Исследование полевых транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полевые транзисторы

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Транзистор с управляющим p-n-переходом. Его схематическое изображение приведено на рис. 1.21, а условное графическое обозначение этого транзистора - на рис. 1.22, а, б (p- и n-типов соответственно). Стрелка указывает направление от слоя р к слою п (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть существенно меньше 1 мкм.

Рис. 1.22 Устройство транзистора

Рис. 1.23 Графическое изображение: а - канал р-типа; б - канал n-типа

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэтому область р-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа. Если подать положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом р-типа: изи > 0, то оно сместит p-n-переход в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения на переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение изи достаточно велико, то канал полностью перекрывается областью p-n-перехода (напряжение отсечки).

В рабочем режиме р-n-переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (iз ?0), а ток стока практически равен току истока.

На ширину р-n-перехода и толщину канала прямое влияние также оказывает напряжение между истоком и стоком. Пусть uзи = 0 и подано положительное напряжение uис (рис. 1.24). Это напряжение окажется поданным и на промежуток затвор - сток, т.е. окажется, что uзс = uис и р-n-переход находится под обратным напряжением.

Обратное напряжение в различных областях р-n-перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение примерно равно величине uис. Поэтому p-n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Можно считать, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.

При uис = Uзи отс канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 1.25). При дальнейшем увеличении напряжения uис эта область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться.

Рис. 1.24 Принцип действия транзистора

Рис. 1.25 Режим отсечки

Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, существуют три схемы включения: схемы с общим затвором (03), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком (рис. 1.26а).

Рисунок 1.26 - Схемы включения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС

Выходные (стоковые) характеристики. Выходной характеристикой называют зависимость вида

где f - некоторая функция.

Выходные характеристики для транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа приведены на рис. 1.27.

Обратимся к характеристике, соответствующей условию uзи = 0. В линейной области (uис < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.

При uис > 4 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт, расширяется. При этом сопротивление промежутка исток-сток увеличивается, а ток ic практически не изменяется. Это область насыщения. Ток стока в области насыщения uзи = 0 и при заданном напряжении иси называют начальным током стока и обозначают через icнач. Для рассматриваемых характеристик ic нач = 5 мА при иси = 10 В.

Рис. 1.26а- Схема с общей базой

Рис. 1.27 Выходные характеристики

Параметрами, характеризующими свойства транзистора усиливать напряжение, являются:

1) Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):

2) Внутреннее дифференциальное сопротивление Rис диф

3) Коэффициент усиления

Можно заметить, что

Транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзистор с изолированным затвором - это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В соответствии с их структурой такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

Рис. 1.28 Устройство МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

На рис. 1.28 показан принцип устройства транзистора со встроенным каналом. транзистор изолированный затвор полупроводниковый

Основанием (подложкой) служит кремниевая пластинка с электропроводностью p-типа. В ней созданы две области с электропроводностью n+-типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область - диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 - 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.

Если к затвору приложено нулевое напряжение, то при подаче между стоком и истоком напряжения через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p-n-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока, стока и кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения. Если подать положительное напряжение на затвор, то под действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электроны. Сопротивление канала падает, ток увеличивается. Такой режим называетсярежимом обогащения. Если кристалл n-типа, то канал должен быть p-типа и полярность напряжения меняется на противоположную.

Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом(рис. 1.29). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком n+-типа расположен только кристалл p-типа и на одном из p-n+-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p-области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (еденицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа, и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал p-типа. Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в устройствах переключения. Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные. По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП-транзисторы. Условное обозначение этих приборов на электрических схемах показано на рис. 1.30. Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора).

Рис. 1.30 Условные графические обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором: а - со встроенным р-каналом; б - со встроенным n-каналом; в - с индуцированным p-каналом; г - с индуцированным n-каналом

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p-канальные и n-канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием.

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времениRC-цепи затвора. Поскольку входная емкость Сзи у транзисторов с р-n-переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц - единиц мегагерц.

При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC-цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-n-переходом.

ЧТО ТАКОЕ СИМИСТОР

Симисторы - это вид тиристоров, которые являются аналогами кремниевых выпрямителей в корпусе. Но, в отличие от тиристоров, которые являются однонаправленными приборами, т. е. передают ток только в одном направлении, триаки - двухсторонние. С их помощью можно передавать ток в обоих направлениях. Они имеют пять слоев тиристора, которые оснащены электродами. При первом взгляде, отечественные симисторы напоминают структуру р-n-р, но у них несколько областей с проводимостью n-типа. Последняя область, которая расположена после этого слоя, имеет прямую связь с электродом, что обеспечивает высокую проводимость сигнала. Иногда их также сравнивают с выпрямителями, но при этом стоит помнить, что диоды передают электрический сигнал только в одну сторону.

Рис.1 -- использование тиристора

Симистор считается идеальным устройством для использования в коммутационных сетях, так как он может контролировать ток идет через обе половины переменного цикла. Тиристор же контролирует только полуцикл, при этом вторая половина сигнала не используется. Благодаря такой особенности работы, триак отлично передает сигналы любых электрических приборов, часто применяется симистор вместо реле. Но при этом симистор редко используется в сложных электрических приборах, таких как трансформаторы, ЭВМ и т. д.

Рис. 2 -- симистор

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Принцип работы симистора очень похож на тиристор, но его проще понять исходя из работы тринисторного аналога того компонента электрических сетей. Обратите внимание, четвертый полупроводниковый компонент разделен, что позволяет выполнять следующие функции:

1. Контролировать работы катода и анода;

2. При необходимости менять их местами, что позволяет изменять полюсность работы.

При этом работу прибора можно расценивать как сочетание двух встречно-направленных тиристоров, но работающих в полном цикле, т. е. не обрывающих сигналы. Маркировка на схеме соответствующая двум соединенным тиристорам:

Рис.3 -- тринисторный аналог симистора

Согласно чертежу, на электрод, который является управляющим, передает сигнал, позволяющий открыть контакт детали. В момент, когда на аноде положительное напряжение, соответственно накатоде отрицательное - электроток начнет протекать через тринистор, который на схеме с левой стороны. Исходя из этого, если полностью изменить полярность, что поменяет местами заряды катода и анода, ток, передающийся через контакты пойдет через правый тринистор.

Здесь последний слой на симисторе отвечает за полярность напряжения. Он контролирует напряженность на контактах и сравнивая её, переправляет ток на определенный тринистор. Прямопорционально этому, если сигнал не подается - то все тринисторы закрыты и устройство не работает, т. е. не передает никакие импульсы.

Если сигнал есть, существует подключение к сети и ток куда-то должен течь, то симистор в любом случае его проводит полярность направления в этом случае диктуется зарядом и полярностью полюсов, катодом и анодом.

Обратите внимание, на схеме выше дана вольт-амперная характеристика (ВАХ) симистора, на рисунке 3. Каждая из кривых имеет параллельное направление, но в другую сторону. Они повторяют друг друга под углом 180 градусов. Такой график позволяет говорить, что симистор - это аналог динистора, но при этом области, через которые сигнал динисторы не передают, очень легко преодолеваются. Параметры устройства можно корректировать, подавая ток разных напряжений, это позволит отпирать контакты в нужную сторону, просто изменяя полярность сигнала. На чертеже места, которые могут изменяться, отмечены штриховыми линиями.

Рис.4 -- симисторы

Благодаря этой ВАХ становится понятно, почему стабилизированный тиристор получил такое название. Симистор - означает «симметричный» тиристор, в некоторых учебниках и магазинах его могут называть триаком (иностранный вариант).

ОБЛАСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Двунаправленность делает симисторы очень удобными переключателями для цепей переменного тока, позволяя им контролировать большие потоки электрической энергии, проходящие через маленькие контактные полюса. Помимо этого можно контролировать даже процентное соотношение тока индуктивной нагрузки.

Рис.5 -- работа симистора

Устройства используются в радиотехнике, электромеханике, механике и прочих отраслях промышленности, где может понадобиться контроль течения тока. Оптосимисторы часто используются в системах сигнализации и светорегуляторах, где для корректной работы приборов необходим полный цикл, а не полупериод. Хотя довольно часто применение этой радиодетали не эффективно. Например, для работы небольшого микроконтроллера или трансформатора иногда лучше подключить маломощные тиристоры, которые будут обеспечивать работу обоих периодов одинаково.

ПРОВЕРКА, РАСПИНОВКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИМИСТОРОВ

Для того чтобы использовать устройство в работе, нужно знать, как проверить симистор мультиметром или «прозвонить» его. Для проверки Вам нужно оценить характеристики, управляемых кремниевых диодов. Такие выпрямители позволяют настроить нужные показания и провести испытания. Отрицательный контакт омметра подключается к катоду, а положительный устанавливается на анод. После нужно выставить на омметре показатель на единицу, и соединить контрольный электрод с выводом анода. Если данные будут находиться в пределах 15 и 50 Ом, то деталь работает нормально.

Рис.6 -- управление светом симисторами

Но при этом, когда Вы отключите контакты от анода, то на устройстве должны сохраниться показания омметра. Следите за тем, чтобы простое измерительное устройство не показывало остаточного сопротивления, иначе это будет говорить о том, что деталь не рабочая.

В быту симисторы часто используются для создания приборов, продлевающих срок службы различных устройств. Например, для ламп накаливания или измерителей Вы можете сделать регулятор мощности (понадобится тиристор MAC97A8 или ТС).

Рис.7 -- измерение симистора

Данный транзистор открыт, исходя из этого, на вход генератора подходит сигнал, пока симисторы и оставшиеся транзисторы закрыты. Но если в момент открытия контактов состояние генератора не измениться, то накопительными элементами будет сгенерирован небольшой импульс для того, чтобы запустилась цоколевка. Такая схема диммера на симисторе может использоваться для контроля работы осветительных приборов, стиральной машине, оборотов пылесоса или ламп накаливания с датчиком движения. Тестером проверьте работоспособность схемы и можете использовать её.

Рис.8 -- работа симистора

Для усовершенствования системы, можно устроить управление симистором через оптопару, чтобы включение элемента в работу происходило только после сигнала. Обратите внимание, если при прокрутке барабана, очень резко происходят движения - то неисправен электронный модуль. Чаще всего сгорает симистор, импортные проводники часто не выдерживают скачков напряжений. Для его замены просто подберите такую же деталь.

Рис.9 зарядное устройство на симисторе

Аналогично по схеме можно собрать зарядное устройство на симисторе, в зависимости от требований понадобится просто купить маломощные или силовые детали КУ208Г, КР1182ПМ1, Z0607, BT136, BT139 (BTB - ВТВ, BTA - ВТА также подойдут). В бытовых импортных условиях используются зарубежные триаки, цены на которых немного выше.

Размещено на Allbest.ru