Где применяются полевые и биполярные транзисторы

Где применяются полевые и биполярные транзисторы?

Они используются в схемах микшеров для телевизоров и радиоприемников из-за низких модуляционных искажений. Более того, полевые транзисторы также применяют в резисторах с переменным напряжением в операционных усилителях, схемах контроля звука, ведь они обеспечивают большую изоляцию между их выводами затвора и стока.

Почему полевые транзисторы называют Униполярными?

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы называются униполярными (в отличие от биполярных).

Чем отличаются биполярные и полевые транзисторы?

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем.

Где используют биполярные транзисторы?

Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора. Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

На чем основана работа полевого транзистора?

К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля.

Для чего используются транзисторы?

Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах. Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления по мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.

Как работают полевые транзисторы?

Принцип действия лежит в управлении с помощью электрического поля, а оно образуется при приложении напряжения. То есть полевые транзисторы управляются напряжением. Полевой транзистор практически не потребляет тока управления, это снижает потери управления, искажения сигнала, перегрузку по току источника сигнала…

Какие транзисторы называют полевыми?

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.

Что называется пороговым напряжением в Мдп транзисторе с индуцированным каналом?

Пороговое напряжение МДП-транзистора с индуцированным каналом — это такое напряжение на затворе относительно истока, при котором в канале появляется заметный ток стока и выполняется условие начала сильной инверсии, т. е. … Контактная разность потенциалов между электродом затвора и подложкой находится из соотношения: .

Какие бывают виды транзисторов?

Основные виды современных транзисторов

• Биполярные транзисторы; p-n-p-типа; …
• Лавинные транзисторы;
• Однопереходные транзисторы; с p-базой; …
• Полевые (униполярные) транзисторы с управляющим переходом; с управляющим p-n-переходом (JFET); …
• Полевые транзисторы c изолированным затвором (МДП-транзисторы) (MOSFET);

Как называются выводы полевого транзистора?

Независимо от разновидности полевого транзистора он имеет три вывода. Один из них называется Затвор (З). … Исток аналогичен эмиттеру у биполярных транзисторов. Третий вывод именуется Сток (С).

Как называются выводы у биполярного транзистора?

Каждый из выводов транзистора имеет своё назначение и название: база, эмиттер и коллектор. Обычно эти названия сокращают и пишут просто Б (База), Э (Эмиттер), К (Коллектор).

Что такое эмиттер?

ЭМИ́ТТЕР, -а, м. Излучатель, электрод, испускающий электроны1 под воздействием внешних причин.

Какие два типа биполярных транзисторов существует?

Начнем с того, что транзисторы бывают двух типов: NPN и PNP. Эти загадочные аббревиатуры обозначают порядок наложения эдаких бутербродных слоев или — в нашем случае — pn-переходов в полупроводниковом материале, из которого и состоит транзистор.

Обозначение полевого транзистора

Условное графическое обозначение полевых транзисторов

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

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

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

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

G – затвор (от англ. – Gate «затвор», «ворота»);

S – исток (от англ. – Source «источник», «начало»);

D – сток (от англ. – Drain «отток», «утечка»).

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

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

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

n-канальный J-FET

p-канальный J-FET

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

Обозначение МДП-транзистора.

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

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

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

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

n-канальный MOSFET

p-канальный MOSFET

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

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

n-канальный МДП транзистор со встроенным каналом

p-канальный МДП транзистор со встроенным каналом

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

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

MOSFET с выводом подложки (substrate)

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

Обозначение мощного МОП-транзистора

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

MOSFET со встроенным диодом

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

Управление затвором полевого транзистора

В большинстве схем самодельных генераторов высокого напряжения для электростатической коптильни используется полевой транзистор, но к сожалению управление его затвором часто организовано неправильно.

Речь пойдёт о схемах высоковольтных источников напряжения для получения электростатики, их мощность как правило не превышает 7 ватт – большего и не нужно. Хотя небольшая мощность источников позволяет достаточно вольно обходиться с выбором применяемых компонентов, для успешного построения рабочего блока требуется соблюдение некоторых правил, некоторые из которых мы и рассмотрим.

Для начала возьмем любую типовую схему на достаточно древнем чипе UC384x, стоит он копейки, есть в любом ларьке, имеет минимальную обвязку и неплохой ток выходного каскада в 1 Ампер. Рассмотрим выходной каскад:

В выходном каскаде мы видим диод, как правило это 1n4148: с помощью него идёт разряд затвора и резистор Rg, через который происходит заряд. Сделаем резистор Rg равным 12 Ом и посмотрим осциллограммы:

Здесь и далее цена клетки 2v/200ns, красный щуп на выходе чипа а желтый непосредственно на гейте, транзистор IRF3710. Затвор достаточно тяжелый: Qg = 130nC. Открытие транзистора происходит достаточно шустро, управляющий чип даёт нужный ток а закрытию помогает диод. Особых нареканий всё это не вызывает.

Теперь заменим резистор Rg с 12 на 100 Ом:

Картина стала значительно хуже: время увеличилось в несколько раз, так делать не стоит. Теперь посмотрим работу с таймером 555, фото макетки выше, схема выходного каскада ниже:

Резистор Rg сделаем равным 100 Ом, диод ставить не будем. Почему это плохо:

Время открытия и закрытия затянуто: в таком режиме работы транзистор перегреется даже на небольших мощностях.

Поставим резистор Rg 12 Ом:

Несмотря на всего 200мА тока, который даёт выходной каскад чипа NE555, транзистор открывается неплохо, для быстрого закрытия параллельно резистору Rg требуется диод как на вышеприведенной схеме.

Как сделать совсем хорошо? Для этого нам потребуется комплементарная пара биполярных транзисторов, из которых мы соберем примитивный драйвер. Транзисторы рекомендую SS8050 и SS8550, имея ток коллектора 1,5 Ампер они с избытком покроют все наши потребности, посмотрим схему:

Плёночный или керамический конденсатор С1 – 1-2u, равно как и резистор Rp – 5-10k можно не ставить, но правильнее что б они были. Резистор Rg – 1 Ом, Rb – 47-100 Ом. Запустим схему:

Бинго! Так и нужно дёргать полевик, несколько деталей общей ценой до 50 рублей заменили полноценный драйвер, который кстати стоит примерно так же 🙂

Дополнительно снял видеоролик в котором так же отражены некоторые нюансы управление полевым транзистором:

Каталог радиолюбительских схем

Многие начинающие радиолюбители избегают применения в своих конструкциях полевых транзисторов (ПТ). Поясним их работу.

Если у биполярных транзисторов («би» — два) электрический ток образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярностей, то в полевых транзисторах током между двумя электродами управляет электрическое поле, создаваемое напряжением на третьем электроде. Отсюда и название этого транзистора — полевой. Исток и сток — это электроды, между которыми протекает управляемый ток. При этом название электродов соответствует назначению: исток — из которого выходят (истекают) носители заряда, управляющий электрод называют затвором. Каналом называют токопроводящий участок полупроводникового материала между стоком и истоком, поэтому ПТ называют также и канальными. Изменение напряжения на затворе ПТ (относительно истока) приводит к изменению сопротивления канала, естественно, изменяется и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают ПТ с n-каналом или р-каналом. Для n-канала ток обусловлен движением электронов, для р-канала — движением дырок. Из-за этой особенности ПТ называют еще униполярными. Слово обозначает то, что в ПТ ток образован только носителями одного знака; это и есть основное отличие ПТ от биполярных.

ПТ изготовляют в основном из кремния, более высокочастотные — из арсенида галлия. Поскольку управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением, то и входные токи ПТ очень малы, поэтому параметры и характеристики ПТ существенно отличаются от биполярных транзисторов.

Вот лишь несколько преимуществ ПТ по сравнению с биполярными: высокое входное сопротивление по постоянному току на низких и высоких частотах, а значит, и высокий КПД по цепям управления; очень хорошая развязка входных и выходных цепей (малая проходная емкость); высокое быстродействие; высокая температурная стабильность. В настоящее время выпускают большое количество разнообразных типов ПТ.

По технологии изготовления и принципу действия ПТ подразделяют на две группы: 1 — ПТ с управляющим p-n-переходом и барьером Шоттки (ПТУП); 2 — ПТ с изолированным затвором (ПТИЗ). Последние имеют некоторые технологически особенности по сравнению с ПТУП. В электрическом отношении в ПТИЗ затвор отделен от канала слоем диэлектрика. Такой ПТ состоит из пластины полупроводника (подложки), в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности (на этих областях нанесены электроды — исток и сток). Поэтому ПТИЗ часто называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). МДП (МОП)-транзисторы подразделяют на ПТ с индуцированным каналом (ПТИК) и со встроенным каналом (ПТВК).

В ПТИК заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном напряжении на затворе относительно истока (отрицательного для р-канала и положительного для n-канала). Это напряжение называют пороговым (Uз.и. порог), т.е. ПТИК нормально находятся в закрытом состоянии (ток стока отсутствует), например, мощные ПТ типа КП922 с каналом n-типа. У этих транзисторов пороговое напряжение положительное (относительно истока) и находится в пределах 2-8 В. Практически все экземпляры, которые я использовал, имели намного меньший диапазон — от 4 до 6 В, что, безусловно, намного удобнее при использовании ПТ в различных схемах. На сток транзистора с р-каналом подают отрицательный по отношению к истоку потенциал, а с n-каналом — положительный. Хорошо запоминается это по направлению стрелок в графическом изображении ПТ. Когда направление стрелок указывает во внутрь транзистора, то это означает n-тип (плюс питания подают на сток), и наоборот, если стрелка указывает от центра кружка, то это р-тип (на стоке должен быть минус питающего напряжения).

Рассмотрим графическое обозначение ПТ (рис.1),

рис. 1

где а — с управляющим p-n-переходом и p-каналом;
б — с управляющим p-n-переходом и n-каналом;
в -с изолированным затвором обедненного типа и с p-каналом;
г — с изолированным затвором обедненного типа и с n-каналом;
д — с изолированным затвором обогащенного типа и с p-каналом;
е — с изолированным затвором обогащенного типа и с n-каналом;
ж — МДП-тетрод с каналом n-типа

(технологическое соединение подложки с истоком;
3 — затвор;
С — сток;
И — исток;
П — подложка).

МДП-тетрод (рис.1, ж) можно представить в виде двух последовательно соединенных МДП-транзисторов, как это и показано на рис.2.

рис. 2

Управляющим является первый затвор, второй затвор называют экранным. Действуя как электростатический экран, второй затвор уменьшает проходную емкость прибора. А уменьшение емкости повышает коэффициент устойчивого усиления усилительного каскада на высоких частотах. Кроме того, двухзатворный прибор позволяет существенно упростить конструирование смесительных схем.

Основное отличие МОП-транзисторов от ПТ с p-n-переходом состоит в том, что они могут хорошо работать лишь при запирающем напряжении затвора (режим обеднения). У ПТ с р-п-переходом изменение полярности напряжения смещения на затворе приводит к отпиранию перехода и резкому снижению входного сопротивления транзистора (например, КП103, КП303 и др.). К сожалению, в радиолюбительской литературе не делают различия между особенностями МОП-транзисторов и ПТ с р-п-переходом. Поэтому при использовании МОП-транзисторов необходимо учитывать ряд факторов и более строго подходить к их режимам работы. При этом следует вспомнить о преимуществах МОП-транзисторов перед ПТ с p-n-переходом. Например, наличие изолированного затвора позволяет увеличить входное сопротивление, по крайней мере, в 1000 раз(!) по сравнению с входным сопротивлением ПТ с p-n-переходом, доведя его до . 10 Ом. Емкости затвора истока становятся значительно меньше и обычно не превышают 1-2 пФ. Предельная частота МОП-транзисторов может достигать 700-1000 МГц, т.е., по крайней мере, в 10 раз выше, чем у обычных ПТУП. Одной из характерных особенностей МОП-транзисторов, впрочем, так же, как и подавляющего большинства ПТ с р-п-пе-реходом, является их симметричность, т.е. взаимозаменяемость выводов (электродов). Это означает, что выводы истока и стока без ухудшения усилительных свойств этих ПТ можно включать таким образом, что исток будет стоком и наоборот. Такое включение ПТ называют инверсным.

Для понимания принципа действия ПТУП обратимся к рис.3,

рис. 3

на котором изображены проходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) ПТУП с каналом n- и р-типов проводимости, т.е. зависимость тока стока Ic от напряжения на затворе (Uз.и) при неизмененном напряжении на стоке (Uс.и=const). Зная некоторые теоретические особенности работы ПТ, можно смело «внедряться» в любые схемы. Из рис.3 видно, что ПТУП работают в режиме обеднения (уменьшение тока стока от максимальной величины — справочный к.нач — до минимальной, независимо от типа проводимости.

Выходные ВАХ ПТ изображены на рис.4,

рис. 4

из которого видно, что в семействе этих характеристик можно выделить три области:
1 — линейную (изменение тока стока пропорционально изменению напряжения на стоке;
2 — насыщения (ток стока слабо зависит от напряжения на стоке);
3 — пробоя (ток стока резко возрастает при малых изменениях напряжения на стоке).
Поэтому следует избегать использования ПТ в режимах, близких к области пробоя во избежание выхода из строя ПТ, так, для отличных усилительных свойств ПТ рабочая точка должна находиться посредине наиболее протяженного участка линейной характеристики усиления ПТ. В предварительных каскадах усилительный каскад работает в классе «А» как наиболее линейном. В выходных каскадах это реализовать также можно, правда, со значительным ухудшением КПД. Выходные (стоковые) ВАХ большинства ПТ подобны, поэтому остановимся на сток-затворных характеристиках ПТИК (рис.5)

рис. 5

рис. 6

Существенное отличие характеристик ПТВК (рис.6) обусловлено его способностью работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения, поскольку ток стока такого ПТ не равен нулю при нулевом (относительно истока) напряжении на затворе. Проще говоря, током стока ПТВК можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. У МДП-транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на ВАХ, а значит, и на параметры ПТ. Поэтому подложку иногда технологически соединяют с корпусом прибора, как это сделано, например, в ПТ типа КП301, 304, 305, а в КП306 подложка соединена не с корпусом, а с истоком.

В табл.1 приведены структура ПТ, режимы работы и полярность напряжений на электродах относительно истока.

Для чего нужен полевой транзистор

Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и рассматриваемые здесь многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Это полевой транзистор с плавающим затвором и МДОП (металл-диэлектрик-оксид полупроводник) транзистор. Обычно в качестве диэлектрика используют нитрид кремния.

Полевой транзистор с плавающим затвором

Конструкция и обозначение полевого транзистора с плавающим затвором представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. МОП транзистор с плавающим затвором

Это р-канальный нормально закрытый МОП прибор. Здесь же показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора в состоянии логических единицы и нуля (до и после записи информационного заряда). Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал «плавает». Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор:
— или сквозь потенциальный барьер Si-SiO₂ путем квантовомеханического туннелирования;
— или над барьером «горячих» носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки.

Положительное смещение на верхнем затворе (относительно полупроводниковой подложки) вызовет накопление электронов в плавающем затворе при условии, что утечка электронов через верхний диэлектрический слой мала. Величина заряда Q, накопленного за время t, а значит, и пороговое напряжение, определяется как где J(t) — величина инжекционного тока в момент времени t.

Рис. 4.2. . Инжекция горячих электронов в диэлектрик МДП-транзистора и другие процессы, проходящие при лавинном пробое подложки

Лавинный пробой подложки вблизи стока может приводить к неод-нородной деградации транзистора и, как следствие, к ограничению по числу переключений элемента памяти. МДП-транзистор с плавающим затвором может быть использован в качестве элемента памяти с временем хранения, равным времени диэлектрической релаксации структуры, которое может быть очень велико и, в основном, определяется низкими токами утечки через барьер Si-SiO2 (Фe=3.2 эВ). Fe — высота потенциального барьера. Такой элемент памяти обеспечивает возможность непрерывного считывания без разрушения информации, причем запись и считывание могут быть выполнены в очень короткое время.

МНОП транзистор

На рис. 4.3 приведена конструкция МНОП транзистора (металл-нитрид кремния-оксид кремния-полупроводник). Эффект памяти основан на изменении порогового напряжения транзистора при наличии захваченного в подзатворном диэлектрике положительного или отрицательного заряда, который хранится на глубоких (1.3-1.5 эВ) ловушках, в нитриде кремния вблизи границы SiO2-Si3N4.

Рис. 4.3. Конструкция МНОП транзистора: 1 — металлический затвор; 2,3 — области истока и стока соответственно; 4 — подложка.

Запись информационного заряда происходит так же, как и в МОП транзисторе с плавающим затвором. Высокая эффективность захвата электронов (или дырок) связана с большим сечением захвата на ловушки (порядка 10-13 кв.см.) и большой их концентрации (порядка 1019 куб.см.).

Рис. 4.4. Операция записи в МНОП-структуре (зонная диаграмма).

Ток в окисле Jox — туннельный ток инжекции, ток JN — ток сквозной проводимости в нитриде. В случае прямого туннелирования электронов в зону проводимости SiO2 сквозь треугольный барьер плотность тока определяется уравнением Фаулера-Нордгейма , где A — константы, Е — напряженность электрического поля. По мере накопления заряда поле на контакте уменьшается, что приводит к уменьшению скорости записи. Эффективность записи зависит также и от тока сквозной проводимости в нитриде.

Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться:
— ультрафиолетовым излучением с энергией квантов более 5.1 эВ (ширина запрещенной зоны нитрида кремния) через кварцевое окно;
— подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему. В соответствии с ГОСТом такие ИМС имеют в своем названии литеры РФ и РР соответственно. Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов «запись-стирание» обычно не менее 10 5 .