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Transistores de efeito de campo: princípio de operação, circuitos, modos de operação e modelagem
Nós já revisamos dispositivo de transistores bipolares e seu trabalhoAgora vamos descobrir o que são os transistores de efeito de campo. Transistores de efeito de campo são muito comuns em circuitos antigos e modernos. Atualmente, os dispositivos com um portão isolado são usados em maior medida, falaremos sobre os tipos de transistores de efeito de campo e suas características hoje. No artigo, farei comparações com transistores bipolares em locais separados.
Definição de
Um transistor de efeito de campo é uma chave totalmente controlável semicondutora controlada por um campo elétrico. Essa é a principal diferença do ponto de vista da prática dos transistores bipolares, que são controlados pela corrente. Um campo elétrico é criado por uma voltagem aplicada ao portão em relação à fonte. A polaridade da tensão de controle depende do tipo de canal do transistor. Existe uma boa analogia com os tubos de vácuo eletrônicos.
Outro nome para transistores de efeito de campo é unipolar. "UNO" significa um. Nos transistores de efeito de campo, dependendo do tipo de canal, a corrente é realizada por apenas um tipo de transportadora por orifícios ou elétrons. Nos transistores bipolares, a corrente foi formada a partir de dois tipos de portadores de carga - elétrons e orifícios, independentemente do tipo de dispositivo. Os transistores de efeito de campo, no caso geral, podem ser divididos em:
-
transistores com uma junção pn de controle;
-
transistores de porta isolados.
Ambos podem ser canal n e canal p, uma tensão de controle positiva deve ser aplicada ao portão do primeiro para abrir a chave e, no segundo, negativa em relação à fonte.
Todos os tipos de transistores de efeito de campo têm três saídas (às vezes 4, mas raramente, eu conheci apenas em soviético e estava conectado ao gabinete).
1. Fonte (fonte portadora, emissor bipolar analógico).
2. Stoke (uma fonte de portadores de carga da fonte, um análogo do coletor de um transistor bipolar).
3. Obturador (eletrodo de controle, analógico de uma grade em lâmpadas e bases em transistores bipolares).
Transistor PN Transistor
O transistor consiste nas seguintes áreas:
1. canal;
2. Estoque;
3. a fonte;
4. Obturador.
Na imagem, você vê uma estrutura esquemática de um transistor, as descobertas são conectadas às seções metalizadas do portão, fonte e dreno. Em um circuito específico (este é um dispositivo de canal p), o gate é uma camada n, possui menos resistividade que a região do canal (camada p), e a região de junção p-n está mais localizada na região p por esse motivo.
Designação gráfica condicional:
a - transistor de efeito de campo tipo n, b - transistor de efeito de campo tipo p
Para facilitar a lembrança, lembre-se da designação do diodo, onde a seta aponta da região p para a região n. Aqui também.
O primeiro estado é aplicar tensão externa.
Se a tensão for aplicada a esse transistor, mais ao dreno e menos à fonte, uma grande corrente fluir através dele, ela será limitada apenas pela resistência do canal, resistências externas e resistência interna da fonte de energia. Você pode desenhar uma analogia com uma tecla normalmente fechada. Essa corrente é chamada Istart ou a corrente de drenagem inicial em Us = 0.
Um transistor de efeito de campo com um controle de junção pn, sem a tensão de controle aplicada ao portão, é o mais aberto possível.
A tensão no dreno e na fonte é aplicada desta maneira:
As principais operadoras de cobrança são introduzidas através da fonte!
Isso significa que, se o transistor for um canal p, a saída positiva da fonte de energia será conectada à fonte, porque os principais portadores são orifícios (portadores de carga positiva) - essa é a chamada condutividade do orifício.Se o transistor de canal n estiver conectado à fonte, a saída negativa da fonte de energia, porque nele, os principais portadores de carga são elétrons (portadores de carga negativa).
A fonte é a fonte das principais operadoras de cobrança.
Aqui estão os resultados da modelagem dessa situação. À esquerda é um canal p e à direita é um transistor de canal n.
O segundo estado - aplique tensão ao obturador
Quando uma tensão positiva é aplicada à porta em relação à fonte (Us) para o canal p e negativa para o canal n, ela muda na direção oposta, a região da junção p-n se expande em direção ao canal. Como resultado, a largura do canal diminui, a corrente diminui. A tensão do portão na qual a corrente através da chave para de fluir é chamada de tensão de corte.
A chave começa a fechar.
A tensão de corte é atingida e a chave está completamente fechada. A imagem com os resultados da simulação mostra esse estado para as teclas do canal p (esquerda) e do canal n (direita). A propósito, em inglês, esse transistor é chamado JFET.
Modos de operação
O modo de operação do transistor com uma tensão Uçи é zero ou reverso. Devido à tensão reversa, você pode "cobrir o transistor", ele é usado em amplificadores classe A e outros circuitos onde é necessária uma regulação suave.
O modo de corte ocorre quando Uzi = U de corte para cada transistor é diferente, mas, em qualquer caso, é aplicado na direção oposta.
Características, CVC
Uma característica de saída é um gráfico que representa a dependência da corrente de dreno em Uci (aplicada aos terminais do dreno e da fonte) em várias tensões de porta.
Pode ser dividido em três áreas. No início (no lado esquerdo do gráfico), vemos a região ôhmica - nesse intervalo o transistor se comporta como um resistor, a corrente aumenta quase linearmente, atingindo um certo nível, e entra na região de saturação (no centro do gráfico).
Na parte direita do gráfico, vemos que a corrente começa a crescer novamente, esta é a região de avaria, aqui o transistor não deve estar localizado. O ramo mais alto mostrado na figura é a corrente em zero Us, vemos que a corrente aqui é a maior.
Quanto maior a tensão Uzi, menor a corrente de drenagem. Cada um dos ramos difere em 0,5 volts no portão. O que confirmamos pela modelagem.
A característica da porta de drenagem, isto é, Dependendo da corrente de dreno na tensão do portão na mesma tensão da fonte de dreno (neste exemplo, 10V), aqui o passo da grade também é de 0,5V, novamente vemos que quanto mais próxima a tensão Uzi é de 0, maior a corrente de dreno.
Nos transistores bipolares, havia um parâmetro como o coeficiente ou ganho de transferência atual, que era indicado como B ou H21e ou Hfe. No campo, a inclinação é usada para exibir a capacidade de aumentar a tensão, indicada pela letra S
S = dIc / dU
Ou seja, a inclinação mostra quanto miliamperes (ou ampères) a corrente de dreno cresce com um aumento na tensão da porta-fonte pelo número de volts com uma tensão da fonte de drenagem inalterada. Pode ser calculado com base na característica portão-portão; no exemplo acima, a inclinação é de cerca de 8 mA / V.
Esquemas de comutação
Como os transistores bipolares, existem três diagramas de fiação típicos:
1. Com uma fonte comum (a). É usado com mais freqüência, dá ganho de corrente e potência.
2. Com um obturador comum (b). Raramente usado, baixa impedância de entrada, sem ganho.
3. Com um dreno total (c). O ganho de tensão é próximo de 1, a impedância de entrada é grande e a impedância de saída é baixa. Outro nome é um seguidor de fontes.
Características, vantagens, desvantagens
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A principal vantagem do transistor de efeito de campo alta impedância de entrada. A resistência de entrada é a razão entre a corrente e a tensão da porta-fonte. O princípio de operação está no controle usando um campo elétrico e é formado quando a tensão é aplicada. Isso é transistores de efeito de campo.
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Transistor de efeito de campo praticamente não consome corrente de controle, é reduz a perda de controle, distorção do sinal, sobrecarga de corrente da fonte de sinal ...
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Freqüência média Transistores de efeito de campo têm melhor desempenho do que bipolar, isso se deve ao fato de que é necessário menos tempo para a "reabsorção" de portadores de carga nas áreas de um transistor bipolar. Alguns transistores bipolares modernos podem superar os de campo, isso se deve ao uso de tecnologias mais avançadas, reduzindo a largura da base e muito mais.
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O baixo nível de ruído dos transistores de efeito de campo é devido à ausência de um processo de injeção de carga, como nos bipolares.
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Estabilidade com temperatura.
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Baixo consumo de energia no estado condutor - maior eficiência de seus dispositivos.
O exemplo mais simples de uso de uma alta impedância de entrada é combinar dispositivos para conectar guitarras eletroacústicas com captadores piezo e guitarras elétricas com captadores eletromagnéticos a entradas lineares com baixa impedância de entrada.
Uma impedância de entrada baixa pode causar uma queda no sinal de entrada, distorcendo sua forma em graus variados, dependendo da frequência do sinal. Isso significa que você precisa evitar isso introduzindo uma cascata com alta impedância de entrada. Aqui está o diagrama mais simples desse dispositivo. Adequado para conectar guitarras elétricas à entrada de linha da placa de áudio do computador. Com isso, o som se torna mais brilhante e o timbre é mais rico.
A principal desvantagem é que esses transistores têm medo de estática. Você pode pegar um elemento com as mãos eletrificadas e ele falhará imediatamente, isso é uma consequência do gerenciamento da chave usando o campo. Recomenda-se que trabalhem com eles em luvas dielétricas, conectadas por meio de uma pulseira especial ao terra, com um ferro de solda de baixa tensão com uma ponta isolada, e os fios do transistor podem ser amarrados com fio para causar um curto-circuito durante a instalação.
Os dispositivos modernos praticamente não têm medo disso, porque na entrada deles podem ser embutidos dispositivos de proteção, como diodos zener, que funcionam quando a tensão é excedida.
Às vezes, para amadores de rádio iniciantes, os medos chegam ao ponto do absurdo, como colocar bonés na cabeça. Tudo o que foi descrito acima, embora seja obrigatório, mas a não observação de quaisquer condições não garante a falha do dispositivo.
Transistores isolados de efeito de campo de porta
Esse tipo de transistor é usado ativamente como uma chave controlada por semicondutor. Além disso, eles funcionam com mais freqüência no modo de tecla (duas posições "ligado" e "desligado"). Eles têm vários nomes:
1. Transistor MOS (semicondutor dielétrico de metal).
2. Transistor MOS (semicondutor de óxido de metal).
3. Transistor MOSFET (óxido de metal-semicondutor).
Lembre-se - estas são apenas variações do mesmo nome. O dielétrico, ou como também é chamado de óxido, desempenha o papel de isolante do portão. No diagrama abaixo, um isolador é mostrado entre a região n próxima ao obturador e o obturador na forma de uma zona branca com pontos. É feito de dióxido de silício.
O dielétrico elimina o contato elétrico entre o eletrodo da porta e o substrato. Ao contrário da junção pn de controle, ela não funciona no princípio de expandir a junção e sobrepor o canal, mas no princípio de alterar a concentração de portadores de carga no semicondutor sob a influência de um campo elétrico externo. MOSFETs são de dois tipos:
1. Com canal integrado.
2. Com canal induzido
Transistores integrados de canal
No diagrama, você vê um transistor com um canal integrado. Já se pode deduzir que o princípio de sua operação se assemelha a um transistor de efeito de campo com uma junção p-n de controle, ou seja, quando a tensão do portão é zero, a corrente flui através do comutador.
Perto da fonte e do coletor, são criadas duas regiões com alto conteúdo de portadores de carga de impurezas (n +) com maior condutividade. Um substrato é uma base do tipo P (neste caso).
Observe que o cristal (substrato) está conectado à fonte, é desenhado em muitos símbolos gráficos convencionais.Quando a tensão do portão aumenta, um campo elétrico transversal surge no canal, repele portadores de carga (elétrons) e o canal fecha quando o valor limite Uç é atingido.
Modos de operação
Quando uma tensão de porta-fonte negativa é aplicada, a corrente de dreno cai, o transistor começa a fechar - isso é chamado de modo lean.
Quando uma tensão positiva é aplicada à porta-fonte, ocorre o processo inverso - os elétrons são atraídos, a corrente aumenta. Este é um modo de enriquecimento.
Todas as alternativas acima são verdadeiras para os transistores MOS com um canal do tipo N integrado. Se o canal do tipo p substituir todas as palavras "elétrons" por "orifícios", a polaridade da tensão será revertida.
Modelagem
Transistor com canal embutido do tipo n com tensão zero de porta:
Aplicamos -1V ao obturador. A corrente diminuiu 20 vezes.
De acordo com a folha de dados deste transistor, temos uma tensão de porta-fonte de limiar na região de um volt e seu valor típico é de 1,2 V, verifique isso.
A corrente tornou-se em microamperes. Se você aumentar a tensão um pouco mais, ela desaparecerá completamente.
Eu escolhi um transistor aleatoriamente e me deparei com um dispositivo bastante sensível. Vou tentar mudar a polaridade da tensão para que o portão tenha um potencial positivo, vamos verificar o modo de enriquecimento.
Com uma tensão de porta de 1 V, a corrente aumentou quatro vezes, em comparação com a que estava em 0 V (primeira imagem nesta seção). Daqui resulta que, diferentemente do tipo anterior de transistores e transistores bipolares, ele pode trabalhar tanto para aumentar a corrente quanto para diminuir sem cintas adicionais. Esta afirmação é muito rude, mas em uma primeira aproximação tem o direito de existir.
Características
Aqui, tudo é quase o mesmo que em um transistor com transição de controle, exceto pela presença de um modo de enriquecimento na característica de saída.
Na característica do portão de drenagem, é claramente visto que uma tensão negativa causa o modo de esgotamento e fechamento da chave, e uma tensão positiva no portão causa enriquecimento e maior abertura da chave.
Transistores induzidos por canal
Os MOSFETs com um canal induzido não conduzem corrente quando não há tensão no portão, ou melhor, há corrente, mas é extremamente pequena, porque é a corrente de retorno entre o substrato e as áreas de alta liga do dreno e da fonte.
O transistor de efeito de campo com uma porta isolada e um canal induzido é um análogo de uma chave normalmente aberta; a corrente não flui.
Na presença de uma tensão de porta-fonte, como consideramos o tipo n do canal induzido, a tensão é positiva, portadores negativos são atraídos para a região do portão pela ação do campo.
Portanto, existe um “corredor” para os elétrons da fonte para o dreno; assim, um canal aparece, o transistor se abre e a corrente começa a fluir através dele. Temos um substrato do tipo p, os principais são portadores de carga positiva (orifícios), existem muito poucos portadores negativos, mas sob a influência do campo eles se separam de seus átomos e seu movimento começa. Daí a falta de condutividade na ausência de tensão.
Características
A característica de saída repete exatamente a mesma diferença das anteriores, apenas que as tensões Uz se tornam positivas.
A característica do portão fechado mostra a mesma coisa, as diferenças novamente nas tensões do portão.
Ao considerar as características da tensão de corrente, é extremamente importante observar cuidadosamente os valores escritos ao longo dos eixos.
Modelagem
Uma tensão de 12 V foi aplicada à chave e tínhamos 0. No portão, a corrente não flui através do transistor.
Adicione 1 volt ao portão, mas a corrente não pensou em fluir ...
Adicionando um volt, descobri que a corrente começa a crescer de 4v.
Adicionando mais 1 Volt, a corrente aumentou acentuadamente para 1,129 A.
A folha de dados indica a tensão limite para a abertura deste transistor em uma seção de 2 a 4 volts, e o máximo em uma porta a porta de -20 a +20 V, incrementos adicionais de tensão não deram resultados a 20 volts (eu não fiz vários miliamperes Eu acho que neste caso).
Isso significa que o transistor ficaria completamente aberto, se não estivesse, a corrente neste circuito seria 12/10 = 1,2 A. Mais tarde, estudei como esse transistor funciona e descobri que, a 4 volts, ele começa a se abrir.
Adicionando 0,1V cada, notei que, a cada décimo de volt, a corrente cresce cada vez mais, e em 4,6 volts o transistor está quase completamente aberto, a diferença com a tensão do portão de 20V na corrente de dreno é de apenas 41 mA, a 1,1 A absurdo.
Este experimento reflete o fato de que o transistor com um canal induzido abre apenas quando a tensão limite é atingida, o que permite que ele funcione perfeitamente como uma chave nos circuitos de pulso. Na verdade, o IRF740 é um dos mais comuns na comutação de fontes de alimentação.
Os resultados das medições da corrente do gate mostraram que os transistores de efeito de campo quase não consomem corrente de controle. A uma voltagem de 4,6 volts, a corrente era de apenas 888 nA (nano !!!).
A uma tensão de 20V, era de 3,55 μA (micro). Para um transistor bipolar, seria da ordem de 10 mA, dependendo do ganho, que é dezenas de milhares de vezes mais do que um efeito de campo.
Nem todas as teclas são abertas por essas tensões; isso se deve ao design e aos recursos dos circuitos dos dispositivos em que são usados.
Recursos do uso de teclas com um obturador isolado
Dois condutores, e entre eles um dielétrico - o que é? Este é um transistor, o próprio portão possui uma capacitância parasita, retarda o processo de comutação do transistor. Isso é chamado de Miller Plateau; em geral, essa questão é digna de um material sério e separado, com modelagem precisa, usando outro software (não verificou esse recurso em multisim).
Uma capacidade descarregada no primeiro momento requer uma grande corrente de carga, e dispositivos de controle raros (controladores PWM e microcontroladores) têm saídas fortes, portanto, eles usam drivers para obturadores de campo, tanto em transistores de efeito de campo quanto em IGBT (bipolar com um obturador isolado). Este é um amplificador que converte o sinal de entrada em uma saída de magnitude e intensidade de corrente suficientes para ligar e desligar o transistor. A corrente de carga também é limitada por um resistor conectado em série ao gate.
Ao mesmo tempo, alguns portões podem ser controlados a partir da porta do microcontrolador através de um resistor (o mesmo IRF740). Nós tocamos neste tópico. no ciclo de material do arduino.
Gráficos condicionais
Eles se parecem com transistores de efeito de campo com uma porta de controle, mas diferem no UGO, como no próprio transistor, a porta é separada do substrato e a seta no centro indica o tipo de canal, mas é direcionada do substrato para o canal, se for um mosfet de canal n - na direção do obturador e vice-versa.
Para teclas com canal induzido:
Pode ser assim:
Preste atenção aos nomes em inglês das conclusões, pois eles são frequentemente indicados nas folhas de dados e nos diagramas.
Para chaves com um canal embutido:
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