Эмиттер коллектор база сток исток затвор: Эта страница ещё не существует

Как работают транзисторы MOSFET | hardware

Мощные транзисторы MOSFET хорошо известны своей исключительной скоростью переключения при весьма малой мощности управления, которую нужно прикладывать к затвору. Основная причина в том, что затвор изолирован, поэтому требуется мощность только на перезаряд емкости затвор-исток, и в статическом режиме цепь затвора практически не потребляет тока. В этом отношении мощные MOSFET по своим характеристикам приближаются к «идеальному переключателю». Основные недостатки, которые не дают MOSFET стать «идеальным», это сопротивление открытого канала RDS(on), и значительная величина положительного температурного коэффициента (чем выше температура, тем выше сопротивление открытого канала). В этом апноуте обсуждаются эти и другие основные особенности высоковольтных N-канальных мощных MOSFET, и предоставляется полезная информация по выбору транзисторов и их применению (перевод статьи [1]).


Для того, чтобы было проще понять работу полевого N-канального транзистора MOSFET, его стоит сравнить с широко распространенным биполярным кремниевым транзистором структуры NPN. Электроды у биполярного транзистора называются база, коллектор, эмиттер, а у полевого транзистора затвор, сток, исток.


База выполняет те же функции, что и затвор, коллектор соответствует стоку, а эмиттер соответствует истоку.

Давайте рассмотрим простейшую схему включения транзистора NPN:

Когда входной ключ разомкнут, то через эмиттерный переход транзистора T1 ток не течет, и канал коллектор-эмиттер имеет высокое сопротивление. Говорят, что транзистор закрыт, через его канал коллектор-эмиттер ток практически не течет. Когда замыкается входной ключ, то от батарейки B1 через резистор R1 и эмиттерный переход транзистора течет открывающий ток. Когда транзистор открыт, то его сопротивление канала коллектор-эмиттер уменьшается, и почти все напряжение батареи B2 оказывается приложенным к нагрузке R3. Т. е. когда во входной цепи течет ток (через R1), то в выходной цепи тоже течет ток (через R3), но в выходной цепи ток и напряжение (т. е. действующая мощность) в несколько раз больше. Здесь как раз и проявляются усиливающие свойства транзистора — маленькая мощность на входе позволяет управлять большой мощностью на выходе.

А так будет в этой схеме работать транзистор MOSFET:

На первый взгляд все то же самое — когда на входе есть управляющая мощность, она также появляется и на выходе (обычно усиленная во много раз). В этом смысле биполярный транзистор и MOSFET-транзистор очень похожи. Но есть два самых важных различия:

• Биполярный транзистор управляется током, а полевой транзистор напряжением.

Примечание: отсюда, кстати и пошло название полевого транзистора: его канал управляется не током, а электрическим полем затвор-исток.

Это означает, что входное сопротивление биполярного транзистора мало, а входное сопротивление MOSFET-транзистора очень велико. Обратите внимание на входной ток биполярного транзистора — 0.3 мА, этот ток в основном определяется сопротивлением резистора R1. Причина проста: на входе у биполярного транзистора имеется эмиттерный переход, который по сути обыкновенный диод, смещенный в прямом направлении. Если ток через этот диод есть, то транзистор открывается, если нет, то закрывается. Открытый диод имеет малое сопротивление, и максимальное падение напряжения на нем составляет около 0.7V. Поэтому практически все напряжение B1 (если быть точным, то 3.7 — 0.7 = 3V) оказывается приложенным к резистору R1. Этот резистор играет роль ограничителя входного тока биполярного транзистора.

У полевого транзистора MOSFET в этом отношении все по-другому. Входной ток определяется главным образом сопротивлением резистора R2, поэтому входной ток очень мал. Практически все входное напряжение оказывается приложенным к R2 и к переходу затвор — исток полевого транзистора. Причина проста: затвор и исток изолированы друг от друга слоем оксида кремния, по сути это конденсатор, поэтому ток через затвор практически не течет.

По этой причине на низких частотах, когда входная емкость не шунтирует источник сигнала, полевой транзистор имеет гораздо большее усиление по мощности в сравнении с биполярным транзистором. И действительно, в нашем примере входная мощность у биполярного транзистора составляет 0.3 мА * 3.7V = 1.11 мВт, а у полевого транзистора входная мощность составит всего лишь 0.00366 мА * 3.7V = 0.0135 мВт, т. е. в 82 раза меньше! Это соотношение могло бы быть еще больше не в пользу биполярного транзистора, если увеличить сопротивление резистора R2.

• Падение напряжения на выходном канале у полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного.

Для данного примера падение напряжения коллектор-эмиттер биполярного транзистора составит примерно 0.3V, а у полевого 0.1V и даже меньше. Обычно выходное сопротивление у полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного.

В исходном состоянии, когда на затворе относительно истока нулевое положительное напряжение, сопротивление канала определяется количеством неосновных носителей в полупроводнике, и очень велико. Когда к затвору прикладывается положительное напряжение относительно истока, то появляется проводящий ток канал сток-исток. Поэтому MOSFET иногда называют полевым транзистором с индуцированным каналом.

[Структура мощного транзистора MOSFET]

На рис. 1 показан срез структуры N-канального транзистора MOSFET компании Advanced Power Technology (APT). (Здесь рассматриваются MOSFET только N-структуры, как самые популярные.) Положительное напряжение, приложенное от вывода истока (source) к выводу затвора (gate), заставляет электроны притянуться ближе к выводу затвора в области подложки. Если напряжение исток-затвор равно или больше определенного порогового напряжения, достаточного для накапливания нужного количества электронов для достижения инверсии слоя n-типа, то сформируется проводящий канал через подложку (говорят, что канал MOSFET расширен). Электроны могут перетекать в любом направлении через канал между стоком и истоком. Положительный (или прямой) ток стока втекает в сток, в то время как электроны перемещаются от истока к стоку. Прямой ток стока будет заблокирован, как только канал будет выключен, и предоставленное напряжение сток-исток будет прикладываться в обратном направлении к p-n переходу подложка-сток. В N-канальных MOSFET только электроны формируют проводимость, здесь нет никаких не основных носителей заряда. Скорость переключения канала ограничена только длительностью перезаряда паразитных емкостей между электродами MOSFET. Поэтому переключение может быть очень быстрым, приводя к низким потерям при переключении. Этот фактор делает мощные MOSFET такими эффективными для работы на высокой частоте переключения.

Рис. 1. Срез рабочей структуры транзистора MOSFET.

RDS(on). Основные составляющие, которые входят в сопротивление открытого канала RDS(on), включают сам канал, JFET (аккумулирующий слой), область дрейфа Rdrift, паразитные сопротивления (металлизация, соединительные провода, выводы корпуса). При напряжениях приблизительно выше 150V в сопротивлении открытого канала доминирует область дрейфа. Эффект RDS(on) относительно невелик на высоковольтных транзисторах MOSFET. Если посмотреть на рис. 2, удвоение тока канала увеличивает RDS(on) только на 6%.

Рис. 2. Зависимость RDS(on) от тока через канал.

Температура, с другой стороны, сильно влияет на RDS(on). Как можно увидеть на рис. 3, сопротивление приблизительно удваивается при возрастании температуры от 25°C до 125°C. Температурный коэффициент RDS(on) определяется наклоном кривой графика рис. 3, и он всегда положителен для большинства поставщиков транзисторов MOSFET. Большой положительный температурный коэффициент RDS(on) определяется потерями на соединении I2R, которые увеличиваются с ростом температуры.

Рис. 3. Зависимость RDS(on) от температуры.

Положительный температурный коэффициент RDS(on) очень полезен, когда нужно параллельно включать транзисторы MOSFET, поскольку это обеспечивает их температурную стабильность и равномерное распределение рассеиваемой мощности между транзисторами. Этим MOSFET выгодно отличаются от традиционных биполярных транзисторов. Но это не гарантирует, что параллельно соединенные транзисторы будут равномерно распределять между собой общий ток. Это широко распространенное заблуждение [2]. То, что действительно делает MOSFET простыми для параллельного включения — это их относительно малый разброс по параметрам между отдельными экземплярами в пределах серии, в частности по параметру RDS(on), в комбинации с более безопасными свойствами канала в контексте перегрузки по току, когда благодаря положительному температурному коэффициенту RDS(on) сопротивление канала растет при повышении температуры.

Для любого заданного размера кристалла RDS(on) также увеличивается с увеличением допустимого напряжения V(BR)DSS, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость нормализированного RDS(on) от V(BR)DSS.

Кривая нормализированного RDS(on) в зависимости от V(BR)DSS для Power MOS V и Power MOS 7 MOSFET показывает, что RDS(on) растет пропорционально квадрату V(BR)DSS. Эта нелинейная зависимость между RDS(on) и V(BR)DSS является побудительным стимулом для исследования технологий с целью уменьшить потери проводимости мощных транзисторов [3].

[Внутренние и паразитные элементы]

JFET. В структуре MOSFET Вы можете представить себе встроенный JFET, как это показано на рис. 1. JFET оказывает значительное влияние на RDS(on), и является частью нормального функционирования MOSFET.


Внутренний диод на подложке (Intrinsic body diode). Переход p-n между подложкой и стоком формирует внутренний диод, так называемый body diode (см. рис. 1), или паразитный диод. Обратный ток стока не может быть блокирован, потому что подложка замкнута на исток, предоставляя мощный путь для тока через body diode. Расширение канала транзистора (при положительном напряжении на затворе относительно истока) уменьшает потери на прохождение обратного тока стока, потому что электроны проходят через канал в дополнение к электронам и неосновным носителям, проходящим через  body diode.

Наличие внутреннего диода на подложке удобно в схемах, для которых требуется путь для обратного тока стока (часто называемого как ток свободного хода), таких как схемах мостов. Для таких схем предлагаются транзисторы FREDFET, имеющие улучшенные восстановительные характеристики (FREDFET это просто торговое имя компании Advanced Power Technology, используемое для выделения серий MOSFET с дополнительными шагами в производстве, направленными на ускорение восстановления intrinsic body diode). В FREDFET нет отдельного диода; это тот же MOSFET intrinsic body diode. Для управления временем жизни неосновных носителей во внутреннем диоде применяется либо облучение электронами (наиболее часто используемый вариант) или легирование платиной, что значительно уменьшает заряд обратно смещенного перехода и время восстановления.

Побочный эффект от обработки FREDFET — повышенный ток утечки, особенно на высоких температурах. Однако, если учесть, что MOSFET имеет очень малый начальный ток утечки, то добавленный через FREDFET ток утечки остается допустимым до температур перехода ниже 150°C. В зависимости от дозы облучения FREDFET может иметь RDS(on) больше, чем у соответствующего MOSFET. Прямое напряжение для паразитного диода для FREDFET также немного больше. Заряд затвора и скорость переключения у MOSFET и FREDFET идентичны. Поэтому термин MOSFET здесь будет использоваться всегда для обоих типов MOSFET и FREDFET, если специально не оговорено что-то другое.

Скорость восстановления для паразитного диода у MOSFET или даже у FREDFET намного хуже в сравнении со скоростью быстрого дискретного диода. В приложениях, где жесткие рабочие условия с температурой порядка 125°C, потери на включение из-за восстановления из обратного смещения примерно в 5 раз выше, чем у быстрых дискретных диодов. НА это есть 2 причины:

1. Рабочая область паразитного диода совпадает с рабочей областью MOSFET или FREDFET, и рабочая область у дискретного диода для той же функции намного меньше, поэтому у дискретного диода намного меньше заряд восстановления.

2. Паразитный диод MOSFET или даже FREDFET не оптимизирован под обратное восстановление, как это сделано для дискретного диода.

Как и любой стандартный кремниевый диод, у паразитного диода заряд восстановления и время зависит от температуры, di/dt (скорости изменения тока), и величины тока. Прямое напряжение паразитного диода, VSD, уменьшается с ростом температуры по коэффициенту примерно 2.5 mV/°C.

Паразитный биполярный транзистор. Разделенная на слои структура MOSFET также формирует паразитный биполярный транзистор (BJT) структуры NPN, и его включение на является частью нормального функционирования. Если BJT откроется и войдет в насыщение, то это может вызвать самоблокировку, при которой MOSFET не может быть выключен кроме как через внешний разрыв цепи тока стока. Высокая мощность рассеивания (например, при возникновении сквозного тока в плече моста) при самоблокировке может вывести MOSFET из строя.


База паразитного BJT замкнута на исток, чтобы предотвратить самоблокировку, и потому что напряжение пробоя (breakdown voltage) было бы значительно уменьшено (для того же самого значения RDS(on)), если бы база была оставлена плавающей. Существует теоретическая возможность самоблокировки при очень большой скорости dv/dt в момент выключения. Однако для современных стандартных мощных транзисторов очень трудно создать схему, где будет достигнута такое высокое dv/dt.

Есть риск включения паразитного BJT, если внутренний диод проводит, и затем выключается с чрезмерно высоким изменением dv/dt. Мощная коммутация dv/dt вызывает высокую плотность неосновных носителей заряда (положительные носители, или дырки) в подложке, что может создать напряжение на подложке, достаточное для включения паразитного BJT. По этой причине в даташите указано ограничение пиковой коммутации (восстановление встроенного диода) dv/dt. Пиковая коммутация dv/dt для FREDFET выше в сравнении с MOSFET, потому что у FREDFET снижено время жизни неосновных носителей заряда.

[На что влияет температура]

Скорость переключения. Температура практически не влияет на скорость переключения и потери, потому что (паразитные) емкости мало зависят от температуры. Однако ток обратного восстановления в диоде увеличивается с температурой, так что температурные эффекты внешнего диода (это может быть дискретный диод, или внутренний диод в MOSFET или FREDFET) влияют на потери включения мощных схем.

Пороговое напряжение, или напряжение отсечки (Threshold voltage). Напряжение отсечки затвора, обозначаемое как VGS(th), является важным стандартным параметром. Оно говорит, насколько много миллиампер через сток будет течь при пороговом напряжении на затворе, когда транзистор в основном выключен, но находится на пороге включения. У напряжения отсечки есть отрицательный температурный коэффициент; это означает, что напряжение отсечки уменьшается с ростом температуры. Температурный коэффициент влияет на время задержки включения и выключения, и следовательно влияет на выбор «мертвого времени» в мостовых схемах.

Переходная характеристика (Transfer characteristic). На рис. 5 показана переходная характеристика MOSFET-транзистора APT50M75B2LL.

Рис. 5. Пример переходной характеристики MOSFET.

Переходная характеристика зависит как от температуры, так и от тока стока. На рис. 5 при токе ниже 100 A напряжение затвор-исток имеет отрицательный температурный коэффициент (при заданном токе стока уменьшается напряжение затвор-исток при повышении температуры). При токе выше 100 A температурный коэффициент становится положительным. Температурный коэффициент напряжения затвор-исток и ток стока в том месте, где коэффициент меняет знак, важен для проектирования работы схем в линейном режиме [4].

Напряжение пробоя (Breakdown voltage). Напряжение пробоя имеет положительный температурный коэффициент, этот будет обсуждаться в секции Walkthrough.

Устойчивость к перегрузке по току (Short circuit capability). Возможность противостояния коротким замыканиям не всегда встречается в даташите. Причина понятна — MOSFET стандартной мощности не подходят для устойчивой работы в режиме перегрузки по току в сравнению с IGBT или другими транзисторами, работающими с высокой плотностью тока. Само собой разумеется, что MOSFET и FREDFET (в некотором смысле) устойчивы к перегрузке по току.

[Обзор параметров даташита. Максимальные предельные значения]

Назначение даташитов, предоставляемых APT, состоит в предоставлении соответствующей информации, которая полезна и удобна для выбора подходящего устройства в конкретном приложении. Предоставляются графики, чтобы можно было экстраполировать от одного набора рабочих условий к другому. Следует отметить, что графики предоставляют типичную производительность, но не минимумы или максимумы. Производительность также зависит кое в чем от схемы; различные тестовые схемы приведут к отличающимся результатам.

VDSS, напряжение сток-исток. Это оценка максимального напряжения сток-исток не вызывая лавинного пробоя (avalanche breakdown) с затвором, замкнутым на исток при температуре 25°C. В зависимости от температуры напряжение лавинного пробоя могло бы быть фактически меньше, чем параметр VDSS. См. описание V(BR)DSS в разделе «Статические электрические характеристики».

VGS, напряжение затвор-исток. Это предельное напряжение между выводами затвора и истока. Назначение этого параметра — предотвратить повреждение изолирующего оксидного слоя затвора (например, от статического электричества). Фактическая устойчивость оксидной пленки затвора намного выше, чем заявленный параметр VGS, но он варьируется в зависимости от производственных процессов, так что если укладываться в предел VGS, то это гарантирует надежную работу приложения.

ID, непрерывный ток стока. ID определяет максимальный уровень продолжающегося постоянного тока, когда транзистор выходит из строя при максимальной температуре перехода TJ(max), для случая 25°C, и иногда для более высокой температуры. Он основан на термосопротивлении между корпусом и переходом RӨJC, и для случая температуры TC может быть вычислен по формуле:

Это выражение просто говорит о том, какая максимальная мощность может рассеиваться

при максимальной генерируемой теплоте из-за потерь в соединении I2D X RDS(on)@TJ(max), где RDS(on)@TJ (max) сопротивление открытого канала при максимальной температуре перехода. Отсюда можно вывести ID:

Обратите внимание, что в ID не входят никакие потери на переключение, и случай с температурой 25°C на практике встречается редко. По этой причине в приложениях, где MOSFET часто переключается, фактический коммутируемый ток обычно меньше половины ID @ TC = 25°C; обычно между 1/4 до 1/3.

Зависимость ID от TC. Этот график просто отражает формулу 2 для диапазона температур. Здесь также не учтены потери на переключение. На рис. 6 приведен пример такого графика. Обратите внимание, что в некоторых случаях выводы корпуса транзистора ограничивают максимально допустимый продолжительный ток (переключаемый ток может быть больше): 100 A для корпусов TO-247 и TO-264, 75 A для TO-220 и 220 A для SOT-227.

Рис. 6. Максимальный ток стока в зависимости от температуры.

IDM, импульсный ток стока. Этот параметр показывает, какой импульс тока может выдержать устройство. Этот ток может значительно превышать максимально допустимый постоянный ток. Назначение этого параметра IDM состоит в том, чтобы удержать рабочий омический регион в пределе выходных характеристик. Посмотрите на рис. 7:

Рис. 7. Выходная характеристика MOSFET.

На этом графике есть максимальный ток стока для соответствующего напряжения затвор-исток, когда транзистор MOSFET открыт. Если рабочая точка при данном напряжении затвор-исток переходит выше омического региона «колена» рис. 7, то любое дальнейшее увеличение тока через сток приведет к значительному увеличению напряжения сток-исток (транзистор переходит из режима насыщения в линейный режим) и последующей потере проводимости. Если мощность рассеивания станет слишком велика, и это будет продолжаться довольно долго, то устройство может выйти из строя. Параметр IDM нужен для того, чтобы установить рабочую точку ниже «колена» для типичных применений транзистора в ключевом режиме.

Нужно ограничить плотность тока, чтобы предотвратить опасный нагрев, что иначе может привести к необратимому перегоранию MOSFET.

Чтобы избежать проблем с превышением тока через соединительные провода иногда применяют плавкие предохранители. В случае перегрузки по току выгорят именно они вместо транзистора.

Относительно температурных ограничений на IDM, рост температуры зависит от длительности импульса тока, интервала времени между импульсами, интенсивности рассеивания тепла, сопротивления открытого канала RDS(on), а также и от формы и амплитуды импульса тока. Если просто удержаться в пределах IDM, то это еще не означает, что температура перехода не будет превышена. См. обсуждение переходного теплового сопротивления в разделе «Температурные и механические характеристики», чтобы узнать способ оценки температуры перехода во время импульса тока.

PD, общая мощность рассеивания. Этот параметр определяет максимальную мощность, которую может рассеивать устройство, и он основан на максимально допустимой температуре перехода и термосопротивлении RӨJC для случая температуры 25°C.

Линейный коэффициент снижения мощности это просто инверсия RӨJC.

TJ, TSTG: рабочий и складской диапазон температур перехода. Этот параметр ограничивает допустимую температуру кристалла устройства во время работы и во время хранения. Установленные пределы гарантируют, что будут соблюдены гарантийные эксплуатационные сроки устройства. Работа в пределах этого диапазона может значительно увеличить срок службы.

EAS, лавинная энергия одиночного импульса. Если импульс напряжения (возникающий обычно из-за утечки и случайной индуктивности) не превышает напряжение пробоя, то не будет лавинного пробоя устройства, так что нет необходимости рассеивать энергию пробоя. Параметр максимальной лавинной энергии оценивает устройство в плане рассеивания мощности режима лавинного пробоя при переходных процессах с повышенным напряжением.

Все устройства, которые оценены по лавинной энергии, имеют параметр EAS. Лавинная энергия связана с параметром разблокированного индуктивного переключения (unclamped inductive switching, UIS). EAS показывает, сколько лавинной энергии устройство может поглотить. Условия для схемы тестирования Вы можете найти в документации по ссылкам, и EAS вычисляется по формуле:

Здесь L величина индуктивности, из которой поступает импульс тока iD, случайно поступающий в на закрытый переход транзистора через сток при тесте. Индуцируемое напряжение превышает напряжение пробоя MOSFET, что вызывает лавинный пробой. Лавинный пробой позволяет импульсу тока от индуктивности течь через MOSFET, даже если он закрыт. Энергия, запасенная в индуктивности, аналогична энергии, сохраненной в утечке и/или случайной индуктивности, и она должна быть рассеяна в MOSFET.

Когда транзисторы MOSFET соединены параллельно, это совершенно не означает, что у них одинаковое напряжение пробоя. Обычно пробьется только один транзистор, и только на него поступит вся энергия тока лавинного пробоя.

EAR, повторная лавинная энергия. Этот параметр стал «промышленным стандартом», но он не имеет смысла без информации о частоте, других потерях и эффективности охлаждения. Рассеивание тепла (охлаждение) часто ограничивает значение повторной рассеиваемой энергии. Также трудно предсказать, сколько энергии находится в лавинном событии. То, о чем говорит EAR в действительности, означает, что устройство может выдерживать повторяющиеся лавинные пробои без какого-либо ограничения по частоте, если устройство не перегрето, что в принципе верно для любого устройства, которое может испытать лавинный пробой. Во время анализа проекта хорошей практикой является измерение температуры устройства или его радиатора во время работы — чтобы увидеть, что MOSFET не перегрет, особенно если возможны условия лавинного пробоя.

IAR, ток лавинного пробоя. Для некоторых устройств, которые могут выйти из строя во время лавинного пробоя, этот параметр дает лимит на максимальный ток пробоя. Так что это как бы «точный отпечаток» спецификаций лавинной энергии, показывающий реальные возможности устройства.

[Статические электрические характеристики]

V(BR)DSS, Drain-source breakdown voltage, напряжение пробоя сток-исток. Параметр V(BR)DSS (иногда его называют BVDSS) определяет максимальное напряжение сток-исток, при котором через канал сток-исток будет течь ток не больше допустимого при заданной температуре и нулевом напряжении между затвором и истоком. Фактически этот параметр соответствует напряжению лавинного пробоя канала сток-исток закрытого транзистора.

Как показано на рис. 8, у параметра V(BR)DSS есть положительный температурный коэффициент. Таким образом, MOSFET может выдержать больше напряжение, если он нагрет, по сравнению с холодным состоянием. Фактически в охлажденном состоянии V(BR)DSS будет меньше, чем предельно допустимое напряжение сток-исток VDSS, указанное для температуры 25°C. В примере, показанном на рис. 8 при -50°C, напряжение V(BR)DSS будет составлять 90% от максимально допустимого VDSS, указанного для температуры 25°C.

Рис. 8. Нормализованная зависимость напряжения пробоя от температуры.

VGS(th), Gate threshold voltage, напряжение отсечки затвора. Это пороговое напряжение затвор-исток, при превышении которого транзистор начнет открываться. Т. е. при напряжении на затворе выше VGS(th) транзистор MOSFET начинает проводить ток через канал сток-исток. Для параметра VGS(th) также указываются условия проверки (ток стока, напряжение сток-исток и температура кристалла). Все транзисторы MOSFET допускают некоторый разброс порогового напряжения отсечки затвора от устройства к устройству, что вполне нормально. Таким образом, для VGS(th) указывается диапазон (минимум и максимум), в который должны попасть все устройства указанного типа. Как уже обсуждалось ранее в разделе «На что влияет температура», VGS(th) имеет отрицательный температурный коэффициент. Это значит, что с увеличением нагрева MOSFET откроется при более низком напряжении затвор-исток.

RDS(on), ON resistance, сопротивление в открытом состоянии. Этот параметр определяет сопротивление открытого канала сток-исток при указанном токе (обычно половина от тока ID), напряжении затвор-исток (обычно 10V) и температуре 25°C, если не указано что-либо другое.

IDSS, Zero gate voltage drain current, ток утечки канала. Это ток, который может течь через закрытый канал сток-исток, когда напряжение на затвор-исток равно нулю. Поскольку ток утечки увеличивается с температурой, то IDSS указывается для комнатной температуры и для нагретого состояния. Потери мощности из-за тока утечки IDSS через канал сток-исток обычно незначительны.

IGSS, Gate-source leakage current, ток утечки затвора. Это ток, который может через затвор при указанном напряжении затвор-исток.

[Динамические характеристики]

Рис. 9 показывает месторасположения внутренних емкостей транзистора MOSFET. Величина этих емкостей определяется структурой MOSFET, используемыми материалами и приложенными напряжениями. Эти емкости не зависят от температуры, так что температура не влияет на скорость переключения MOSFET (за исключением незначительного эффекта, связанного с пороговым напряжением, которое зависит от температуры).

Рис. 9. Паразитные емкости транзистора MOSFET в структуре кристалла.

Емкости Cgs и Cgd меняются в зависимости от приложенного к ним напряжений, потому что они затрагивают обедненные слои в устройстве [8]. Однако на Cgs намного меньше меняется напряжение в сравнении с Cgd, так что емкость Cgs изменяется меньше. Изменение Cgd при изменении напряжения сток-затвор может быть больше, потому что напряжение может меняться в 100 раз или больше.

На рис. 10 показаны внутренние емкости MOSFET с точки зрения схемотехники. Емкости затвор-сток и затвор-исток могут повлиять на схему управления, и вызвать нежелательные эффекты при быстрых переключениях в мостовых схемах.

Рис. 10. Паразитные емкости транзистора MOSFET в рабочей схеме.

Если кратко, то чем меньше Cgd, тем будет меньше влияние на схему управления при перепаде напряжения при включении транзистора. Также емкости Cgs и Cgd формируют емкостный делитель напряжения, и при большом соотношении Cgs к Cgd желательно защитить схему управления от паразитных помех от перепадов напряжения, возникающих при переключении. Это соотношение, умноженное на пороговое напряжение, определяет качество защиты схемы управления от переключений в выходной цепи, и силовые транзисторы MOSFET компании APT лидируют в индустрии по этому показателю.

Ciss, Input capacitance, входная емкость. Это емкости, измеренная между выводами затвора истока, когда по переменному напряжению сток замкнут на исток. Ciss состоит из параллельно соединенных емкостей Cgd (емкость затвор-сток) и Cgs (емкость затвор-исток):



Входная емкость должна быть заряжена до порогового напряжения перед тем, как транзистор начнет открываться, и разряжена до напряжения общего провода перед тем, как транзистор выключится. Таким образом, сопротивление управляющей схемы и емкость Ciss образуют интегрирующую цепь, которая напрямую влияет на задержки включения и выключения.

Coss — Output capacitance, выходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и истоком, когда затвор замкнут по переменному току на сток. Coss состоит из параллельно соединенных емкостей Cds (емкость сток-исток) и Cgd (емкость затвор-сток):



Для приложений с мягким переключением параметр Coss важен, потому что влияет на резонанс схемы.

Crss, Reverse transfer capacitance, обратная переходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и затвором, когда исток соединен с землей. Обратная переходная емкость эквивалентна емкости затвор-сток.



Обратная переходная емкость часто упоминается как емкость Миллера. Это один из главных параметров, влияющих на время нарастания и спада напряжения во время переключения. Он также влияет на эффекты времени задержки выключения.

На рис. 11 показан пример зависимости типичных значений емкости от напряжения сток-исток.

Рис. 11. Зависимость емкости от напряжения.

Емкости уменьшаются при увеличении напряжения сток-исток, особенно это влияет на выходную и обратную переходную емкости.

Qgs, Qgd и Qg, Gate charge, заряд затвора. Значения заряда отражают заряд, сохраненный на внутренних емкостях, описанных ранее. Заряд затвора используется для разработки схемы управления, поскольку нужно учитывать изменения емкости при изменении напряжения на переходах переключения [9, 10].

На рис. 12 показано, что Qgs заряжается от начала координат до первого перегиба и далее заряжается до второго перегиба кривой (этот заряд известен как заряд Миллера), и Qg является зарядом от начала координат до точки, где VGS равно указанному управляющему напряжению затвора.

Рис. 12. VGS как функция заряда затвора.

Заряд затвора незначительно изменяется с током стока и напряжением сток-исток, но не зависит от температуры. Для этого параметра указываются условия тестирования. График заряда затвора, обычно приведенный в даташите, показывает кривые заряда затвора для фиксированного тока стока и различных напряжений сток-исток. Напряжение горизонтального участка VGS(pl), «плато», показанное на рис. 12, незначительно увеличивается с ростом тока (и соответственно уменьшается при снижении тока). Напряжение  также имеет прямо пропорциональную зависимость от порогового напряжения, так что изменения порогового напряжения коррелирует и изменением напряжения плато.

[Резистивные параметры времени переключения (данные resistive switching)]

Эти параметры имеются в даташите по чисто историческим причинам.

td(on), Turn-on delay time, время задержки включения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток на 10% превысит напряжение отсечки затвора до момента времени, когда ток стока вырастет больше 10% от указанного выходного тока. Это показывает задержку начала поступления тока в нагрузку.

td(off), Turn-off delay Time, время задержки выключения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% напряжения отсечки затвора до момента, когда ток стока упадет ниже 90% от указанного выходного тока. Это показывает задержку отключения тока в нагрузке.

tr, Rise time, время нарастания. Это время, за которое ток стока вырастет от 10% до 90% (значение тока указывается).

tf, Fall time, время спада. Это время, за которое ток стока спадет от 90% до 10% (значение тока указывается).

[Энергии переключения в индуктивностях]

Из-за того, что данные resistive switching трудно использовать для предсказания потерь на переключение в реальных рабочих условиях мощных преобразователей, компания Advanced Power Technology включает во многие даташиты транзисторов MOSFET и FREDFET данные энергии переключения в индуктивностях. Это предоставляет разработчику ключевых блоков питания удобный способ сравнения быстродействия транзисторов MOSFET или FREDFET с другими транзисторами, даже если они выполнены по другой технологии наподобие IGBT. Поэтому можно использовать для разработки самый подходящий по качеству мощный транзистор.

На рис. 13 показана схема тестирования переключения транзистора с учетом потерь в индуктивностях. Это импульсный тест, где применяется очень короткий по длительности цикл открытого состояния транзистора, так что энергия, запасенная в индуктивности, успеет рассеяться намного раньше поступления последующих импульсов, и саморазогрев можно не учитывать. Температура транзистора и фиксирующего диода во время теста регулируется принудительно от внешнего термостата.

Рис. 13. Схема тестирования потерь на индуктивности.

В таблице динамических характеристик указываются следующие условия тестирования: VDD на рис. 13, ток теста, напряжение управления для затвора, сопротивление затвора и температура кристалла. Обратите внимание, то сопротивление затвора может включать сопротивление выхода микросхемы драйвера. Поскольку время переключения и энергии меняются с температурой (главным образом из-за диода в тестовой схеме), то данные предоставляются как для комнатной температуры, так и для разогретого состояния диода и тестируемого транзистора. Также предоставляется график зависимости между временем переключения и энергиями тока стока, и сопротивлением затвора. Определения времени задержки (включения) и времени нарастания и спада тока совпадают с аналогичными временами для данных resistive switching.

Фактические формы сигнала при переключениях используются в даташите для определения различных измеренных параметров. Рис. 14 показывает форму сигнала включения и определения, связанные с ним. Энергия переключения может быть масштабирована напрямую для изменений между напряжением в приложении и энергией при тестовом напряжении, указанном в даташите. Так что, к примеру, если тесты в даташите были проведены при напряжении 330V, и в приложении применяется напряжение 400, то для масштабирования нужно просто умножить энергию переключения из даташита на коэффициент 400/330.

Рис. 14. Формы сигналов включения и соответствующие определения.

Времена переключения и энергии очень зависят от других компонентов и случайных (паразитных) индуктивностей в схеме. Диод сильно влияет на энергию включения. Паразитная индуктивность, включенная последовательно с истоком, является частью пути возвратного управляющего тока, и поэтому значительно влияет на времена переключения и энергии. Таким образом, время переключения и значения энергии, представленные в даташите, могут отличаться от того, что наблюдается в реальном приложении силового узла блока питания или ключа управления мотором.

Eon, Turn-on switching energy with diode, энергия включения с диодом. Это зафиксированная индуктивная энергия включения, которая включает индуктивный коммутирующий реверсивный ток восстановления диода в тестируемом транзисторе, и она учитывает потери при включении. Обратите внимание, что транзисторы FREDFET в схемах мостов получают жесткие условия переключения, где паразитный диод сложно коммутируется, и энергия включения примерно в 5 раз выше, чем если бы использовался дискретный диод с быстрым восстановлением, наподобие того как показано в схеме рис. 13.

Энергия включения является интегралом результата от тока стока и напряжения сток-исток на интервале от момента, когда ток стока вырастет больше 5% или 10% от тестового тока, то момента, когда напряжение спадет ниже 5% от тестового напряжения, как это показано на рис. 14.

Eoff, Turn-off switching energy, энергия выключения. Это параметр, характеризующий фиксацию потерь на индуктивности при выключении. На рис. 13 показана схема тестирования, и рис. 15 показывает форму сигнала и определения. Eoff является интегралом результата от тока стока и напряжением сток-исток на интервале времени от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% до момента, когда ток стока станет нулевым. Это соответствует измерениям энергии выключения по JEDEC-стандарту 24-1.

Рис. 15. Формы сигналов выключения и соответствующие определения.

[Температурные и механические характеристики]

RƟJC, Junction to case thermal resistance, тепловое сопротивления между подложкой и корпусом. Этот параметр характеризует эффективность передачи тепла от кристалла к внешнему корпусу транзистора. Выделяющееся тепло является результатом потерь мощности в самом транзисторе. Обратите внимание, что тесты компании APT показывают температуры пластмассы, совпадающую с металлической частью корпуса дискретного компонента.

Максимальное значение RƟJC включает допуск, учитывающий погрешности изменения для обычного процесса производства. Из-за улучшений производственного процесса в индустрии есть тенденция сокращения разницы между максимальным значением RƟJC и его реальным значением.

ZƟJC, Junction to case transient thermal impedance, переходной термический импеданс между подложкой и корпусом. Этот параметр учитывает теплоемкость устройства, так что он может использоваться для оценки мгновенных температур из-за потерь мощности.

В условиях проведения теста на термоимпеданс на тестируемый транзистор прикладываются импульсы мощности различной длительности, и при этом ждут спада температуры между каждым импульсом. Это дает измерение переходного термосопротивления для «одиночного импульса». Из этого строится модель резистор-емкость (RC) по кривой изменения температуры. Рис. 16 показывает такую RC-модель переходного термосопротивления. Некоторые даташиты могут показывать конденсаторы и резисторы, включенные параллельно, но это будет ошибкой. Конденсаторы «заземлены», как это показано на рис 16, и значения компонента остаются такими же. Нет никакого физического значения для промежуточных узлов в модели. Разное количество пар резистор-конденсатор используется просто для того, чтобы создать хорошую подгонку к фактическим измененным данным термосопротивления.

Рис. 16. RC-модель переходного термосопротивления.

Чтобы симулировать возрастание температуры с помощью RC-модели, Вы прикладываете источник тока с магнитудой, соответствующей рассеиваемой мощности в MOSFET. Таким образом, Вы можете использовать систему PSPICE или другой программный симулятор электронных схем, чтобы применить ввод произвольных потерь мощности. Из этого Вы можете оценить повышение температуры участка подложка-корпус как напряжение на ступеньках лестницы, установив ZEXT в ноль, как это показано на рис. 16. Вы можете расширить модель, чтобы включить теплоотвод, добавив дополнительные конденсаторы и/или резисторы.

Переходное термосопротивление в виде семейства кривых, опубликованное в даташите, это просто симуляция прямоугольного импульса, основанная на RC-модели термосопротивления. Рис. 17 показывает пример. Вы можете использовать семейство кривых для оценки пикового нарастания температуры для прямоугольных импульсов мощности, которые являются обычными в источниках питания. Однако из за того, что минимальная длительность импульса 10 мкс, график имеет значение только для частот ниже 100 кГц. На более высоких частотах Вы будете просто использовать термосопротивление RƟJC.

Рис. 17. Семейство кривых термосопротивления.

[Пример анализа даташита]

Предположим, что в реальном приложении ключевого блока питания Вы хотите применить жесткое переключение тока 15A на частоте 200 кГц при напряжении 400V, при средней скважности 35%. Напряжение управления затвора 15V, и сопротивление цепи управления затвора составляет 15Ω для включения и 5Ω для выключения. Также предположим, что Вы хотите позволить максимальную температуру перехода 112°C, с удержанием температуры корпуса транзистора 75°C. С транзистором, рассчитанным на 500V, есть запас только в 100V между напряжением в приложении и VDSS. С учетом скачков напряжения на шине питания 400V узкий запас по напряжению все равно достаточен, потому что у транзистора MOSFET есть эффект лавинного пробоя, который дает «безопасную цепь». Это конфигурация с продолжительной проводимостью, так что быстро восстанавливающийся диод FREDFET не нужен, MOSFET будет работать достаточно хорошо. Такой транзистор Вам следует выбрать?

Поскольку это приложение с довольно высокой частотой переключения, то лучшим выбором будет серия Power MOS 7. Посмотрим на транзистор APT50M75B2LL. Его расчетный ток 57A, что больше чем в 3 раза переключаемого тока — хорошая стартовая точка, учитывая высокую частоту и жесткое переключение. Давайте оценим потери проводимости, потери переключения, и посмотрим, будет ли тепло рассеиваться достаточно быстро. Общая мощность, которую можно рассеять:

При 112°C сопротивление RDS(on) примерно в 1.8 раз больше, чем при комнатной температуре (см. рис. 3). Так что потери на проводимость составят:

Pconduction = (1.8*0.075Ω * 15A) * 15A = 30.4 Вт

Для оценки потерь на включение мы можем посмотреть на график зависимости потерь переключения от тока при температуре 125°C, показанный на рис. 18. Даже при том, что наше приложение требует максимальную температуру перехода 112°C, этот график будет достаточно точен, потому что энергия переключения MOSFET не чувствительна к температуре, за исключением изменений температуры, связанных с диодом в схеме. Поэтому не будет больших изменений при переходе от 112°C к 125°C. В любом случае, наша оценка будет консервативной.

Рис. 18. Индуктивные потери переключения.

По рис. 18 на токе 15A значение Eon будет около 300 μJ, и Eoff около 100 μJ. Значения были измерены при 330V, а в нашем приложении на шине питания 400V. Так что мы можем просто сделать масштабирование энергий переключения по напряжению:

Данные на рис. 18 были также измерены при сопротивлении затвора 5Ω, и мы будем использовать 15Ω при включении. Поэтому мы можем использовать график зависимости энергии переключения от данных сопротивления затвора, показанный на рис. 19, чтобы снова сделать масштабирование энергии.

Рис. 19. Зависимость энергии переключения от сопротивления затвора.

Даже при том, что тестовый ток на рис. 19 больше, чем в нашем приложении, разумно учесть соотношение в изменении энергии переключения между рис. 19 и нашим случаем. От 5Ω до 15Ω значение Eon поменяется с коэффициентом около 1.2 (1500μJ / 1250μJ, см. рис. 19). Применим это с данным, скорректированным по напряжению, которые мы видим на рис. 18, и получим Eon = 1.2*364μJ = 437μJ.

Потери на переключение составят:

Pswitch = fswitch — ( Eon + Eoff) = 200kHz — (437μJ +121μJ) = 112 Вт

Pconduction + Pswitch = 142.4 Вт, что дает возможность сохранить температуру перехода ниже 112°C в случае корпуса, охлажденного до 75°C. Так что APT50M70B2LL будет удовлетворять требованиям этого примера применения. Такая же техника может использоваться для менее мощных транзисторов MOSFET. На практике потери часто больше всего бывают на переключении. Чтобы поместить транзистор на радиатор и поддерживать температуру корпуса 75°C вероятно потребуется керамическая прокладка (для электрической изоляции) между корпусом и теплоемким радиатором. Преимущество MOSFET состоит в том, что могут применяться демпферы и/или техники резонанса для уменьшения потерь на переключение, причем с транзисторами MOSFET не нужно беспокоиться о влиянии на переключение эффектов зависимости от напряжения или температуры.

[UPD160207. Figure-of-merit]

Для оценки транзисторов FET применяют так называемый показатель качества, Figure of merit (FOM) [11]. Он учитывает одновременно потери на включенном транзисторе и потери на переключение. Обычно FOM вычисляется как произведение сопротивления канала сток-исток открытого транзистора R(DS)ON на заряд затвора QG. QG это заряд, который надо поместить на затвор транзистора MOSFET, чтобы он полностью открылся. С точки зрения рационального дизайна трудно одновременно снизить оба параметра, так что они хороши для оценки качества разработки ключа на полевом транзисторе.

Конечно, сравнение имеет смысл делать только в неком стандартном наборе условий. Это означает, что не только напряжение между затвором и истоком VGS поставляет заряд, также и напряжение сток-исток VDS влияет на сопротивление R(DS). (Это означает, что не просто канал полностью открыт, а то, что сопротивление R(DS) изменяется вверх и вниз.) Усложненный анализ учитывает, что R(DS)ON немного меняется с током стока, так что при сравнении переключающихся транзисторов рабочий ток стока ID также должен быть определен.

Иногда Вы увидите незначительно отличающийся показатель качества FOM: FOMSW, который будет произведением от which R(DS)ON и Q. Он характеризует заряд переключения, который немного меньше QG.

[Ссылки]

1. Power MOSFET tutorial site:eetimes.com.
2. R. Severns, E. Oxner; «Parallel Operation of Power MOSFETs», technical article TA 84-5, Siliconix Inc. 
3. J. Dodge; «Latest Technology PT IGBTs vs. Power MOSFETs», application note, Advanced Power Technology.
4. R. Frey, D. Grafham — APT, T. Mackewicz — TDIDynaload; «New 500V Linear MOSFETs for a 120 kW Active Load», application note APT0002, Advanced Power Technology.
5. Реле и транзисторы: как они работают в качестве электронных переключателей.
6. JFET site:wikipedia.org.
7. Bipolar junction transistor site:wikipedia.org.
8. N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins; «Power Electronics » Converters Applications, and Design», text book published by Wiley.
9. K. Dierberger, «Gate Drive Design for Large Die MOSFETs», application note APT9302, Advanced Power Technology.
10. R. McArthur, «Making Use of Gate Charge Information in MOSFET and IGBT Datasheets», application note APT0103, Advanced Power Technology.
11. Оценка качества транзисторов MOSFET.

Транзистор — принцип работы.Основные параметры.

Как устроен транзистор.

Вне зависимости от принципа работы,
полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала,
чаще всего это — кремний, германий, арсенид галлия.
В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов),
металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от
внешних воздействий.
Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника
в кристалле. В любом случае выводы называются — база, коллектор и эмиттер.
Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора.
Он имеет принципиально очень малую ширину.
Носители заряда движутся от эмиттера через базу — к коллектору.
Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей
в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого
может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. — для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала
всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в
прямом направлении.
Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает
так называемую — рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют
режим — А. В этом режиме напряжение между коллектором
и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения — т. е выходное сопротивление транзистора
и нагрузки примерно равны . Если подавать теперь на переход база — эмиттер
сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер — коллектор будет изменяться, графически повторяя
форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору
протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда
входного сигнала — будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база — эмиттер дальше, это приведет к росту
тока в этой цепи, и как результат — еще большему росту тока эмиттер — коллектор.
В конце, концов ток перестает расти — транзистор переходит в полностью открытое
состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения — транзистор закроется,
ток эмиттер — коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать
в качестве электронного ключа. Этот режим наиболее эффективен в отношении
управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения
минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора.
С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее
часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой,
так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если
сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования
источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок.
Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое
выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования
источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом
усиления. Например — в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода.
Они носят названия — сток, исток и затвор.
Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение
относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный
ток.

Т. е. — транзистор полностью открыт.
Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока.
Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается,
его сопротивление растет, а ток через него уменьшается.
При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток
практически исчезает — транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между
истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю.
Транзистор полностью закрыт.
Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога).
Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения:
с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора;
с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора;
с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы — до 100 мВт ;
транзисторы средней мощности — от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы — больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) —
от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе)
У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1.
До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. — у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор — величина падения напряжения между этими
электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему
его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

ΔId /ΔUGS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и
измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. IDmax — максимальный ток стока.

2.UDSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.UGSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.РDmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.ton — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного
сигнала.

6.toff — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного
сигнала.

7.RDS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

На главную страницу

Использование каких — либо материалов этой страницы,
допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

Что такое транзистор — простым языком

Транзистор – это электронный компонент, который управляет высоким током с помощью низкого. Транзистор еще можно назвать полупроводниковым триодом. Это второе название пришло к нему от его «родителя» – электровакуумного триода, одной из разновидностей так называемых «ламп».

Из чего состоит транзистор?

Видимая часть транзистора состоит из корпуса и трех «ножек»-выводов (однако существуют и разновидности транзисторов, у которых количество выводов больше трех). Корпус транзистора изготовляют из керамики, металлических сплавов или пластмассы. Заглядывая наперед, отметим, что существует два вида транзисторов – биполярный и полевой.

Внутри корпуса биполярного транзистора размещается три слоя полупроводника, два из которых расположены по краям и имеют одинаковый тип проводимости (p либо n), это – коллектор и эмиттер. Третий слой расположен между первыми двумя и отличается типом проводимости от своих соседей. Это – база.

Расположение полупроводников определяет тип транзистора: p-n-p либо n-p-n. На каждый из полупроводников нанесен металлический слой. С помощью этого слоя и проволочных связей полупроводники соединены с выводами транзистора. Однако не стоит забывать, что расположение выводов транзистора может меняться, в зависимости от модели транзистора.

На изображении – биполярный транзистор n-p-n типа.

Полевой транзистор также имеет в своем арсенале полупроводники, но их расположение, количество и принцип работы отличается от биполярных транзисторов и зависит от вида полевого транзистора.

Где используются транзисторы?

Транзисторы используются в большинстве электронных схем. Это может быть как простой генератор частоты, так и материнская плата компьютера.

Заглянем под крышку усилителя – и тут транзисторы. Они аккуратно разместились на схеме радиоприемника, чтобы преобразовать радиосигнал в аналоговый. Если нужно собрать электронный стабилизатор или ключ – не обойдетесь без транзисторов.

Существует ряд сверхмощных транзисторов. Они могут работать с нагрузкой до 1.5 кВт и применяют их в промышленной сфере. Рабочая температура таких транзисторов может достигать 200-300 градусов Цельсия. Для их охлаждения используют радиаторы теплоотвода.

Группа транзисторов, в совокупности с дополнительными элементами, может совершать ряд логических операций и представляет собой своего рода процессор. Собственно, процессор на основе полупроводника и является группой транзисторов. Они заключены в общий корпус и связаны там между собой таким образом, как если бы располагались на монтажной плате. В мощных процессорах, благодаря миниатюрности кристаллов полупроводника, может быть заключено до нескольких десятков миллионов транзисторов.

Принцип работы транзистора

В биполярных транзисторах управление током коллектора происходит путем изменения управляющего тока базы. Ток, которым нужно управлять, направлен по цепи – «эмиттер-коллектор». Однако, в состоянии покоя транзистора этот ток не может проходить между ними. Это вызвано сопротивлением эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв полупроводника. Но стоит подать на базу транзистора незначительный ток, и сопротивление между эмиттером и коллектором упадет, тем самым даст возможность проходить току через эмиттер и коллектор, усиливая выходной сигнал. Изменяя ток базы, можно изменять ток на выходе транзистора.

В полевых транзисторах такое управление осуществляется благодаря созданию поперечного электрического поля, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Это значительно уменьшает энергопотребление транзистора, так как сопротивление затвора велико, и для создания поля не нужно постоянно поддерживать управляющий ток. Если бы не полевой транзистор, мы меняли бы батарейки в пульте от телевизора в разы чаще, чем обычно.

Таким образом, транзисторы можно сравнить с водопроводным краном, где подача и слив воды – это эмиттер\исток и коллектор\сток транзистора, а рукоять вентиля – это его база\затвор.

Разновидности, обозначение транзисторов

На большинстве схем транзисторы могут обозначаться буквами «VT», «Q», «T», «ПТ», «ПП». К буквам может применяться приписка в виде цифры, например «VT 4», которая указывает номер детали на схеме. Или модель транзистора целиком, например «T KT-315Б».
Транзисторы делятся на два вида: биполярный и полевой.

Схематическое обозначение биполярного транзистора:

Как видно на рисунке, обозначение транзисторов разных типов отличается направлением стрелки эмиттера. Транзисторы n-p-n типа обозначаются со стрелкой эмиттера, направленной от базы. В случае p-n-p типа, стрелка будет направлена в сторону базы транзистора. На многих схемах эмиттер, коллектор и база отмечены буквами латинского языка: эмиттер – «E», база – «B» коллектор – «C».

Типовая схема подключения биполярных транзисторов:

Рекомендовано практически во всех схемах с биполярным транзистором давать дополнительное сопротивление ко входам коллектора и базы. Это продлит срок службы транзистора и стабилизирует его работу.

Обозначений полевых транзисторов есть больше, чем биполярных. Основные представлены на изображениях ниже.

Как вы видите, выводы транзистора обозначены буквами «З»-затвор, «С»-сток, «И»-исток. Функцию базы выполняет затвор, а коллектор и эмиттер, это – сток и исток, соответственно. Как биполярные транзисторы делятся на n-p-n и p-n-p, так полевые делятся на:

  • с управляющим p-n переходом с каналом n-типа;
  • с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа;
  • с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа;
  • с управляющим p-n переходом с каналом p-типа;
  • с изолированным затвором с индуцированным каналом p-типа;
  • с изолированным затвором со встроенным каналом p-типа.

Некоторые транзисторы с управляющим p-n-переходом предоставляют доступ к каналу с помощью четвертой «ножки»-вывода либо используется сам корпус транзистора.

На изображениях ниже – схемы включения полевых транзисторов:

С управляющим p-n-переходом с общим истоком

С управляющим p-n-переходом с общим стоком

С управляющим p-n-переходом с общим затвором

Маркировка транзисторов

Маркировка транзистора наносится на корпус, иногда нужно также обращать внимание на длину выводов. Современная маркировка транзисторов зависит от производителя. По причине этого, рекомендовано изучать спецификации от производителей, чтобы корректно читать маркировку.

Маркировка бывает цветовая, кодовая и смешанная. Есть случаи нестандартной маркировки, где могут использоваться различного рода символы.

Вольт амперная характеристика

На двух графиках представлены вольт амперные характеристики отдельно для биполярных и полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы:

Полевые транзисторы:

Транзистор [База знаний]

Транзистор. Определение, обозначение на схемах, принцип работы, основные характеристики

Теория

КОМПОНЕНТЫ
ARDUINO
RASPBERRY
ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Транзистор — один из самых распространенных полупроводниковых элементов самого широкого применения. Существуют различные виды транзисторов, но как правило данный электронный компонент имеет три вывода и, как и диод, основывается на явлении p-n перехода. Отсюда происходит его второе название – полупроводниковый триод.

Главным свойством транзистора является управление током, протекающим через него (ток эмиттер–коллектор у биполярных и ток исток–сток у полевых транзисторов), с помощью третьего вывода (база у биполярных и затвор у полевых транзисторов). Иными словами транзисторы зачастую используют как выключатель и/или регулятор силы тока и напряжения.


Биполярный транзистор

Транзисторы данного типа состоят из трех слоев полупроводников с чередующимся типом проводимости:

  • Эмиттер (emitter)
  • База (base) – на схемах изображается между К. и Э. под прямым углом к несущей черте
  • Коллектор (collector) – на схемах обозначен стрелкой.

Таким образом, у биполярных транзисторов имеется два p-n перехода: эмиттер-база и база-коллектор. Наделение полупроводников определенным типом проводимости происходит с помощью легирования — добавления в них специальных примесей. Каждый слой легируется в разной степени.
Различают два типа биполярных транзиторов:

  • p-n-p, где эмиттер – полупроводник p-типа, база – n-типа, коллектор – p-типа
  • n-p-n, где эмиттер – полупроводник n-типа, база – p-типа, коллектор – n-типа.

Их схематичное устройство представлено представлено на иллюстрации ниже.

Также на иллюстрации обозначено направление движения тока в биполярных транзисторах обоих типов и типичное обозначение напряжений, имеющих место между его выводами.

В основе работы биполярных транзисторов лежит следующий процесс, который рассмотрим на примере транзистора со структурой npn в нормальном активном режиме. В этом режиме переход эметтер-база смещён в прямом направлении, иначе говоря, открыт, а переход база-коллектор смещён в обратном направлении или закрыт. При переходе носителей заряда (электронов) из эмиттера через открытый p-n переход эмиттер-база, часть их рекомбинирует с носителями заряда (дырками) в базе. Однако база делается очень тонкой и слабо легированной (по сравнению с эмиттером), из-за чего большая часть электронов, перешедших (инжектированных) в базу из эмиттера, так сказать, «не находит себе в базе места» и, как следствие, диффундирует в коллектор. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы и переносит их в коллекторный слой. Таким образом, ток коллектора практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы. В случае с биполярными транзисторами структуры pnp процесс будет тем же, изменится лишь полярность и направление токов.


Полевой транзистор (униполярный)

Принцип действия полевых транзисторов основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Полевые транзисторы имеют следующие выводы:

  • Исток (source) — область, из которой носители заряда уходят в канал
  • Затвор (gate) – электрод, на который подается управляющее напряжение
  • Сток (drain) – область, в которую носители заряда входят.

Как проверить транзистор | Электрик

Часто в ремонте разной электронной техники возникает подозрение в неисправности биполярных или полевых (Mosfet) транзисторов. Помимо специализированных приборов и пробников для проверки транзисторов, существуют способы доступные всем, из минимума нам подойдет самый простой тестер или мультиметр.

Как мы знаем транзисторы, в основном, бывают двух разновидностей: биполярные и полевые, принцип работы их похож но способы проверки существенно отличаются, поэтому мы рассмотрим разные методы проверки для каждых транзисторов по отдельности.

Проверка биполярных транзисторов

Способы проверки биполярных транзисторов достаточно просты и для удобства нужно помнить что биполярный транзистор условно представляет из себя два диода с точкой по середине, по сути из двух p-n переходов.

Биполярные транзисторы существуют двух типов проводимости: p-n-p и  n-p-n что необходимо помнить и учитывать при проверке.

А диод как мы знаем, пропускает ток только в одну сторону, что мы и будем проверять.
Если так получится что ток проходит в обе стороны перехода то это явно указывает на то что транзистор «пробит» но это все условности, в реальности же при замере сопротивления ни в какой из позиций проверяемых переходов не должно быть «нулевого» сопротивления — поэтому это и есть самый простой способ выявления поломки транзистора.
Ну а теперь рассмотрим более достоверные способы проверки и поподробней.

И так выставляем тестер или мультиметр в режим прозвонки (проверка диодов), дальше нужно убедится в том что щупы вставлены в правильные разъемы (красный и черный), а на дисплее нет значка «разряжен». На дисплее должна быть единица а при замыкание щупов должны высветится нули (или близкие к нулям значения), также должен прозвучать звуковой сигнал. И так мы убедились в выборе правильного режима мультиметра, можем приступать к проверке.

И так поочередно проверяем все переходы транзистора:

  • База — Эмиттер — исправный переход будит вести себя как диод, то есть проводить ток только в одном направление.
  • База — Коллектор — исправный переход будит вести себя как диод, то есть проводить ток только в одном направление.
  • Эмиттер — Коллектор — в исправном состояние сопротивление перехода должно быть «бесконечное», то есть переход не должен пропускать ток или прозваниватmся ни в одном из положений полярности.

В зависимости от полярности транзистора (p-n-p или n-p-n) будит зависить лишь направление «прозвонки» переходов база-эмиттер и база-коллектор, с разной полярностью транзисторов направление будет противоположное.

Как определяется «пробитый» переход?
Если мультиметр обнаружит что какой ли бо из переходов (Б-К или Б-Э) в обоих из включений полярности имеет «нулевое» сопротивление и пищит звуковая индикация то такой переход пробит и транзистор неисправен.

Как определить обрыв p-n перехода?
Если один из переходов в обрыве — он не будит пропускать ток и прозваниватся ни в одну из сторон полярности как бы вы не меняли при этом полярность щупов.

Думаю всем понятно как проверять переходы транзистора, суть проверки такая же как у диодов, черный (минусовой) щуп ставим например на коллектор, а красный щуп (плюсовой) на базу и смотрим показания на дисплее. Затем меняем щупы тестера местами и смотрим показания снова. В исправного транзистора в одном случае должно быть какое то значение, как правило больше 100, в другом случае на дисплее должна быть единица «1» что говорит о «бесконечном» сопротивление.

Проверка транзистора стрелочным тестером

Принцип проверки все тот же, мы проверяем переходы (как диоды)
Отличие лишь в том что такие «омметры» не имеют режима прозвонки диодов и «бесконечное» сопротивление у них находится в начальном состояние стрелки, а максимальное отклонение стрелки будит уже говорить о «нулевом» сопротивление. К этому нужно просто привыкнуть и помнить о такой особенности при проверке.
Измерения лучше всего производить в режиме «1Ом» (можно пробовать и до *1000Ом пределе).

Для проверки в схеме (не выпаивая) стрелочным тестером можно даже более точно определить сопротивление перехода если он в схеме зашунтирован низкоомным резистором, например показания сопротивления в 20 Ом будет уже указывать о том что сопротивление перехода не «нулевое» а значит большая вероятность что переход исправен. С мультиметром же в режиме прозвонки диодов будит такая картина что он попросту будет показывать «кз» и пищать (тоже конечно зависит от точности прибора).

Если не известно где база, а где эмиттер и коллектор. Цоколевка транзистора?

У транзисторов средней и большой мощности вывод коллектора всегда на корпусе который переиначенный для закрепления на радиатора, так что с этим проблем не будит. А уже зная расположение коллектора, найти базу и эмиттер будит намного проще.
Ну а если транзистор малой мощности в пластмассовом корпусе где все выводы одинаковы будим применять такой способ:
Все что нам нужно — поочередно замерить все комбинации переходов прикасаясь щупами поочередно к разным выводам транзистора.

Нам нужно найти два перехода которые покажут бесконечность «1». Например: мы нашли бесконечность между правим-левим и правим-среднем, то есть по сути мы нашли и измеряли обратное сопротивления двух p-n переходов (как диодов) из этого размещение базы стает очевидным — база справа.
Дальше ищем где коллектор а где эмиттер, для этого от базы уже измеряем прямое сопротивление переходов и здесь все стает ясно так как сопротивление перехода база-Коллектор всегда меньше по сравнению с переходом база-Эмиттер.

Быстрая точная проверка транзистора

Если под руками есть мультиметр с функцией тестирования коэффициента усиления транзисторов — замечательно, проверка займет несколько секунд, здесь лишь надо будет определить правильную цоколевку (если конечно она не известна).
У таких мультиметров проверочные гнезда состоят из двух отделов p-n-p и n-p-n, а кроме того каждый отдел имеет три комбинации как можно вставить туда транзистор, то есть вместе не более 6 комбинаций, и только лишь одна правильная которая должна показать коэффициент усиления транзистора, за условий что он исправен.

Простой пробник

В данной схеме транзистор будет работать как ключ, схема очень простая и удобная если нужно часто и много проверять транзисторы.

Если транзистор рабочий — при нажатие кнопки светодиод светится, при отпускание гаснет.
Схема представлена для n-p-n транзисторов, но она универсальна, все что нужно сделать, это поставить параллельно к светодиоду еще один светодиод в обратной полярности, а при проверке p-n-p транзистора — просто менять полярность источника питания.

Если по данной методике что то идет не так, задумайтесь, а транзистор ли перед вами и случайно быть может он не биполярный, а полевой или составной.
Часто бывает путают при проверке составные транзисторы пытаясь их проверить стандартным способом, но нужно в первую очередь смотреть справочник или «даташит» со всем описанием транзистора.

Как проверить составной транзистор

Чтобы проверить такой транзистор его необходимо «запустить» то есть он должен как бы работать, для создания такого условия есть простой но интересный способ.
Стрелочным тестером, выставленным в режим проверки сопротивления (предел *1000?) подключаем щупы, плюсовой на коллектор, минусовой на эмиттер — для n-p-n (для p-n-p наоборот) — стрелка тестера не двинется сместа оставаясь в начале шкалы «бесконечность» (для цифрового мультиметра «1»)
Теперь если послюнявить палиц и замкнуть им прикоснувшысь к выводам базы и коллектора то стрелка сдвинется с места от того что транзистор немного приоткроется.
Таким же способом можно проверить любой транзистор даже не выпаивая з схемы.
Но следует помнить что некоторые составные транзисторы имеют в своем составе защитные диоды в переходе эмиттер-коллектор что дает им преимущество в работе с индукционной нагрузкой, например с электромагнитным реле.

Проверка полевых транзисторов

Здесь есть один отличительный момент при проверке таких транзисторов — они очень чувствительны к статическому электричеству которое способно вывести из строя транзистор если не соблюдать методы безопасности при проверке а также выпайке и перемещению. И в большей мере подвержены статике именно маломощные и малогабаритные полевые транзисторы.

Какие методы безопасности?
Транзисторы должны находится на столе на металлическом листе который подключен к заземлению. Для того чтобы снять с человека предельный статический заряд — применяют антистатический браслет который надевают на запястье.
Кроме того хранение и транспортировка особо чувствительных полевиков должна быть з закорочеными выводами, как правило выводы просто обматывают тонкой медной проволкой.

Полевой транзистор в отличие от биполярного управляется напряжением, а не током как у биполярного, поэтому прикладывая напряжение к его затвору мы его или открываем (для N-канального) или закрываем (для P-канального).

Проверить полевой транзистор можно как стрелочным тестером так и цифровым мультиметром.
Все выводы полевого транзистора должны показывать бесконечное сопротивление, независимо от полярности и напряжения на щупах.

Но если поставить положительный щуп тестера к затвору (G) транзистора N-типа, а отрицательный — к истоку (S), зарядится емкость затвора и транзистор откроется. И уже измеряя сопротивления между стоком (D) и истоком (S) прибор покажет некоторое значение сопротивления, которое зависит от ряда факторов, например емкости затвора и сопротивления перехода.

Для P-канального типа транзистора полярность щупов обратная. Также для чистоты эксперимента, перед каждой проверкой необходимо закорачивать выводы транзистора пинцетом чтобы снять заряд с затвора после чего сопротивление сток-исток должно снова стать «бесконечным» («1») — если это не так то транзистор скорее всего неисправен.

Особенностью современных мощных полевых транзисторов (MOSFET’ов) есть то что канал сток-исток прозванивается как диод, встроенный диод в канале полевого транзистора есть особенностью мощных полевиков (явление производственного процесса).
Чтобы не посчитать такую «прозвонку» канала за неисправность просто следует помнить о диоде.

В исправном состояние переход сток-исток MOSFETа должен в одну сторону звониться как диод а в другую показывать бесконечность (в закрытом состояние — после закорачивания выводов) Если переход прозваниваеться в обе стороны с «нулевым» сопротивлением то такой транзистор «пробит» и неисправен

Наглядный способ (экспресс проверка)

  • Необходимо замкнуть выводы транзистора

  • Тестером в режиме прозвонки (диод) ставим плюсовой щуп к истоку, а минусовой к стоку (исправный покажет 0.5 — 0.7 вольта)

  • Теперь меняем щупы местами (исправный покажет «1» или по другому говоря бесконечное сопротивление)
  • Минусовой щуп ставим к истоку, а плюсовой на затвор (открываем транзистор)

  • Минусовой щуп оставляем на истоке, а плюсовой сразу ставим на сток, исправный транзистор будет открыт и покажет 0 — 800 милливольт

  • Теперь можем поменять плюсовой и минусовой щупы местами, в обратной полярности переход сток-исток должен иметь такое же сопротивление.

  • Плюсовой щуп ставим к истоку, а минусовой на затвор — транзистор закроется

  • Можем снова проверить переход сток-исток, он должен показывать снова «бесконечное» сопротивление так как транзистор уже закрыт (но помним про диод в обратной полярности)

Большая емкость затвора некоторых полевых транзисторов (особенно мощных) позволяет некоторое продолжительное время сохранять транзистор открытим, что позволяет нам открыв его проверять сопротивление сток-исток уже убрав плюсовой щуп с затвора. Но у транзисторов с малой емкостью затвора необходимо очень быстро перемещать щупы что бы зафиксировать правильную работу транзистора.

Примечание: для проверки P-канального полевого транзистора, процесс выглядит также но щупы мультиметра должны быть противоположной полярности. Для удобства можно перекинуть их местами (красный на минус, а черный на плюс) и использовать все туже описану выше инструкцию.

Проверяя транзистор по такой методике канал сток-исток можно открывать и закрывать даже пальцем, например чтобы открыть достаточно прикоснутся пальцем к затвору держась при этом второй рукой за плюс, а чтобы закрыть нужно все также прикоснутся к затвору но уже держась другим пальцем или второй рукой за минус. Интересный опыт который дает понимание того что транзистор управляется не током (как у биполярных) а напряжением.

Простая схема пробника для проверки полевых транзисторов

Можно собрать простую и эффективную схему проверки полевиков которая достаточно ясно даст понять о состояние транзистора, к тому же достаточно быстро можно перекидать транзисторы если их предстоит проверять часто и много. В некоторых схемах можно проверить транзистор даже полностью не выпаивая его с платы.

Схема универсальна как для P-канальных так и для N-канальных полевых транзисторов в ней присутствует два светодиода включенных в обратной полярности друг к другу (каждый для своего типа) и все что остается при смене типа проверяемого полевого транзистора — просто поменять полярность источника питания.

Примеры программирования микроконтроллеров, создание схем на микроконтроллерах, микроконтроллеры для начинающих


















Новостная лента





Microchip расширяет экосистему Arduino-совместимой отладочной платформы chipKIT


Компания Microchip сообщила о расширении экосистемы отладочной платформы chipKIT. В состав Arduino-совместимой платформы chipKIT вошла высокоинтегрированная отладочная плата с Wi-Fi модулем и плата расширения для управления электродвигателями, разработанные компанией Digilent.
Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 28590

Дата добавления: 02.10.2014





MicroView — супер миниатюрная Arduino-совместимая отладочная плата с OLED дисплеем


На портале Kickstarter представлен проект супер миниатюрной отладочной платформы Arduino, выполненной в форм-факторе 16-выводного корпуса DIP и имеющей встроенный OLED дисплей с разрешением 64×48 точек. Несмотря на то, что отладочная плата является полностью завершенным решением, она может устанавливаться на макетную плату или непосредственно впаиваться в печатную плату для расширения функционала и управления внешней периферией.
Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 27934

Дата добавления: 17.04.2014





Размеры самого миниатюрного в мире ARM-микроконтроллера Freescale сократила еще на 15%


Freescale Semiconductor совершила новый технологический прорыв, добавив к семейству Kinetis самый миниатюрный и энергоэффективный в мире 32-разрядный микроконтроллер Kinetis KL03 с архитектурой ARM. Основанный на микроконтроллере предыдущего поколения Kinetis KL02, новый прибор получил дополнительную периферию, стал намного проще в использовании, и при этом сократился в размерах до 1.6 × 2.0 мм.
Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 1871

Дата добавления: 17.04.2014





Как вырастить микросхему с помощью белка


Без кремния немыслимо производство полупроводников, где он буквально нарасхват. При этом, естественно, большое значение имеют чистота вещества и строение кристаллов кремниевых соединений. Исследователи из Университета Лидса (Великобритания) предлагают способ выращивания таких кристаллов с помощью молекулярной биологии. По их мнению, это позволит создавать электронные микросхемы более высокого качества.
Подробнее >>>

Источник: http://www.newscientist.com/

Просмотров: 3019

Дата добавления: 06.03.2014





Открытие нового раздела на сайте MCULAB.RU


На нашем сайте открыт новый раздел. Раздел посвящён моделированию различных схем по сопряжению микроконтроллеров и датчиков. Освещается схемотехника подключения к МК внешних устройств. В данной области до сих пор отсутствует систематизация, поэтому сделана попытка создать банк типовых решений, который в дальнейшем может дополняться, уточняться, расширяться.
Подробнее >>>

Источник: /

Просмотров: 129718

Дата добавления: 04.02.2014




На сайте представлены примеры программирования, которые будут полезны как для опытного разработчика схем на микроконтроллерах, так и для новичка. Особо рассматривается программирование микроконтроллеров для начинающих пользователей. Программные примеры программирования разбиты на различные разделы. Основную массу составляют примеры программирования микроконтроллеров avr и микроконтроллеров microchip. Пользователю предлагается познакомиться с различными примерами программирования и различными средами программирования: MicroLab, AVRStudio, MikroC, FloweCode.
Представлены схемы на микроконтроллерах ведущих производителей: PIC и AVR. Рассматривается огромное количество схем для начинающих разработчиков. Если Вы начинающий радиолюбитель, то для Вас мы приготовили раздел микроконтроллеры для начинающих.



Современные микроконтроллеры относятся к классу микропроцессорных устройств. В основе принципа действия таких элементов лежит исполнение последовательного потока команд, называемого программой. Микроконтроллер получает программные команды в виде отдельных машинных кодов. Известно, что для создания и отладки программ, машинные коды подходят плохо, так как трудно воспринимаются человеком. Этот факт привел к появлению различных языков программирования и огромного количества различных компиляторов.


В основе языков программирования микроконтроллеров лежат классические языки для компьютеров. Единственным отличием становится ориентированность на работу со встроенными периферийными устройствами. Архитектура микроконтроллеров требует, например, наличия битово-ориентированных команд. Последние выполняют работу с отдельными линиями портов ввода/вывода или флагами регистров. Подобные команды отсутствуют в большинстве крупных архитектур. Например, ядро ARM, активно применяемое в микроконтроллерах, не содержит битовых команд, вследствие чего разработчикам пришлось создавать специальные методы битового доступа.






Популярное в разделе «MikroC»

Популярное в разделе «FloweCode»

Популярное в разделе «MicroLab»

Популярное в разделе «AVR Studio»

Популярное в разделе «Теоретические основы эл-ки»

Популярное в разделе «Основы МП техники»

Популярное в разделе «Аналоговый и цифровой сигнал»

Популярное в разделе «Цифровая схемотехника»



Примеры программирования микроконтроллеров будут представлены на хорошо всем известном языке Си. А перед тем как постигать азы программирования микроконтроллеров и схемотехнику устройств на микроконтроллерах, авторам предлагается ещё раз вспомнить основы микропроцессорной техники, основы электроники, полупроводниковую электронику, аналоговую и цифровую схемотехнику, а так же азы аналогового и цифрового представления сигнала. Для тех, кому хочется получить новые знания в области современного программирования, можно будет познакомиться с графическим языком программирования LabView.


Выбор языка программирования зависит от множества факторов. В первую очередь, типо решаемых задач и необходимым качеством кода. Если Вы ведёте разработку малых по объёму и несложных программ, то можно использовать практически любой язык. Для компактного кода подойдет Ассемблер, а если ставятся серьезные задачи, то альтернативы С/С++ практически нет. Также необходимо учитывать доступность компилятора. В итоге самым универсальным решением можно назвать связку Ассемблера и C/C++. Для простого освоения языков, можно воспользоваться примерами программ для микроконтроллера. Использование примеров программирования упростит и ускорит процесс освоения программирования микроконтроллеров.


Схемы на микроконтроллерах позволят начинающим разработчикам освоить тонкости проектирования, моделирования и программирования микроконтроллеров.













Что такое Транзистор?

Транзистор — один из самых распространенных полупроводниковых элементов самого широкого применения. Существуют различные виды транзисторов, но как правило данный электронный компонент имеет три вывода и, как и диод, основывается на явлении p-n перехода. Отсюда происходит его второе название – полупроводниковый триод.

Главным свойством транзистора является управление током, протекающим через него (ток эмиттер–коллектор у биполярных и ток исток–сток у полевых транзисторов), с помощью третьего вывода (база у биполярных и затвор у полевых транзисторов). Иными словами транзисторы зачастую используют как выключатель и/или регулятор силы тока и напряжения.

Биполярный транзистор

Транзисторы данного типа состоят из трех слоев полупроводников с чередующимся типом проводимости:

  • Эмиттер (emitter)
  • База (base) – на схемах изображается между К. и Э. под прямым углом к несущей черте
  • Коллектор (collector) – на схемах обозначен стрелкой.

Таким образом, у биполярных транзисторов имеется два p-n перехода: эмиттер-база и база-коллектор. Наделение полупроводников определенным типом проводимости происходит с помощью легирования — добавления в них специальных примесей. Каждый слой легируется в разной степени.

Различают два типа биполярных транзиторов:

p-n-p, где эмиттер – полупроводник p-типа, база – n-типа, коллектор – p-типа

n-p-n, где эмиттер – полупроводник n-типа, база – p-типа, коллектор – n-типа.

Их схематичное устройство представлено представлено на иллюстрации ниже.

В основе работы биполярных транзисторов лежит следующий процесс, который рассмотрим на примере транзистора со структурой npn в нормальном активном режиме. В этом режиме переход эметтер-база смещён в прямом направлении, иначе говоря, открыт, а переход база-коллектор смещён в обратном направлении или закрыт. При переходе носителей заряда (электронов) из эмиттера через открытый p-n переход эмиттер-база, часть их рекомбинирует с носителями заряда (дырками) в базе. Однако база делается очень тонкой и слабо легированной (по сравнению с эмиттером), из-за чего большая часть электронов, перешедших (инжектированных) в базу из эмиттера, так сказать, «не находит себе в базе места» и, как следствие, диффундирует в коллектор. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы и переносит их в коллекторный слой. Таким образом, ток коллектора практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы. В случае с биполярными транзисторами структуры pnp процесс будет тем же, изменится лишь полярность и направление токов.

Полевой транзистор (униполярный)

Принцип действия полевых транзисторов основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Полевые транзисторы имеют следующие выводы:
  • Исток (source) — область, из которой носители заряда уходят в канал
  • Затвор (gate) – электрод, на который подается управляющее напряжение
  • Сток (drain) – область, в которую носители заряда входят.

Читайте также про другие элементы электрической цепи:

Понравилась статья? Не забудь поделиться с друзьями в соц. сетях. А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу Вконтакте, в группу на Facebook.

До встречи в следующем уроке. Спасибо за внимание!

Технологии начинаются с простого!

Понравилась статья? Поделитесь ею с друзьями:

ECE 291 Лаборатория 10: Транзистор, сравнение двух основных типов: МОП и БИПОЛЯРНЫЙ

ЗАДАЧИ

Знакомство с MOSFET, наиболее часто используемым типом транзисторов на сегодняшний день, и его сравнение с BJT. Демонстрирует чрезвычайно высокий импеданс затвора полевого МОП-транзистора по постоянному току. Изучение линейных характеристик и поведения транзисторов при переключении. MOSFET в качестве устройства, управляемого напряжением, и BJT, в качестве устройства, управляемого током. Аналоговый переключатель MOS.

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня существует два наиболее распространенных типа транзисторов: металл-оксидный полупроводник или MOS и биполярный переходный транзистор или BJT.MOS также обозначается как MOSFET, потому что это полевой транзистор (FET). Подавляющее большинство обоих типов изготовлено из кремния (Si) и небольшая часть (около 2%) из арсенида галлия (GaAs). Первоначально BJT доминировал на рынке, но теперь большинство транзисторов, особенно в интегральных схемах, относятся к типу MOS. BJT по-прежнему сохраняет свои позиции, особенно в некоторых аналоговых цепях и схемах большой мощности. В то время как большинство транзисторов любого типа сегодня изготавливаются как элементы интегральных схем (ИС), которые могут содержать миллионы элементов схемы, одиночные или дискретные транзисторы по-прежнему используются во многих приложениях, таких как высокочастотные или силовые блоки.

В этой лаборатории мы концентрируемся на МОП-транзисторе и сравниваем его с БЮТ. Подчеркивается важное различие между импедансом затвора MOS и базовым импедансом BJT. Вы будете экспериментировать с N-канальным мощным MOSFET в режиме улучшения и BJT типа npn.

PRELAB

  1. МОП-транзистор характеризуется очень высоким входным сопротивлением (затвором). Означает ли это, что к воротам никогда не протекает заметный ток? Объяснять.
  2. Изобразите схемы схем для экспериментов с полевым МОП-транзистором, описанных в разделах 1, 2 и 3 ниже.

ЛАБОРАТОРИЯ

Необходимое оборудование со склада: Протоборд, аналог универсальный.
измеритель, коробка подстановки сопротивления, провода, щуп.

1. ПОЛЯРНОСТЬ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Проверить переходы база-коллектор и база-эмиттер омметром.
(используйте шкалу кОм). На самом деле вы не измеряете сопротивление, но можете определить полярность переходов транзистора. Убедитесь, что npn-транзистор имеет соответствующие переходы между эмиттером (n-тип) и базой (p-тип), а также между базой и коллектором (n-тип).

Рис. 9.1: Клеммные соединения для MOS (слева) и BJT (справа) транзисторов.

2. ТРАНЗИСТОР КАК ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

2.1 БЮТ

Соберите схему (показанную ниже), в которой npn BJT используется для переключения
включить и выключить небольшую лампу накаливания. Резистор R 1 должен быть от 220 до 390 Ом, чтобы защитить базу транзистора от чрезмерного тока.R x может быть коробкой замены сопротивления.

Рис. 9.2 Схема транзисторного переключателя.

В этом приложении небольшой ток в базовой цепи управляет большим
ток в цепи коллектора (лампы). Таким образом, транзисторы большой мощности
может использоваться для управления большими токовыми нагрузками.

Найдите номинал базового резистора R x , позволяющий включить лампу на полную яркость.Измерьте базовое напряжение V b , когда лампа «включена», и вычислите базовый ток, который использовался для полного включения BJT. Какое эквивалентное сопротивление между базой и эмиттером транзистора в этой конфигурации? Также измерьте ток лампы и напряжение коллектора. Вычислите также эквивалентное сопротивление между эмиттером и коллектором, когда транзистор включен.

2.2 МОП-транзистор

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Вы собираетесь работать с полевым МОП-транзистором, устройством, очень чувствительным к статическому электричеству.Не прикасайтесь к выводу затвора рукой, не дотронувшись до одного из двух других выводов транзистора той же рукой. Когда транзистор вставлен в макетную плату, сначала «заземлите» свое тело, прикоснувшись к печатной плате, прежде чем касаться электрода затвора. Когда транзистор не используется, держите его вставленным в черную прокладку из токопроводящей пены.

Замените BJT на полевой МОП-транзистор с n-канальным режимом улучшения: вывод затвора заменяет базу, исток заменяет эмиттер, а сток — коллектор (см.рис.9.1) Включите и выключите лампу, подключив резистор R x либо к плюсовой клемме источника питания, либо к земле.

Теперь сюрприз: отключите резистор затвора либо от земли, либо от источника питания. Коснитесь свободного конца резистора (или вывода затвора транзистора) одной рукой, а другой рукой коснитесь заземления или положительного вывода. Когда лампа загорится, уберите руки и подождите. Через некоторое время пальцами «отшлифуйте» ворота.С этого момента вы должны помнить, что никогда не оставляйте затвор MOSFET неподключенным. Что вы можете сказать о входном сопротивлении этой схемы? Вам нужен большой ток, чтобы включить транзистор? Сравните с BJT!

Измерьте также ток лампы и напряжение стока. Какое выходное сопротивление (сопротивление между истоком и стоком) этой цепи?

ПРИМЕЧАНИЕ. В этих экспериментах использовался силовой МОП-транзистор, способный выдерживать большой ток и имеющий относительно низкое сопротивление канала.Полевой МОП-транзистор, обычно используемый в цифровых схемах, не включает лампочку; его сопротивление канала слишком велико. Однако он может управлять светодиодом (светоизлучающим диодом), который требует гораздо меньше тока, чем лампочка.

2.3. ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ МОП-транзистора.

Замените лампочку в цепи полевого МОП-транзистора двумя параллельными резисторами на 100 Ом. Подайте прямоугольный сигнал от генератора сигналов на вашем стенде к затвору через резистор 10 кОм.Амплитуда должна быть достаточно большой для включения и выключения транзистора, но используйте также регулировку смещения постоянного тока генератора, чтобы получить выход с одной полярностью (проверьте на осциллографе). Увеличьте частоту примерно с 1 кГц и наблюдайте за входным сигналом на затворе и выходным сигналом на стоке. Зачем вам здесь действительно нужен зонд? Часть входного сигнала должна иметь вид RC-кривой. Попробуйте оценить емкость затвора.

ПРИМЕЧАНИЕ. Входная цепь, состоящая из резистора и затвора, более сложна, чем простая RC-цепь, поскольку на нее влияет напряжение на стоке.Когда напряжение стока меняется, оно влияет на напряжение затвора (обратная связь), и эффект выглядит как изменение емкости затвора. Это объясняет несколько странную форму наблюдаемых сигналов.

Чтобы определить, насколько быстро может переключаться транзистор, устраните сопротивление затвора и подключите затвор непосредственно к генератору сигналов. Остерегайтесь статического электричества!
Увеличьте частоту и наблюдайте за формами волны. Измерьте время «включения» и «выключения» как на входе, так и на выходе.Что ограничивает скорость переключения? Есть ли сопротивление во входной цепи?

3. ТРАНЗИСТОР КАК УСИЛИТЕЛЬ

3,1 полевой МОП-транзистор

Поскольку затвор MOSFET практически не потребляет ток, выходной ток этого устройства регулируется напряжением затвора. Чтобы изучить этот эффект, измерьте ток стока как функцию напряжения затвора с заземленным истоком.Используйте схему на рис. 9.3, где резистор стока R d может быть 1 кОм. Увеличьте напряжение затвора V g от нуля, контролируя напряжение стока. В г . Рассчитайте ток стока и постройте его зависимость от V g . Определите пороговое напряжение транзистора.

Рис. 9.3: Схема MOSFET с общим истоком.

3,2 БЮТ

BJT может управляться током базы, и цель этого измерения — продемонстрировать так называемое «усиление тока» транзистора или отношение тока коллектора к току базы.Коэффициент усиления по току (β или h FE ) не является хорошим параметром транзистора, потому что он зависит от условий эксплуатации и широко варьируется для разных образцов одного и того же типа, но он демонстрирует важную функцию транзистора: усиление.

Измерьте коэффициент усиления транзистора по току для нескольких значений I B , используя схему, показанную на рисунке 9.4 ниже.

Рис. 9.4 Схема измерения коэффициента усиления по току.

У вас есть несколько вариантов выполнения этих измерений. Измеряя V b и V bb с помощью цифрового вольтметра, вы можете определить ток базы, если известно значение резистора базы (4,7k на рис. 9.4). В качестве альтернативы вы можете измерить базовый ток напрямую с помощью цифрового амперметра. Ток коллектора можно определить путем измерения напряжения коллектора V c или напрямую, подключив аналоговый амперметр последовательно с резистором 1 кОм.Цифровой измеритель понадобится для измерения V b или тока в базе.

Выполните измерения для нескольких значений базового тока I B , изменив V bb . Сведите в таблицу результаты, включая напряжение база-эмиттер V BE и напряжение коллектор-эмиттер V CE , а также рассчитанные значения усиления по току (h FE или бета).

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

С помощью измерителя кривой протестируйте МОП- и БЮТ-транзисторы в режиме общего истока или эмиттера, соответственно.Характеристические кривые включают ток стока (коллектора) как функцию напряжения стока (коллектора) для различных значений напряжения затвора (тока базы). Выберите диапазоны напряжения и тока, которые включают значения, которые вы измерили в части 3. Нарисуйте наблюдаемые кривые, обозначающие оси, и укажите приблизительные масштабы осей. Свяжите кривые со значениями, измеренными в части 3.

5. МОП-транзистор КАК АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

Очень полезная схема, невозможная с BJT, может быть построена с MOSFET, используемыми в качестве переключателей аналоговых сигналов.Они действуют как твердотельные реле, управляемые напряжением затвора, в то время как стандартные реле управляются током в их катушках. Такие схемы, используемые в системах сбора данных, служат аналоговыми мультиплексорами, которые позволяют выбирать один из нескольких входов данных. В других приложениях они могут изменять коэффициент усиления операционного усилителя или коэффициент затухания путем переключения различных резисторов, используя уровни управляющего напряжения, обычно устанавливаемые цифровыми схемами. Существуют специальные аналоговые переключатели CMOS, выполненные в виде интегральных схем в нескольких блоках, также называемых воротами передачи.Здесь мы начинаем эксперимент с аналоговыми переключателями, используя наш силовой MOSFET.

Создайте аналоговый переключатель с использованием полевого МОП-транзистора. Подайте сигнал на исток и снимите выходной сигнал с резистора (от 10 кОм до 100 кОм), подключенного между стоком и землей. Управляющее напряжение должно подаваться на затвор через обычный однополюсный переключатель. Подайте сигнал, передавая некоторое смещение постоянного тока от генератора на вход, и наблюдайте за выходом на осциллографе, изменяя положение переключателя. Отрегулируйте регулятор смещения постоянного тока на генераторе и понаблюдайте за его действием.Какое должно быть соотношение между уровнем управляющего напряжения, подаваемого на затвор, и уровнем входного напряжения, чтобы это устройство работало?

ОТЧЕТ

  • Включите все схемы со значениями компонентов.
  • Представьте наглядно все графики.
  • Решите все проблемы и вопросы, выделенные жирным шрифтом в тексте.
  • Какие основные различия вы заметили в работе MOSFET и BJT?

Проверка транзисторов с помощью вольтметра

Плохой транзистор иногда можно определить по частично сгоревшему или искаженному внешнему виду, но чаще всего нет видимой индикации.Один из подходов к устранению неполадок — замена заведомо исправного компонента, но это дорогостоящий способ. Кроме того, это ненадежно, потому что внешний дефектный компонент может мгновенно уничтожить замену без видимых доказательств. Разумная альтернатива — проверить транзистор. Обычный мультиметр может быстро выполнять внутрисхемные тесты, которые не являются полностью окончательными, но обычно предоставляют приемлемую информацию о состоянии «годен / не годен», используя либо режим проверки диодов, либо режим измерения сопротивления.

Обычная процедура тестирования предназначена для использования с цифровым мультиметром в диапазоне проверки диодов минимум 3.3 В над д.у.т. (проверяемый диод). Сначала рассмотрим процедуру тестирования полевого МОП-транзистора в расширенном режиме (т.е. когда устройство не является проводящим при 0 В, приложенном к затвору, работающему как переключатель). Подключите источник полевого МОП-транзистора к отрицательному выводу измерителя. (Удерживайте полевой МОП-транзистор за корпус или за язычок, но не касайтесь металлических частей испытательных зондов другими выводами полевого МОП-транзистора до тех пор, пока это не понадобится.) Коснитесь положительным выводом измерителя на затворе полевого МОП-транзистора. Теперь переместите положительный зонд в «Слив».У вас должно быть низкое чтение. Внутренняя емкость полевого МОП-транзистора на затворе теперь заряжена измерителем, и устройство «включено».

При подключении плюсового провода счетчика к стоку закоротите исток и затвор. Затвор разрядится, и показания счетчика должны стать высокими, указывая на непроводящее устройство.

Полевые МОП-транзисторы

, которые выходят из строя, часто имеют короткое замыкание сток-затвор. Это может вернуть напряжение стока на затвор, где оно подается (через резисторы затвора) в схему управления, что может привести к тому, что уровни напряжения и тока превысят пределы компонентов в этой секции.Перегрузка также повлияет на любые другие параллельно включенные вентили MOSFET. Таким образом, лучше всего проверить схемы управления неработающими полевыми МОП-транзисторами. Чтобы избежать перегрузок, некоторые разработчики добавляют стабилитрон между истоком и затвором — стабилитроны замыкаются при коротком замыкании, чтобы ограничить повреждение в случае отказа полевого МОП-транзистора. Другая тактика — добавить сверхминиатюрные резисторы затвора. Они имеют тенденцию открываться (как предохранитель) при перегрузке, отключая затвор MOSFET.

Другой частый режим отказа полевого транзистора — это короткое замыкание сток-исток.Проверить проблему можно с помощью омметра. Подключите затвор устройства к клемме источника. Если путь сток-исток исправен, при установке щупов омметра в одном направлении должно быть обнаружено короткое замыкание. Другое направление должно измерять бесконечное сопротивление — или, по крайней мере, несколько мегаом. Измеряемый диодный переход — это корпусный диод полевого транзистора. Основной диод покажет катод на стоке для N-канального устройства и на истоке для P-канального устройства.

К сожалению, современные мультиметры используют низкое возбуждение для измерения сопротивления (1-2 В), чтобы простое активное зондирование элементов схемы не повредило их.Проблема в том, что тестирование полевого транзистора одним только современным мультиметром становится проблематичным. Причина в том, что для включения большинству мощных полевых транзисторов требуется напряжение смещения затвор-исток не менее 4-5 В. Полевые транзисторы логического уровня могут включаться при напряжении от 0,3 до 1,5 В.

Показанная здесь простая схема N-канального полевого транзистора помогает определить, правильно ли устройство работает в качестве переключателя. Мультиметр должен показывать довольно низкое напряжение между точками 2 и 4. Измерение R dsON устройства начинается с удаления связи между точками 1 и 2, затем измерения между точками 2 и 4 для получения приблизительного значения сопротивления на мультиметре.

Закорочив точки 1 и 2 вместе, измерьте напряжение между точкой 2 и точкой 4, затем замкните точку 3 и точку 4. Вы должны увидеть, что напряжение изменяется от низкого в первом тесте до фактического приложенного напряжения батареи (обычно 9 В).

Вы можете определить, есть ли остаточная утечка между стоком и источником, замкнув точку 3 и точку 4, а затем измерив напряжение на точке 1 питания сопротивления 100 кОм от батареи. Тогда ток утечки в миллиамперах приблизительно равен = (показания мультиметра в милливольтах) / (10 4 ).Чтобы измерить номинальное пороговое значение V gs (напряжение от начала до включения) полевого транзистора, замкните точку 2 и точку 3, а затем измерьте напряжение между точкой 2 и точкой 4, как и раньше.

При исследовании полевых МОП-транзисторов с p-каналом, просто поменяйте полярность батареи и используйте ту же схему. Полярность всех щупов мультиметра будет изменена на обратную, но процедура останется прежней.

Теперь рассмотрим JFET. Проверка полевого транзистора как диода (переход затвор-канал) с помощью омметра должна указывать на низкое сопротивление между затвором и истоком при одной полярности и высокое сопротивление между затвором и истоком при обратной полярности измерителя.Если измеритель показывает высокое сопротивление при обеих полярностях, соединение затвора разомкнуто. С другой стороны, если омметр показывает низкое сопротивление при обеих полярностях, затворный переход закорочен.

Теперь рассмотрим проверку целостности цепи сток-исток. Если вы знаете, какие клеммы на устройстве являются затвором, истоком и стоком, лучше всего подключить перемычку между затвором и истоком, чтобы устранить любой накопленный заряд на емкости PN перехода затворного канала, который может удерживать полевой транзистор в цепи. отключенное состояние без подачи какого-либо внешнего напряжения.Без этого шага любое показание измерителя непрерывности через канал будет непредсказуемым, потому что заряд может или не может накапливаться в соединении затвор-канал.

Хорошая стратегия — вставить штыри JFET в антистатическую пену перед испытанием. Проводимость пены создает резистивное соединение между всеми выводами JFET. Это соединение гарантирует, что весь остаточный заряд, накопленный на PN-переходе затворного канала, рассеивается, тем самым открывая канал для точной проверки целостности цепи исток-сток.

Поскольку канал JFET представляет собой единый непрерывный кусок полупроводникового материала, обычно нет разницы между выводами истока и стока. Проверка сопротивления от истока к стоку должна дать то же значение, что и проверка от стока к истоку. Это сопротивление должно быть относительно низким (ниже нескольких сотен Ом), когда напряжение PN перехода затвор-исток равно нулю. Приложение напряжения обратного смещения между затвором и истоком должно перерезать канал и привести к более высокому показанию сопротивления на измерителе.

Это подводит нас к биполярным транзисторам. Полезно помнить, что биполярный транзистор можно смоделировать как два последовательно соединенных диода. Плавающие выводы обеспечивают две контрольные точки, а подключенные выводы являются третьей контрольной точкой с центральным отводом. Эти два диода не будут работать как настоящий транзистор, потому что соединение с центральным отводом не является полупроводниковым переходом, а модель с двумя диодами не имеет трех отдельных кремниевых слоев, как в транзисторе. Тем не менее, подключение демонстрирует базовую концепцию тестирования транзисторов и идентификации клемм.

Чтобы проверить транзистор с помощью мультиметра в режиме проверки диодов, вставьте черный щуп в общий, а красный щуп в Diode Test или Ohms. Большинство производителей подключают красный к положительной клемме внутренней батареи, но это может варьироваться, поэтому лучше всего проверить полярность с помощью второго мультиметра в режиме постоянного напряжения. Обычное испытательное напряжение 3 В.

Естественно предположить, что центральный вывод на корпусе транзистора подключается к базе, но это соглашение не является универсальным.Подключите черный зонд к базе. Кратковременно поднесите красный щуп к эмиттеру и отметьте напряжение. Затем переключите красный зонд на эмиттер. Если показания совпадают, пока все хорошо. Удалив черный щуп из базы и заменив его красным щупом, коротко прикоснитесь черным щупом к эмиттеру и коллектору.

Если предыдущие показания были высокими, а эти — низкими, транзистор проходит статический тест. Если предыдущие показания были низкими, а эти высокие, транзистор также проходит статический тест.Если показания двух красных щупов не совпадают или показания двух черных щупов не совпадают при реверсировании щупов, транзистор неисправен.

Если идентификационные данные базы, эмиттера и коллектора неизвестны, подключите черный щуп к одному из выводов транзистора. По очереди коротко прикоснитесь красным щупом к каждому из оставшихся отведений. Если оба вывода показывают высокий уровень, черный зонд подключен к базе, транзистор NPN и в порядке. Если на двух других отведениях есть разные показания, переместите черный щуп к другому отведению и прикоснитесь красным щупом к оставшимся отведениям.При повторении теста с черным щупом, касающимся по очереди каждого из трех выводов, вы должны иметь высокое сопротивление, а транзистор либо неисправен, либо PNP.
Снимите черную пластину и подсоедините красный щуп к одному из проводов. Затем прикоснитесь черным щупом по очереди к каждому из оставшихся проводов. Когда касаются каждого из выводов и сопротивление становится высоким, красный вывод подключается к базе, и транзистор является хорошим устройством PNP.

Если вы получаете два разных показания для двух отведений, переместите красный зонд к другому отведению и повторите тест.Подключите красный зонд по очереди к каждому из трех выводов. Если два других вывода не дают таких же показаний при прикосновении к черному щупу, это значит, что транзистор является PNP и неисправен.

Тесты мультиметра

определяют, перегорел ли транзистор (разомкнут или закорочены), и дают приблизительную оценку способности транзистора к усилению. Но они не сообщают о фактических рабочих параметрах. Чтобы получить больше информации, следующим шагом будет тестер транзисторов сервисного типа. Этот прибор выполняет три измерения для биполярных транзисторов: прямой ток (бета), ток утечки база-коллектор с открытым эмиттером и короткое замыкание от коллектора к эмиттеру и базе.Измеряется H fe , и транзистор считается исправным, если этот показатель превышает определенный уровень. Однако тест отклонит некоторые функциональные, но низкоуровневые транзисторы H fe .

Некоторые тестеры транзисторов служебного типа могут проверять компоненты как в цепи, так и вне ее, и они способны идентифицировать неизвестные клеммы транзисторов. Поскольку H fe различается в зависимости от устройства, тестеры транзисторов служебного типа могут давать ошибочные показания и не являются безошибочными.

В высоконадежном, интуитивно понятном и удобном тесте компонентов можно использовать осциллограф в сочетании со встроенным генератором сигналов осциллографа или с внешним автономным AFG.Конденсаторы, катушки индуктивности, биполярные транзисторы и кабели можно легко проверить и определить их значения. Сигнал от AFG подается на исследуемый компонент, и отклик отображается на осциллографе. Обычно выходной импеданс 50 Ом от AFG подается через тройник на тестируемое устройство и на аналоговый вход осциллографа. Кроме того, выход AFG OUT подключен к Trigger IN осциллографа.

Лучшие тестеры транзисторов — это приборы лабораторного уровня.Сопутствующим инструментом является индикатор кривой полупроводника. Он содержит упрощенный осциллограф в дополнение к источникам напряжения и тока, которые пользователь применяет к ИУ. На вход тестируемого транзистора подается напряжение развертки, и его выходной ток измеряется и отображается в виде графика на экране прибора. Пользователь может регулировать подаваемое напряжение, его полярность и последовательный импеданс. Когда диод подвергается изменяющемуся напряжению, отображаются различные параметры, такие как прямое напряжение, обратный ток утечки и обратное напряжение пробоя.

Ступенчатое напряжение может подаваться на входную цепь полевого транзистора или ступенчатый ток может подаваться на биполярный транзистор. Результат позволяет определить коэффициент усиления транзистора или напряжение срабатывания тиристора. Чтобы оценить характеристики транзистора, представленное ему полное сопротивление («тяговое усилие») можно систематически изменять. Усилие нагрузки применимо, когда изменение импеданса нагрузки вызывает смещение центральной частоты от ее номинального значения.

Типы транзисторов

— переходные транзисторы и полевые транзисторы

В этом руководстве мы узнаем о классификации и различных типах транзисторов.Транзистор стал важным компонентом современной электроники, и мы не можем представить мир без транзисторов.

Введение

Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое используется для усиления сигналов, а также в схемах переключения. Обычно транзистор изготавливается из твердого материала, который содержит три вывода, такие как эмиттер (E), база (B) и коллектор (C) для соединения с другими компонентами схемы. Некоторые транзисторы также содержат четвертый вывод, то есть подложку (S).Транзистор — один из активных компонентов.

Со времени изобретения первого транзистора до наших дней транзисторы классифицируются на разные типы в зависимости от конструкции или работы, они поясняются с помощью древовидной диаграммы, как показано ниже.

НАЗАД

Древовидная диаграмма транзисторов

Классификацию транзисторов можно понять, просмотрев приведенную выше древовидную диаграмму. Транзисторы в основном делятся на два типа; это биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET).BJT снова подразделяются на транзисторы NPN и PNP. Полевые транзисторы подразделяются на JFET и MOSFET.

Junction FET транзисторы подразделяются на N-канальный JFET и P-канальный JFET в зависимости от их функции. MOSFET-транзисторы подразделяются на режим истощения и режим улучшения. Опять же, транзисторы режима обеднения и улучшения подразделяются на N-канальный JFET и P-канал.

В настоящее время электронные лампы заменяются транзисторами, потому что транзисторы имеют больше преимуществ по сравнению с электронными лампами.Транзисторы имеют небольшие размеры, для работы требуется низкое напряжение, а также низкое рассеивание мощности. По этим причинам транзистор используется во многих приложениях, таких как усилители, схемы переключения, генераторы, а также почти во всех электронных схемах.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Типы транзисторов

Транзистор — это правильное расположение различных полупроводниковых материалов. Общие полупроводниковые материалы, используемые для транзисторов, — это кремний, германий и арсенид галлия.В основном транзисторы классифицируются в зависимости от их конструкции. У каждого типа транзисторов есть свои особенности, достоинства и недостатки.

Некоторые транзисторы предназначены в первую очередь для переключения, другие — для усиления, а некоторые транзисторы предназначены как для усиления, так и для переключения. В зависимости от структуры транзисторы делятся на BJT и FET.

НАЗАД

Переходные транзисторы

Переходный транзистор обычно называют биполярным переходным транзистором (BJT).Транзисторы BJT имеют три вывода: эмиттер (E), база (B), коллектор (C). Само название указывает на то, что он имеет два перехода между полупроводниками p-типа и n-типа. Транзисторы BJT подразделяются на транзисторы NPN и PNP в зависимости от конструкции.

В отличие от полевых транзисторов, биполярные транзисторы являются устройствами с регулируемым током. Если через базу BJT-транзистора протекает небольшое количество тока, это вызывает протекание большого тока от эмиттера к коллектору. Биполярные транзисторы имеют низкий входной импеданс, что приводит к протеканию через транзистор большого тока.

Биполярные транзисторы — это только транзисторы, которые включаются входным током, подаваемым на базу. Транзисторы с биполярным переходом могут работать в трех областях:

  • Область отсечки: здесь транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ», то есть ток, протекающий через транзистор, равен нулю.
  • Активная область: здесь транзистор действует как усилитель.
  • Область насыщения: здесь транзистор находится в полностью «ВКЛЮЧЕННОМ» состоянии, а также работает как замкнутый переключатель.

НАЗАД

Транзистор NPN

NPN — это один из двух типов транзисторов с биполярным переходом (BJT). Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, разделенных тонким слоем полупроводника p-типа. Здесь основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями заряда являются дырки. Прохождение электронов от эмиттера к коллектору формирует ток, протекающий в транзисторе через вывод базы.

Небольшой ток на выводе базы вызывает протекание большого тока от эмиттера к коллектору.В настоящее время обычно используемым биполярным транзистором является транзистор NPN, потому что подвижность электронов больше подвижности дырок. Стандартное уравнение для токов, протекающих в транзисторе:

I E = I B + I C

Символы и структура для NPN-транзисторов приведены ниже.

НАЗАД

PNP-транзистор

PNP — это еще один тип биполярных переходных транзисторов (BJT). Транзисторы PNP содержат два полупроводниковых материала p-типа и разделены тонким слоем полупроводника n-типа.Основными носителями заряда в транзисторах PNP являются дырки, а электроны — неосновные носители заряда. Стрелка на выводе эмиттера транзистора указывает протекание обычного тока. В транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору.

Транзистор PNP включен, когда клемма базы переведена в низкий уровень относительно эмиттера. Символ и структура транзистора PNP показаны ниже.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

FET (Полевой транзистор)

Полевой транзистор (FET) — это еще один тип транзисторов.Обычно полевые транзисторы имеют три вывода: затвор (G), сток (D) и исток (S). Полевые транзисторы подразделяются на полевые транзисторы с переходным эффектом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IG-FET) или полевые МОП-транзисторы. Для соединений в схеме мы также рассматриваем четвертую клемму, называемую базой или подложкой. Транзисторы FET контролируют размер и форму канала между истоком и стоком, который создается под действием приложенного напряжения. Транзисторы FET являются однополярными транзисторами, потому что они выполняют одноканальную работу, тогда как транзисторы BJT являются транзисторами с биполярным переходом.Транзисторы FET имеют более высокое усиление по току, чем транзисторы BJT.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

JFET (Переходно-полевой транзистор)

Переходный полевой транзистор (JFET) — это самый ранний и простой тип полевых транзисторов. Эти полевые транзисторы используются в качестве переключателей, усилителей и резисторов. Этот транзистор представляет собой устройство, управляемое напряжением. Ему не нужен ток смещения. Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет потоком электрического тока между истоком и стоком транзистора.Транзисторы JFET доступны как в N-канальном, так и в P-канальном исполнении.

НАЗАД

N-канальный JFET

В N-канальном JFET ток протекает за счет электронов. Когда между затвором и истоком подается напряжение, между истоком и стоком образуется канал для протекания тока. Этот канал называется N-каналом. В настоящее время N-канальный JFET-транзистор является наиболее предпочтительным типом, чем P-канальный JFET. Обозначения для N-канального JFET-транзистора приведены ниже.

НАЗАД

P-Channel JFET

В этом транзисторе JFET ток протекает из-за дыр.Канал между истоком и стоком называется P-каналом. Обозначения для P-канальных JFET-транзисторов приведены ниже. Здесь стрелки указывают направление тока.

НАЗАД

МОП-транзистор

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор) является наиболее полезным типом среди всех транзисторов. Само название указывает на то, что он содержит металлический зажим для ворот. МОП-транзистор имеет четыре вывода: сток, исток, затвор и корпус или подложку (B). MOSFET имеет много преимуществ перед BJT и JFET, в основном он предлагает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.Он используется в схемах с низким энергопотреблением, в основном, в технологиях проектирования микросхем.

MOSFET-транзисторы доступны в версиях с истощением и расширением. Кроме того, типы истощения и улучшения подразделяются на типы с N-каналом и P-каналом.

НАЗАД

МОП-транзистор с N-каналом

МОП-транзистор, имеющий N-канальную область между истоком и стоком, называется N-канальным МОП-транзистором. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы материалами n-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом p-типа.Здесь ток между истоком и стоком происходит из-за электронов. Напряжение затвора контролирует протекание тока в цепи. MOSFET с N-каналом является наиболее предпочтительным, чем MOSFET с P-каналом, поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок. Обозначения для N-канальных MOSFET-транзисторов приведены ниже.

НАЗАД

MOSFET с P-каналом

MOSFET, имеющий область P-канала между истоком и стоком, называется MOSFET с P-каналом.Здесь выводы истока и стока сильно легированы материалом P-типа, а подложка легирована материалом N-типа. Ток между истоком и стоком обусловлен концентрацией дырок. Приложенное напряжение на затворе будет управлять потоком тока через область канала. Обозначения для P-канальных MOSFET-транзисторов в режимах истощения и расширения приведены ниже.

НАЗАД В начало

Транзисторы в зависимости от функции

Транзисторы также классифицируются в зависимости от функций, которые означают, что транзисторы делают.Ниже описаны различные типы транзисторов в зависимости от их функции.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Малосигнальные транзисторы

Основная функция малосигнальных транзисторов заключается в усилении слабых сигналов, даже если эти транзисторы используются для переключения. Малосигнальные транзисторы доступны на рынке в виде транзисторов NPN и PNP. Мы можем видеть некоторое значение на корпусе малосигнального транзистора, это значение указывает на hFE транзистора.

В зависимости от этого значения hFE мы можем понять способность транзистора усиливать сигнал.Значения hFE находятся в диапазоне от 10 до 500. Значение тока коллектора этих транзисторов составляет от 80 до 600 мА. Этот тип транзисторов работает в диапазоне частот от 1 до 300 МГц. Само название транзистора указывает на то, что эти транзисторы усиливают слабые сигналы, которые используют небольшие напряжения и токи, такие как несколько милливольт и миллиампер тока.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Small-signal-transistor.png 

Малосигнальные транзисторы используются почти во всех типах электронного оборудования, а также эти транзисторы используются в нескольких приложениях, некоторые из них включены или Выключатели общего назначения, драйвер светодиодного диода, драйвер реле, функция отключения звука, схемы таймера, инфракрасный диодный усилитель, цепи питания смещения и т. Д.

НАЗАД

Малые переключающие транзисторы

Малые переключающие транзисторы — это транзисторы, которые в основном используются для переключения, а затем используются для усиления. Как и малосигнальные транзисторы, небольшие переключающие транзисторы также доступны в форме NPN и PNP, и этот тип транзисторов также имеет значения hFE. Диапазон значений hFE для этих транзисторов составляет от 10 до 200. При значении hFE 200 транзисторы не являются хорошими усилителями, хотя они действуют как лучшие переключатели.Значения тока коллектора колеблются от 10 до 1000 мА. Эти транзисторы используются в основном в коммутационных устройствах.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Small-switching-transistor.png 

НАЗАД

Силовые транзисторы

Транзисторы, которые используются в усилителях большой мощности и источниках питания, называются «усилителями мощности». Коллекторный вывод этого транзистора подключен к основанию металлического устройства, и эта структура действует как теплоотвод, который рассеивает избыточную мощность для приложений.

Эти типы транзисторов доступны в виде транзисторов NPN, PNP и Дарлингтона. Здесь значения тока коллектора колеблются от 1 до 100А. Диапазон рабочих частот от 1 до 100 МГц. Значения мощности этих транзисторов находятся в диапазоне от 10 до 300 Вт. Само название транзистора указывает на то, что силовые транзисторы используются в приложениях, где требуются высокая мощность, высокое напряжение и большой ток.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Power-transistors.png 

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Высокочастотные транзисторы

Высокочастотные транзисторы используются для малых сигналов, которые работают на высоких частотах, и они используются в приложениях для высокоскоростной коммутации. Высокочастотные транзисторы также называют РЧ-транзисторами. Эти транзисторы имеют максимальные значения частоты около 2000 МГц. Значение тока коллектора (IC) колеблется от 10 до 600 мА. Эти типы транзисторов также доступны в форме NPN и PNP. Они в основном используются в приложениях с высокочастотными сигналами, а также эти транзисторы должны быть включены или выключены только на высоких скоростях.Эти транзисторы используются в схемах генераторов и усилителей HF, VHF, UHF, CATV и MATV.

 Ссылка на ресурс: learningabouelectronics.com/images/High-frequency-transistors.jpg 

НАЗАД В начало

Фототранзистор

Фототранзисторы — это транзисторы, которые работают в зависимости от света, что означает, что эти транзисторы светочувствительны. Обычный фототранзистор представляет собой не что иное, как биполярный транзистор, который содержит светочувствительную область вместо клеммы базы.Фототранзисторы имеют только 2 вывода вместо обычных 3 выводов. Транзистор работает в зависимости от света. Когда светочувствительная область темна, тогда в транзисторе не течет ток, т.е. транзистор находится в выключенном состоянии.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Phototransistors.jpg 

Когда светочувствительная область подвергается воздействию света, на базовом выводе генерируется небольшой ток, который вызывает протекание большого тока от коллектора к эмиттеру.Фототранзисторы доступны как в типах транзисторов BJT, так и на полевых транзисторах. Они называются фото-BJT и фото-FET.

В отличие от фото-BJT, фото-полевые транзисторы генерируют ток затвора с помощью света, который контролирует ток между выводами стока и истока. Фото-полевые транзисторы более чувствительны к свету, чем фото-полевые транзисторы. Символы фото-BJT и фото-полевых транзисторов показаны выше.

НАЗАД

Однопереходные транзисторы:

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com / images / Unijunction-transistor.png 

Однопереходные транзисторы используются только в качестве переключателей с электрическим управлением. Эти транзисторы не имеют усилительных характеристик из-за своей конструкции. Обычно это трехпроводные транзисторы. Теперь мы видим работу однопереходного транзистора. Если нет разницы потенциалов между эмиттером и одним из выводов базы (B1 или B2), то между B1 и B2 протекает небольшой ток.

Если на вывод эмиттера подается достаточное напряжение, то на выводе эмиттера генерируется большой ток, который добавляется к небольшому току между B1 и B2, а затем вызывает протекание большого тока в транзисторе.Здесь ток эмиттера является основным источником тока для полного тока в транзисторе. Ток между выводами B1 и B2 очень мал, по этой причине эти транзисторы не подходят для целей усиления.

НАЗАД

ПРЕДЫДУЩАЯ — ВВЕДЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ

СЛЕДУЮЩАЯ — ТРАНЗИСТОР NPN

Обзор обычных транзисторов и специальный лист транзисторов

Микроконтроллер — это специализированный тип цифрового компьютера, используемый для обеспечения автоматической последовательности или управления системой.Микроконтроллеры отличаются от обычных цифровых компьютеров тем, что они очень маленькие (обычно это одна интегральная микросхема), с несколькими выделенными контактами для ввода и / или вывода цифровых сигналов и ограниченной памятью. Инструкции, запрограммированные в памяти микроконтроллера, сообщают ему, как реагировать на условия ввода и какие типы сигналов отправлять на выходы.

Простейшим типом сигнала, «воспринимаемого» микроконтроллером, является дискретный уровень напряжения: либо «высокий» (приблизительно В), либо «низкий» (приблизительно потенциал земли), измеренный на определенном выводе на микросхеме.Транзисторы, встроенные в микроконтроллер, производят эти «высокие» и «низкие» сигналы на выходных контактах, их действия моделируются переключателями SPDT для простоты:

Не требуется большого воображения, чтобы представить, как микроконтроллеры могут использоваться в практических системах: включение и выключение внешних устройств в соответствии с входным контактом и / или временными условиями. Примеры включают управление устройствами (таймеры духовки, контроллеры температуры), управление автомобильным двигателем (топливные форсунки, угол зажигания, системы самодиагностики) и робототехнику (срабатывание сервопривода, обработка сенсорных данных, логика навигации).Фактически, если вы живете в промышленно развитой стране, у вас, вероятно, есть несколько десятков микроконтроллеров (встроенных в различные устройства), и вы даже не подозреваете об этом!

Однако одним из практических ограничений микроконтроллеров является их низкий предел выходного тока привода: обычно менее 50 мА. Миниатюризация внутренней схемы микроконтроллера запрещает включение выходных транзисторов, имеющих значительную номинальную мощность, и поэтому мы должны подключать транзисторы к выходным контактам, чтобы управлять любой значительной нагрузкой (-ами).

Предположим, мы хотели бы иметь микроконтроллер, управляющий электромагнитным клапаном, управляемым постоянным током, требующим 2 ампера тока при 24 вольтах. Простым решением было бы использовать транзистор NPN в качестве «промежуточного» устройства между микроконтроллером и электромагнитным клапаном, например:

К сожалению, один BJT не обеспечивает достаточного усиления тока для приведения в действие соленоида. При 20 мА выходного тока на выводе микроконтроллера и β, равном всего 25 (типично для силового транзистора), это дает только около 500 мА на катушку соленоида.

Для решения этой проблемы используются два биполярных транзистора в паре Дарлингтона:

Однако есть еще одно решение — заменить один BJT одним MOSFET, который вообще не требует управляющего тока. Покажи, как это можно сделать:

В чем разница между биполярными и полевыми транзисторами?

Каковы основные различия между биполярным и полевым транзисторами?

Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое используется для переключения и усиления.BJT и FET — это два разных типа транзисторов. Помимо того, что они являются транзисторами и оба способны выполнять переключение, а также усиление, они сильно отличаются друг от друга. Например, BJT — это устройство тока, управляемое током, а FET — устройство тока, управляемое напряжением. Есть несколько других различий между BJT и FET.

Похожие сообщения:

Прежде чем перейти к списку различий между BJT и FET, мы собираемся обсудить основы BJT и FET.

BJT (биполярный переходной транзистор)

BJT — это биполярный переходной транзистор. Эти типы транзисторов являются биполярными, что означает, что ток возникает из-за двух типов носителей заряда, то есть электронов и дырок. Есть два типа BJT, то есть транзисторы NPN и PNP. Они используются как для переключения, так и для усиления слабого сигнала.

BJT состоит из трех чередующихся слоев полупроводниковых материалов P-типа и N-типа. NPN изготавливается путем размещения P-слоя между двумя N-слоями, а PNP — путем размещения N-слоя между двумя P-слоями.Поскольку существует три чередующихся слоя, в BJT-транзисторе имеется 2 PN перехода, отсюда и название транзистора

.

Три вывода BJT-транзисторов называются эмиттером, базой и коллектором. Каждый вывод связан с каждым слоем транзистора. Основа — это средний слой, который является наиболее легированным слоем из всех. И эмиттер, и коллектор сильно легированы, причем эмиттер сравнительно сильно легирован, чем коллектор.

За счет соединения перехода база-коллектор в обратном направлении и перехода база-эмиттер в прямом смещении позволяет протекать ток.В зависимости от типа BJT, ток, проходящий через базу, допускает ток между коллектором и эмиттером, который пропорционален току базы. Таким образом, BJT также известен как устройство с регулируемым током.

BJT может работать в 3-х регионах: активном, насыщенном и отсеченном. В активной области он действует как усилитель, где ток коллектора пропорционален току базы. в то время как в области насыщения и отсечки он действует как переключатель, чтобы установить или разорвать соединение.

Поскольку вход (база) смещен в прямом направлении, входное сопротивление BJT очень низкое в диапазоне 1 кОм, а выходное сопротивление очень высокое. Следовательно, коэффициент усиления усилителя BJT очень высок по сравнению с полевым транзистором.

Поскольку ток протекает как за счет электронов, так и дырок, время восстановления, то есть время, необходимое для выключения и включения, велико по сравнению с полевым транзистором. Следовательно, BJT имеет низкую скорость переключения по сравнению с FET. BJT не подходит для очень высоких частот.

BJT работает, если есть какой-либо базовый ток, то есть он управляется током, протекающим на его базовом выводе. Следовательно, он потребляет энергию во время работы. Из-за этого BJT потребляет больше энергии, которая теряется в виде тепла.

Следовательно, BJT очень быстро нагревается, и температура также влияет на его работу. Поэтому для нормальной работы его температуру необходимо регулировать с помощью больших радиаторов. BJT зависит от температуры

Похожие сообщения:

FET (полевой транзистор)

FET — полевой транзистор.Ток в полевом транзисторе возникает из-за потока носителей заряда только одного типа, то есть электронов или дырок. Поэтому полевой транзистор также известен как униполярный транзистор. Существует два типа полевых транзисторов: JFET (Junction FET) и MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET). Эти транзисторы также используются для переключения, а также усиления в электронных схемах.

Три клеммы полевого транзистора — сток, затвор и исток. В зависимости от конструкции полевые транзисторы доступны двух типов: N-канальные полевые транзисторы или P-канальные полевые транзисторы.Канал относится к пути прохождения тока от истока к клемме стока. Носители попадают в канал через исток и уходят на сток. Между истоком и стоком нет PN-переходов. Область Gate сделана из другого материала по сравнению с каналом.

Затвор имеет обратное смещение, чтобы сформировать область истощения, так что образуется канал между стоком и истоком. Что приводит к течению тока. Увеличение напряжения обратного смещения на затворе увеличивает область обеднения, что приводит к увеличению тока.Следовательно, напряжение на затворе используется для управления выходным током. Поэтому полевой транзистор также известен как устройство тока, управляемое напряжением.

Между выводами истока и стока очень небольшая разница. Вывод стока должен быть подключен к более положительному напряжению по сравнению с выводом истока. Следовательно, их можно поменять местами, то есть сток и вывод истока можно поменять местами, поддерживая более положительное напряжение на выводе стока.

Основной носитель заряда определяется типом используемого полевого транзистора.N-канальный полевой транзистор использует электроны в качестве носителя заряда, в то время как полевой транзистор с P-каналом использует дырки для носителя заряда.

.FET имеет 3 области: активную, насыщенную и область отсечки. Полевой транзистор действует как усилитель в активной области, а также как переключатель в областях насыщения и отсечки.

Поскольку вход (затвор) имеет обратное смещение, входное сопротивление полевого транзистора очень велико в диапазоне 100 МОм, поэтому на клемме затвора нет тока. И выходное сопротивление низкое.Поэтому у полевого транзистора не очень высокий коэффициент усиления по сравнению с биполярным транзистором.

Поскольку полевой транзистор использует только один тип носителей заряда — электроны или дырки, время восстановления очень быстрое. Следовательно, его скорость переключения очень высока, и он может использоваться для приложений с очень высокой частотой.

У полевого транзистора

нет тока в основании или он очень незначителен. За счет чего отсутствует потребление энергии при работе. Следовательно, полевой транзистор потребляет очень мало энергии и более энергоэффективен.

Похожие сообщения:

Ключевые различия между BJT и FET

В следующей сравнительной таблице показаны основные различия между транзисторами BJT и FET.

BJT полевой транзистор
BJT означает биполярный переходной транзистор. FET — это полевой транзистор.
Ток возникает из-за потока как основных, так и неосновных носителей заряда. Текущий поток связан с потоком основных носителей заряда.
Ток возникает как за счет электронов, так и за счет дырок, поэтому назовите его биполярным транзистором. Ток протекает через электроны или дырки, поэтому называется униполярным транзистором.
Существует два типа BJT: NPN и PNP. Два типа полевых транзисторов — это JFET и MOSFET, каждый также с N-каналом и p-каналом.
Конструкция BJT сравнительно проще. Конструкция полевого транзистора сравнительно сложна.
Три терминала называются эмиттер, база и коллектор. Три клеммы полевого транзистора — это затвор истока и сток.
В BJT есть 2 соединения PN. Нет PN-переходов.
Это устройство с регулируемым током. Это токовый прибор, управляемый напряжением.
Переход B-E смещен в прямом направлении, а переход B-C — с обратным смещением. Напряжение затвора смещено в обратном направлении, в то время как напряжение стока поддерживается выше, чем напряжение истока.
BJT имеет очень простое смещение. Смещение полевого транзистора немного затруднено.
Эмиттер и база не могут быть заменены местами. Сток и исток можно поменять местами, так как сток должен быть более положительным.
BJT имеет очень высокий коэффициент усиления. FET имеет сравнительно низкий коэффициент усиления.
Входное сопротивление очень низкое в диапазоне 1 кОм. Входное сопротивление очень высокое в диапазоне 100 МОм.
Выходной импеданс очень высокий, поэтому высокий коэффициент усиления. Выходное сопротивление очень низкое, следовательно, малое усиление.
На его базовой клемме протекает ток. На его базовом выводе незначительный ток.
BJT требует напряжения смещения. FET не требует напряжения смещения.
В зависимости от входного тока, потребляет большое количество входной энергии при нормальной работе. В зависимости от входного напряжения, при нормальной работе потребляет меньше энергии.
BJT потребляет большую мощность, поэтому не является энергоэффективным. FET потребляет меньше энергии, следовательно, энергоэффективен.
BJT имеет сравнительно низкую скорость переключения. FET имеет сравнительно очень высокую скорость переключения.
BJT создает шум в системе. FET очень бесшумный.
BJT дешевле, чем FET. FET дороже, чем FET.
Размер BJT больше, чем FET. FET имеет более компактные размеры и меньшие размеры, чем BJT.
BJT имеет отрицательный температурный коэффициент. FET имеет положительный температурный коэффициент.
Подходит для приложений с низким входным током. Подходит для приложений с низким входным напряжением.

Похожие сообщения:

Свойства и характеристики BJT & FET

Следующие ниже свойства различают полевые транзисторы и биполярные транзисторы, имеющие разные характеристики и области применения.

Строительство

  • BJT имеет очень простую и легкую конструкцию, состоящую из чередующихся полупроводниковых слоев.
  • Либо P-слой, либо N-слой зажат между двумя N-слоями или P-слоями соответственно.
  • FET имеет немного сложную конструкцию.
  • FET имеет либо N-канал, либо P-канал между затвором P-уровня или N-уровня соответственно.
  • Канал предназначен для потока основных носителей заряда.

PN соединения

  • BJT-транзистор имеет два PN-перехода между коллектором и эмиттером.
  • Одно соединение PN между коллектором и базой, а другое — между базой и эмиттером.
  • Полевой транзистор не имеет PN перехода между стоком и истоком.

Зарядное устройство

  • BJT использует оба типа носителей заряда для протекания тока.
  • Во время работы дырки и электроны текут, проводя ток.
  • Полевой транзистор использует только один тип носителя заряда для прохождения тока.
  • Он использует либо дырки в полевом транзисторе с P-каналом, либо электроны в полевом транзисторе с N-каналом.

Типы

  • BJT имеет два типа: PNP и NPN
  • FET имеет два основных типа: JFET (Junction FET) и MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET).
  • Каждый тип полевого транзистора дополнительно классифицируется на основе канала, то есть N-канала и P-канала.

Похожие сообщения:

Клеммы

  • Три терминала BJT называются Collector, Base и Emitter.
  • Эмиттер и коллектор

  • изготовлены из одного материала с эмиттером, имеющим высокую степень легирования.
  • Три терминала полевого транзистора называются стоком, затвором и источником.
  • Сток и исток — это два конца канала, выполненные из одного и того же типа.

Вход и выход

  • BJT — это устройство, управляемое током.
  • Его вход (в основании) — это ток, который регулирует выходной ток коллектора.
  • Полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением.
  • Его вход — это напряжение или разность потенциалов (на затворе), которая управляет выходным током в источнике.

Импеданс ввода / вывода

  • BJT работает с переходом база-эмиттер (вход) в прямом смещении.
  • Следовательно, их входное сопротивление низкое.
  • Их выходной импеданс очень высок.
  • FET работает, имея затвор с обратным смещением.
  • Следовательно, его входное сопротивление очень высокое.
  • В то время как его выходное сопротивление очень низкое.

Изоляция

  • В BJT вход на клемме базы не изолирован от выхода.
  • В полевом транзисторе вход затвора имеет обратное смещение, и вход изолирован от выхода.

Смещение

  • В BJT соединение B-E находится в прямом смещении, а соединение C-B — в обратном.
  • IN FET, затвор находится в обратном смещении, в то время как сток находится под более положительным напряжением, чем коллектор.

Прирост

  • BJT имеет очень высокое усиление из-за очень высокого выходного сопротивления.
  • Полевой транзистор имеет сравнительно меньшее усиление из-за низкого выходного сопротивления.

Обмен терминалов

  • В BJT клеммы нельзя менять местами или местами.
  • Эмиттер и коллектор — это совершенно разные клеммы.
  • В полевом транзисторе контакты стока и истока можно поменять местами.
  • Сток будет выводом с более положительным напряжением.

Энергопотребление

  • BJT принимает ток на своей базовой клемме во время непрерывной работы.
  • Следовательно, он потребляет энергию и разряжает аккумулятор.
  • Полевой транзистор работает на основе напряжения затвора.
  • Следовательно, он энергоэффективен и не разряжает аккумулятор.

Скорость переключения

  • Поскольку BJT использует поток носителей заряда обоих типов, время его восстановления невелико.
  • Следовательно, его скорость переключения мала.
  • FET использует только один тип носителя заряда, имеющий быстрое время восстановления.
  • Следовательно, полевой транзистор имеет очень высокую скорость переключения.

Шум

  • BJT шумит и создает шум в системе.Поэтому не подходит для чувствительных цифровых систем.
  • Полевой транзистор довольно бесшумный и идеально подходит для чувствительной системы.

Стоимость

  • BJT, имеющий очень простую конструкцию, очень дешев в производстве.
  • FET, имеющий сложную конструкцию, сравнительно дороже.

Размер

  • Размер БЮТ большой. Поэтому схема из BJT более громоздкая.
  • Полевой транзистор более компактен и меньше по размеру. Подходит для компактных и небольших схем.

Заявка

  • BJT используется для усиления очень слабого тока средней частоты.
  • Однако следует также учитывать потребляемую мощность и размер схемы.
  • Полевой транзистор предпочтителен для сигналов низкого напряжения с очень высокой частотой.
  • Хотя они и дорогие, и смещать их немного сложно.

Похожие сообщения:

Конфигурации цепей на полевых транзисторах

»Примечания по электронике

Конфигурации схемы

FET представляют собой форматы общего истока, общего затвора и общего стока, каждый из которых имеет свои собственные характеристики..


FET, Конструкция схемы полевого транзистора Включает:
Основы конструирования схемы на полевых транзисторах
Конфигурации схемы
Общий источник
Общий дренажный / истоковый повторитель
Общие ворота


Конфигурации схемы полевого транзистора представляют собой форматы общего истока, общего затвора и общего стока. Каждый из них имеет свои собственные характеристики усиления по напряжению и току, а также входного и выходного сопротивления.

Выбор конфигурации или топологии схемы полевого транзистора является одним из ключевых параметров проектирования, на котором основывается общая конструкция схемы.

Основы конфигурации полевого транзистора

Терминология, используемая для обозначения трех основных конфигураций полевого транзистора, указывает на электрод полевого транзистора, который является общим для входных и выходных цепей. Это дает начало трем терминам: общий затвор, общий сток и общий исток.

Три различных конфигурации схемы полевого транзистора:

  • Общий источник: Эта конфигурация полевого транзистора, вероятно, является наиболее широко используемой. Схема общего источника обеспечивает средние уровни входного и выходного сопротивления.Усиление по току и напряжению можно описать как среднее, но выход является обратным входному, то есть изменение фазы на 180 °. Это обеспечивает хорошую общую производительность и поэтому часто считается наиболее широко используемой конфигурацией.
    Конфигурация цепи полевого транзистора с общим истоком
  • Общий сток: Эта конфигурация полевого транзистора также известна как истоковый повторитель. Причина этого в том, что напряжение истока следует за напряжением затвора. Обладая высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, он широко используется в качестве буфера.Коэффициент усиления по напряжению равен единице, хотя коэффициент усиления по току велик. Входные и выходные сигналы синфазны.
    Общий сток (истоковый повторитель) Конфигурация цепи полевого транзистора
  • Общий затвор: Эта конфигурация транзистора обеспечивает низкий входной импеданс при высоком выходном сопротивлении. Несмотря на высокое напряжение, коэффициент усиления по току невелик, а общий коэффициент усиления по мощности также невелик по сравнению с другими доступными конфигурациями полевых транзисторов. Другой важной особенностью этой конфигурации является то, что вход и выход находятся в фазе.
    Конфигурация цепи полевого транзистора с общим затвором

Сводная таблица конфигурации цепи полевого транзистора

В таблице ниже приведены основные характеристики различных конфигураций схемы полевых транзисторов.

Сводная таблица конфигурации полевого транзистора
Конфигурация полевого транзистора Общие ворота Common Drain
(последователь источника)
Общий источник
Коэффициент усиления напряжения Высокая Низкая Средний
Прирост текущей Низкая Высокая Средний
Прирост мощности Низкая Средний Высокая
Входное сопротивление Низкая Высокая Средний
Выходное сопротивление Высокая Низкая Средний
Соотношение фаз вход / выход 0 и град. 0 ° 180 °

Как видно, разные конфигурации или топологии имеют разные характеристики.Общий источник — это наиболее широко используемая конфигурация схемы полевого транзистора, которая приравнивается к транзисторному усилителю с общим эмиттером. Повторитель с общим стоком или истоком на полевом транзисторе используется в качестве буферного усилителя и приравнивается к транзисторному усилителю с общим эмиттером.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Конструкция транзистора
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
Схемы на полевых транзисторах
Условные обозначения схем

Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Открытый коллектор и открытый сток — Digilent Blog

В чем разница между Pmod OD1 и Pmod OC1? В чем разница между выходом с открытым стоком и выходом с открытым коллектором? В чем разница между MOSFET (металлооксидным полевым транзистором) и BJT (биполярным переходным транзистором)? Оказывается, это, по сути, один и тот же вопрос! Однако для осознания этого может потребоваться некоторое время, особенно если вы новичок в понимании различных транзисторных технологий.Чтобы найти ответ, мы начнем с последней версии вопроса и вернемся к первой.

Краткий обзор транзисторов

BJT и MOSFET — это два разных типа транзисторов. У них схожие функции, но разные характеристики. С точки зрения функциональности, они оба могут использоваться как усилители или переключатели. Как усилители, они принимают небольшой ток на одном конце и производят гораздо больший ток на другом конце. Это особенно полезно в аналоговых схемах, где транзисторы составляют основу таких компонентов, как операционные усилители.

В качестве переключателей небольшой ток через одну часть транзистора может включать больший ток через другую его часть. Другими словами, транзистор может находиться в двух различных состояниях и представлять два разных значения; 0 или 1, выключено или включено. Это особенно полезно в цифровых схемах и является основой работы всех компьютерных микросхем.

Все транзисторы сделаны из кремния, электрически нейтрального химического элемента, определенного как полупроводник, что означает, что он не является ни сильным проводником электричества, ни отличным изолятором.Что такого полезного в кремнии, так это то, что его поведение можно изменить известным способом, добавив примеси, с помощью процесса, называемого «легирование». Если кремний легирован определенными химическими веществами, он получает дополнительные «свободные» электроны и может легче переносить электрический ток. Этот тип кремния известен как n-тип или отрицательный тип.

Можно сделать и обратное, создав p-тип или положительный тип, который имеет меньше свободных электронов и часто описывается как имеющий дырки там, где должны быть электроны.Однако обратите внимание, что кремний n-типа или p-типа не заряжен электрически. Следовательно, их можно соединить вместе, и электроны и дырки не начнут пересекать n-p переход, пока не будет приложен электрический ток (BJT) или напряжение (MOSFET). Различные конфигурации кремния n-типа и p-типа — вот что приводит к разнице между BJT и MOSFET.

БЮЦ

Биполярные переходные транзисторы (BJT) — это токовые устройства, которые бывают двух типов: NPN и PNP. Как следует из названия, NPN BJT имеют два слоя кремния n-типа, окружающие один слой кремния p-типа (и наоборот для PNP).У каждого слоя есть определенное имя: эмиттер, база и коллектор. См. Рисунок 1.

Рис. 1. Две разные конфигурации биполярного переходного транзистора (BJT).

Принципы работы каждого типа BJT практически идентичны; Функциональное отличие заключается в основном в смещении переходов. Например, когда на базу NPN-транзистора подается положительное смещение, устройство включается, и ток течет от эмиттера к коллектору. Также известный как переключатель низкого уровня, эмиттер подключается к GND, а коллектор подключается к нагрузке.Напротив, когда на базу PNP-транзистора подается отрицательное смещение (или 0v / GND), устройство включается, и ток течет от коллектора к эмиттеру в противоположном направлении от NPN-устройства. Также известный как переключатель высокого напряжения, эмиттер подключается к источнику напряжения, а коллектор подключается к нагрузке.

Рисунок 2. Изображение BJT с контактами, обозначенными E для эмиттера, B для базы и C для коллектора.

С точки зрения плюсов и минусов, BJT удобны для управления маломощными светодиодами и аналогичными устройствами от обычных микроконтроллеров, которые могут выдавать постоянное напряжение только 5 В, таких как chipKIT и Arduino.Полевые МОП-транзисторы логического уровня можно использовать таким же образом, но, как правило, они дороже и их труднее найти, чем стандартные МОП-транзисторы, для включения которых требуется 10 В или более. BJT также переключаются быстрее, чем MOSFET, поэтому они хороши для высокочастотных приложений, однако они менее энергоэффективны, поэтому не всегда являются отличным выбором для приложений с батарейным питанием, где нагрузка является переменной.

Для получения дополнительной информации о теории, лежащей в основе BJT, перейдите по этой ссылке, а для получения поучительной анимации перейдите сюда.

МОП-транзисторы

Металлооксидные полевые транзисторы (MOSFET) являются устройствами, управляемыми напряжением, и похожи на BJT в том, что у них есть три разных вывода: исток (аналог эмиттера), сток (аналог коллектора) и затвор (аналогичный к базе).Как и BJT, полевые МОП-транзисторы состоят из кремния n-типа и p-типа, но они устроены несколько иначе. См. Рисунок 3.

Рисунок 3. Конфигурация секций n-типа и p-типа полевого МОП-транзистора.

Существует несколько подкатегорий полевых МОП-транзисторов, но две, которые я упомяну здесь, — это N-канал и P-канал. Разница между ними заключается в приложенном напряжении и в том, какой тип носителя заряда отвечает за протекание тока. Для N-канального MOSFET источник подключается к земле, и устройство активируется путем подачи положительного напряжения на затвор.Это создает электрическое поле, «эффект поля», и позволяет электронам течь по тонкому каналу от истока к стоку. Для P-канального MOSFET источник подключается к Vcc, а устройство активируется путем подключения затвора к земле. Здесь носителями заряда выступают дырки, а не электроны. Чаще всего используются полевые МОП-транзисторы N-типа.

Примечание. Поскольку через полевой МОП-транзистор проходит только один тип заряда (электронный или дырочный), они являются «униполярными» транзисторами в отличие от биполярных транзисторов, которые позволяют обоим типам зарядов проходить через переходы NP / PN.

Рис. 4. МОП-транзистор, показывающий выводы истока, стока и затвора, в отличие от выводов эмиттера, коллектора и базы BJT.

С точки зрения плюсов и минусов, полевые МОП-транзисторы имеют бесконечно высокое входное сопротивление, что делает их полезными в усилителях мощности. Они также более энергоэффективны, чем BJT, и более устойчивы к нагреванию. Хотя BJT могут переключаться быстрее, полевые МОП-транзисторы по-прежнему достаточно быстры для приложений с частотой менее 1 МГц и сегодня являются наиболее часто используемыми транзисторами. В общем, вы можете думать, что высокий входной импеданс и низкое энергопотребление = MOSFET, а работа на очень высоких частотах и ​​возможности привода с большим током = BJT.

Дополнительные сведения о полевых МОП-транзисторах см. В этой статье.

В чем разница между выходом с открытым стоком и выходом с открытым коллектором?

Я уверен, что после прочтения вышеперечисленных разделов вы догадались, как ответить на эту версию вопроса. Если вы сказали, что разница между MOSFET и BJT, вы были бы правы! Выходной вывод с открытым стоком или открытым коллектором — это просто вывод, управляемый одним транзистором, либо MOSFET, либо BJT соответственно. С точки зрения использования, ответ отражает вышеприведенное обсуждение плюсов и минусов самих MOSFET и BJT.Конечно, их также можно комбинировать, чтобы создать очень интересные схемы, используя сильные стороны каждой.

В чем разница между Pmod OD1 и Pmod OC1?

Наконец, мы подошли к последней форме вопроса, и снова ответ теперь очевиден. Pmod OD1 — это модуль вывода с открытым стоком с четырьмя выходными контактами с открытым стоком, каждый из которых управляется N-канальным MOSFET. Pmod OC1 — это модуль с открытым коллектором с четырьмя выходными контактами с открытым коллектором, каждый из которых управляется NPN BJT.Оба модуля используются для потребления более высокого тока, чем могут обеспечить контакты на вашем Digilent FPGA или микроконтроллере.

Рисунок 5. Pmod OD1 слева и Pmod OC1 справа.

Pmod OC1 был разработан для управления устройствами с немного более высоким током при 200 мА, такими как небольшая лампа или реле, и имеет более высокий рейтинг ESD, чем Pmod OD1. Поэтому он особенно прочен и подходит для студентов, которые учатся использовать эту схему. Он рассчитан на напряжение до 20 В. Pmod OD1 имеет винтовые клеммы на каждом штыре и был разработан специально для привода шаговых двигателей.Однако он также может использоваться для многих других приложений с высоким током до 3 А. Он рассчитан на напряжение до 40 В.

Для получения дополнительной информации о Pmod OD1 или Pmod OC1 посетите вики Digilent или оставьте комментарий ниже!

Список литературы

Как использовать MOSFET — Учебное пособие для начинающих

Как использовать биполярный переходной транзистор BJT — Урок для начинающих

Как работают транзисторы

Основы: Выходы с открытым коллектором

Разница между BJT и MOSFET

Открытый коллектор — Википедия

.