forum szukaj książki linki artykuły
teoria dla poczÄ…tkujÄ…cych schematy elektronika retro mikrokontrolery
Teoria
Tranzystory polowe
Tranzystor polowy - Klasyfikacja tranzystorów polowych - Obrazowe przedstawienie działania tranzystora polowego -
Charakterystyki tranzystora polowego- Typowe parametry tranzystorów polowych - Układ ze wspólnym z
ródłem - Układ ze
wspólnym drenem (wtórnik z
ródłowy) - Kilka zastosowań tranzystorów polowych
Tranzystory polowe tak jak i tranzystory bipolarne sÄ… elementami
półprzewodnikowymi lecz różnią się od bipolarnych tym, że są sterowane
polem elektrycznym co oznacza, że nie pobierają mocy na wejściu. Pomimo
takiej różnicy oba rodzaje tranzystorów mają wspólną cechę: są to elementy
działające na zasadzie sterowania przepływem ładunku. W obu przypadkach
są to elementy trzykońcówkowe, w których przewodność między dwoma
końcówkami zależy od liczby nośników ładunków znajdujących się między
nimi, a z kolei liczba nośników ładunków zależy od wartości napięcia
doprowadzonego do elektrody sterujÄ…cej zwanej bazÄ… w tranzystorach
bipolarnych lub bramkÄ… w tranzystorach polowych.
Na rys.4.2.1 przedstawione są symbole graficzne tranzystorów polowych.
Nazwy poszczególnych elektrod to: D - dren, S - z
ródło, G - bramka.
Elektrody te spełniają podobne funkcje jak odpowiadające im elektrody w
tranzystorze bipolarnym. Kolektorowi C odpowiada dren D, emiterowi E
odpowiada z
ródło S, a bazie B odpowiada bramka G.
Działanie tranzystora polowego polega na sterowaniu przepływem prądu
przez kanał za pomocą pola elektrycznego wytwarzanego przez napięcie
doprowadzone do bramki. Ponieważ w tranzystorze polowym nie ma żadnych
przewodzących złącz więc do bramki nie wpływa ani z niej nie wypływa
żaden prąd i jest to chyba najważniejsza cecha tranzystorów polowych. Z
właściwości tej wynika duża wartość rezystancji wejściowej tranzystora
rys. 4.2.1 polowego co szczególnie w zastosowaniach takich jak przełączniki analogowe
trudno jest przecenić.
Klasyfikacja tranzystorów polowych. W przypadku tranzystorów
bipolarnych rozróżnia się dwa typy npn i pnp, natomiast w przypadku
tranzystorów polowych jest sześć typów mogących mieć zastosowanie
praktyczne z czego wykorzystuje się pięć.
W tabeli z rys 4.2.2 przedstawionych jest sześć typów tranzystorów
polowych z ich symbolami graficznymi, charakterystykami i krótkim opisem
zastosowania.
Tranzystory polowe
z izolowanÄ… bramkÄ…
złączowe
z kanałem zubożanym z kanałem wzbogacanym
kanał typu n kanał typu p kanał typu n kanał typu p kanał typu n kanał typu p
Wzmacniacze Wzmacniacze Wzmacniacze w.cz. Wzmacniacze w.cz. Wzmacniacze mocy Wzmacniacze mocy
zbudo-wane z zbudo-wane z zbudowane z zbudowane z zbudowane z zbudowane z
elementów elementów eleme-ntów eleme-ntów eleme-ntów eleme-ntów
dyskretnych. dyskretnych. dyskretnych. dyskretnych. dyskretnych. dyskretnych.
Analogowe układy Analogowe układy Cyfrowe układy Cyfrowe układy Cyfrowe układy Cyfrowe układy
scalone. scalone. sca-lone. sca-lone. sca-lone. sca-lone.
rys. 4.2.2
Symbole poszczególnych rodzajów tranzystorów polowych pokazane są w
tabeli powyżej. Zaznaczone tam są indeksy elektrod tranzystorów. Bramka G
(gate) jest elektrodą, która steruje rezystancję między drenem D (drain) i
z
ródłem S (source).
Jak widać każdy rodzaj tranzystora polowego dzieli się dodatkowo na
tranzystor z kanałemn typu n lub p. Rodzaj kanału zależy od rodzaju
nośników prądu. Dla tranzystorów z kanałem p są to dziury, a dla
tranzystorów z kanałem n są to elektrony. Dla tranzystorów z kanałem
n prąd płynący przez kanał jest tym mniejszy im mniejszy jest potencjał na
bramce, a dla tranzystorów z kanałem p jest odwrotnie. Widać to dokładnie
na charakterystykach umieszczonych w tabeli na rys. 4.2.2.
W tranzystorach polowych złączowych JFET (junction FET) największy prąd
drenu płynie przy napięciu sterującym UGS=0, co widać na charakterystyce.
Tak samo zachowują się tranzystory z izolowaną bramką z kanałem
zubożanym.
Tranzystory polowe z kanałem wzbogacanym przy takim samym napięciu
UGS=0 nie przewodzą prądu. Z takich zachowań w przewodzeniu prądu
wynika to, że tranzystory JFET oraz MOSFET z kanałem zubożanym
nazywane są normalnie włączonymi, a tranzystory MOSFET z kanałem
wzbogacanym - normalnie wyłączonymi.
W tranzystorach z kanałem wzbogacanym prąd płynie wówczas gdy
napięcie UGS przekroczy pewną wartość progową Up.
Tranzystory MOSFET mają często wyprowadzoną czwartą końcówkę B
podłączoną do podłoża (bulk). Elektroda ma podobne działanie jak bramka i
jest izolowana od kanału warstwą zaporową. Jednak na ogół nie
wykorzystuje się jej właściwości i jest ona łączona ze z
ródłem.
Obrazowe przedstawienie działania tranzystora polowego
Tranzystor JFET
Schemat struktury i działanie tranzystora polowego złączowego JFET
przedstawione jest na rysunkach 4.2.3 a)b)c)d). Oczywiście jest to duże
uproszczenie ale pomoże w zrozumieniu mechanizmów jakie zachodzą
w tranzystorze JFET.
W tranzystorze polowym JFET elektrody D (dren) i S (z
ródło) dołączone są
do płytki półprzewodnika, a złącze pn występuje między tą płytką
a obszarem bramki G co pokazane jest na rys. 4.2.3 a). Jednorodny obszar
a) półprzewodnika występujący między drenem i z
ródłem stanowi kanał, przez
który płynie prąd i którego rezystancję można zmieniać przez zmianę
przekroju kanału. Zmianę przekroju kanału uzyskuje się przez rozszerzenie
lub zwężenie warstwy zaporowej złącza pn, a więc przez zmianę napięcia UGS
polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym.
Ze względu na to, że w obwodzie wejściowym tranzystora JFET występuje
złącze pn spolaryzowane w kierunku zaporowym, rezystancja wejściowa
takich tranzystorów jest bardzo duża.
Pod wpływem napięcia UGS polaryzującego zaporowo złącze pn, warstwa
b)
zaporowa rozszerzy siÄ™ tak, jak to pokazane jest na rysunku 4.2.3 b),
przekrój kanału tym samym zmniejszy się, a jego rezystancja wzrośnie.
A
atwo można sobie wyobrazić, że dalsze zwiększanie napięcia UGS w
kierunku zaporowym spowoduje, że warstwy zaporowe połączą się i kanał
zostanie zamknięty, a jego rezystancja będzie bardzo duża.
Można powiedzieć, że tranzystor JFET jest swego rodzaju rezystorem
sterowanym napięciowo.
Rezystancja kanału może zmieniać się od kilkudziesięciu omów, przy braku
c)
polaryzacji, do wielu megaomów w warunkach zamknięcia. Napięcie UGS,
przy którym następuje zamknięcie wynosi od 1V do 10V zależnie od typu
tranzystora.
Sytuacja omawiana wyżej przy pomocy rysunków 4.2.3 a) i b) nie jest
ścisła gdyż nie uwzględnia wpływu napięcia UDS. Na rysunku 4.2.3 c) i d)
przedstawiona jest sytuacja gdy doprowadzone jest napięcie UDS między
dren i z
ródło, przy zachowaniu tego samego potencjału bramki i z
ródła. Jak
widać na rys. 4.2.3 c) w pobliżu drenu warstwa zaporowa jest szersza niż w
d) pobliżu z
ródła. Jest to spowodowane tym, że złącze pn wzdłuż kanału jest
rys. 4.2.3
polaryzowane różnymi napięciami. Do stałego napięcia UGS dodaje się
spadek napięcia występujący między danym punktem kanału a z
ródłem S.
Dalszy wzrost napięcia UDS powoduje dalsze rozszerzanie warstwy zaporowej
aż do zamknięcia kanału, co powoduje stan nasycenia. W takiej sytuacji
dalszy wzrost napięcia UDS nie będzie powodował praktycznie dalszego
wzrostu prądu drenu ID gdyż warstwa zaporowa będzie się rozszerzała w
kierunku drenu, a spadek napięcia w kanale pozostanie praktycznie stały
(patrz rys. 4.2.3 d)). Wobec tego swobodne elektrony w kanale poruszać się
będą przez obszar o stałych wymiarach i stałym spadku napięcia, przez
warstwÄ™ zaporowÄ… w kierunku drenu.
Tranzystor MOSFET
Na rysunku 4.2.4 przedstawiony jest schemat struktury tranzystora MOSFET
z kanałem typu n (o podłożu typu p).
a) Na początek kilka wyjaśnień:
- obszar zaznaczony n+ jest silnie domieszkowanym półprzewodnikiem typu
n,
- z
ródło S i podłoże B są zwarte ze sobą i stanowią punkt wspólny dla
potencjałów drenu D i bramki G.
Na rys. 4.2.4 a) przedstawiona jest sytuacja gdy polaryzacja drenu
i bramki jest zerowa czyli UDS=0 i UGS=0. W takim przypadku struktura
złożona z obszarów półprzewodnika typu n+ (dren i z
ródło) rozdzielonych
półprzewodnikiem typu p (podłoże) zachowuje się tak jak dwie diody
połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie (anodami do siebie). Wokół
obszarów z
ródła i drenu występuje typowy dla złączy pn obszar ładunku
b)
ujemnych jonów domieszki akceptorowej. W takiej sytuacji brak jest
połączenia elektrycznego pomiędzy drenem i z
ródłem czyli brak jest kanału.
Na kolejnym rysunku 4.2.4 b) pokazana jest sytuacja gdy bramka jest
spolaryzowana napięciem UGS>0. Dodatni ładunek spolaryzowanej bramki
indukuje pod jej powierzchnią ładunek przestrzenny, który składa się
z elektronów swobodnych o dużej koncentracji powierzchniowej (tzw.
warstwa inwersyjna) i głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego
jonów akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. W takiej sytuacji
zostaje utworzone połączenia elektryczne między drenem i z
ródłem w postaci
kanału (warstwa inwersyjna). Przewodność tego połączenia zależy od
koncentracji elektronów w indukowanym kanale, a więc od napięcia UGS.
c)
Jeżeli teraz zostanie podwyższony potencjał drenu UDS>0 tak jak pokazane
to jest na rys. 4.2.3 c) to popłynie prąd drenu ID tym większy im większe
będzie napięcie UDS.
Zależność prądu drenu ID od napięcia drenu UDS nie jest jednak liniowa.
Jest to spowodowane tym, że napięcie wzdłużne UDS zmienia stan polaryzacji
bramki. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów między bramką i podłożem
jest mniejsza, a kanał płytszy.
Ze wzrostem UDS całkowita rezystancja kanału rośnie i wzrost prądu jest
więc mniejszy niż proporcjonalny. Przy UDS=UGS kanał w pobliżu drenu
przestaje istnieć i prąd drenu ulegnie nasyceniu. Taka sytuacja
przedstawiona jest na rys. 4.2.4 d). Dalszy wzrost napięcia drenu UDS będzie
d)
rys. 4.2.4 powodował tylko nieznaczne zmiany prądu drenu ID.
Charakterystyki tranzystora polowego
Na rysunku 4.2.5 przedstawiona jest charakterystyka wyjściowa ID(UDS)
tranzystora MOSFET z kanałem typu n, którego struktura przedstawiona jest
na rys. 4.2.4.
Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części:
obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy). Na rys. 4.2.5 obszary te sÄ…
rozdzielone niebieską linią, której kształt przypomina parabolę.
W obszarze nasycenia tranzystor polowy zachowuje siÄ™ jak bardzo dobry
element transkonduktancyjny, tzn. taki dla którego prąd ID jest praktycznie
stały dla różnych napięć UDS. Natomiast dla małych wartości UDS, czyli w
obszarze nienasycenia, zachowuje siÄ™ on jak rezystor, tzn. ID jest
proporcjonalny do UDS. Oczywiście dla obu obszarów prąd drenu ID jest
funkcją napięcia bramka-z
ródło UGS, a ściślej rzecz biorąc jest funkcją
różnicy (UGS- UP), gdzie UP jest napięciem progowym. Obszar liniowy,
rys. 4.2.5
w którym prąd drenu jest prawie proporcjonalny do UDS, rozciąga się od
UDS=0V do UDS= UDS(sat). Na prawo od UDS(sat) charakterystyki prÄ…du drenu
ID biegnÄ… prawie poziomo.
W obszarze nienasycenia nachylenie charakterystyki czyli ID/UDS, jest
proporcjonalne do (UGS- UP). Napięcie dren-z
ródło, dla którego następuje
wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia jest równe
UDS(sat)=(UGS- UP). W efekcie daje to proporcjonalność prądu nasycenia
drenu ID(sat) do (UGS- UP)2, czyli kwadratową zależność prądu drenu od
napięcia sterującego.
Bardziej ogólne równania prądu drenu tranzystora polowego można
przedstawić przy pomocy poniższych wzorów:
- dla obszaru liniowego
ID=2k[(UGS- UP)UDS- UDS2/2]
- dla obszaru nasycenia
rys. 4.2.6
ID=k[(UGS- UP)2
Jeżeli różnicę (UGS- UP) nazwie się wysterowaniem bramki, to można na
podstawie przedstawionej charakterystyki powiedzieć, że:
- w obszarze nienasycenia (liniowym) rezystancja kanału jest odwrotnie
proporcjonalna do wysterowania bramki,
- granicą obszaru liniowego jest linia, dla której napięcie dren-z
ródło jest
równe wysterowaniu bramki UDS=(UGS- UP),
- prÄ…d nasycenia drenu jest proporcjonalny do kwadratu wysterowania
bramki.
Charakterystyki przejściowe ID(UGS) dla różnych typów tranzystorów
przedstawione sÄ… na rys. 4.2.6.
Typowe parametry tranzystorów polowych
Wartości parametrów typowych dla tranzystorów polowych przedstawię na
przykładzie tranzystora polowego złączowego JFET małej mocy BF245B i typu
MOSFET dużej mocy IRF530. Zestawienie tych parametrów jest
przedstawione w poniższej tabeli.
Typ BF245B IRF530
Technologia ZÅ‚Ä…czowy MOS
Rodzaj Kanał typu n Kanał typu n
zubożany wzbogacany
Parametry graniczne
Napięcie dren-z
ródło UDSmax 30V 100V
PrÄ…d drenu IDmax 25mA 10A
Napięcie bramka-z
ródło UGSmax -30V ą20V
Moc strat Pstrmax 300mW 75W
Parametry charakterystyczne
Napięcie progowe UP -1,5...-4,5V 1,5...3,5V
PrÄ…d drenu przy UGS=0 IDSS 6..15mA 5A
Transkonduktancja gmm 5mA/V 5A/V
Rezystancja w stanie włączenia rdson 200W 0,14W
Maksymalny prÄ…d bramki IGmax 5nA 0,5mA
Prąd drenu w stanie odcięcia IDmax 10nA 1mA
Pojemność wejściowa CweS 4pF 750pF
Pojemność wyjściowa CwyS 1,6pF 300pF
Pojemność zwrotna CwS 1,1pF 50pF
Pole wzmocnienia fS 700MHz
30ns
Czas włączenia ton
50ns
Czas wyłączenia toff
To nie wszystko - już wkrótce dalszy ciąg informacji o tranzystorach...
Literatura: "Sztuka elektroniki" - P.Horowitz i W.Hill
"Układy półprzewodnikowe" - U.Tietze i Ch.Schenk
"Podstawowe układy elektroniczne" - W.Nowakowski
"Układy elektroniczne" - S.Seely
UWAGA: Wszystkie umieszczone schematy, informacje i przykłady mają służyć tylko do własnych celów edukacyjnych i nie należy ich
wykorzystywać do żadnych konkretnych zastosowań bez przeprowadzenia własnych prób i doświadczeń, gdyż nie udzielam żadnych gwarancji, że
podane informacje są całkowicie wolne od błędów i nie biorę odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikające z zastosowania podanych
informacji, schematów i przykładów.
Wszystkie nazwy handlowe, nazwy produktów oraz znaki towarowe umieszczone na tej stronie są zastrzeżone dla ich właścicieli.
Używanie ich tutaj nie powinno być uważane za naruszenie praw właściciela, jest tylko potwierdzeniem ich dobrej jakości.
All trademarks mentioned herein belong to their respective owners.
They aren't intended to infringe on ownership but only to confirm a good quality.
Strona wygląda równie dobrze w rozdzielczości 1024x768, jak i 800x600.
Optymalizowana była pod IE dlatego polecam przeglądanie jej w IE5.5 lub nowszych przy rozdzielczości 1024x768.
© Copyright 2001-2005 Elektronika analogowa