pusty pusty pusty
pusty
pusty pusty forum szukaj książki linki artykuły
home pusty c c c c c c c c c
teoria dla początkujących schematy elektronika retro mikrokontrolery pusty
na dół

Teoria

Tranzystory polowe

pusty pusty pusty
tranzystory
Tranzystory polowe tak jak i tranzystory bipolarne są 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 sterującej zwanej bazą w tranzystorach bipolarnych lub bramką w tranzystorach polowych.
   Na rys.4.2.1 przedstawione są symbole graficzne tranzystorów polowych. Nazwy poszczególnych elektrod to: D - dren, S - źródło, G - bramka. Elektrody te spełniają podobne funkcje jak odpowiadające im elektrody w tranzystorze bipolarnym. Kolektorowi C odpowiada dren D, emiterowi E odpowiada źródło 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 polowego co szczególnie w zastosowaniach takich jak przełączniki analogowe trudno jest przecenić.
rys. 4.2.1
pusty pusty pusty
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
złączowe z izolowaną bramką
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 zbudo-wane z elementów dyskretnych. Analogowe układy scalone. Wzmacniacze zbudo-wane z elementów dyskretnych. Analogowe układy scalone. Wzmacniacze w.cz. zbudowane z eleme-ntów dyskretnych.
Cyfrowe układy sca-lone.
Wzmacniacze w.cz. zbudowane z eleme-ntów dyskretnych.
Cyfrowe układy sca-lone.
Wzmacniacze mocy zbudowane z eleme-ntów dyskretnych.
Cyfrowe układy sca-lone.
Wzmacniacze mocy zbudowane z eleme-ntów dyskretnych.
Cyfrowe układy 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 źródłem 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 źródłem.
pusty pusty pusty
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 (źródło) 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 półprzewodnika występujący między drenem i źródłem 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 zaporowa rozszerzy się tak, jak to pokazane jest na rysunku 4.2.3 b), przekrój kanału tym samym zmniejszy się, a jego rezystancja wzrośnie. Łatwo 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 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 źródło, przy zachowaniu tego samego potencjału bramki i źródła. Jak widać na rys. 4.2.3 c) w pobliżu drenu warstwa zaporowa jest szersza niż w pobliżu źródła. Jest to spowodowane tym, że złącze pn wzdłuż kanału jest polaryzowane różnymi napięciami. Do stałego napięcia UGS dodaje się spadek napięcia występujący między danym punktem kanału a źródłem 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 warstwę zaporową w kierunku drenu.
Tranzystor MOSFET
Na rysunku 4.2.4 przedstawiony jest schemat struktury tranzystora MOSFET z kanałem typu n (o podłożu typu p).
   Na początek kilka wyjaśnień:
- obszar zaznaczony n+ jest silnie domieszkowanym półprzewodnikiem typu n,
- źródło 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 źródło) rozdzielonych półprzewodnikiem typu p (podłoże) zachowuje się tak jak dwie diody połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie (anodami do siebie). Wokół obszarów źródła i drenu występuje typowy dla złączy pn obszar ładunku ujemnych jonów domieszki akceptorowej. W takiej sytuacji brak jest połączenia elektrycznego pomiędzy drenem i źródłem 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 źródłem w postaci kanału (warstwa inwersyjna). Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale, a więc od napięcia UGS. 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 powodował tylko nieznaczne zmiany prądu drenu ID.
rys. 4.2.3 a)
a)
rys. 4.2.3 b)
b)
rys. 4.2.3 c)
c)
rys. 4.2.3 d)
d)
rys. 4.2.3
rys. 4.2.4 a)
a)
rys. 4.2.4 b)
b)
rys. 4.2.4 c)
c)
rys. 4.2.4 d)
d)
rys. 4.2.4
pusty pusty pusty
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 są rozdzielone niebieską linią, której kształt przypomina parabolę.
   W obszarze nasycenia tranzystor polowy zachowuje się 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 się on jak rezystor, tzn. ID jest proporcjonalny do UDS. Oczywiście dla obu obszarów prąd drenu ID jest funkcją napięcia bramka-źródło UGS, a ściślej rzecz biorąc jest funkcją różnicy (UGS- UP), gdzie UP jest napięciem progowym. Obszar liniowy, w którym prąd drenu jest prawie proporcjonalny do UDS, rozciąga się od UDS=0V do UDS= UDS(sat). Na prawo od UDS(sat) charakterystyki prądu drenu ID biegną prawie poziomo.
   W obszarze nienasycenia nachylenie charakterystyki czyli ID/UDS, jest proporcjonalne do (UGS- UP). Napięcie dren-źródło, 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

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-źródło jest równe wysterowaniu bramki UDS=(UGS- UP),
- prąd nasycenia drenu jest proporcjonalny do kwadratu wysterowania bramki.
   Charakterystyki przejściowe ID(UGS) dla różnych typów tranzystorów przedstawione są na rys. 4.2.6.
Ch-ka wyjściowe tranzystora polowego
rys. 4.2.5
Ch-k przejściowa tranzystora polowego
rys. 4.2.6
pusty pusty pusty
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 Złączowy MOS
Rodzaj Kanał typu n zubożany Kanał typu n wzbogacany
Parametry graniczne
Napięcie dren-źródło                    UDSmax
Prąd drenu                                   IDmax
Napięcie bramka-źródło               UGSmax
Moc strat                                      Pstrmax
 
30V
25mA
-30V
300mW
 
100V
10A
±20V
75W
Parametry charakterystyczne
Napięcie progowe                        UP
Prąd drenu przy UGS=0                IDSS
Transkonduktancja                      gmm
Rezystancja w stanie włączenia   rdson
Maksymalny prąd bramki              IGmax
Prąd drenu w stanie odcięcia       IDmax
Pojemność wejściowa                  CweS
Pojemność wyjściowa                  CwyS
Pojemność zwrotna                     CwS
Pole wzmocnienia                        fS
Czas włączenia                            ton
Czas wyłączenia                          toff
 
-1,5...-4,5V
6..15mA
5mA/V
200W
5nA
10nA
4pF
1,6pF
1,1pF
700MHz
 
1,5...3,5V
5A
5A/V
0,14W
0,5mA
1mA
750pF
300pF
50pF
 
30ns
50ns

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
pusty
do góry
WsteczMenuDalej
pusty

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
pusty
pusty pusty pusty