У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
Биполярные и полевые транзисторы — в чем различие
Большинству людей, так или иначе сталкивающемуся с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.
Ток и поле — различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.
Полевые транзисторы быстрее
Какие транзисторы лучше полевые или биполярные? Достоинство полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, налицо: полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивлением по постоянному току, и даже управление на высокой частоте не приводит к значительным затратам энергии.
Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.
Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.
Разная реакция на нагрев
Если биполярный транзистор в процессе работы устройства нагревается, то ток коллектор-эмиттер увеличивается, то есть температурный коэффициент сопротивления у биполярных транзисторов отрицательный.
У полевых же все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный, то есть с ростом температуры растет и сопротивление канала, то есть ток сток-исток уменьшается. Это обстоятельство дает полевым транзистором еще одно преимущество перед биполярными: полевые транзисторы можно без опаски соединять параллельно, и не потребуются выравнивающие резисторы в цепах их стоков, поскольку в соответствии с ростом нагрузки станет автоматически расти и сопротивление каналов.
Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах (смотрите — Почему в современных инверторах используются транзисторы, а не тиристры).
А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.
Сферы применения тех и других транзисторов
Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.
Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.
Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители, их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.
Полевые побеждают
Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.
В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.
Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.
В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры.
- Чем отличаются аналоговые и цифровые датчики
- Как подобрать аналог транзистора
- Советы по ремонту импульсных блоков питания
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Почему полевые транзисторы называют униполярными
Полевые транзисторы — это полупроводниковые приборы, усилительные свойства которых обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем.
Полевые транзисторы предназначены для усиления мощности и преобразования электрических колебаний. В полевых транзисторах в образовании выходного тока участвуют носители только одного типа: или дырки, или электроны. Отсюда другое название полевых транзисторов — униполярные. Носители заряда являются основными для активной области полевого транзистора, которую называют каналом. Существует два типа полевых транзисторов: с управляющим р-n-переходом и изолированным затвором МДП.
Транзисторы с управляющим p-n-переходом. Рассмотрим упрощенную структуру и принцип действия транзистора с управляющим р-n-переходом (рис. 17.13, а). Транзистор представляет собой пластину полупроводника n- или р-типа, на гранях которой созданы области противоположного типа электропроводности 3, на границах между которыми образованы р-n-переходы. На торцевых сторонах пластины и на областях формируют омические контакты. Контакты областей 3 соединены между собой и образуют общий контакт. От всех трех контактов имеются выводы. Часть объема пластины полупроводника, расположенная между р-n-переходами, является активной частью транзистора — канал транзистора. Контакт, через который носители заряда входят в канал, называют истоком (И); контакт, через который носители заряда вытекают, называют стоком (С); общий электрод от контактов областей (3) — затвором. В дальнейшем будем рассматривать транзистор на основе пластины полупроводника n-типа (рис. 17.13, а) с областями на гранях р-типа.
На оба р-n-перехода подается обратное напряжение смещения UЗИ (минус на затворе по отношению к истоку). Если бы канал был р-типа, а области на гранях n-типа, то полярность была бы обратной. При изменении UЗИ изменяются ширина р-n-перехода, а следовательно, и сечение канала и его электрическое сопротивление. Таким образом, UЗИ управляет сопротивлением канала.
Если между истоком и стоком включить источник напряжения UСИ так, чтобы потенциал стока был положительным относительно истока, то через канал начнется дрейф основных для канала носителей заряда (электронов) от истока к стоку, т. е. через канал будет проходить ток IC (направление тока от стока к истоку). Включение источника UСИ влияет и на ширину р-n-переходов, так как напряжение на р-n-переходе оказывается разным около стока и истока. Потенциал канала меняется по его длине: потенциал истока равен нулю, повышаясь в сторону стока, потенциал стока равен UСИ. Напряжение смещения на p-n-переходе вблизи истока равно |UЗИ|, вблизи стока |UЗИ| + UСИ, т. е. ширина р-n-перехода больше со стороны стока, а сечение канала и, следовательно, сопротивление его наименьшие вблизи стока (пунктирная линия на рис. 17.13, а)
Таким образом, током через канал можно управлять путем изменения напряжений UЗИ (изменяет сечение канала) и UСИ (изменяет ток и сечение по длине канала).
Рассмотрим, какие критические значения могут принимать напряжения, при которых изменяется режим работы транзистора.
Обратное напряжение смещения UЗИ, при котором наступает режим отсечки и транзистор оказывается запертым (ток через него не протекает, IC = 0), называют напряжением отсечки UЗИотс. При этом значении напряжения р-n-переходы смыкаются и поперечное сечение канала становится равным нулю.
Напряжение на стоке, при котором суммарное напряжение |UЗИ| + UСИнас становится равным напряжению отсечки UЗИотс, называют напряжением насыщения UСИнас. Отсюда
Режим, когда UСи ≥ UСИнас. называют режимом насыщения. В этом режиме почти прекращается рост тока IC, несмотря на увеличение напряжения UСИ. Этo объясняется тем, что одновременно увеличивается обратное напряжение на затворе UЗИ (17.34), вследствие чего канал сужается, что уменьшает ток IС. И в результате ток IC почти не изменяется.
Сравнивая оба режима, можно заключить, что в режиме отсечки сопротивление канала стремится к бесконечности и при RK = ∞ ток IC = 0, а в режиме насыщения дифференциальное сопротивление RKдиф = dUСИ/dIC → ∞, а ток IС с ростом UСИ остается без изменения.
На рис. 17.13,б,в показано обозначение транзисторов с управляющим р-n-переходом с каналом n- и р-типа соответственно. Полевые транзисторы, как и биполярные, имеют три схемы включения (рис. 17.14): с общим истоком (ОИ) (а), общим стоком (ОС) (б) и с общим затвором (ОЗ) с каналом n-типа (в). Основной схемой включения является схема с ОИ (см. рис. 17.13, а).
Основными статическими характеристиками транзистора с управляющим p-n-переходом являются выходные (стоковые) и характеристики прямой передачи (стокозатворные). Стоковые характеристики — это зависимости UC = f(UСИ) при UЗИ = const (рис. 17.15). С повышением UCИ ток IC увеличивается почти прямолинейно и при достижении UCИ = UСИнас (точки н) рост IC прекращается. Насыщение наступает при тем меньших значениях UCИ, чем больше |UЗИ|.
На рис. 17.16 показано семейство характеристик прямой передачи зависимости IC = f(UЗИ) при UCИ = const.
В динамическом режиме на работу транзистора существенное влияние оказывают зарядные емкости р-n-переходов: входная СЗИ и проходная Сзс. Входная емкость — это часть барьерной емкости p-n-перехода между затвором и истоком, а проходная — часть барьерной емкости р-n-перехода между затвором и стоком. Кроме того, учитывают емкость между истоком и стоком Сси. Эти емкости заряжаются через сопротивления каналов. Зарядка — разрядка емкостей происходит не мгновенно, что и обусловливает инерционность прибора, а следовательно, влияет на частотные свойства полевых транзисторов. Отметим, что так как (в отличие от биполярных транзисторов) работа полевых транзисторов не связана с инжекцией неосновных носителей заряда и их движением к коллектору, то они свободны от влияния этих факторов на их частотные свойства.
Основными параметрами транзисторов с управляющим р-n-переходом являются:
крутизна стокозатворной характеристики , представляющая собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с ОИ
Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Как правило, ее измеряют при UЗИ = 0 и UCИ = UСИнас по характеристике прямой передачи. Значения S обычно составляют несколько миллиампер на вольт;
входное дифференциальное сопротивление
где IЗ — ток затвора, вызванный движением неосновных носителей через р-n-переход. Так как концентрация неосновных носителей в канале (рn) и в р-областях (nр) невелика, то обратный ток мал и почти не зависит от напряжения |UЗИ|. Поэтому Rвх.диф очень велико и составляет 10 8 -10 10 Ом;
выходное дифференциальное сопротивление (дифференциальное сопротивление цепи стока)
Это сопротивление равно 10 5 -10 7 Ом;
напряжение отсечки UЗИотc, т. е. напряжение на затворе при IC = 0 и UCИ = 0;
междуэлектродные емкости : Сзи — затвор-исток, Сзс — затвор-сток, Cси — сток-исток. Эти емкости измеряют при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
Транзисторы с изолированным затвором. Транзисторы этого типа называют также МДП-транзисторами (металл — диэлектрик — полупроводник) или МОП-транзисторами (если в качестве диэлектрика используют окисел — чаще всего диоксид кремния SiO2). МДП-транзисторы бывают двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным.
Основу МДП- транзистора со встроенным каналом (рис. 17.17, a) составляет слабо насыщенная примесью пластина (подложка) полупроводника с электропроводностью n- или р-типа (на рисунке n-Si), в которой созданы две сильно насыщенные примесью области противоположного типа электропроводности (на рисунке р + ). Расстояние между р + -областями ~1 мкм. Они соединены тонким слоем полупроводника того же типа электропроводности, что и р + -области, но этот слой слабо насыщен примесью (р-канал). Поверхность пластины полупроводника покрыта слоем диэлектрика толщиной ~0,1 мкм. На слой диэлектрика над каналом нанесен металлический контакт — затвор 3. Области р + также имеют металлические контакты, один из которых называют истоком И, другой — стоком С. Обычно для пластины полупроводника используют кремний, а в качестве диэлектрика — пленку диоксида кремния, выращенную на поверхности кремния путем окисления его при высокой температуре.
На рис. 17.18 показаны схемы включения МДП-транзистора: а — с общим истоком (ОИ); б — с общим стоком (OC); в — с общим затвором (ОЗ) (полярность выводов на рисунке не показана, так как она зависит от режима работы).
Принцип работы МДП-транзистора со встроенным каналом рассмотрим на примере схемы с ОИ (рис. 17.18, а). В полупроводнике у его поверхности в электрическом поле происходит обеднение или обогащение приповерхностного слоя носителями заряда, что зависит от направления электрического поля в канале транзистора. Это направление электрического поля определяется знаком потенциала на затворе относительно пластины. Если на затвор подан положительный потенциал UЗИ, электрическое поле будет выталкивать дырки из канала и канал обеднится основными носителями (дырками), а проводимость канала уменьшится. Если на затвор подан отрицательный потенциал, то дырки начнут втягиваться в канал и обогащать его основными носителями, проводимость канала увеличится. В первом случае транзистор работает в режиме обеднения, во втором случае — в режиме обогащения. Если исток и сток подсоединить к источнику питания UСИ, то начнется дрейф дырок через канал, т. е. через канал пройдет ток стока IС, значение которого зависит как от UСИ, так и от UЗИ. При прохождении тока в канале создается падение напряжения. Потенциал истока равен нулю, а потенциал стока равен — UСИ (как и в транзисторе с управляющим р-n-переходом). На границе пластины n-типа с областями р-типа и каналом р-типа образуется р-n-переход, который смещен в обратном направлении. Так как в МДП-транзисторах затвор изолирован от полупроводника пленкой диэлектрика, то эти транзисторы могут работать как при положительном, так и при отрицательном напряжении UЗИ.
Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа показаны на рис. 17.19: выходные (стоковые) — на рис. 17.19,а, характеристика передачи (стокозатворная) — на рис. 17.19,б; для режима обеднения — область I, обогащения — область II.
В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (см. рис. 17.17,б) канал не создается в процессе изготовления, а образуется под воздействием электрического поля. Если к транзистору с ОИ подключить напряжение UCИ, по цепи стока пойдет обратный ток р-n-перехода, значение которого очень мало. При подключении в цепь затвора напряжения UЗИ так, чтобы потенциал затвора относительно истока и пластины был обязательно отрицательным (для транзистора на рис. 17.17, б), под действием электрического поля под затвором приповерхностный слой пластины полупроводника обеднится.
Если UЗИ достигнет определенного значения, называемого пороговым (UЗИ = UЗИпор), то слой полупроводника под затвором настолько обеднится, что произойдет его инверсия: образуется канал р-типа, который соединит обе области р-типа. Если UСИ ≠ 0, по каналу потечет ток стока. Изменяя. напряжение на затворе UЗИ > UЗИпop, можно менять толщину и поперечное сечение канала и тем самым его сопротивление, а следовательно, и ток стока IС. На значение IC влияет также напряжение UСИ. При этом изменяется и форма канала.
Семейство выходных статических характеристик (рис. 17.20, а) аналогично семейству выходных характеристик транзистора с управляющим р-n-переходом. Однако характеристика для UЗИ = 0 в этом случае отсутствует, так как канал индуцируется при UЗИ > UЗИпор. Характеристики передачи (рис. 17.20,б) IC = f(UЗИ) при UСИ = const. Они сдвинуты относительно нуля координат на UЗИпор.
Параметры МДП-транзисторов те же, что и для транзисторов с управляющим р-n-переходом. В качестве параметра используют также крутизну характеристики по подложке :
с помощью которого учитывается влияние напряжения на пластине на ток стока. Обычно Sn 10 14 Ом, иногда до 10 17 Ом). Транзисторы с управляющим р-n-переходом имеют более низкое входное сопротивление (до 10 11 Ом при комнатной температуре). Кроме того, параметры МДП-транзисторов меньше зависят от температуры, чем биполярные (так как принцип их работы основан на использовании только основных носителей). Полевые транзисторы могут работать при низких температурах (вплоть до близких к абсолютному нулю), имеют высокую стабильность параметров во времени при воздействии различных внешних факторов, обладают высокой радиационной устойчивостью (на порядок больше, чем кремниевые биполярные), что важно при использовании транзисторов в космической технике и низким уровнем шумов в области частот до 10 Гц. Коэффициент шума составляет ~0,1 дБ при сопротивлении источника сигнала ~1 МОм.
Полевые транзисторы просты в изготовлении, поэтому выход годных приборов выше, чем биполярных. При использовании их в интегральных микросхемах удается получать высокую плотность расположения элементов (на порядок выше, чем в схемах на биполярных транзисторах). В монолитных интегральных схемах на МДП-транзисторах их можно использовать в качестве резисторов (МДП-транзисторы, работающие на ненасыщенных участках статических характеристик). Полевые транзисторы применяют в логических схемах, так как большие матрицы из этих элементов располагаются очень компактно. Их широко используют в цифровых вычислительных машинах.
Однако, несмотря на целый рад преимуществ полевых транзисторов перед биполярными, они не могут заменить их полностью. Это, в частности, связано с малым коэффициентом усиления полевых транзисторов. Рабочий диапазон частот полевых транзисторов значительно меньше, чем биполярных: их чаще всего используют до частот в несколько мегагерц.
В гибридных микросхемах совместно используются и полевые, и биполярные транзисторы, что позволяет создавать схемы с улучшенными свойствами. Полевые транзисторы применяют в схемах усилителей, генераторов, переключателей.
1. Опишите конструкцию биполярного транзистора.
2. Объясните, в чем состоит назначение коллектора и эмиттера биполярного транзистора.
3. Опишите режимы работы схем с использованием биполярного транзистора с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.
4. Объясните, что такое коэффициент передачи тока эмиттера биполярного транзистора.
5. Поясните принцип действия полевого транзистора с управляющим р-n-переходом.
6. Опишите принцип работы МДП-транзистора со встроенным каналом.