История создания и реализации полевых транзисторов

Первый полевой транзистор был изобретен Юлий Эдгаром Лилиенфельдом – австро-венгерским ученым-физиком, посвятившим большую часть жизни изучению транзисторного эффекта. Случилось это в 1928 году, однако первая технология изготовления транзисторов не позволяла физически реализовать этот радиоэлемент в промышленности. Первый работающий полевой транзистор с изолированным затвором, согласно трудам Лилиенфельда, произвели в США лишь в 1960 году. За 7 лет до этого была предложена другая технология изготовления полевого транзистора на базе управляющего p-n перехода (МОП транзистор). На основе трудов Вальтера Шоттки в 1966 году американский инженер Карвер Андресс Мид предложил новый тип транзисторов с использованием барьера Шоттки. В 1977 году было установлено, что применение полевых транзисторов в вычислительной технике значительно повышает расчетные мощности электронных устройств, что положило начало разработок компьютерных процессоров и логических микросхем на основе полевого транзистора. Более корректным названием полевого транзистора является униполярный транзистор (управляемый одним электрическим полем), однако в народе это название не прижилось.

Физические основы работы полевого транзистора

Полевым (униполярным) транзистором называют электронное устройство, в основе которого лежит принцип использования зарядов только одного знака, т.е. электронов или дырок. Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала под действием электрического поля, а не потенциала напряжения, что является основным отличием полевого транзистора от биполярного. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом, встроенным каналом и индуцированным каналом. Транзисторы с встроенным и индуцированным каналом так же относятся к разновидности МДП транзисторов.

Устройство полевого транзистора

а – с p-n переходом; б – с изолированным затвором и встроенным каналом; в – с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Работа полевых транзисторов основана на движении основных носителей в полупроводнике.

Полевой транзистор с p-n переходом.

Данный транзистор состоит из основного канала полупроводника n-типа, изготовленного из пластины кремния с омическими выводами с каждого конца. Канал образован методом диффузии (введением легированного материала) и образует тончайший слой с дырочной проводимостью. Канал заключен между двумя электродами p-типа, соединенными между собой. Таким образом, n-канал образует два p-n перехода, расположенных параллельно направлению тока. Вывод, через который поступают носителя заряда, называют истоком (И), а электрод, откуда заряд вытекает – стоком (С). Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором (З). Существуют два типа канала. Положительный заряд протекает через канал с p проводимостью, а отрицательный заряд проходит через канал с n проводимостью. На рисунке ниже представлен полевой канал с отрицательной проводимостью, управляемый полем положительной полярности. В данном случае через канал от истока к стоку передвигаются электроны. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p типа.

Управляющее или входное напряжение (Uзи) подается между затвором и истоком. Это напряжение для обоих p-n переходов является обратным. В выходную цепь, в которую так же входит канал транзистора, подключается напряжение Uси положительным полюсом к стоку.

Способность управления транзистором объясняется тем фактором, что при изменении напряжения Uзи будет изменяться ширина p-n переходов, которые представляют собой участки в полупроводнике, которые обеднены носителями заряда. Так как p-слой c меньшим сопротивлением имеет большую концентрацию примесей по сравнению с n-слоем, то управление изменением ширина канала происходит за счет более высокоомного n-слоя. При этом изменяется сечение, и проводимость токопроводящего канала (Ic – ток стока) от истока к стоку.

Особенность работы полевого транзистора заключается во влиянии напряжения Uзи и Uси на проводимость канала. Влияние подводимых напряжений отображает рисунок ниже.

На рисунке:

А) напряжение прикладывается только к входной управляющей цепи. Изменение Uзи управляет сечением канала по всей ширине, однако, выходной ток Ic=0 из-за отсутствия напряжения Uси.

Б) Присутствует только напряжение канала, управляющее напряжение отсутствует и начинает протекать ток Ic. Создается падение напряжения на стоковом электроде, в результате пропускная способность канала сужается и при некотором значении границы p-n переходов смыкаются. Повышается внутреннее сопротивление канала и ток Ic далее не способен проходить.

В) В этом варианте на рисунке показано суммарное значение напряжений, когда канал напряжения Uси заперт малым управляющим напряжением Uзи. При подаче этого напряжения происходит расширение n области и начинает протекать ток Ic.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП и МОП)

В этих транзисторах затворный электрод отделен от канала тонким изолирующим слоем из окиси кремния. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура металл – окисел - полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов. Проникновения управляющего поля в канал не затруднено, но ток затвора сильно уменьшается и не зависит от полярности приложенного напряжения к затвору. МДП-транзисторы (структура металл – диэлектрик - полупроводник) выполняют из кремния. Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.

Каналы полевых МДП транзисторов могут быть обедненного (б - встроенный канал) и обогащенного типа (в - индуцированный канал), (см. рисунок устройства полевого транзистора).

По встроенному каналу течет ток Iс при отсутствии напряжения Uзи. Его значением можно управлять в сторону уменьшения, подав положительное напряжение Uзи, если транзистор с p-каналом и отрицательное напряжение, если транзистор с n-каналом. Другими словами – закрыть транзистор управляющим обратным напряжением.

В индуцированном канале, если отсутствует напряжение Uзи ток между стоком и истоком очень мал. При подаче управляющего напряжения ток Iси увеличивается.

Итак, управляющее напряжение при его подаче на затвор транзистора с встроенным каналом – закрывает транзистор, в индукционном канале - открывает транзистор.

Вольт - амперная и сток - затворная характеристики полевого транзистора

ВАХ полевого транзистора определяет его выходные (стоковые) характеристики, а так же содержит информацию о его свойствах в различных режимах работы. Кроме того ВАХ отображает связь параметров между собой. По графику можно определить некоторые параметры, не документированные в описании к транзистору, произвести расчеты уровня напряжения цепей смещения (Uзи), стабилизацию режима, а так же дать оценку работы полевого транзистора в широком диапазоне токов и напряжений.

На рисунке слева показан пример стоковой характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом p-типа при различных фиксированных управляющих напряжениях Uзи. Графики отображают зависимость тока стока (Ic) от напряжения сток – исток (Uси). На каждой из этих кривых присутствуют 3 характерные области:

1. Сильная зависимость тока Ic от напряжения Uси (участок до штрих - пунктирной линии). Эта часть определяет период насыщения канала до напряжения Uси нас, при котором транзистор переходит в закрытое (открытое) состояние. Чем выше управляющее напряжение смещения Uзи, тем раньше закроется (откроется) полевой транзистор.

2. Слабая зависимость тока Ic, когда канал насыщается до своего максимального значения и переходит в постоянно закрытое (открытое) состояние.

3. В момент, когда напряжение Uси превышает предельно допустимое для полевого транзистора, наступает необратимый электрический пробой p-n перехода. Полевой транзистор при этом выходит из строя.

Сток-затворная характеристика показывает зависимость Ic от напряжения между затвором и истоком.

Напряжение на затворе, при котором ток стока стремится к нулю, является очень важной характеристикой полевого транзистора. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или напряжением отсечки.

Условные графические изображения полевых транзисторов в электрических схемах выглядят следующим образом.

Где полевой транзистор:

а – с p-n переходом и p-каналом;

б - с p-n переходом и n-каналом;

в – со встроенным p-каналом обедненного типа;

г – со встроенным n-каналом обедненного типа;

д – с индуцированным p-каналом обогащенного типа;

е – с индуцированным n-каналом обогащенного типа;

ж – p-типа (в) и выводом от подложки;

з – p-типа (д) и выводом от подложки

Европейское обозначение контактов: gate – затвор, drain – сток, source – исток, tab – подложка (зачастую в неизолированных транзисторах является стоком).

Основные технические характеристики полевого транзистора

Современные полевые транзисторы характеризуются основными характеристиками, температурными характеристиками и электрическими характеристиками при температуре до +25 градусов на подложке (истоке). Кроме того, существуют статические и динамические характеристики полевых транзисторов, определяющие максимальные показатели при их применении в частотных сигналах. На частотные характеристики следует обращать особое внимание при использовании транзисторов в генераторах, модуляторах, импульсных блоках питания, современных цифровых усилителях класса D и выше. Частотные свойства определяются постоянной времени RC-цепи затвора, определяющей скорость запирания / отпирания канала. У полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП и МДП) входная емкость значительно меньше полевых транзисторов с p-n переходом, что дает возможность применять их в высокочастотной аппаратуре.

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

Vds (Vdss) или Uси max – определяет максимально допустимое значение напряжения между истоком и стоком;

Id или Ic – максимально допустимый ток стока, проходящий через открытый канал транзистора;

Rdc(on) – сопротивление канала между затвором и истоком (обычно указывается совместно с управляющим напряжением Uзи или Vgs).

Iз ут или Igss – ток утечки затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

Pd или Pmax – максимальная рассеиваемая мощность транзистора при температуре, как правило, +25 градусов.

Тепловые параметры полевого транзистора определяют устойчивость его характеристик при работе в диапазоне температур, так как при изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. От температуры сильно зависит значение Ic , крутизны и тока утечки затвора.

Tj или Тmax – температура разрушения кристалла подложки, соответствующая максимально допустимой рабочей температуре

Tstg или Тmin – минимальная отрицательная температура, при которой соблюдаются основные паспортные параметры транзистора

Отличительной особенностью работы полевых транзисторов в сравнении с биполярными является очень низкий коэффициент шума или Кш. Данный коэффициент мало влияет от напряжений сток – исток, тока стока, а так же температуры работы транзистора (до +50 градусов).

1. Не рекомендуется снижать температуру полевых транзисторов во время их работы ниже -5 градусов, а так же выходи за пределы рабочей температуры +60 +70 градусов (в народе - температура удержания пальца).
2. Во время эксплуатации необходимо выбирать рабочие напряжения и токи, которые не будут превышать 70% от максимально допустимых параметров по паспорту (даташиту).
3. Нельзя использовать транзисторы в максимальных режимах по двум параметрам одновременно.
4. Не допускать работу транзистора с отключенным затвором.
5. На затвор полевых транзисторов с p-n переходом нельзя подавать напряжение, смещающее переход в прямом направлении. Для p-канальных это будет отрицательное напряжение, для n-канальных – положительное.
6. Хранение полевых МОП и МДП транзисторов желательно производить с закороченными выводами. Маломощные транзисторы частотные транзисторы этой структуры выходят из строя от статического напряжения.
7. Проверить исправность полевого транзистора электронным тестером можно по аналогии с этим видео http://www.youtube.com/watch?v=jQ6l6C8LMSw

Интерес к статическим параметрам полевого транзистора с p-n -переходом на затворе, таким как начальный ток стока и напряжение отсечки, проявляется чаще всего инженерами и радиолюбителями либо как к приводимым в справочниках характеристикам для сравнения транзисторов различных типов, либо в связи с подбором близких по параметрам транзисторов для дифференциального каскада. В настоящей статье речь пойдёт об использовании статических параметров при расчёте схем на полевых транзисторах.

Определения

На рис.1. приведено условное графическое обозначение полевого транзистора с n -каналом и управляющим p-n -переходом на затворе:

Рис.1

Обозначение его выводов соответственно следующее:

G (Gate) — затвор;
S (Source) — исток;
D (Drain) — сток.

Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n -переходом на затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки. Начальный ток стока полевого транзистора определяется как ток, протекающий через его канал при заданном постоянном напряжении сток-исток и равном нулю напряжении затвор-исток. В англоязычной технической документации этот параметр обозначают как I DSS .

Напряжение отсечки — это такое пороговое значение напряжения затвор-исток, по достижении которого ток через канал полевого транзистора уже не изменяется и практически равен нулю. Его также измеряют при фиксированном значении напряжения сток-исток и в англоязычной документации обозначают как V GS(off) или реже как V p .

В качестве усилительного элемента полевой транзистор работает при достаточно большом напряжении сток-исток V DS — на графике семейства выходных характеристик транзистора это значение напряжения расположено в области насыщения. Это значит, что величина тока через канал полевого транзистора, — ток стока I D , — зависит в основном лишь от величины напряжения затвор-исток V GS . Эту зависимость тока стока полевого транзистора I D от входного напряжения затвор-исток V GS описывает так называемая передаточная характеристика транзистора. Для транзисторов с управляющим p-n -переходом её обычно аппроксимируют следующим выражением:

Таким образом ток стока полевого транзистора с изменением напряжения на его затворе изменяется по квадратичному закону. Графически эту зависимость иллюстрирует приведенная на рис.2 диаграмма:

Рис.2. Пример аппроксимации зависимости тока стока I D от напряжения затвор-исток V GS квадратичной функцией при начальном токе стока I DSS = 9,5 mA и напряжении отсечки V GS(off) = -2,8 V.

В таком изменении тока стока I D с изменением напряжения затвор-исток V GS и проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Количественно эти свойства характеризует такой его параметр как крутизна, определяемая как:

Понятно, что значение крутизны, выраженное через статические параметры полевого транзистора I DSS и V GS(off) , можно получить дифференцируя выражение для передаточной характеристики (1) по dV GS :

То есть для транзистора с известными значениями начального тока стока I DSS и напряжения отсечки V GS(off) при заданном напряжении затвор-исток V GS крутизну передаточной характеристики можно рассчитать по формуле:

или, учитиывая равенство:

получаем еще одно выражение для крутизны при заданном токе стока I D :

Установка рабочей точки

На рис.3 приведены основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n -переходом на затворе:

а) усилительный каскад с общим истоком;
б) истоковый повторитель;
в) двухполюсник — стабилизатор тока.

Рис.3 Основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе.

Во всех этих схемах для установки требуемого значения тока стока I D служит включенный в цепь истока резистор R S . Потенциал затвора полевого транзистора равен потенциалу нижнего по схеме вывода этого резистора, поэтому ток стока I D , напряжение затвор-исток V GS и сопротивление R S элементарно связаны между собой законом Ома:

Расчет сопротивления R S для установки требуемого тока стока I D для полевого транзистора с известными значеними начального тока стока I DSS и напряжения отсечки V GS(off) также можно произвести на основании выражения для передаточной характеристики (1) :

откуда получаем равенство:

Разделим обе части равенства (6) на R S и, с учётом выражения (5) , получим:

Соответственно выражение для значения сопротивления R S примет следующий вид:

Теория и практика

Исходя из приведенных математических выкладок логично предположить, что, измерив значения начального тока стока I DSS и напряжения отсечки V GS(off) — основных статических параметров полевого транзистора с управляющим p-n -переходом на затворе, — можно определить крутизну передаточной характеристики транзистора в заданной рабочей точке или установить рабочую точку транзистора так, чтобы получить требуемое значение крутизны, рассчитать параметры других элементов схемы, и пр. Но практические результаты чаще всего оказываются далеки от расчетных.

Такое несоответствие теории и практики отмечается и в ряде авторитетных публикаций на тему работы полевого транзистора. Так, например, в один и тот же абзац содержит и утверждение о том, что передаточная характеристика полевого транзистора «достаточно точно определяется квадратичной зависимостью» в соответствии с формулой (1) , и оговорку, что на практике с помощью прибора зафиксировать величину соответствующего напряжения отсечки V GS(off) очень трудно, и поэтому обычно измеряют напряжение затвор-исток при I D = 0,1·I DSS , а затем, подставив эти значения в формулу (1) , вычисляют уже соответствующее ей значение напряжения отсечки по формуле:

В также отмечается, что измеренное значение напряжения отсечки V GS(off) , при котором величина тока стока I D становится нулевой или равной нескольким микроамперам, «не всегда будет удовлетворять равенству (1) , поэтому удобнее вычислять величину как функцию V GS и экстраполировать полученную прямую линию до значения тока I D =0″ .

Поскольку речь идёт о наиболее точном определении передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n -переходом на затворе, то величина напряжения отсечки V GS(off) конкретного транзистора важна лишь как параметр в выражении (1) , при котором это выражение наиболее соответствует реальной передаточной характеристике этого транзистора. То же самое можно сказать и о величине начального тока стока I DSS . Таким образом может оказаться, что прямое измерение статических параметров полевого транзистора особого практического смысла не имеет, поскольку эти параметры не описывают с достаточной точностью передаточную характеристику транзистора.

На практике при проектировании схем усилительных каскадов на полевых транзисторах с управляющим p-n -переходом на затворе режим их работы никогда не выбирают таким, чтобы напряжение затвор-исток V GS было близким к напряжению отсечки V GS(off) или к нулю. Следовательно, нет никакой необходимости описывать передаточную характеристику (1) на всём её протяжении от I D =0 до I D =I DSS , достаточно сделать это для некоего рабочего участка от I D1 =I D (V GS1) до I D2 =I D (V GS2) . Для этого решим следующую задачу.

Пусть путём измерения получены значения тока стока I D1 и I D2 соответственно для двух отстоящих друг от друга значений напряжения затвор-исток V GS1 и V GS2 :

Решив систему уравнений (9) относительно значений начального тока стока и напряжения отсечки мы получим более соответствующие реальной передаточной характеристике параметры формулы (1) .

Сначала определим значение . Для этого разделим второе уравнение на первое чтобы сократилось и получилось одно уравнение с одним неизвестным, которое решаем:

Таким образом искомое значение напряжения отсечки для формулы (1) определяется выражением:

А соответствующее значение начального тока стока вычисляется путём подстановки полученного по формуле (10) значения напряжения отсечки в следующее выражение, полученное из формулы (1) :

Экспериментальные данные

Вычисленные по формулам (10) и (11) значения напряжения отсечки и начального тока стока после подстановки в формулу (1) должны дать более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора. Чтобы это проверить были проведены контрольные измерения параметров двенадцати полевых транзисторов четырёх типов — по три транзистора каждого типа.

Порядок измерений для каждого транзистора был следующим. Сначала измерялись начальный ток стока I DSS и напряжение отсечки V GS(off) полевого транзистора. Затем были измерены значения напряжений затвор-исток V GS1 и V GS2 для двух соответствующих им значений тока стока I D1 и I D2 , несколько отстоящих от нулевого значения при V GS =V GS(off) и начального тока стока I DSS . Подстановка V GS1 , V GS2 , I D1 и I D2 в формулы (10) и (11) давала искомые значения и . Чтобы иметь возможность затем сравнить, какая же пара параметров полевого транзистора, — I DSS и V GS(off) или и , — после подстановки в формулу (1) даёт более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора, ток стока полевого транзистора устанавливался примерно равным половине измеренного значения его начального тока стока I DSS , то есть где-то посередине передаточной характеристики транзистора, с последующим измерением соответствующего этому току напряжения затвор-исток. Полученные таким образом значения I D0 и V GS0 — это координаты произвольно выбранной рабочей точки полевого транзистора на его передаточной характеристике. Осталось подставить теперь значение V GS0 в формулу (1) сначала с парой параметров I DSS и V GS(off) , а затем с и , и сравнить оба вычисленных значения тока стока с измеренным I D0 .

Результаты измерений параметров двенадцати полевых транзисторов приведены в таблице ниже.

№	Транзистор	Измеренные значения статических параметров		Значения статических параметров по формулам (10) и (11)		V GS0 , В	I D0 , мА	Значение тока стока I D , вычисленное по формуле (1) с параметрами I DSS и V GS(off)		Значение тока стока I’ D , вычисленное по формуле (1) с параметрами I’ DSS и V’ GS(off)
		I DSS , мА	V GS(off) , В	I’ DSS , мА	V’ GS(off) , В			I D , мА	Ошибка, %	I’ D , мА	Ошибка, %
1	КП303В	2,95	-1,23	2,98	-1,35	-0,40	1,52	1,33	-12,5	1,47	-3,6
2	КП303В	2,89	-1,20	2,95	-1,32	-0,40	1,48	1,28	-13,1	1,43	-3,2
3	КП303В	2,66	-1,16	2,70	-1,24	-0,36	1,41	1,26	-10,2	1,35	-3,8
4	2П303Е	12,06	-4,26	12,73	-4,90	-1,49	6,49	5,09	-21,5	6,16	-5,2
5	2П303Е	11,24	-3,94	11,69	-4,50	-1,37	6,06	4,79	-20,9	5,67	-6,5
6	2П303Е	10,92	-3,77	11,26	-4,31	-1,29	5,91	4,73	-20,0	5,53	-6,3
7	2N3819	10,64	-3,47	10,76	-3,91	-1,08	5,90	5,05	-14,4	5,64	-4,4
8	2N3819	10,22	-3,51	10,29	-3,90	-1,06	5,73	4,98	-13,1	5,46	-4,8
9	2N3819	10,30	-3,38	10,46	-3,80	-1,07	5,67	4,81	-15,2	5,40	-4,8
10	2N4416A	8,79	-2,98	9,05	-3,27	-1,04	4,46	3,71	-16,9	4,20	-5,9
11	2N4416A	10,10	-3,22	10,31	-3,55	-1,18	4,98	4,04	-19,0	4,58	-8,0
12	2N4416A	10,92	-3,93	12,66	-4,32	-1,63	5,36	4,09	-23,6	4,92	-8,2

Выделенные цветом значения погрешностей говорят сами за себя. Если же сравнивать графики передаточной характеристики, подобные приведенному на рис.2 , то линия, построенная по значениям (; ), пройдёт гораздо ближе к точке (V GS0 ; I D0 ), чем построенная по измеренным значениями напряжения отсечки и начального тока стока (V GS(off) ; I DSS ).

Результаты будут ещё более точными, если в качестве точек (V GS1 ; I D1 ) и (V GS2 ; I D2 ) взять границы более узкого отрезка передаточной характеристики полевого транзистора, на котором он будет работать в реальной схеме. Особо следует отметить, что данный метод определения статических параметров полевых транзисторов незаменим для транзисторов с большим начальным током стока, например для таких как J310 .

©Задорожный Сергей Михайлович, 2012г., г.Киев

Литература:

1. Бочаров Л.Н., «Полевые транзисторы»; Москва, издательство «Радио и связь», 1984;
2. Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982.

8. Приборы электродинамической и ферродинамической систем. Однофазный индукционный счетчик электрической цепи.

9. Расчет цепей постоянного тока при последовательном и параллельном соединении пассивных приемников.

10. Приборы магнитоэлектрической и электромагнитной схем. Магнитоэлектрическая система

Прибор магнитоэлектрической системы

Достоинства магнитоэлектрической системы

Недостатки магнитоэлектрической системы

Электромагнитная система

Прибор электромагнитной системы

Достоинства электромагнитной системы

Недостатки электромагнитной системы

11. Электрические цепи переменного тока, принципы получения переменной эдс.

12. Электрические измерения и приборы. Основные определения и термины. Методы измерений. Классификация средств измерений.

13. Действующие и среднее значения токов и напряжений в цепях переменного тока.

14. Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи.

15. Законы Ома и Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений в цепях переменного тока.

16. Регистры, кольцевые счетчики. Счетчики с двоичным и недвоичным коэффициентами пересчета.

17. Расчет цепей переменного тока методом векторных диаграмм.

18. Последовательные цифровые устройства. Триггеры и их разновидности.

19. Расчет последовательных цепей переменного тока методом векторных диаграмм.

20. Комбинационные цифровые устройства. Мультиплексоры, демультиплексоры, дешифраторы, сумматоры.

21. Расчет параллельных цепей переменного тока методом векторных диаграмм.

22. Основные типы цифровых интегральных схем. Параметры цифровых ис.

23. Комплексный метод расчета параметров электрических цепей переменного тока.

24. Представление информации в цифровой форме. Составление логических функций и функциональных схем.

25. Явление резонанса в цепях переменного тока.

26. Транзисторные ключи на биполярных и полевых транзисторах. Аналоговые коммутаторы.

27. Трехфазные цепи переменного тока. Соединение приемников звездой и треугольником. Основные определения

2. Соединение в звезду. Схема, определения

3. Соединение в треугольник. Схема, определения

28. Импульсный режим работы электронных устройств. Генераторы импульса.

29. Нелинейные элементы электрических цепей и их характеристики. Графический метод расчета нелинейных цепей постоянного тока.

30. Генераторы гармонических колебаний.

2. Генератор lc-типа

31. Политический метод расчета нелинейных цепей.

32. Линейные преобразователи электрических сигналов на основе операционных усилителей

33. Магнитные цепи. Основные понятия и определения. Магнитный поток, индукция, напряженность. Магнитная проницаемость. Явление магнитного гистерезиса в веществе.

34. Методы расчета транзисторных усилителей.

35. Прямая и обратная задачи в расчетах магнитных цепей.

36. Усилители на транзисторах. Стабилизация начальной рабочей точки.

37. Уравнения Кирхгофа для магнитной цепи.

38. Классификация, основные параметры и характеристики усилителей. Обратная связь в усилителях.

39. Электромагнитные устройства. Принцип работы и основные аналитические соотношения для электромагнитов и электромагнитных реле.

41. Устройство и принцип работы трансформатора, его векторная диаграмма

Устройство и принцип работы

43. Режим холостого хода трансформатора и его работа под нагрузкой.

45. Устройство и принцип действия генератора постоянного тока эдс и электромагнитный момент. Способы возбуждения генераторов постоянного тока.

46. Операционные усилители, эквивалентная схема, основные характеристики и уравнения, интегральные микросхемы.

47. Двигатели постоянного тока. Регулирование скорости двигателей постоянного тока.

48. Основные свойтва, характеристики и типы тиринисторов. Динисторы и тринисторы.

49. Устройство и принцип работы асинхронного двигателя. Его характеристики.

50. Основные свойства, характеристики и типы полевых транзисторов.

51. Пуск и реверсирование асинхронных двигателей. Регулирование частоты вращения.

52. Устройство и принцип работы синхронного генератора. Его характеристики.

54. Основные свойства, характеристики и типы полупроводниковых диодов. Расчет электронных схем с диодами.

4.1.1. Выпрямление в диоде

4.1.2. Характеристическое сопротивление

4.1.4. Эквивалентная схема диода

55. Работа синхронной машины в режиме двигателя. Рабочие характеристики синхронного двигателя.

56.Краткие сведения о структуре полупроводников, электрические переходы в полупроводниках.

Свойства полупроводников.

Строение атомов полупроводников.

Электропроводность полупроводника.

Электронно-дырочная проводимость.

Электронная проводимость.

Дырочная проводимость.

50. Основные свойства, характеристики и типы полевых транзисторов.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управление этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Устройство полевого транзистора: а – с n-каналом; б – с p-каналом

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом р-типа или n-типа. Условное графическое изображение полевого транзистора приведено на рис. 2.2, с каналом n-типа и р-типа соответственно.

Следовательно можно сделать вывод, что полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока, и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими р-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

2.2. Характеристики и параметры полевых транзисторов

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

· стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока I С от напряжения на затворе U ЗИ (рис. 2.4, а );

· стоковая характеристика – это зависимость I С от U СИ при постоянном напряжении на затворе (рис. 2.4, б )

I С = f (U СИ), при U ЗИ = const.

Рис. 2.4. Характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом:а – стокозатворная (входная); б – стоковая (выходная)

Основные параметры полевых транзисторов:

· напряжение отсечки;

· крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В (рис. 2.4, а )

QUOTE S=∆Ic∆U зи , при U СИ = const,

;

· внутреннее (или выходное) сопротивление полевого транзистора (рис. 2.4, б )

При U ЗИ = const;

· входное сопротивление

.

Так как на затвор подаётся только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять собой обратный ток закрытого p-n перехода и будет очень мал. Величина входного сопротивления R вх будет очень велика и может достигать 10 9 Ом.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

2.3.2. Транзисторы с индуцированным каналом

Данные приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл, окись, полупроводник, а МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник.

МОП-транзисторы могут быть двух видов:

· транзисторы со встроенным каналом;

· транзисторы с индуцированным каналом.

Их графические обозначения приведены на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Графическое обозначение МОП-транзисторов:а – со встроенным каналом n-типа; б – со встроенным каналом p-типа; в – с индуцированным каналом n-типа; г – с индуцированным каналом p-типа

2.3.1. Транзистор со встроенным каналом

Структура полевого транзистора со встроенным каналом приведена на рис. 2.6, а . Основой такого транзистора является кристалл кремния р- или n-типа проводимости.

Рис. 2.6. МОП-транзистор со встроенным каналом: а – структура транзистора со встроенным каналом n-типа; б – стокозатворная характеристика

Транзистор (transistor, англ.) – триод, из полупроводниковых материалов, с тремя выходами, основное свойство которого – сравнительно низким входным сигналом управлять значительным током на выходе цепи. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор - это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми.

Контакты:

Полевой транзистор с п – р переходом – особый вид транзисторов, которые служат для управления током .

Он отличается от простого обычного тем, что ток в нем проходит, не пересекая зоны р — n перехода, зоны, образующейся на границы этих двух зон. Размер р — n зоны регулируется.

Полевые транзисторы, их виды

Полевые транзисторы с п – р переходом делят на классы:

1. По типу канала проводника: n или р. От канала зависит знак, полярность, сигнала управления. Она должна быть противоположна по знаку n -зоне.
2. По структуре прибора: диффузные, сплавные по р – n — переходом, с затвором , тонкопленочные.
3. По числу контактов: 3-х и 4-контактные. В случае 4-контактного прибора, подложка также исполняет роль затвора.
4. По используемым материалам: германий, кремний, арсенид галлия.

Классы делятся по принципу работы:

• устройство под управлением р — n перехода;
• устройство с изолированным затвором или с барьером Шоттки.

Полевой транзистор, принцип работы

По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль. Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.

Прибор с управляющим р — п канальным переходом - это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине - контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода. Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю . В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал. При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.

В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля . Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества. Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.

Зачем нужен полевой транзистор

Рассматривая работу сложной электронной техники, как работу полевого транзистора (как одного из компонентов интегральной схемы) сложно представить, что основных направления его работы пять:

1. Усилители высоких частот.
2. Усилители низких частот.
3. Модуляция.
4. Усилители постоянного тока.
5. Ключевые устройства (выключатели).

На простом примере работу транзистора, как выключателя, можно представить как компоновку микрофона с лампочкой. Микрофон улавливает звук, от этого появляется электрический ток. Он поступает на запертый полевой транзистор. Своим присутствием ток включает устройство, включает электрическую цепь, к которой подключена лампочка. Лампочка загорается при улавливании звука микрофоном, но горит за счет источника питания, не связанного с микрофоном и более мощного.

Модуляция применяется для управления информационным сигналом. Сигнал управляет частотой колебания. Модуляция применяется для качественного звукового сигнала в радио, для передачи звукового ряда в телевизионных передачах, трансляции цвета и телевизионного сигнала высокого качества. Она применяется везде, где требуется работа с материалом высокого качества.

Как усилитель полевой транзистор упрощенно работает так: графически любой сигнал, в частности, звуковой ряд, можно представить в виде ломаной линии, где ее длина – это время, а высота изломов частота звука. Для усиления звука на радиодеталь подают мощное напряжение, которое приобретает необходимые частоты, но с более большими значениями, за счет подачи слабого сигнала на управляющий контакт. Другими словами, устройство пропорционально перерисовывает изначальную линию, но с более высокими пиковыми значениями.

Применение полевых транзисторов

Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат . Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.

В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике . Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.

На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков . В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.

Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров . По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.

Плюсы и минусы полевых транзисторов

Полевые транзисторы своими характеристиками оставили далеко позади другие виды устройства. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.

• каскад деталей расходует мало энергии;
• усиление выше, чем у других видов;
• высокая помехоустойчивость достигается отсутствием прохождения тока в затворе;
• более высокая скорость включения и выключения – они могут работать на недоступных другим транзисторам частотах.

• более низкая температура разрушения, чем у других видов;
• на частоте 1,5 ггц, потребляемая энергия начинает резко возрастать;
• чувствительность к статическому электричеству.

Характеристики полупроводниковых материалов, взятых за основу полевых транзисторов, позволили применять устройства в быту и производстве . На основе плевых транзисторов создали бытовую технику в привычном для современного человека виде. Обработка высококачественных сигналов, производство процессоров и других высокоточных компонентов невозможна без достижений современной науки.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Несколько определений:

Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком.

Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком.

Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-n переходом, называется каналом полевого транзистора.

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

1) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2 < Ic1

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутренним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходов увеличивается, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина p-n переходов может увеличиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

Чем объяснить высокое входное сопротивление полевого транзистора?

Т.к. управление полевым транзистором осуществляется электрическим полем, то в управляющем электроде практически нет тока, за исключением тока утечки. Поэтому полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, порядка 10 14 Ом.

От чего зависит ток стока полевого транзистора?

Зависит от подаваемых напряжений U си и U зи.

Схемы включения полевых транзисторов.

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

В чем отличие полевого транзистора от биполярного?

В полевом транзисторе управление током осуществляется электрическим полем, создаваемым приложенным напряжением, а не с помощью тока базы. Поэтому в управляющем электроде практически нет тока, за исключением токов утечки.

Статический режим включения транзистора. Статические характеристики полевых транзисторов.

К основным характеристикам относятся:

Стокозатворная характеристика (рис. а) – это зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

Стоковая характеристика (рис. б) – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе Ic = f (Uси) при Uзи = Const.

Основные параметры:

Напряжение отсечки.

Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В.

Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора

Входное сопротивление

Поясните влияние на ток стока напряжений U зи и U си .

Влияние подводимых напряжений в транзисторе в управляемом иллюстрируется на рисунке:

Три основных рабочих режима транзистора.

В различных видах полевых транзисторов и при различных внешних напряжениях затвор может оказывать два вида воздействий на канал: в первом случае (например, в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом при напряжениях на электродах, соответствующих рис. 2-1.5) он препятствует протеканию тока через канал, уменьшая число носителей зарядов, проходящих через него (такой режим называют режимом обеднения канала ), во втором случае (например, в МДП-транзисторах с индуцированным каналом, включенных в соответствии с рис. 2-1.7) затвор, наоборот, стимулирует протекание тока через канал, увеличивая число носителей зарядов в потоке (режим обогащения канала ). Часто просто говорят о режиме обеднения и режиме обогащения . Заметим, что МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут находиться в активном режиме только в случае режима обогащения канала, а для МДП-транзисторов со встроенным каналом это может быть и режим обогащения, и режим обеднения. В полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом попытка приложить прямое смещение на этот переход вызывает его открытие и протекание существенного тока в цепи затвора. Реальные процессы в транзисторе в этом случае сильно зависят от его конструкции, практически никогда не документируются и трудно предсказуемы. Поэтому говорить о режиме обогащения для полевых транзисторов с управляющим переходом не принято да и просто бессмысленно.

Режим насыщения - характеризует состояние не всего транзистора в целом, как это было для биполярных приборов, а только токопроводящего канала между истоком и стоком. Данный режим соответствует насыщению канала основными носителями зарядов. Такое явление как насыщение является одним из важнейших физических свойств полупроводников. Оказывается, что при приложении внешнего напряжения к полупроводниковому каналу, ток в нем линейно зависит от этого напряжения лишь до определенного предела (напряжение насыщения ), а по достижении этого предела стабилизируется и остается практически неизменным вплоть до пробоя структуры. В приложении к полевым транзисторам это означает, что при превышении напряжением сток-исток некоторого порогового уровня оно перестает влиять на ток в цепи. Если для биполярных транзисторов режим насыщения означал полную потерю усилительных свойств, то для полевых это не так. Здесь наоборот, насыщение канала приводит к повышению коэффициента усиления и уменьшению нелинейных искажений. До достижения напряжением сток-исток уровня насыщения ток через канал линейно увеличивается с ростом напряжения (т.е. ведет себя так же, как и в обычном резисторе). Автору неизвестно какого-либо устоявшегося названия для такого состояния полевого транзистора (когда ток через канал идет, но канал ненасыщен), будем называть его режимом ненасыщенного канала (он находит применение в аналоговых ключах на полевых транзисторах). Режим насыщения канала обычно является нормальным при включении полевого транзистора в усилительные цепи, поэтому в дальнейшем при рассмотрении работы транзисторов в схемах мы не будем делать особого акцента на этом, подразумевая, что между стоком и истоком транзистора присутствует напряжение, достаточное для насыщения канала.

Чем характеризуется ключевой режим работы транзистора?

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю.

Что называют усилительным каскадом?

Соединение нескольких усилителей, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала. Подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Первые предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады – для получения требуемых тока или мощности сигнала.