Входной вольт амперной характеристикой полевого транзистора является зависимость

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Ток стока ПТ зависит как от значения, так и от полярности напряжений сток — исток и затвор — исток. При постоянном смещении на затворе увеличение напряжения на стоке от нуля вызывает резкое возрастание тока стока, которое продолжается до наступления насыщения тока стока. Затем ток устанавливается и остаётся относительно постоянным. Эта зависимость показана на рис. 3, а для типичного полевого прибора с p-n-переходом. Для сравнения на рис. 3, б приведены коллекторные характеристики биполярного транзистора.

Характеристики транзисторов обоих видов похожи друг на друга, за исключением того, что у биполярного транзистора перегиб характеристик происходит при значительно более низких напряжениях на коллекторе.

На выходной характеристике ПТ можно выделить две характерные области (рис. 4). При малых напряжениях сток — исток (область АВ) сопротивление канала имеет омический характер, и ток может протекать в обоих направлениях. В этом состоит отличие полевых транзисторов от электронных ламп, в которых поток электронов всегда имеет одно направление — от катода к аноду. Рабочая область АВ выходной характеристики ПТ используется в том случае, когда полевой транзистор применяется в схеме в качестве переменного сопротивления, управляемого напряжением (аттенюаторы, регуляторы АРУ).

Рис. 3. Выходные характеристики транзисторов, а — ПТ с p-n-переходом; б — биполярного транзистора.

В области насыщения тока (область ВС на рис. 4) часть канала обеднена носителями заряда из-за влияния электрического поля между затвором и каналом, благодаря чему сопротивление канала становится значительным. Дальнейшее увеличение напряжения между стоком и истоком в этой области вызывает относительно небольшое изменение тока стока, который практически будет зависеть только от напряжения на затворе [1].

Рис. 4. Выходная характеристика ПТ при U_з.и=0

Характерной особенностью полевых транзисторов является то, что напряжение, соответствующее точке B характеристики (точка перегиба характеристики на рис. 4, после которой идёт область насыщения), при напряжении на затворе, равном нулю, численно равно напряжению отсечки и называется напряжением насыщения.

Входные характеристики полевого транзистора существенно отличаются от характеристик биполярного транзистора. Входные характеристики последнего подобны характеристикам открытого полупроводникового диода, в то время как у полевого транзистора они подобны характеристикам запертого диода (смещённого в обратном направлении). Поэтому ток затвора очень мал. Он равен нескольким наноамперам (для ПТ с управляющим p-n-переходом) при температуре 25°С и экспоненциально зависит от температуры.

Рис. 5. Проходные характеристики ПТ при различной температуре.

Проходная характеристика, показывающая зависимость тока стока от напряжения на затворе, изображена на рис. 5. С достаточной для практических расчётов точностью проходная характеристика полевого транзистора определяется выражением (1), т. е. носит квадратичный характер. Эта особенность проходной характеристики используется в преобразователях частоты для уменьшения перекрёстной модуляции и помех от гармоник гетеродина.

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов

Основными вольт-амперными характеристиками полевого транзистора являются входная, выходная и проходная характеристики, представленные на рис.4. Входная характеристика – зависимость тока затвора I_з от напряжения между затвором и истоком U_зи – приведена на рис.4,а. Она представляет собой обычную вольт-амперную характеристику полупроводникового диода и практически не зависит от напряжения сток исток U_си. Обычно полевой транзистор работает при закрытом p–n-переходе, поэтому ток затвора очень мал.

2.3. Одиночные усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах

Усилителем электрических сигналов называется устройство, предназна- ченное для увеличения мощности сигнала, поданного на его вход. Процесс уси- ления основан на преобразовании активным элементом (биполярным, полевым транзистором) энергии источника постоянного напряжения в энергию перемен- ного напряжения на нагрузке при изменении сопротивления активного элемен- та под действием входного сигнала.

Усилители сигналов являются базовыми устройствами для построения

сложных аналоговых электронных устройств. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, разли- чают три схемы включения для биполярных (БТ) и полевых транзисторов (ПТ) соответственно: с общей базой или общим затвором (ОБ или ОЗ); с общим эмиттером или общим истоком (ОЭ или ОИ); общим коллектором или общим стоком (ОК или ОС). Работа усилительных устройств описывается рядом пара- метров и характеристик.

Коэффициент усиления, или коэффициент передачи, – отношение ам-

плитуды выходного сигнала к амплитуде входного в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале. Сигнал может описываться напряжением, током или мощностью, поэтому различают:

Д ля м но г о к ас к а д н ы х у с ил и т е л е й к о э фф ици е нт у с ил е ния опр е д е л яе т ся

произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов, выраженных в абсолютных единицах:

или суммой коэффициентов усиления, выраженных в децибелах:

Входное сопротивление усилителя (полное Z_вх или резистивное R_вх) представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя и оп- ределяется отношением амплитуды входного напряжения к амплитуде входно-

Z _вх

I _вх . Ха р а к т е р в х о д н о г о с опр о т и в л е ния з а в и с и т о т д и а п а зо-

на усиливаемых частот.

Выходное сопротивление (полное Z_вых или резистивное R_вых) опреде- ляют между выходными зажимами при отключенном сопротивлении нагрузки как отношение амплитуды выходного напряжения к амплитуде выходного тока:

Z вых = U вых / I вых .

Коэффициент демпфирования – отношение сопротивления нагрузки к

выходному сопротивлению усилителя: К_д = R_н / R_вых. Значение этого парамет-

ра лежит в пределах от 10 до 100.

Выходная мощность – мощность гармонического сигнала на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармо-

ник или нелинейных искажений:

Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение выходной мощ-

ности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от

Чувствительность (номинальное входное напряжение) – амплитуда на-

пряжения сигнала, который нужно подать на вход усилителя, чтобы получить на выходе сигнал с заданной мощностью.

Динамический диапазон – отношение наибольшего допустимого значе-

ния входного напряжения к его наименьшему допустимому значению:

D = U вх max / U вх min .

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) – разность между

верхней и нижней граничными частотами: f = f_в – f_н, в которой коэффициент усиления изменяется по определенному закону с заданной точностью.

Коэффициент гармоник оценивает нелинейные искажения усилителя в

_{К =} P 2 P 3 K P n

где P₁, P₂, , P_n – мощности гармонических составляющих выходного сиг- нала (nf₁) при синусоидальном входном сигнале частотой f₁. Источником нели- нейных искажений являются нелинейность вольт-амперных характеристик

(ВАХ) активных элементов усилителя, а также ограниченное значение напря-

жения питания. Это приводит к искажению формы сигнала и появлению выс- ших гармонических составляющих в спектре выходного сигнала при действии на входе гармонического сигнала.

Линейные искажения определяются зависимостями параметров транзи- сторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Линей- ные искажения бывают трех видов: частотные, фазовые и переходные.

Амплитудная характеристика (АХ) – это зависимость амплитуды (или

действующего значения) напряжения первой гармоники выходного сигнала от

амплитуды (или действующего значения) напряжения гармонического входно- го сигнала (рис. 3.1). Для идеального усилителя АХ линейна и проходит через начало координат (штриховая линия), наклон характеристики к оси абсцисс оп-

ределяется коэффициентом усиления

U _вых

Амплитудно—частотная характеристика (АЧХ) определяет зависимость

модуля коэффициента усиления от частоты гармонического сигнала на входе

усилителя. На рис. 3.2 представлена типичная АЧХ резистивного усилителя.

Переходная характеристика (ПХ) устанавливает зависимость мгновенно- го значения напряжения на выходе усилителя от времени при бесконечно быст- ром скачкообразном изменении входного сигнала. ПХ оценивает искажения формы усиливаемых импульсных сигналов, которые обусловлены реактивными элемен- тами схемы усилителя. На рис. 3.3 пред- ставлена нормированная ПХ усилителя.

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лицевая панель лабораторного стенда, используемого для исследования полупроводниковых приборов, представлена на рис. 1.1

Цифры около положительных выводов миллиамперметров и вольтметров означают предел измерения шкалы прибора в миллиамперах и вольтах соответственно, если прибор включен в схему данным выводом.

Внешний вид панели для коммутации измерительных схем показан на

рис. 1.2. Панель имеет несколько полей, обозначенных цифрами (см. рис.1.2):

1 – входные и выходные клеммы управляемого источника тока; 2 – входные и выходные клеммы управляемого источника напряжения с ограничением выходного тока ( Imax= 20 мА); 3 – поле для исследования динамических характеристик полупроводниковых диодов; 4 – поле для исследования статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводниковых диодов; 5 – поле для исследования статических ВАХ биполярных (БТ) и полевых транзисторов(ПТ); 6 – поле для исследования характеристик оптопар.

Панель для коммутации измерительных схем представляет собой набор

клемм, к которым подключены внутренние управляемые источник тока и источник напряжения с ограничением выходного тока, а также электрически соединенных между собой клемм, что обозначено черными линиями. Это дает возможность с помощью внешних проводников собрать в соответствии с методическими указаниями необходимые для проведения экспериментальных исследований схемы. Внешние измерительные приборы коммутируются к клеммам, между которыми зеленым цветом показано условное графическое обозначение миллиамперметра или вольтметра. При сборке схемы необходимо придерживаться следующего правила: положительные выводы источников напряжения и измерительных приборов коммутируются к гнездам панели проводниками красного цвета, а отрицательные – синего цвета. Это позволит облегчить самоконтроль правильности сборки схемы, а также контроль со стороны преподавателя или инженерного состава. Исследуемые полупроводниковые приборы включаются в схему с помощью внешнего разъема, место включения которого выделено на панели штриховой линией зеленого цвета.

Регулируемые источники постоянного напряжения могут обеспечить максимальный ток нагрузки Imax=100 мА .Для ряда полупроводниковых приборов эта величина значительно превышает максимально допустимый ток. Во избежание случайного выхода из строя таких приборов при исследованиях рекомендуется осуществлять подачу напряжения через источник напряжения с ограничением выходного тока ( Imax= 20 мА). При этом необходимо контролировать величину тока с помощью миллиамперметра.

При проведении исследований статических характеристик ряда приборов удобнее задавать изменение тока, а не напряжения. В этом случае регулируемый источник напряжения включается в схему через управляемый источник тока, который имеет три диапазона изменения тока (0. 1 мА, 0. 20 мА,0. 100 мА ). Выбор одного из диапазонов осуществляется подключением питающего источника напряжения и нагрузки к соответствующему входу и выходу источника тока. Диапазон изменения тока выбирается исходя из максимально допустимых параметров исследуемого полупроводникового прибора.

Полевые транзисторы: структура, выходные характеристики, схема включения

Полевые (униполярные) транзисторы делятся на транзисторы с управляющим p–n-переходом (рис. 1) и с изолированным затвором. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом проще биполярного.

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока Iс. Между затвором и истоком полевого транзистора приложено обратное напряжение, запирающее p–n-переход, образованный n-областью канала и p-областью затвора.

Рис. 1. Структура (а) и схема (б) полевого транзистора с затвором в виде p–n -перехода и каналом n-типа; 1,2 – области канала и затвора; 3,4,5 – выводы истока, стока, затвора

Рис. 2. Ширина канала в полевом транзисторе при Uси = 0 (а) и при Uси >0 (б)

Это приводит к уменьшению ширины проводящего канала. При подаче напря-жения между истоком и стоком обедненный слой становится неравномерным (рис. 2,б), сечение канала возле стока уменьшается, и проводимость канала тоже уменьшается.

ВАХ полевого транзистора приведены на рис. 3. Здесь зависи-мости тока стока Iс от напряжения Uси при постоянном напряжении на затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (рис. 3,а).

Рис. 3. Выходные (а) и передаточная (б) вольт-амперные характеристики полевого транзистора.

На начальном участке характеристик ток стока возрастает с увеличением Uси. При повышении напряжения сток–исток до Uси=Uзап–[Uзи] происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения).

Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком приводит к меньшим значениям напряжения Uси и тока Iс, при которых происходит перекрытие канала.

Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою p–n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика Iс=f(Uзи) (рис. 3,б).

На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси. Из нее видно, что в отсутствии входного напряжения (затвор–сток) канал обладает определенной проводимостью и пропускает ток, называемый начальным током стока Ic0.

Чтобы практически «запереть» канал, необходимо приложить к входу напряжение отсечки Uотс. Входная характеристика полевого транзистора – зависимость тока утечки затвора I3 от напряжения затвор – исток – обычно не используется, так как при Uзи

Как и в случае биполярных транзисторов, полевые имеют три схемы включения: с общим затвором, стоком и истоком (рис. 4). Передаточная ВАХ полевого транзистора с управляющим p–n-переходом представлена на рис. 3,б.

Рис. 4. Схема включения полевого транзистора с общим истоком с управляющим p–n-переходом

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим p–n-переходом перед биполярными являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, низкое падение напряжения на открытом полностью канале. Однако полевые транзисторы обладают таким недостатком, как необходимость работать в отрицательных областях ВАХ, что усложняет схемотехнику.

Биполярный транзистор с изолированным затвором или IGBT-транзистор — это силовой полупроводниковый прибор с тремя выводами, известный своей высокой эффективностью и быстрым переключением. IGBT сочетает в себе характеристики транзистора с одним затвором MOSFET с низким напряжением насыщения и высокой токовой способностью биполярных транзисторов за счет объединения полевого транзистора с изолированным затвором для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве ключа в одном устройстве.

Чаще всего IGBT-транзисторы на практике используются в виде силовых IGBT-модулей, собранных по различным схемам.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Входные и выходные характеристики полевого транзистора

Полевые транзисторы, которые также носят название униполярных, часто встречаются в микросхемах в качестве переключающих или усилительных элементов. Они могут применяться в различном оборудовании. Для правильной сборки схем необходимо знать входные и выходные характеристики полевого транзистора.

О полевых транзисторах

Униполярный транзистор — это полупроводник, в котором заряд передается только одними носителями — электронами или дырками между тремя электродами — стоком, истоком и затвором. При этом управление функциями происходит за счет изменения тока на затворе и колебания электромагнитного поля, — поэтому униполярные еще называют полевыми.

Полевые транзисторы могут работать в различных режимах в зависимости от того, как именно в нем протекает электрический ток, какие физические процессы при этом происходят. В зависимости от этого он может работать как усилитель сигнала или же как переключатель функций. Чтобы использовать транзисторы правильно, разберемся в их входных и выходных характеристиках.

Характеристики полевых транзисторов

Виды полевых транзисторов различаются по своему устройству. Они бывают:

• с p–n-переходом;
• изолированным затвором;
• индуцированным каналом.

В зависимости от этого различаются входные и выходные характеристики полевого транзистора. Наиболее существенное значение имеют вольт-амперные рабочие свойства, так как этот вид транзисторов управляется не током, а полем.

• Входное напряжение на затворе и между стоком и истоком меняет силу тока на стоке. При небольшом или нулевом входном значении тока на стоке он увеличивается до предела насыщения, после чего ток не меняется. Это позволяет использовать транзистор как усилитель.
• При этом входное отрицательное напряжение на затворе расширяется p–n-переходом и сужается проводящим каналом, что вызывает рост сопротивления на канале исток-сток и снижение насыщения. Из-за сужения канала возникает явление отсечки и ток падает до нуля. В этом режиме транзистор можно использовать для переключения функций.

При выборе модели транзистора нужно ориентироваться на его рабочие электротехнические характеристики, которые должны соответствовать характеристикам цепи. Основными являются:

• вид конструкции;
• тип проводимости;
• способ монтажа;
• максимальный ток и напряжение на участке сток-исток;
• заряд на затворе;
• сопротивление;
• емкость.

В нашем каталоге можно подобрать полевые и биполярные транзисторы с различными характеристиками — все необходимые параметры указаны на страницах товара. Также можно проконсультироваться с нашими менеджерами по бесплатным телефонам вверху сайта.