G d s обозначение подключения транзистора

Обозначение полевого транзистора

Условное графическое обозначение полевых транзисторов

На принципиальных схемах можно встретить обозначения полевого транзистора той или иной разновидности.

Чтобы не запутаться и получить наиболее полное представление о том, какой всё-таки транзистор используется в схеме, сопоставим условное графическое обозначение униполярного транзистора и его отличительные свойства, и особенности.

Независимо от разновидности полевого транзистора он имеет три вывода. Один из них называется Затвор (З). Затвор является управляющим электродом, на него подают управляющее напряжение. Следующий вывод зовётся Исток (И). Исток аналогичен эмиттеру у биполярных транзисторов. Третий вывод именуется Сток (С). Сток является выводом, с которого снимается выходной ток.

На зарубежных электронных схемах можно увидеть следующее обозначение выводов униполярных транзисторов:

• G – затвор (от англ. – Gate «затвор», «ворота»);
• S – исток (от англ. – Source «источник», «начало»);
• D – сток (от англ. – Drain «отток», «утечка»).

Зная зарубежные обозначения выводов полевого транзистора, будет легко разобраться в схемах импортной электроники.

Обозначение полевого транзистора с управляющим p-n – переходом (J-FET).

Итак. Транзистор с управляющим p-n – переходом обозначается на схемах так:

n-канальный J-FET

p-канальный J-FET

В зависимости от типа носителей, которые используются для формирования проводящего канала (область, через которую течёт регулируемый ток), данные транзисторы могут быть n-канальные и p-канальные. На графическом обозначении видно, что n-канальные изображаются со стрелкой, направленной внутрь, а p-канальные наружу.

Обозначение МДП-транзистора.

Униполярные транзисторы МДП типа (MOSFET) имеют немного иное условное графическое обозначение, нежели J-FET’ы c управляющим p-n переходом. MOSFET’ы также могут быть как n-канальными, так и p-канальными.

MOSFET’ы существуют двух типов: со встроенным каналом и индуцированным каналом.

Разница в том, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при подаче на затвор положительного или только отрицательного порогового напряжения. Пороговое напряжение (U_пор) – это напряжение между выводом затвора и истока, при котором полевой транзистор открывается и через него начинает протекать ток стока (I_c).

Полярность порогового напряжения зависит от типа канала. Для мосфетов с p-каналом к затвору необходимо приложить отрицательное «-» напряжение, а для тех, что с n-каналом, положительное «+» напряжение. Мосфеты с индуцированным каналом ещё называют транзисторами обогащённого типа. Поэтому, если услышите, что говориться о мосфете обогащенного типа – знайте, это транзистор с индуцированным каналом. Далее показано его условное обозначение.

n-канальный MOSFET

p-канальный MOSFET

Основное отличие МДП-транзистора с индуцированным каналом от полевого транзистора со встроенным каналом заключается в том, что он открывается только при определённом значении (U пороговое) положительного, либо отрицательного напряжения (зависит от типа канала – n или p).

Транзистор же со встроенным каналом открывается уже при «0», а при отрицательном напряжении на затворе работает в обеднённом режиме (тоже открыт, но пропускает меньше тока). Если же к затвору приложить положительное «+» напряжение, то он продолжит открываться и перейдёт в так называемый режим обогащения — ток стока будет увеличиваться. Данный пример описывает работу n-канального mosfet’а со встроенным каналом. Их ещё называют транзисторами обеднённого типа. Далее показано их условное изображение на схемах.

n-канальный МДП транзистор со встроенным каналом

p-канальный МДП транзистор со встроенным каналом

На условном графическом обозначении отличить транзистор с индуцированным каналом от транзистора со встроенным каналом можно по разрыву вертикальной черты.

Иногда в технической литературе можно увидеть изображение МОП-транзистора с четвёртым выводом, который является продолжением линии стрелки указывающей тип канала. Так вот, четвёртый вывод – это вывод подложки (substrate). Такое изображение мосфета применяется, как правило, для описания дискретного (т.е. отдельного) транзистора и используется лишь как наглядная модель. В процессе производства подложку обычно соединяют с выводом истока.

MOSFET с выводом подложки (substrate)

У мощных транзисторов МДП есть одна особенность – это наличие «паразитного» биполярного транзистора. Чтобы предотвратить работу такого «паразитного» элемента применяется следующая хитрость: Вывод истока (S) соединяют с подложкой (substrate). При этом происходит соединение выводов база-эмиттер в структуре «паразитного» транзистора и он находится в закрытом состоянии, и не мешает нормальной работе мосфета. На условном обозначении эта особенность указывается с помощью соединения вывода истока МДП-транзистора и стрелкой, которая указывает тип канала.

Обозначение мощного МОП-транзистора

В результате соединения истока и подложки в структуре полевого mosfet’а между истоком и стоком образуется встроенный диод. На работу прибора данный диод не влияет, поскольку в схему он включен в обратном направлении. В некоторых случаях, встроенный диод, который образуется из-за технологических особенностей изготовления мощного MOSFET’а можно использовать на практике. В последних поколениях мощных МОП-транзисторов встроенный диод используется для защиты самого элемента.

MOSFET со встроенным диодом

Встроенный диод на условном обозначении мощного МДП-транзистора может и не указываться, хотя реально такой диод присутствует в любом мощном полевике.

3. Соединительный полевой транзистор (JFET)

ТОК — 3. Переходный полевой транзистор (JFET)

Соединительный полевой транзистор (JFET)

МОП-транзистор имеет ряд преимуществ по сравнению с полевым транзистором (JFET). Примечательно, что входное сопротивление MOSFET выше, чем у JFET. По этой причине MOSFET выбран в пользу JFET для большинства приложений. Тем не менее, JFET все еще используется в ограниченных ситуациях, особенно для аналоговых приложений.

Мы видели, что для полевых МОП-транзисторов требуется ненулевое напряжение затвора, чтобы сформировать канал для проводимости. Ток основной несущей не может протекать между истоком и стоком без этого приложенного напряжения затвора. Напротив, JFET контролирует проводимость тока основной несущей в существующем канале между двумя омическими контактами. Это достигается путем изменения эквивалентной емкости устройства.

Хотя мы подошли к JFET без использования результатов, полученных ранее для MOSFET, мы увидим много общего в работе этих двух типов устройств. Эти сходства суммированы в Разделе 6: «Сравнение MOSFET и JFET».

Схема для физической структуры JFET показана на рисунке 13. Как и BJT, JFET представляет собой устройство с тремя терминалами. В основном только один pn соединение между воротами и каналом, а не два, как в BJT (хотя, кажется, есть два pn соединения, показанные на рисунке 13, соединяются параллельно, соединяя клеммы затвора вместе. Таким образом, они могут рассматриваться как одно соединение).

Ассоциация n-канал JFET, показанный на рисунке 14 (a), построен с использованием полосы nтип материала с двумя pматериалы, рассредоточенные по полосе, по одному с каждой стороны. p-канал JFET имеет полосу pтип материала с двумя nматериалы типа рассеялись в полосе, как показано на рисунке 13 (б). На рисунке 13 также показаны символы схемы.

Чтобы получить представление о работе JFET, давайте подключим n-канал JFET во внешнюю цепь, как показано на рисунке 14 (a). Положительное напряжение питания, V_DD, применяется к стоку (это аналогично V_CC напряжение питания для BJT), а источник подключен к общему (заземление). Напряжение питания затвора, V_GG, применяется к воротам (это аналогично V_BB для БЮТ).

Рисунок 13-Физическая структура JFET

V_DD обеспечивает напряжение сток-исток, v_DS, что вызывает ток утечки, i_D, чтобы течь от стока к источнику. Поскольку соединение затвор-исток имеет обратное смещение, получается нулевой ток затвора. Ток утечки, i_D, равный току источника, существует в канале, окруженном pворота Напряжение затвор-источник, v_GS, который равен, создает область истощения в канале, который уменьшает ширину канала. Это, в свою очередь, увеличивает сопротивление между стоком и истоком.

Рисунок 14 — n-канальный JFET, подключенный к внешней схеме.

Рассмотрим работу JFET с v_GS = 0, как показано на рисунке 14 (b). Ток утечки, i_D, сквозь n-канал от стока до источника вызывает падение напряжения вдоль канала, с более высоким потенциалом в соединении сток-затвор. Это положительное напряжение на обратном смещении затвора pn соединение и создает область истощения, как показано темной заштрихованной областью на рисунке 14 (b). Когда мы увеличиваем v_DSток утечки, i_Dтакже увеличивается, как показано на рисунке 15.

Это действие приводит к увеличению области истощения и увеличению сопротивления канала между стоком и истоком. Как v_DS увеличивается, достигается точка, в которой область истощения отсекает весь канал на границе стока, и ток стока достигает своей точки насыщения. Если мы увеличим v_DS за этой точкой, i_D остается относительно постоянным. Значение насыщенного тока стока с V_GS = 0 является важным параметром. Это ток насыщения сток-исток, I_DSS, Мы нашли это KV_T 2 для режима истощения MOSFET. Как видно из рисунка 15, увеличение v_DS за пределами этого так называемого канала отщипнуть точка (-V_P, I_DSS) вызывает очень небольшое увеличение i_D, и i_D-v_DS Характеристическая кривая становится почти плоской (т.е. i_D остается относительно постоянным, так как v_DS далее увеличивается). Напомним, что V_T (сейчас обозначено V_P) отрицательно для nустройство Работа за пределами точки отсечки (в области насыщения) получается, когда напряжение стока, V_DS, больше, чем —V_P (см. рисунок 15). В качестве примера, скажем V_P = -4V, это означает, что напряжение стока, v_DS, должен быть больше или равен — (- 4V), чтобы JFET оставался в области насыщения (нормальной работы).

Это описание указывает, что JFET является устройством типа истощения. Мы ожидаем, что его характеристики будут аналогичны характеристикам истощающих МОП-транзисторов. Однако есть важное исключение: хотя МОП-транзистор типа обеднения можно эксплуатировать в режиме улучшения (применяя положительный v_GS если устройство n-канал) это не практично в устройстве типа JFET. На практике максимум v_GS ограничено примерно 0.3V, так как pnПри этом небольшом прямом напряжении соединение остается практически обрезанным.

Изменение напряжения на затворе 3.1 JFET

В предыдущем разделе мы разработали i_D-v_DS характеристическая кривая с V_GS = 0. В этом разделе мы рассмотрим полный i_D-v_DS характеристики для различных значений v_GS, Обратите внимание, что в случае BJT характерные кривые (i_C-v_CE) иметь i_B в качестве параметра. FET — это устройство с управлением по напряжению, в котором v_GS контролирует Рисунок 16 показывает i_D-v_DS характеристические кривые для обоих n-канал и pканал JFET.

Рисунок 16-i_D-v_DS характеристические кривые для JFET

По мере увеличения (v_GS является более негативным для n-канал и более позитивный для p-канал) формируется область истощения и достигается отсечение для более низких значений i_D, Следовательно для n-канал JFET на рисунке 16 (а), максимальный i_D уменьшает от I_DSS as v_GS сделано более негативно. Если v_GS далее уменьшается (более отрицательный), значение v_GS достигается после чего i_D будет равен нулю независимо от значения v_DS, Это значение v_GS называется V_{GS (OFF)}или напряжение отсечки (V_p). Значение V_p отрицательно для n-канал JFET и позитив для pканал JFET. V_p можно сравнить с V_T для режима истощения MOSFET.

Характеристики передачи 3.2 JFET

Передаточная характеристика представляет собой график тока стока, i_Dкак функция напряжения сток-исток, v_DSпризывают v_GS равен набору постоянных напряжений (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V на рисунке 16 (a)). Передаточная характеристика практически не зависит от значения v_DS поскольку после того, как JFET достигнет предела, i_D остается относительно постоянным для увеличения значений v_DS, Это видно из i_D–v_DS кривые на рисунке 16, где каждая кривая становится примерно плоской для значений v_DS>V_p.

На рисунке 17 мы показываем характеристики передачи и i_D-v_DS характеристики для nканал JFET. Мы строим их с общим i_D ось, чтобы показать, как получить одно из другого. Передаточные характеристики могут быть получены из расширения i_D-v_DS кривые, показанные пунктирными линиями на рисунке 17. Наиболее полезный метод определения передаточной характеристики в области насыщения заключается в следующем соотношении (уравнение Шокли):

(16)

Следовательно, нам нужно только знать I_DSS и V_p для определения всей характеристики. В технических паспортах производителей часто указываются эти два параметра, поэтому можно построить передаточную характеристику. V_p в спецификации производителя отображается как V_{GS (OFF)}, Обратите внимание, что i_D насыщается (т.е. становится постоянным) при v_DS превышает напряжение, необходимое для отключения канала. Это можно выразить как уравнение для v_{DS, сидел} для каждый кривая, следующим образом:

(17)

As v_GS становится более отрицательным, отсечение происходит при более низких значениях v_DS и ток насыщения становится меньше. Полезная область для линейной работы находится выше уровня обрыва и ниже напряжения пробоя. В этом регионе, i_D насыщен и его значение зависит от v_GSв соответствии с уравнением (16) или передаточной характеристикой.

Рисунок 17 — Кривые передаточных характеристик JFET

Передача и i_D-v_DS характеристические кривые для JFET, которые показаны на рисунке 17, отличаются от соответствующих кривых для BJT. Кривые BJT могут быть представлены как равномерно распределенные для равномерных шагов в базовом токе из-за линейной зависимости между i_C и i_B, У JFET и MOSFET нет тока, аналогичного базовому току, потому что токи затвора равны нулю. Поэтому мы вынуждены показывать семейство кривых i_D против v_DSи отношения очень нелинейные.

Второе отличие относится к размеру и форме омической области характеристических кривых. Напомним, что при использовании BJT мы избегаем нелинейной работы, избегая нижнего 5% значений v_CE (т.е. область насыщения), Мы видим, что ширина омической области для JFET является функцией напряжения затвора к источнику. Омическая область является довольно линейной, пока колено не окажется близко к отщипыванию. Этот регион называется омический регион потому что, когда транзистор используется в этой области, он ведет себя как омический резистор, значение которого определяется значением v_GS. По мере уменьшения величины напряжения затвор-исток ширина омической области увеличивается. Мы также отмечаем из рисунка 17, что напряжение пробоя является функцией напряжения затвор-исток. Фактически, чтобы получить достаточно линейное усиление сигнала, мы должны использовать только относительно небольшой участок этих кривых — область линейного действия находится в активной области.

As v_DS увеличивается от нуля, точка разрыва возникает на каждой кривой, за пределами которой ток стока очень мало увеличивается, так как v_DS продолжает увеличиваться. При этом значении напряжения сток-исток происходит отрыв. Значения отсечки отмечены на рисунке 17 и связаны пунктирной кривой, которая отделяет омическую область от активной области. Как v_DS продолжает увеличиваться после обострения, достигается точка, где напряжение между стоком и истоком становится настолько большим, что обвал лавины происходит. (Это явление также имеет место в диодах и в БЯТ). В точке пробоя, i_D резко возрастает с незначительным увеличением v_DS, Этот сбой происходит на конце стока соединения затвор-канал. Следовательно, когда напряжение сток-затвор, v_DG, превышает напряжение пробоя (BV_GDS для pn соединение), лавина происходит [для v_GS = 0 V]. На данный момент, i_D-v_DS характеристика проявляет своеобразную форму, показанную в правой части рисунка 17.

Область между напряжением обрыва и лавинным пробоем называется активная область, рабочая область усилителя, область насыщенияили защемление области. Омическая область (до отсечки) обычно называется область триоды, но иногда его называют управляемая напряжением область. JFET работает в омической области, когда требуется переменный резистор, и в приложениях переключения.

Напряжение пробоя является функцией v_GS а также V_DS, Поскольку величина напряжения между затвором и источником увеличивается (более отрицательным для nи больше позитива для p-канал), напряжение пробоя уменьшается (см. рисунок 17). С v_GS = V_pток утечки равен нулю (за исключением небольшого тока утечки) и при v_GS = 0, ток стока насыщается значением,

(18)

I_DSS это ток утечки насыщения к источнику.

Между отрывом и пробоем ток стока насыщается и не изменяется заметно в зависимости от v_DS, После того, как JFET пройдет рабочую точку отсечки, значение i_D можно получить из характеристических кривых или из уравнения

(19)

Более точная версия этого уравнения (с учетом небольшого наклона характеристических кривых) выглядит следующим образом:

(20)

λ аналогично λ для полевых МОП-транзисторов и 1 /V_A для БЖЦ. поскольку λ мал, мы предполагаем, что , Это оправдывает исключение второго фактора в уравнении и использование аппроксимации для смещения и анализа большого сигнала.

Насыщение сток-исток, I_DSSявляется функцией температуры. Влияние температуры на V_p не большие. Тем не мение, I_DSS уменьшается при повышении температуры, при этом 25 уменьшается до 100% o повышение температуры. Еще большие изменения происходят в V_p и I_DSS из-за небольших изменений в производственном процессе. Это можно увидеть, просмотрев Приложение для 2N3822, где максимум I_DSS 10 мА и минимум 2 мА.

Токи и напряжения в этом разделе представлены для nканал JFET. Значения для p-каналы JFET являются обратными тем, которые даны для nканальное.

Модель переменного тока 3.3 JFET Small-Signal

Модель слабого сигнала JFET может быть получена в соответствии с теми же процедурами, что и для MOSFET. Модель основана на соотношении уравнения (20). Если мы рассмотрим только ac составляющая напряжений и токов, мы имеем

(21)

Параметры в уравнении (21) задаются частными производными,

(22)

Полученная модель показана на рисунке 18. Обратите внимание, что модель идентична модели MOSFET, полученной ранее, за исключением того, что значения g_m и r_o рассчитываются по разным формулам. На самом деле формулы идентичны, если V_p заменяется V_T.

Рисунок 18 — Модель малого сигнала переменного тока JFET

Для разработки усилителя JFET точка Q для dc Ток смещения может быть определен либо графически, либо с помощью анализа цепи, предполагая, что для транзистора используется режим отрыва. dc ток смещения в точке Q должен лежать между 30% и 70% I_DSS, Это находит Q-точку в наиболее линейной области характеристических кривых.

Отношение между i_D и v_GS может быть нанесен на безразмерный график (т.е. нормализованную кривую), как показано на рисунке 20.

Разумной процедурой для определения местоположения значения покоя вблизи центра линейной рабочей области является выбор и. Обратите внимание на рисунок 6.20, что это около середины кривой. Далее выбираем. Это дает широкий диапазон значений для v_ds которые удерживают транзистор в режиме отсечки.

Мы можем найти коэффициент трансдуктивности в точке Q либо по наклону кривой на рисунке 20, либо с помощью уравнения (22). Если мы используем эту процедуру, параметр Transconductance определяется как:

(23)

Помните, что это значение g_m зависит от предположения, что I_D установлен на половину I_DSS и V_GS . 0.3V_p, Эти значения обычно представляют собой хорошую отправную точку для установки значений покоя для JFET.

Как понять на полевом транзисторе обозначение ног G D S, где колектор, эмитер, база ?

Если ты не понимаешь вообще, что такое транзистор, зачем лезть в эту тему? Обратись к специалисту.. А лучше сходи для начала в школу в 8й класс на физику.

Остальные ответы
у полевого транзистора их нет.
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Полевой транзистор МОП (MOSFET)

Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?

Как часто вы слышали название полевой транзистор МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Это все слова синонимы и относятся к одному и тому же радиоэлементу: полевому МОП-транзистору.

Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор. Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором.

Откуда пошло название «МОП»

Если «разрезать» МОП-транзистор, то можно увидеть вот такую картину.

С точки зрения еды на вашем столе, МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа — толстый кусок хлеба, диэлектрик — тонкий слой колбасы, слой металла — тонкая пластинку сыра. В результате у нас получается вот такой бутерброд.

А как будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр — металлическая пластинка, колбаса — диэлектрик, хлеб — полупроводник. Следовательно, получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП — Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором. А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO₂), можно сказать почти стекло, то и вместо названия «диэлектрик» взяли название «оксид, окисел», и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места).

Далее по тексту МОП-транзистор условимся называть просто полевой транзистор. Так будет проще.

Строение полевого транзистора

Давайте еще раз рассмотрим структуру полевого транзистора.

Имеем «кирпич» полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому, их концентрация намного больше, чем электронов. Но электроны также есть и в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике — это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. «Кирпич» P-полупроводника носит название Подложки. От подложки выходит вывод с таким же названием: подложка.

Другие слои — это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.

Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод. Называется этот вывод Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Мы видим, что полевой транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор и Подложка), а реальный транзистор имеет только 3 вывода.

В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:

Поэтому, следует соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.

Виды полевых транзисторов

В семействе МОП полевых транзисторов в основном выделяют 4 вида:

1) N-канальный с индуцированным каналом

2) P-канальный с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канальный со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом — сплошной.

В современном мире полевой транзистор со встроенным каналом используется все реже и реже, поэтому, в наших статьям мы их не будем рассматривать. Будем изучать только N и P — канальные полевые транзисторы с индуцированным каналом.

Принцип работы полевого транзистора

Принцип работы почти такой же, как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом (JFET-транзисторе). Исток — это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток — это вывод, куда они притекают, а Затвор — это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.

Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движение электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:

Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения PN-переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:

Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.

Значит, в этой схеме

никакого движения электрического тока пока что не намечается.

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать некоторое напряжение на Затвор, то в Подложке начнутся волшебные превращения. В ней будет индуцироваться канал. Индукция, индуцирование — это буквально означает «наведение», «влияние». Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через магнитное или электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: «через электрическое поле».

Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются:

На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить, и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле.

Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов, так как в данный момент подложка P-типа. А раз и на Затворе положительный потенциал, а дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Картина будет выглядеть следующим образом.

Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому, электронам ничего другого не остается, как просто создать «вавилонское столпотворение» около слоя диэлектрика, что мы и видим на рисунке ниже.

Но смотрите, что произошло !? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.

Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Вы наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно, этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался «проводок», по которому может бежать электрический ток.

Значит, если сейчас подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину.

Как вы видите, цепь стает замкнутой, и в цепи может спокойно течь электрический ток.

Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал, следовательно, тем меньше сопротивление канала! А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор! Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью источника питания Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, «играя» напряжением на затворе. Ну гениальнее некуда!

Работа P-канального полевого транзистора

Выше мы разобрали N-канальный транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора. Честно говоря, P-канальные полевые транзисторы используются реже, чем N-канальные.

Принцип работы показан на рисунке ниже.

Режимы работы полевого транзистора

Работа полевого транзистора в режиме отсечки

Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный полевой транзистор с индуцированным каналом. Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.

Как мы уже с вами разобрали, Затвор служит для управлением ширины канала между Стоком и Истоком. Для того, чтобы показать принцип работы, мы с вами соберем простейшую схему, которая будет управлять интенсивностью свечения лампы накаливания. Так как в данный момент нет никакого напряжения на Затворе полевого транзистора, следовательно, он будет находится в закрытом состоянии. То есть электрический ток через лампу накаливания течь не будет.

По идее, для того, чтобы управлять свечением лампы, нам достаточно менять напряжение на Затворе относительно Истока. Так как наш полевой транзистор является N-канальным, следовательно, на Затвор мы будем подавать положительное напряжение. Окончательная схема примет вот такой вид.

Вопрос в другом. Какое напряжение надо подать на Затвор, чтобы в цепи Сток-Исток побежал минимальный электрический ток?

Мой блок питания Bat2 выглядит следующим образом.

С помощью этого блока питания мы будем регулировать напряжение. Так как он стрелочный, более правильным будет измерение напряжения с помощью мультиметра.

Собираем все как по схеме и подаем на Затвор напряжение номиналом в 1 Вольт.

Лампочка не горит. На другом блоке питания (Bat1) есть встроенный амперметр, который показывает, что в цепи лампы накаливания электрический ток не течет, следовательно, транзистор не открылся. Ну ладно, будем добавлять напряжение.

И только уже при 3,5 Вольт амперметр на Bat1 показал, что в цепи лампы накаливания появился ток, хотя сама лампа при этом не горела.

Такого слабого тока ей просто недостаточно, чтобы накалить вольфрамовую нить. Режим, при котором в цепи Сток-Исток не протекает электрический ток, называется режимом отсечки.

Активный режим работы полевого транзистора

В нашем случае при напряжении около 3,5 Вольт наш транзистор начинает немного приоткрываться. Это значение у различных видов полевых транзисторов разное и колеблется в диапазоне от 0,5 и до 5 Вольт. В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage, в переводе с англ. яз. — пороговое напряжение Затвора. Указывается как V_GS(th), а в некоторых даташитах как V_GS(to) .

Как вы видите в таблице, на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions). В условиях прописано, что открытие транзистора считается при токе в 250 мкА и при условии, что напряжение на Стоке-Истоке будет такое же как и напряжение на Затворе-Стоке.

С этого момента мы можем плавно регулировать ширину канала нашего полевого транзистора, увеличивая напряжение на Затворе. Если чуть-чуть добавить напряжение, то мы можем увидеть, что нить лампы накаливания начинает накаляться. Меняя напряжение туда-сюда, мы можем добиваться нужного нам свечения лампочки накаливания. Такой режим работы полевого транзистора называется активным режимом.

В этом режиме полевой транзистор может менять сопротивление индуцируемого канала в зависимости от напряжения на Затворе. Для того, чтобы понять, как усиливает полевой транзистор, вам надо прочитать статью про принцип работы биполярного транзистора, где все это описано, иначе ничего не поймете. Читать по этой ссылке.

Активный режим работы транзистора чреват тем, что в этом режиме транзистор может очень сильно греться. Поэтому, всегда следует позаботиться об охлаждающем радиаторе, который бы рассеивал тепло от транзистора в окружающее пространство. Почему же греется транзистор? В чем дело? Да все оказывается до боли просто. Сопротивление Сток-Исток зависит от того, какое напряжение будет на Затворе. То есть схематически это можно показать вот так.

Если напряжения на Затворе нет или оно меньше, чем напряжение открытия транзистора, то сопротивление в этом случае будет бесконечно большое. Лампочка — это нагрузка, которая обладает каким-либо сопротивлением. Не спорю, что сопротивление нити горящей лампочки будет совсем другое, чем холодной, но пока пусть будет так, что лампочка — это какое-то постоянное сопротивление. Перерисуем нашу схему вот так.

Получился типичный делитель напряжения. Как я уже говорил, если нет напряжения на Затворе, то сопротивление Сток-Истока будет бесконечно большим. Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке помноженной на силу тока через Сток-Истока: P=I_c U_си . Если выразить эту формулу через сопротивление, то получаем

где R – это сопротивление канала Сток-Исток, Ом

I_C – сила тока, проходящая через канал (ток Стока) , А

А что такое мощность, рассеиваемая на каком-либо радиоэлементе? Это и есть тепло.

Теперь представьте, что мы приоткрыли транзистор наполовину. Пусть в нашей цепи ток через лампу будет 1 Ампер, а сопротивление перехода Сток-Исток будет равно 10 Ом. Согласно формуле P= I 2 _C R получим, что рассеиваемая мощность на транзисторе в этот момент будет 10 Ватт! Да это маленький, черт его возьми, нагреватель!

Режим насыщения полевого транзистора

Для того, чтобы полностью открыть полевой транзистор, нам достаточно подавать напряжение до тех пор, пока лампа не будет гореть во весь накал. В моем случае это напряжение более чем 4,2 Вольта.

В режиме насыщение сопротивление канала Сток-Исток минимально и почти не оказывает сопротивление электрическому току. Лампа ест свои честные 20,4 Ватта (12х1,7=20,4).

На самой лампе мы видим ее мощность 21 Ватт. Спишем небольшую погрешность на наши приборы.

Самое интересное то, что транзистор в этом случае остается холодным и ни капли не греется, хотя через него проходит 1,7 Ампер! Для того, чтобы понять этот феномен, нам опять надо рассмотреть формулу P= I 2 _C R . Если сопротивление Стока-Истока составляет какие-то сотые доли Ома в режиме насыщения, то с чего будет греться транзистор?

Поэтому, самые щадящие режимы для полевого МОП-транзистора – это когда канал полностью открыт или когда канал полностью закрыт. При закрытом транзисторе сопротивление канала будет бесконечно большое, а ток через это сопротивление будет бесконечно мал, так как в этой цепи будет работать закон Ома. Подставляя эти значение в формулу P= I 2 _C R, мы увидим, что мощность рассеивания на таком транзисторе будет равна практически нулю. В режиме насыщения у нас сопротивление будет достигать сотые доли Ома, а сила тока будет зависеть от нагрузку в цепи. Следовательно, в этом режиме транзистор также будет рассеивать какие-то сотые доли Ватта.

Ключевой режим работы полевого транзистора

В этом режиме полевой транзистор работает только в режиме отсечки и насыщения.

Давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1.

Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы. В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть-то? На Затворе то у нас полный ноль, поэтому, канал закрыт.

Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь.

Даже не надо ни о чем заморачиваться! Просто подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Для нашего транзистора это +-20 Вольт. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет ну очень маленькая (микроамперы).

Как вы видите, лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал такой же, как и на Истоке, то есть ноль, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, «захватив» по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой рабочий стол.

Но наблюдается также и интересный феномен, в отличие от ключа на биполярном транзисторе. Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!

Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого полевого транзистора. Вот эта часть вам ничего не напоминает?

Так это же конденсатор! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться-то ему некуда, поэтому он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал с Затвора и «заткнуть» канал, нам опять же надо уравнять его с нулем. Сделать это достаточно просто, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет.

Как вы видели в опыте выше, если мы отключаем напряжение на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал так и останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах — Затвор должен всегда чем-то управляться и с чем-то соединяться. Ему нельзя висеть в воздухе.

А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе:

При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается

Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель), лампочка сразу тухнет:

Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал. А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если я снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение ;-). Не забываем золотое правило делителя напряжения. Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше). Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.

Характеристики полевого МОП транзистора

Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.

Напряжение V_GS — это напряжение между Затвором и Истоком. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт. Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.

Максимальная сила тока I_D , которая может течь через канал Сток-Исток.

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер.

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.

R_DS(on) — сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока. В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока = 25 Ампер).

Максимальная рассеиваемая мощность P_D — это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия — это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите на последних страницах.

Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала полностью открытого транзистора от температуры кристалла:

Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.

Как проверить полевой транзистор

Для того, чтобы проверить полевой транзистор, мы должны определить, где какие у него выводы. У нас подопытным кроликом будет тот же самый транзистор: IRFZ44N.

Для этого вбиваем в любой поисковик название нашего транзистора и рядом прописываем слово «даташит». Чаще всего на первой странице даташита мы можем увидеть цоколевку транзистора.

Хотя, интернет переполнен уже готовыми распиновками и иногда все-таки бывает проще набрать»распиновка (цоколевка) *название транзистора* «. Итак, я вбил ” IRFZ44N цоколевка” в Яндекс и нажал на вкладку “картинки”. Яндекс мне выдал уйму картинок с распиновкой этого транзистора:

Ну а дальше дело за малым.
Устройство и принцип работы в видео:

Проверка полевого транзистора с помощью мультиметра

Теперь, зная цоколевку и принцип работы транзистора, мы можем проверить его на работоспособность. Первым делом мы без проблем можем проверить эквивалентный диод VD2 между Стоком и Истоком. В схемотехническом обозначении его тоже часто указывают.

Как проверить диод мультиметром, я писал еще в этой статье.

Но не спешите брать мультиметр в руки и прозванивать диод! Ведь первым делом надо снять с себя статическое напряжение. Это можно сделать, если задеть метализированный слой водонагревательных труб, либо коснуться заземляющего провода. При работе с радиоэлементами, чувствительными к статическому напряжению, желательно использовать антистатический браслет, один конец которого закрепляется к заземляющему проводнику, например, к батарее отопления, а другой конец в виде ремешка надевается на запястье.

Далее замыкаем все выводы транзистора каким-нибудь металлическим предметом. В моем случае это металлический пинцет. Для чего мы это делаем? А вдруг кто-то зарядил Затвор до нас или он уже где-то успел «хапнуть» потенциал на Затворе? Поэтому, чтобы все было честно, мы уравняем потенциал на Затворе до нуля с помощью этой нехитрой манипуляции.

Ну а теперь со спокойной совестью можно проверить диод, который образуется в полевом транзисторе между Стоком и Истоком. Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, его схемотехническое обозначение будет выглядеть вот так:

Беремся положительным (красным) щупом мультиметра за Исток, так-как там находится анод диода, а отрицательным (черным) — за Сток
(там у нас катод диода). На мультиметре должно высветиться падение напряжения на диоде 0,5-0,7 Вольт. В моем случае, как видите, 0,56 Вольт.

Далее меняем щупы местами. Мультиметр покажет единичку, что нам говорит о том, что диод в полевом транзисторе жив и здоров.

Проверяем сопротивление канала. Мы с вами уже знаем, что в N-канальном транзисторе ток у нас будет бежать от Стока к Истоку, следовательно, встаем красным положительным щупом на Сток, а отрицательным – на Исток, и меряем сопротивление. Оно должно быть ну о-о-о-очень большое. В моем случае даже на Мегаомах показывает единичку, что говорит о том, что сопротивление даже больше, чем 200 Мегаом. Это очень хорошо.

Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, чтобы его приоткрыть, нам достаточно будет подать напряжение на Затвор, относительно Истока. Чаще всего в режиме прозвонки диодов на щупах мультиметра бывает напряжение в 3-4 Вольта. Все зависит от марки мультиметра. Этого напряжения будет вполне достаточно, чтобы подать его на Затвор и приоткрыть транзистор.

Так и сделаем. Ставим черный щуп на Исток, а красный на Затвор на доли секунды. На показания мультиметра не обращаем внимания, так как мы сейчас используем его в качестве источника питания, чтобы подать потенциал на Затвор. Этим простым действием мы приоткрыли наш транзистор.

Раз мы приоткрыли транзистор, значит, сопротивление Сток-Исток должно уменьшится. Проверяем, так ли это? Ставим мультиметр в режим измерения сопротивления и смотрим, уменьшилось ли сопротивление между Стоком-Истоком? Как видите, мультиметр показал значение в 2,45 КОм.

Это говорит о том, что наш полевой транзистор полностью работоспособен.

Конечно, бывает и такое, что малого напряжения на мультиметре не хватает, чтобы приоткрыть транзистор. Здесь можно прибегнуть к источникам питания, которые выдают более-менее нормальное напряжение, например, блок питания или батарейка Крона в 9 Вольт. Так как рядом не оказалось Кроны, то мы просто выставим напряжение в 10 Вольт. Напряжение на Затвор именно этого транзистора не должно превышать 20 Вольт, иначе произойдет пробой диэлектрика, и транзистор выйдет из строя.

Итак, выставляем 10 Вольт.

Подаем это напряжение на Затвор транзистора на доли секунды.

Теперь по идее сопротивление между Стоком и Истоком должно равняться нулю. Для чистоты эксперимента замеряем сопротивление щупов самого мультиметра. Эх, дешевые китайские щупы. 2,1 Ом).

А теперь и замеряем сопротивление самого перехода. Практически 0 Ом!

Хотя, если верить даташиту, должно быть 17,5 миллиОм. Теперь можно утверждать со 146% вероятностью, что наш транзистор полностью жив и здоров.

Как проверить полевой транзистор с помощью транзисторметра

На рабочем столе каждого электронщика должен быть этот замечательный китайский прибор, благо он стоит недорого. Про него я писал обзор здесь.

Здесь все просто, как дважды два. Вставляем транзистор в кроватку и нажимаем большую зеленую кнопку. В результате прибор сразу же определил, что это полевой МОП транзистор с каналом N-типа, определил расположение выводов транзистора, а также емкость затвора и пороговое напряжение открытия, о котором мы говорили выше в статье. Ну не прибор, а чудо!

Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами

Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим PN-переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим PN переходом — 250 Вольт. Поэтому, самое важное правило при работе с такими транзисторами — это заземлить себя через антистатический браслет, или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов.

Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде бы спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.

Похожие статьи по теме «полевой транзистор»