Эмиттер коллектор база сток исток затвор: простым языком для чайников, схемы

Содержание

Полевые транзисторы. Характеристики. Основные типы.| Elektrolife

MOSFET — (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) использует изолятор обычно SiO2 между затвором и каналом. 

JFET — полевой транзисторе с управляющим p-n переходом
MESFET —  (Metal–Semiconductor Field-Effect Transistor) разновидность p-n перехода JFET с барьером Schottky; используются с GaAs и др. III-V полупроводниками. 
 ISFET — ion-sensitive field-effect transistor – ионно-чувствительный полевой транзистор. 
ChemFET —  chemical field-effect transistor — МОСФЕТ транзисторы, заряд на затворе которых определяется химическими процессами. 
EOSFET —  electrolyte-oxide-semiconductor field effect transistor вместо металла в качестве затвора используется электролит. 
CNTFET — Carbon nanotube field-effect transistor — полевой транзистор с углеродными нанотрубками.

DEPFET – полевой транзистор с полностью обедненной подложкой,  используются как сенсоры, усилители и ячейки памяти одновременно. Может быть использован как датчик фотонов. 
DGMOSFET — с двумя затворами. 
DNAFET — специальный FET используемый как биосенсор, с затвором из 1-й ДНК молекулы чтобы определять соответствующую нить ДНК. 
FREDFET (Fast Reverse or Fast Recovery Epitaxial Diode FET) специальный полевой транзистор, разработанный для обеспечения сверхбыстрого закрытия встроенного диода (is a specialized FET designed to provide a very fast recovery (turn-off) of the body diode)
HEMT(high electron mobility transistor) или HFET(heterostructure FET) полевой транзистор с высокой подвижностью зарядов, гетероструктурные (шестигранные) FET. Изолятор затвора формируется из полностью обедненного материала с большой шириной запрещенной зоны. 
HIGFET —  (heterostructure insulated gate field effect transisitor), гетероструктурные MISFET используются в основном в исследовательских целях.
MODFET —  (Modulation-Doped Field Effect Transistor) использует квантовую структуру, сформированную градиентным легированием активной области. 
 NOMFET – (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor) — память на основе органических наночастиц. 
OFET – (Organic Field-Effect Transistor) — канал из органического полупроводника. 
GNRFET – (Field-Effect Transistor that uses a graphene nanoribbon for its channel). С каналом из графеновой пленки. 
VFET (Vertical Field-Effect Transistor), вертикальный полевой транзистор, полевой транзистор с вертикальной структурой, полевой транзистор с вертикальным каналом. 
VeSFET — (Vertical-Slit Field-Effect Transistor) is a square-shaped junction-less FET with a narrow slit connecting the source and drain at opposite corners. Two gates occupy the other corners, and control the current through the slit… полевой транзистор квадратной формы, без перехода с близким расположением истока и стока на противоположных углах. Два других входа, занимающие другие углы — затворы, которые контролируют переход. 
TFET — (Tunnel Field-Effect Transistor) — основан на эффекте тунеллирования … из полосы в полосу. 
IGBT (insulated-gate bipolar transistor) устройство для контроля мощности. Представляет из себя гибрид полевого транзистора с проводящим каналом, как у биполярного транзистора. Обычно используются для напряжений 200-3000V сток-исток. Мощные MOSFETs обычно используются до 200 V. 

для чего он нужен, как его открыть, схемы

Для того чтобы быстро изменить силу тока в усилительных схемах, лампочках или электрических двигателях применяют транзисторы. Они умеют ограничивать силу тока плавно и постепенно или специальным методом «импульс-пауза». Второй способ особо часто используется при широтно-импульсной модуляции и управления. Если используется мощный источник тока, то транзистор проводит его через себя и регулирует параметр слабым значением. Если тока маловато, то используют сразу несколько транзисторов, обладающих большей чувствительностью. Соединять в таком случае их нужно каскадным образом. В этой статье будет рассмотрено, как открыть полевой транзистор, какой принцип работы полевого транзистора для чайников и какие обозначения выводов полевой транзистор имеет.

Что это такое

Полевой транзистор — это радиоэлемент полупроводникового типа. Он используется для усиления электросигнала. В любом цифровом приборе схема с полевым транзистором исполняет роль ключа, который управляет переключением логических элементов прибора. В этом случае использование ПТ является очень выгодным решением проблемы с точки зрения уменьшения размеров устройства и платы. Обусловлено это тем, что цепь управления радиокомпонентами требует не очень большой мощности, а значит, что на одном кристалле могут располагаться тысячи и десятки тысяч транзисторов.

Схема подключения электротранзистора полевого типа

Материалами, из которых делают полупроводниковые элементы и транзисторы в том числе, являются:

  • Фосфид индия;
  • Нитрид галлия;
  • Арсенид галлия;
  • Карбид кремния.
График области насыщения электротранзистора

Важно! Полевые транзисторы также называют униполярными, так как при протекания через них электротока используется только один вид носителей.

Характеристики полевого транзистора

Основными характеристики полевого транзистора являются:

  • Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
  • Максимально допустимая рабочая частота;
  • Напряжение сток-исток;
  • Напряжение затвор-сток;
  • Напряжение затвор-исток;
  • Максимально допустимый ток стока;
  • Ток утечки затвора;
  • Крутизна характеристики;
  • Начальный ток стока;
  • Емкость затвор-исток;
  • Входная ёмкость;
  • Выходная ёмкость;
  • Проходная ёмкость;
  • Выходная мощность;
  • Коэффициент шума;
  • Коэффициент усиления по мощности.
Характеристика напряженности поля заряда

Как он работает

Полевой транзистор включает нескольких составных элементов — истока (источника носителя заряда наподобие эмиттера на биполярном элементе), стока (приемника заряда по аналогии с коллектором) и затвора (управляющего электрода наподобие сетки в лампах или базы). Работа первых двух очевидна и состоит в генерации и приеме носителя электрозаряда, среди которых электроны и дырки. Затвор же нужен в первую очередь для управления электротоком, который протекает через ПТ. То есть, получается классического вида триод с катодом, анодом и электродом управляющего типа.

Когда происходит подача напряжения на затвор, возникает электрополе, которое изменяет ширину определенных переходов и влияет на параметр электротока, протекающего от истока к стоку. Если управляющее напряжение отсутствует, то ничто не будет препятствовать потоку носителей заряда в виде электронов. Когда напряжение управления повышается, то канал, по которому движутся электроны или дырки, наоборот, уменьшается, а при достижении некоего предела закрывается совсем, и полевой транзистор входит в так называемый режим отсечки. Именно эта характеристика ПТ делает возможным их применение в качестве ключей.

Подключение нагрузки к электротранзистору для его открытия

Свойства усиления электротока этого радиокомпонента обусловлены тем, что сильный электрический ток, который протекает от истока к стоку, повторяет все динамические характеристика напряжения, прикладываемого к затвору. Другим языком, с выхода этого усилителя берется абсолютно такой же по форме сигнал, как и на электроде управления, только более сильный.

Строение ПТ (униполярного транзистора) немного отличается от биполярного. А именно тем, что электричество в нем пере пересекает определенные переходные зоны. Электрозаряды совершают движение по участку регуляции, который называется затвором. Его пропускная способность регулируется параметром напряжения.

Виды электротранзисторов полевого типа с маркировкой

Важно! Пространство зон транзистора под действием электрического поля уменьшается и увеличивается. Исходя из этого изменяется количество носителей зарядов — от их полного отсутствия до переизбытка.

Для чего нужен

ПТ нужны для того, чтобы управлять выходным током с помощью создаваемого электрического поля и изменять его важнейшие параметры. Структуры, созданные на основе полевого транзистора, часто используются в интегральных схемах цифрового и аналогового вида.

n- и p-канальные электротранзисторы

Именно за счет полевого управления, эти транзисторы воздействуют на величину приложенного к их затвору напряжения. Это отличает их от биполярных транзисторов, которые управляются током, который протекает через их базу. ПТ потребляют значительно меньшее количество электроэнергии, что и определило их популярность при использовании в ждущих и следящих устройствах, а также интегральных схемах малого потребления ( при организации спящего режима).

Важно! Одними из наиболее известных устройств, основанных на действии полевых транзисторов, являются пульты управления от телевизора, наручные часы электронного типа. Эти устройства за счет своего строения и применения ПТ могут годами работать от одного крошечного источника питания в виде батарейки.

Схематический вид электротранзистора полевого типа

Как открыть полевой транзистор

Для того чтобы полностью открыть полевой транзистор и запустить его работы в режиме ключа, напряжение базы-эмиттера должно быть больше 0,6-0,7 Вольт. Также сила электротока, текущая через базу должна быть такой, чтобы он мог спокойно протекать через коллектор-эмиттер без каких-либо препятствий. В идеальном случае, сопротивление через коллектор-эмиттер должно быть равным нулю, в реальности же оно будет иметь сотые доли Ома. Такой режим называется «режимом насыщения транзистора».

Режим насыщения элемента через транзистор

Как видно на схеме, коллектор и эмиттер находятся в режиме насыщения и соединены накоротко, что позволяет лампочке гореть «на полную».

Схема (структура)

На схеме ниже можно увидеть примерное строение транзистора полярного типа. Его выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. Схема изображает именно p канальное устройство, затвором которого является n-слой. Он имеет гораздо меньшее удельное сопротивление, чем канальная область p-слоя. Область же перехода n-p в большей степени находится в p-слое.

Схематическое изображение электротранзистора с n-p каналами

Как подключить

Все зависит от того, каким именно образом полевой транзистор будет включаться в усилительный каскад. Таких способа есть три:

  • С общим истоком;
  • С общим стоком;
  • С общим затвором.
Схемы включения полевого электротранзистора в цепи

Их различия заключаются в том, что они используют различные электроды подаются питающим напряжением и к каким электроцепям присоединен источник сигнала и нагрузка для него.

Общий исток наиболее часто используется для достижения максимального усиления сигнала входа. Общий сток используется для устройств согласования, потому что усиление там используется небольшое, но сигналы входа и выхода аналогичны по фазе. Схема с общим затвором применяется чаще всего в усилителях высокой частоты. При таком способе подключения полоса пропускания намного шире, чем в других способах.

Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа

Таким образом, полевой транзистор это очень важный полупроводниковый радиоэлемент, который способен управлять сопротивлением канала электротока путем воздействия на него поперечного электрического поля, создаваемого напряжением затвора.

Транзистор полевой

В современной цифровой электронике, транзисторы работают, как правило — в ключевом (импульсном) режиме: открыт-закрыт. Для таких режимов оптимально подходят – полевые транзисторы. Название «полевой» происходит от «электрическое поле». Это значит, что они управляются полем, которое образует напряжение, приложенное к управляющему электроду. Другое их название – униполярный транзистор. Так подчеркивается, что используются только одного типа носители заряда (электроны или дырки), в отличии от классического биполярного транзистора. «Полевики» по типу проводимости канала и типу носителей бывают двух видов: n-канальный – носители электроны и p-канальный – носители дырки. Транзистор имеет три вывода: исток, сток, затвор.

исток (source) — электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, источник носителей. В традиционной схеме включения, цепь истока n-канального транзистора подключается к минусу питания, p-канального — к плюсу питания.

сток (drain) — электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда. В традиционной схеме включения, цепь стока n-канального транзистора подключается к плюсу питания, p-канального — к минусу питания.

затвор (gate) —  управляющий электрод, регулирует поперечное сечения канала и соответственно ток протекающий через канал. Управление происходит напряжением между затвором и истоком – Vgs.

Полевые транзисторы бывают двух основных видов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. С изолированным затвором делятся на: с встроенным и индуцированным каналом. На рис.1  изображены типы полевых транзисторов и их обозначения на схемах.

Рис.1. Типы полевых транзисторов и их схематическое обозначение. 

«Полевик» с изолированным затвором и индуцированным каналом

Нас интересуют транзисторы Q5 и Q6. Именно они используются в цифровой и силовой электронике. Это полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Их называют МОП (метал-оксид-полупроводник) или МДП (метал-диэлектрик-полупроводник) транзисторами. Английское название MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Таким названием подчеркивается, что затвор отделен слоем диэлектрика от проводящего канала. Жаргонные названия: «полевик», «мосфет», «ключ».

Индуцированный канал — означает, что проводимость в нем появляется, канал индуцируется носителями (открывается транзистор) только при подаче напряжения на затвор. В отличии от транзисторов Q3 и Q4 которые тоже МОП транзисторы, но со встроеным каналом, канал всегда открыт, даже при нулевом напряжении на затворе. Схематически, разница между этими двумя типами транзисторов на схемах обозначается сплошной (встроенный) или пунктирной (индуцированный) линией канала. Другое название индуцированного канала – обогащенный, встроенного – обеднённый.

Обратный диод

Технология изготовления МОП транзисторов такова, что образуются некоторые паразитные элементы, в частности биполярный транзистор, включенный параллельно силовым выводам. См. рис.2. Он оказывает негативное влияние на характеристики транзистора, поэтому технологической перемычкой замыкают вывод истока с подложкой (замыкают переход: база-эмиттер, паразитного транзистора), а оставшийся переход: коллектор-база, образует диод, включенный параллельно стоку-истоку, в направлении обратном протеканию тока (в классической схеме включения). Параметры этого диода производители уже могут контролировать, поэтому он не оказывает существенного влияния на работу транзистора. И даже наоборот, его наличие специально используется в некоторых схематических решениях.

Именно этот диод (стабилитрон) обозначается на схематическом изображении МОП транзистора, а технологическая перемычка показана стрелкой соединенной с истоком. Существуют и транзисторы без технологической перемычки, на их условном обозначения нет стрелкой.

В зависимости от модели транзистора, диод может быть, как и штатный – паразитный, низкочастотный, так и специально добавленный, с заданными характеристиками (высокочастотный или стабилитрон). Это указывается в документации к транзистору.

Рис.2. Паразитные элементы в составе полевого транзистора. 

 Основные преимущества MOSFET 

  • меньшее потребление, высокий КПД. Транзисторы управляются напряжением, и в статике не потребляют ток управления.
  • простая схема управления.  Схемы управления напряжением более просты, чем схемы управления током.
  • высокая скорость переключения. Отсутствуют неосновные носители. Следовательно не тратится время на их рассасывание. Частота работы сотни и тысячи килогерц
  • повышеная теплоустойчивость. С ростом температуры растет сопротивление канала, следовательно понижается ток, а это приводит к понижению температуры. Происходит саморегуляция.

Основные характеристики MOSFET

  • Vds(max) – максимальное напряжение сток-исток в закрытом состоянии транзистора
  • Rds(on) – активное сопротивление канала в открытом состоянии транзистора. Этот параметр указывают для определенных значений Vgs 10В или 4.5В  или 2.5 В при которых сопротивление становится минимальным.
  • Vgs(th) –  пороговое напряжение при котором транзистор начнет открываться. 
  • Ids – максимальный постоянный ток через транзистор.
  • Ids(Imp) – импульсный (кратковременный) ток, который выдерживает транзистор.
  • Ciss, Crss, Coss – емкость затвор-исток (input), затвор-сток (reverse), сток-исток(output).
  • Qg – заряд который необходимо передать затвору для переключения.
  • Vgs(max) – максимальное допустимое напряжение затвор-исток.
  • t(on), t(of) – время переключения транзистора.
  • характеристики обратного диода сток-исток ( максимальный ток, падение напряжения, время восстановление)

Что еще нужно знать про полевой транзистор?

P-канальные транзисторы имеют хуже характеристики чем N-канальные. Меньше рабочая частота, больше сопротивление, больше площадь кристалла. Они реже используются и выпускаются в меньшем ассортименте. 

МОП транзистор — потенциальный прибор и управляется напряжением (потенциалом), затвор отделен слоем диэлектрика , по сути это конденсатор и через него не протекает постоянный ток, поэтому он не потребляет ток управления в статике, но во время переключения требуется приличный ток для заряда-разряда емкости.

МОП транзистор имеет хоть и не большое, но активное сопротивление в открытом состоянии Rds. Это сопротивление уменьшается с ростом отпирающего напряжения и становится минимальным при определенном напряжении затвор-исток, 4.5В или 10В. По сути – это резистор, сопротивление которого управляется напряжением Vgs.

Vgs – управляющее напряжение, Vg-Vs. Если измерять относительно общего минуса, то: для n канального Vgs>0, для p канального Vgs<0 (красный провод вольтметра на затвор, черный на исток). У силовых транзисторов управляющее напряжение, при котором будет минимальное сопротивление – 10 вольт и больше. У низковольтных «полевиков», которые управляются логическими уровнями микросхем, оно составляет 4.5 вольт или 2.5В , для разных транзисторов. Общее правило: чем выше напряжение – тем транзистор лучше откроется, но это напряжение не должно превышать масимально допустимого Vgs(max).

Схема включения MOSFET

Традиционная, классическая схема включения «мосфет», работающего в режиме ключа (открыт-закрыт), приведена на рис 3. Это схема, с общим истоком. Она наиболее распространена, легка в реализации и имеет самый простой способ управления транзистором. 

Нагрузку включают в цепь стока. Встроенный диод, оказывается включенным в обратном направлении и ток через него не протекает.  

Для n-канального: исток на землю, сток через нагрузку к плюсу. Тогда для его открытия, на  затвор нужно подать положительное напряжение, подтянуть к плюсу питания. При работе от ШИМ (широтно импульсный модулятор), открывать его будет положительный импульс. 

Для p-канального: исток на плюс питания, сток через нагрузку на землю. Тогда для его открытия, на затвор нужно подать отрицательное напряжение, подтянуть к минусу питания (земле). При управлении от ШИМ, открывающим будет – отрицательный импульс (отсутствие импульса).

Рис. 3. Классическая схема включения MOSFET в ключевом режиме.

МОП транзистор, в открытом состоянии, будет пропускать ток как от истока к стоку, так и от стока к истоку. Также и нагрузку можно включать как в цепь стока, так и истока. Но при «нестандартном» включении, усложняется управление транзистором, так для n-канального может потребоваться, напряжение выше питания, а для p-канального – отрицательное напряжение ниже земли (двухполярное питание).

МОП транзисторы, используемые в цифровой электронике, делятся на два типа. 

  1. Мощные силовые – используются в импульсных преобразователях напряжения и в цепях питания. 
  2. Транзисторы логического уровня – используются как ключи, коммутируют различные сигналы и управляются микросхемами.

Транзисторы бывают в разных корпусах, с разным количеством выводов, часто в одном корпусе объединяют два транзистора.

Отличие полевого транзистора от биполярного. Сфера их применения

Здравствуйте, дорогие читатели. В данной статье рассмотрим отличие полевого транзистора от биполярного, узнаем в каких сферах применяются и те, и другие транзисторы.

И так, начнём…

Среди полупроводниковых приборов существуют две большие группы, в состав которых входят полевые и биполярные транзисторы. Они широко используются в электронике и радиотехнике в качестве генераторов, усилителей и преобразователей электрических сигналов. Чтобы понять, в чем основное различие этих устройств, необходимо рассмотреть их более подробно.

Отличие полевого транзистора от биполярного

   Отличие полевого транзистора от биполярного

Биполярные транзисторы

Проводящая область конструкции состоит из трёх «спаянных» полупроводниковых частей, с чередованием по типу проводимости. Полупроводник с донорной (электронной) проводимостью обозначается как n-тип, с акцепторной (дырочной) – p-тип. Таким образом, мы можем наблюдать только два варианта чередования – p-n-p, либо n-p-n. По этому признаку различают биполярные транзисторы с n-p-n и p-n-p структурой.

Общая часть транзисторного кристалла, контактирующая с двумя другими, называется «база». Две другие – «коллектор» и «эмиттер». Степень насыщенности базы носителями заряда (электронами или электронными вакансиями «дырками») определяет степень проводимости всего кристалла транзистора. Таким образом, осуществляется управление проводимостью переходов транзистора, что позволяет использовать его в качестве элемента усиления мощности сигнала, или ключа.

Полевые транзисторы

Проводящая часть конструкции представляет собой полупроводниковый канал p- или n-типа в металле. Ток нагрузки протекает по каналу через электроды, называемые «стоком» и «истоком». Величина сечения проводящего канала и его сопротивление зависит от обратного напряжения на p-n переходе границы металла и полупроводника канала. Управляющий электрод, соединённый с металлической областью называется «затвор».

Канал полевого транзистора может иметь электрическую связь с металлом затвора — неизолированный затвор, а может быть и отделён от него тонким слоем диэлектрика — изолированный затвор.

Какие транзисторы лучше полевые или биполярные?

И так, мы узнали, что главное отличие этих двух видов транзисторов в управление. Давайте рассмотрим прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

  • высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление
  • высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей)
  • почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая проходная ёмкость поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных
  • квадратичность вольт — амперной характеристики (аналогична триоду)
  • высокая температурная стабильность
  • малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»
  • малое потребление мощности

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.

Виды транзисторов

   Отличие полевого транзистора от биполярного

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.

Ток или поле, управление транзисторами

Большинству людей, так или иначе имеющими дело 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.

Разная реакция на нагрев

У биполярных транзисторов температурный коэффициент сопротивления коллектор-эмиттер отрицательный (т. е. с ростом температуры сопротивление уменьшается и ток коллектор — эмиттер растет). У полевых транзисторов все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный (с ростом температуры сопротивление растет, и ток сток-исток уменьшается).

Важное следствие из этого факта — если биполярные транзисторы нельзя просто так включать параллельно (с целью умощнения), без токовыравнивающих резисторов в цепи эмиттера, то с полевыми все намного проще — благодаря автобалансировке тока сток-исток при изменении нагрузки/нагрева — их можно свободно включать параллельно без выравнивающих резисторов. Это связано с температурными свойствами p-n перехода и простого полупроводника p- или n-типа. По этой причине у полевых транзисторов гораздо реже случается необратимый выходной тепловой пробой, чем у биполярных.

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.

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, почему?

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.

Видео, отличие полевого транзистора от биполярного

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Что такое транзистор? — Эмиттер, база и коллектор

Определение: Слово «транзистор» состоит из двух слов: одно — « Trans fer», а другое — «Var istor ». Это подразумевает, что устройство, которое передает сопротивление от одного канала схемы к другому, называется транзистором. Это трехконтактное устройство , управляемое током , которое может работать либо как переключатель , либо как усилитель , обеспечивая слабое напряжение сигнала.Это один из важных видов активных устройств.

Значение и история транзистора

Вы должно быть думаете, зачем нужен транзистор ???

Позвольте мне объяснить это с помощью истории. В начале 20–900–23–-го века, когда был изобретен вакуумный триод, он считался значительным достижением в области электроники. Это потому, что такие устройства, как компьютеры, были полностью основаны на них.

Но проблема началась с их размером, который может охватить всю комнату.Теперь вы можете представить, что будет, если вся комната будет состоять из единой системы обработки. Очевидно, что работать с ним — процесс громоздкий.

К счастью, в современном мире у нас есть компактная система обработки. Но все это стало возможным с изобретением транзистора. В 1947 , Джон Бардин вместе с Уильямом Шокли и Браттейном изобрели транзистор. Последствия очевидны. Теперь все вычислительные устройства доступны в небольших размерах, которые мы можем легко носить с собой куда угодно.

Строительство

Обсудим конструктивные особенности транзистора, как устроено это трехконтактное устройство. Диод — это устройство с двумя выводами, поэтому, если мы объединим два диода при условии, что один вывод является общим, полученное устройство будет состоять из трех выводов.

PNP transistor

Так устроен транзистор. Мы можем использовать либо сэндвич-слой полупроводника P-типа между двумя полупроводниками N-типа, либо сэндвич-слой N-типа между двумя образцами полупроводника P-типа.Транзистор, сформированный в первом случае, будет иметь вид NPN-транзистора , а сформированный во втором случае — PNP-транзистор.

Три терминала имеют следующие конкретные имена: —

  1. Излучатель
  2. База
  3. Коллектор

Мы обсудим функции этих трех выводов в работе транзистора.

Транзистор является полупроводниковым устройством, поэтому полупроводниковый материал, используемый в его конструкции, может быть либо германием, , либо кремнием , , но кремний предпочтительнее германия, поскольку он имеет на меньший ток отсечки.

Работа транзистора

Транзистор в своем названии предполагает переходное сопротивление от одного канала к другому. Таким образом, имеется три вывода транзистора, то есть база, эмиттер и коллектор. Таким образом, имеется два перехода транзисторов. Один — это переход эмиттер-база, а другой — переход коллектор-база. Я намерен объяснить работу транзистора с помощью этих важнейших параметров.

Depletion Region

Прежде чем я углублюсь в рабочие детали транзистора, давайте разберемся с этими тремя важными выводами транзистора и их характеристиками.

  1. Эмиттер: Вывод эмиттера — это сильно легированная область по сравнению с двумя базой и коллектором. Это связано с тем, что работа эмиттера заключается в подаче носителя заряда в коллектор через базу. Размер эмиттера больше базы, но меньше коллектора.
  2. База: Размер области базы крайне мал, она меньше эмиттера и коллектора. Размер базы всегда остается небольшим, так что носители заряда, выходящие из эмиттера и входящие в базу, не рекомбинируют в области базы и будут направлены в область коллектора.Интенсивность легирования базы также меньше, чем у эмиттера и коллектора по той же причине, о которой говорилось выше.
  3. Коллектор: Коллекторный вывод умеренно легирован, а размер коллекторной области немного больше, чем размер эмиттерной, потому что все носители заряда, выходящие из эмиттера, рекомбинируют в основании, и в этом процессе выделяется тепло. Таким образом, необходимо, чтобы вывод коллектора был достаточно большим, чтобы он мог рассеивать тепло и устройство не могло перегореть.

Несмещенный транзистор

Рассмотрим несмещенный NPN-транзистор. Несмещенный означает, что он не снабжен каким-либо внешним источником напряжения. В этом состоянии основные носители заряда в эмиттерной области будут двигаться в сторону базовой области.

NPN Transistor

Из-за умеренного легирования и небольшого размера клеммы базы только 5-10% носителей заряда, попадающих в базу, будут рекомбинировать. Обратите внимание, что мы рассматривали транзистор NPN, поэтому основными носителями заряда в эмиттере будут электроны.

Таким образом, только несколько электронов рекомбинируют у базы, а остальные начнут двигаться к коллектору. Таким образом, 90-95% электронов, испускаемых эмиттером, рекомбинируют с дырками в области коллектора. Это движение электрона и дырок в цепи приводит к генерации тока.

В основном транзисторы работают в трех регионах, а именно:

  1. Активная область: Эта область используется для работы усилителя.
  2. Область насыщения: В этой области транзистор работает, когда нам требуется операция переключения. В этой области транзистор действует как переключатель ВКЛ.
  3. Область отсечки: В этом транзисторе работает как замкнутый переключатель.

Преимущества использования транзисторов

  1. Компактный Размер: Эти небольшие транзисторы положили начало разработке компактных процессоров. Нам больше не нужно работать с компьютерами на электронных лампах больших размеров.Все благодаря изобретателям транзисторов.
  2. Легкий вес: Транзистор полностью упакован в один корпус с радиатором и тремя выводами. Весь этот корпус чрезвычайно легкий, что увеличивает преимущество транзистора и делает его портативным устройством.
  3. Высокая рабочая эффективность: Транзисторы обладают высокой рабочей эффективностью независимо от того, используем ли мы их в качестве усилителя, генератора или переключателя.
  4. Long Life: Он также обладает длительным сроком службы, что делает его надежным для различных применений, поскольку минимизирует эффекты старения.

Недостатки использования транзисторов

  1. Низкая рабочая частота: Имеет рабочую частоту только до определенных МГц. Это выводит его из лиги, когда дело доходит до высокочастотных приложений.
  2. Низкая рабочая температура: Существует пороговое значение температуры, при превышении которого транзистор может выйти из строя. Предел порога составляет 75ᵒC. Таким образом, мы не можем эксплуатировать его выше этого температурного диапазона.

У всего есть свои плюсы и минусы.Вы, должно быть, слышали это. Любое преимущество, которым обладает устройство, должно обладать определенными недостатками, хотя первое перевешивает второе. У транзисторов тоже есть определенные недостатки.

.

Открытый коллектор против открытого стока — Блог Digilent Inc.

transistors-snip В чем разница между Pmod OD1 и Pmod OC1 ? В чем разница между выходом с открытым стоком и выходом с открытым коллектором ? В чем разница между MOSFET (металлооксидный полевой транзистор) и BJT (биполярный транзистор)? Оказывается, это, по сути, один и тот же вопрос! Тем не менее, это может занять некоторое время, особенно если вы новичок в понимании различных транзисторных технологий.Чтобы найти ответ, мы начнем с последней версии вопроса и вернемся к первой.

Краткий обзор транзисторов

BJT и MOSFET — это два разных типа транзисторов. У них схожие функции, но разные характеристики. С точки зрения функциональности, они оба могут использоваться как усилители или переключатели. Как усилители, они принимают небольшой ток на одном конце и вырабатывают гораздо больший ток на другом конце. Это особенно полезно в аналоговых схемах, где транзисторы составляют основу таких компонентов, как операционные усилители.

В качестве переключателей небольшой ток через одну часть транзистора может включать больший ток через другую его часть. Другими словами, транзистор может находиться в двух различных состояниях и представлять два разных значения; 0 или 1, выключено или включено. Это особенно полезно в цифровых схемах и является основой работы всех компьютерных микросхем.

Все транзисторы сделаны из кремния, электрически нейтрального химического элемента, определенного как полупроводник , что означает, что он не является ни сильным проводником электричества, ни отличным изолятором.Что такого полезного в кремнии, так это то, что его поведение можно изменить известным способом, добавив примеси, с помощью процесса, называемого «легирование». Если кремний легирован определенными химическими веществами, он получает дополнительные «свободные» электроны и может легче переносить электрический ток. Этот тип кремния известен как n-тип или отрицательный тип.

Можно сделать и обратное, создав p-типа или положительного типа, который имеет меньше свободных электронов и часто описывается как имеющий дырок там, где должны находиться электроны.Обратите внимание, однако, что кремний n-типа или p-типа не заряжен электрически. Следовательно, их можно соединить вместе, и электроны и дырки не начнут пересекать n-p переход, пока не будет приложен электрический ток (BJT) или напряжение (MOSFET). Различные конфигурации кремния n-типа и p-типа — вот что приводит к разнице между BJT и MOSFET.

БЮЦ

Биполярные транзисторы (BJT) — это токовые устройства , которые бывают двух типов: NPN и PNP.Как следует из названия, NPN BJT имеют два слоя кремния n-типа, окружающие один слой кремния p-типа (и наоборот для PNP). У каждого слоя есть определенное имя: эмиттер, база и коллектор. См. Рисунок 1.

bjt-circuit-drawing-with-white-background Рис. 1. Две разные конфигурации биполярного транзистора (BJT).

Принципы работы каждого типа BJT практически идентичны; Функциональное отличие заключается в основном в смещении переходов. Например, когда на базу NPN-транзистора подается положительное смещение, устройство включается, и ток течет от эмиттера к коллектору.Также известный как переключатель нижнего уровня, эмиттер подключается к GND , а коллектор подключается к нагрузке. Напротив, когда к базе транзистора PNP прикладывается отрицательное смещение (или 0 В / GND), устройство включается, и ток течет от коллектора к эмиттеру в противоположном направлении от устройства NPN. Также известный как переключатель высокого напряжения, эмиттер подключается к источнику напряжения , а коллектор подключается к нагрузке.

bjt-drawing-with-white-background Рис. 2. Изображение BJT с контактами, обозначенными E для эмиттера, B для базы и C для коллектора.

С точки зрения плюсов и минусов, BJT удобны для управления маломощными светодиодами и аналогичными устройствами от обычных микроконтроллеров, которые могут выдавать постоянное напряжение только 5 В, таких как chipKIT и Arduino. Полевые МОП-транзисторы логического уровня можно использовать таким же образом, но, как правило, они дороже и их труднее найти, чем стандартные МОП-транзисторы, для включения которых требуется 10 В или более. BJT также переключаются быстрее, чем MOSFET, поэтому они хороши для высокочастотных приложений, однако они менее энергоэффективны, поэтому не всегда являются отличным выбором для приложений с батарейным питанием, где нагрузка переменная.

Для получения дополнительной информации о теории, лежащей в основе BJT, см. Ссылку по ссылке , а для получения поучительной анимации перейдите по ссылке , здесь .

МОП-транзисторы

Металлооксидные полевые транзисторы (MOSFET) — это управляемые напряжением устройства и похожи на BJT в том, что у них есть три разных вывода: исток (аналог эмиттера), сток (аналог коллектора) , и ворота (аналог основания).Как и BJT, полевые МОП-транзисторы состоят из кремния n-типа и p-типа, но они устроены несколько иначе. См. Рисунок 3.

mosfet-transistor-drawing-with-white-background Рис. 3. Конфигурация секций n-типа и p-типа полевого МОП-транзистора.

Существует несколько подкатегорий полевых МОП-транзисторов, но я упомяну две подкатегории: N-канал и P-канал . Разница между ними заключается в приложенном напряжении и типе носителя заряда, ответственного за протекание тока. Для N-канального MOSFET источник подключается к земле , и устройство активируется путем подачи положительного напряжения на затвор .Это создает электрическое поле, «полевой эффект», и позволяет электронам течь по тонкому каналу от истока к стоку. Для P-канального MOSFET источник подключается к Vcc , и устройство активируется путем подключения затвора к земле . Здесь носителями заряда выступают дырки, а не электроны. Чаще всего используются МОП-транзисторы N-типа.

Примечание. Поскольку через полевой МОП-транзистор проходит только один тип заряда (электронный или дырочный), они являются «униполярными» транзисторами в отличие от биполярных транзисторов, которые позволяют обоим типам зарядов проходить через переходы NP / PN.

mosfet-drawing-with-white-background Рис. 4. МОП-транзистор, показывающий выводы истока, стока и затвора, в отличие от выводов эмиттера, коллектора и базы BJT.

Что касается плюсов и минусов, полевые МОП-транзисторы имеют бесконечно высокое входное сопротивление, что делает их полезными в усилителях мощности. Они также более энергоэффективны, чем BJT, и более устойчивы к нагреванию. Хотя биполярные транзисторы могут переключаться быстрее, полевые МОП-транзисторы по-прежнему достаточно быстры для приложений с частотой менее 1 МГц и сегодня являются наиболее часто используемыми транзисторами. В общем, вы можете думать, что высокий входной импеданс и низкое энергопотребление = MOSFET, а работа на очень высоких частотах и ​​возможность высокого тока привода = BJT.

Дополнительные сведения о полевых МОП-транзисторах см. В этой статье.

В чем разница между выходом с открытым стоком и выходом с открытым коллектором?

Я уверен, что после прочтения вышеперечисленных разделов вы догадались, как ответить на эту версию вопроса. Если вы сказали, что разница между MOSFET и BJT, вы были бы правы! Выходной вывод с открытым стоком или открытым коллектором — это просто вывод, управляемый одним транзистором, MOSFET или BJT соответственно. С точки зрения использования, ответ отражает приведенное выше обсуждение плюсов и минусов самих MOSFET и BJT.Конечно, их также можно комбинировать, чтобы создать очень интересные схемы, используя сильные стороны каждой.

В чем разница между Pmod OD1 и Pmod OC1?

Наконец, мы подошли к последней форме вопроса, и снова ответ теперь очевиден. Pmod OD1 — это модуль вывода с открытым стоком с четырьмя выходными контактами с открытым стоком, каждый из которых управляется N-канальным MOSFET. Pmod OC1 — это модуль с открытым коллектором с четырьмя выходными контактами с открытым коллектором, каждый из которых управляется NPN BJT.Оба модуля используются для потребления более высокого тока, чем могут обеспечить контакты на вашем Digilent FPGA или микроконтроллере.

pmod-od1-vs-pmod-oc1 Рисунок 5. Pmod OD1 слева и Pmod OC1 справа.

Pmod OC1 был разработан для управления устройствами с чуть более высоким током при 200 мА, такими как небольшая лампа или реле, и имеет более высокий рейтинг ESD, чем Pmod OD1. Поэтому он особенно прочен и подходит для студентов, которые учатся использовать эту схему. Он рассчитан на напряжение до 20 В. Pmod OD1 имеет винтовые клеммы на каждом штыре и был разработан специально для привода шаговых двигателей.Однако он также может использоваться для многих других приложений с высоким током до 3 А. Он рассчитан на напряжение до 40 В.

Для получения дополнительной информации о Pmod OD1 или Pmod OC1 посетите Digilent wiki или оставьте комментарий ниже!

Список литературы

Как использовать MOSFET — Учебное пособие для начинающих

Как использовать биполярный переходной транзистор BJT — Урок для начинающих

Как работают транзисторы

Основы: Выходы с открытым коллектором

Разница между BJT и MOSFET

Открытый коллектор — Википедия

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.