Uзи = 0 равно |Uотс| и
Uси нас = |Uзи отс| — |Uзи|.
Другими словами, напряжения насыщения транзистора можно получить путем наложения передаточной характеристики на выходные и совмещая Uотс с началом координат.
При работе в пологой области передаточная характеристика полевого транзистора, представленная на рис.4 а может быть описана уравнением
, | (1) |
где Ic нач – начальный ток стока.
Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики
при Uси = const.
Продифференцировав выражение (1) получим формулу для вычисления крутизны транзистора
, | (2) |
Максимальное значение крутизны транзистора достигается при Uзи = 0
, | (3) |
Максимальная крутизна полевого транзистора составляет Smax = 2, …, 20 мА/В.
Можно отметить, что при равных токах стока полевого и коллектора биполярного транзисторов крутизна полевого транзистора существенно ниже, чем биполярного.
МОП (МДП) транзисторы
Основой МОП (металл – оксид — полупроводник) транзистора является кремниевая подложка с проводимостью p- или n- типа (рис 5). На подложке на малом расстоянии друг от друга созданы две области — истока и стока с проводимостью, противоположной проводимости материала подложки. Между стоком и истоком над поверхностью расположена металлическая пленка — затвор, изолированная от подложки тонким слоем диэлектрика — диоксида кремния SiO2. Отсюда и другие названия приборов этого класса: МДП транзисторы или транзисторы с изолированным затвором.
Участок подложки под затвором между истоком и стоком образует проводящий канал. Работа МОП транзистора основана на изменении концентрации свободных носителей заряда в канале под влиянием электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным между затвором и истоком. Для этих приборов характерна взаимозаменяемость стока и истока, т. е. ток в канале может протекать в обоих направлениях в зависимости от полярности напряжения, приложенного к каналу.
В зависимости от устройства канала проводимости различают МОП транзисторы со встроенным и индуцированным (наведенным) каналом. Это в равной мере относится к приборам p- и n- типа. У транзисторов со встроенным каналом канал является элементом конструкции, а у приборов с индуцированным каналом канал, как таковой, отсутствует: он наводится внешним напряжением.
Напряжение питания подают на сток и исток. У транзисторов с каналом n-типа сток должен иметь положительный потенциал относительно истока. Так как подложка образует с каналом диодное соединение, то напряжение на ней должно быть ниже напряжения проводимости. Она может быть соединена с истоком или с точкой схемы, в которой напряжение ниже, чем у истока n – канального и выше чем у p – канального МОП – транзистора. Вывод подложки в большинстве случаев соединяют с истоком.
МОП — транзисторы со встроенным каналом находят применение в аналоговой технике. В дискретной технике употребляется МОП — транзистор с индуцированным каналом.
На рис.6 изображены передаточные характеристики МОП транзисторов со встроенным и индуцированным каналами для n — и p — типов. Эти характеристики показывают зависимость тока стока (канала) транзистора от напряжения затвор — исток. Выходные характеристики МОП – транзистора подобны выходным характеристикам транзистора с управляющим p – n переходом.
У МОП – транзистора затвор может иметь любую полярность о относительно истока; при этом тока затвора не будет, поскольку затвор гальванически не связан с цепью сток – исток.
Характеристики МОП транзистора со встроенным каналом аналогичны характеристикам транзистора с управляющим p – n переходом.
Рассмотрим подробнее работу транзистора с индуцированным каналом n-типа. При включении транзистора напряжение на стоке должно быть одной полярности с напряжением на затворе, при котором образуется канал проводимости. Когда на затворе нулевое напряжение, ток в цепи сток — исток отсутствует, так как обе эти области электрически изолированы друг от друга. Когда к затвору транзистора приложено положительное напряжение, в слое полупроводника подложки под затвором происходит инверсия типа проводимости поверхностного слоя между истоком и стоком за счет концентрации свободных электронов.
С ростом положительного смещения на затворе наступает момент, когда концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в материале подложки p — типа образуется тонкий инверсный слой n — типа. Этот слой становится токопроводящим каналом между n- областями истока и стока.
Напряжение затвор — исток, при котором возникает канал и в цепи сток — исток появляется ток, называется пороговым Uпор. Пороговое напряжение лежит в пределах 1,5 — 3 В.
Канал в транзисторах p- типа формируется сходным образом с той лишь разницей, что электроны и дырки меняются местами. МОП — транзисторы с наведенным каналом часто называют транзистором с обогащением.
Полевой транзистор
Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET
Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 1017 Ом).
Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.
В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).
МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.
Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.
На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N+-типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N+-типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком
Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.
Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N+ находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока Uзи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.
Когда Uзи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток Iси. Чем выше напряжение на затворе транзистора Uзи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.
Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.
ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток Iси растет прямопропорционально росту напряжения Uси. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток Iси практически не растет. Этот участок называют активная область.
Когда Uси превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.
Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.
Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.
Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.
Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (Uзи = 0). В результате через канал пойдет ток Iси, представляющий собой поток электронов.
Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток Iси уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.
Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток Iси увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.
Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.
Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.
Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)
Главные преимущества полевых транзисторов
- Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
- Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
- Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
- У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.
Главные недостатки полевых транзисторов
- У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
- Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
- Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».
-
При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).
Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.
-
Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.
Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки