Thể loại: Bài viết nổi bật » Điện tử thực hành
Số lượt xem: 174.150
Bình luận về bài viết: 6
Transitor hiệu ứng trường: nguyên lý hoạt động, mạch, chế độ hoạt động và mô hình hóa
Chúng tôi đã xem xét thiết bị của bóng bán dẫn lưỡng cực và công việc của họBây giờ hãy tìm hiểu các bóng bán dẫn hiệu ứng trường là gì. Transitor hiệu ứng trường là rất phổ biến trong cả mạch cũ và hiện đại. Ngày nay, các thiết bị có cổng cách điện được sử dụng ở mức độ lớn hơn, chúng ta sẽ nói về các loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường và các tính năng của chúng ngày nay. Trong bài viết, tôi sẽ so sánh với các bóng bán dẫn lưỡng cực ở những nơi riêng biệt.
Định nghĩa
Transitor hiệu ứng trường là một khóa bán dẫn có thể điều khiển hoàn toàn bằng điện trường. Đây là sự khác biệt chính từ quan điểm thực hành từ các bóng bán dẫn lưỡng cực, được điều khiển bởi dòng điện. Một điện trường được tạo ra bởi một điện áp đặt vào cổng so với nguồn. Cực tính của điện áp điều khiển phụ thuộc vào loại kênh bán dẫn. Có một sự tương tự tốt với các ống chân không điện tử.
Một tên khác cho bóng bán dẫn hiệu ứng trường là đơn cực. "UNO" có nghĩa là một. Trong các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, tùy thuộc vào loại kênh, dòng điện chỉ được thực hiện bởi một loại sóng mang bởi các lỗ hoặc electron. Trong các bóng bán dẫn lưỡng cực, dòng điện được hình thành từ hai loại chất mang điện tích - electron và lỗ trống, bất kể loại thiết bị nào. Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường trong trường hợp chung có thể được chia thành:
-
bóng bán dẫn với một ngã ba điều khiển pn;
-
bóng bán dẫn cổng cách điện.
Cả hai đều có thể là kênh n và kênh p, điện áp điều khiển dương phải được đặt vào cổng của cổng trước để mở khóa và đối với cổng sau, âm đối với nguồn.
Tất cả các loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường có ba đầu ra (đôi khi là 4, nhưng hiếm khi, tôi chỉ gặp ở Liên Xô và nó được kết nối với vỏ máy).
1. Nguồn (nguồn sóng mang, cực phát cực lưỡng cực).
2. Stoke (một nguồn mang điện tích từ nguồn, một chất tương tự của bộ thu của bóng bán dẫn lưỡng cực).
3. Màn trập (điện cực điều khiển, tương tự lưới điện trên đèn và đế trên bóng bán dẫn lưỡng cực).
Transitor PN Transitor
Các bóng bán dẫn bao gồm các lĩnh vực sau:
1. Kênh;
2. Cổ phiếu;
3. Nguồn;
4. Màn trập.
Trong hình ảnh bạn thấy một cấu trúc sơ đồ của một bóng bán dẫn như vậy, các phát hiện được kết nối với các phần kim loại của cổng, nguồn và cống. Trong một mạch cụ thể (đây là thiết bị kênh p), cổng là lớp n, có điện trở suất thấp hơn vùng kênh (lớp p) và vùng tiếp giáp p-n nằm ở vùng p hơn vì lý do này.
Chỉ định đồ họa có điều kiện:
a - loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường loại n, loại b - loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường loại p
Để dễ nhớ hơn, hãy nhớ chỉ định của diode, trong đó mũi tên chỉ từ vùng p đến vùng n. Ở đây cũng vậy.
Trạng thái đầu tiên là áp dụng điện áp bên ngoài.
Nếu một điện áp được đặt vào một bóng bán dẫn như vậy, nó cộng với cống và trừ vào nguồn, một dòng điện lớn sẽ chạy qua nó, nó sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở kênh, điện trở ngoài và điện trở trong của nguồn điện. Bạn có thể vẽ một sự tương tự với một phím thường đóng. Dòng điện này được gọi là Istart hoặc dòng thoát ban đầu tại Us = 0.
Một bóng bán dẫn hiệu ứng trường với điều khiển tiếp giáp pn, không có điện áp điều khiển được áp dụng cho cổng, càng mở càng tốt.
Điện áp đến cống và nguồn được áp dụng theo cách này:
Các hãng mang điện chính được giới thiệu thông qua các nguồn!
Điều này có nghĩa là nếu bóng bán dẫn là kênh p, thì đầu ra dương của nguồn điện được kết nối với nguồn, bởi vì các sóng mang chính là các lỗ (sóng mang điện tích dương) - đây được gọi là độ dẫn lỗ.Nếu bóng bán dẫn kênh n được kết nối với nguồn, đầu ra âm của nguồn điện, bởi vì trong đó, các hạt mang điện chính là các electron (hạt mang điện tích âm).
Nguồn là nguồn của các hạt mang điện chính.
Dưới đây là kết quả của mô hình hóa một tình huống như vậy. Bên trái là kênh p và bên phải là bóng bán dẫn kênh n.
Trạng thái thứ hai - đặt điện áp vào màn trập
Khi một điện áp dương được đặt vào cổng so với nguồn (Us) cho kênh p và âm cho kênh n, nó sẽ dịch chuyển theo hướng ngược lại, vùng tiếp giáp p-n mở rộng về phía kênh. Kết quả là chiều rộng kênh giảm, dòng điện giảm. Điện áp cổng tại đó dòng điện qua phím dừng chảy được gọi là điện áp cắt.
Chìa khóa bắt đầu đóng lại.
Điện áp cắt đạt được và khóa được đóng hoàn toàn. Hình ảnh với kết quả mô phỏng cho thấy trạng thái như vậy đối với các phím p-channel (trái) và n-channel (phải). Nhân tiện, trong tiếng Anh, một bóng bán dẫn như vậy được gọi là JFE.
Chế độ hoạt động
Chế độ hoạt động của bóng bán dẫn với điện áp U có thể là 0 hoặc ngược lại. Do điện áp ngược, bạn có thể "che bóng bán dẫn", được sử dụng trong các bộ khuếch đại loại A và các mạch khác khi cần điều chỉnh trơn tru.
Chế độ cắt xảy ra khi mức cắt Uzi = U cho mỗi bóng bán dẫn thì khác nhau, nhưng trong mọi trường hợp, nó được áp dụng theo hướng ngược lại.
Đặc điểm, CVC
Một đặc tính đầu ra là một biểu đồ mô tả sự phụ thuộc của dòng thoát vào Uci (áp dụng cho các cực của cống và nguồn) ở các điện áp cổng khác nhau.
Có thể chia thành ba khu vực. Lúc đầu (ở phía bên trái của biểu đồ) chúng ta thấy vùng ohmic - trong khoảng thời gian này, bóng bán dẫn hoạt động giống như một điện trở, dòng điện tăng gần như tuyến tính, đạt đến một mức nhất định, đi vào vùng bão hòa (ở trung tâm của biểu đồ).
Trong phần bên phải của biểu đồ, chúng ta thấy rằng dòng điện bắt đầu tăng trở lại, đây là khu vực sự cố, ở đây không nên sử dụng bóng bán dẫn. Nhánh trên cùng được hiển thị trong hình là dòng điện ở mức 0 Us, chúng tôi thấy rằng dòng điện ở đây là lớn nhất.
Điện áp Uzi càng cao, dòng thoát càng thấp. Mỗi nhánh khác nhau 0,5 volt ở cổng. Những gì chúng tôi xác nhận bằng mô hình.
Đặc điểm cửa cống, tức là sự phụ thuộc của dòng xả vào điện áp cổng ở cùng một điện áp nguồn thoát (trong ví dụ 10V này), ở đây cường độ lưới cũng là 0,5V, một lần nữa chúng ta thấy rằng điện áp Uzi càng gần 0 thì dòng thoát càng lớn.
Trong các bóng bán dẫn lưỡng cực, có một tham số như hệ số truyền hoặc mức tăng hiện tại, nó được ký hiệu là B hoặc H21e hoặc Hfe. Trong trường, độ dốc được sử dụng để hiển thị khả năng tăng điện áp. Nó được biểu thị bằng chữ S
S = dIc / dU
Đó là, độ dốc cho thấy có bao nhiêu milliamp (hoặc ampe) dòng thoát phát triển với sự tăng điện áp nguồn cổng bằng số volt với điện áp nguồn không thay đổi. Nó có thể được tính toán trên cơ sở đặc tính cổng-cổng, trong ví dụ trên, độ dốc khoảng 8 mA / V.
Đề án chuyển đổi
Giống như các bóng bán dẫn lưỡng cực, có ba sơ đồ nối dây điển hình:
1. Với một nguồn chung (a). Nó được sử dụng thường xuyên nhất, mang lại lợi ích trong hiện tại và sức mạnh.
2. Với một màn trập chung (b). Hiếm khi sử dụng, trở kháng đầu vào thấp, không đạt được.
3. Với tổng cống (c). Độ tăng điện áp gần bằng 1, trở kháng đầu vào lớn và trở kháng đầu ra thấp. Một tên khác là một người theo dõi nguồn.
Tính năng, ưu điểm, nhược điểm
-
Ưu điểm chính của bóng bán dẫn hiệu ứng trường trở kháng đầu vào cao. Điện trở đầu vào là tỷ lệ của dòng điện với điện áp nguồn cổng. Nguyên lý hoạt động nằm trong điều khiển sử dụng điện trường và nó được hình thành khi điện áp được áp dụng. Đó là bóng bán dẫn hiệu ứng trường.
-
Transitor hiệu ứng trường Thực tế không tiêu thụ dòng điện điều khiển, nó là giảm mất kiểm soát, méo tín hiệu, quá tải hiện tại của nguồn tín hiệu ...
-
Tần số trung bình Transitor hiệu ứng trường hoạt động tốt hơn so với lưỡng cực, điều này là do thực tế là cần ít thời gian hơn cho việc "tái hấp thu" các hạt mang điện trong các khu vực của một bóng bán dẫn lưỡng cực. Một số bóng bán dẫn lưỡng cực hiện đại thậm chí có thể vượt qua cả trường, điều này là do việc sử dụng các công nghệ tiên tiến hơn, làm giảm chiều rộng của cơ sở và hơn thế nữa.
-
Mức độ nhiễu thấp của các bóng bán dẫn hiệu ứng trường là do không có quá trình phun điện tích, như ở các cực lưỡng cực.
-
Ổn định với nhiệt độ.
-
Tiêu thụ điện năng thấp ở trạng thái dẫn điện - hiệu quả cao hơn của thiết bị của bạn.
Ví dụ đơn giản nhất về việc sử dụng trở kháng đầu vào cao là các thiết bị phù hợp để kết nối guitar điện âm với pick-up Piezo và guitar điện với pickups điện từ để đầu vào dòng có trở kháng đầu vào thấp.
Trở kháng đầu vào thấp có thể làm giảm tín hiệu đầu vào, làm biến dạng hình dạng của nó ở các mức độ khác nhau tùy thuộc vào tần số của tín hiệu. Điều này có nghĩa là bạn cần tránh điều này bằng cách giới thiệu một tầng với trở kháng đầu vào cao. Dưới đây là sơ đồ đơn giản nhất của một thiết bị như vậy. Thích hợp để kết nối guitar điện với đầu vào dòng của thẻ âm thanh của máy tính. Với nó, âm thanh sẽ trở nên sáng hơn, và âm sắc sẽ phong phú hơn.
Nhược điểm chính là các bóng bán dẫn như vậy sợ tĩnh. Bạn có thể lấy một phần tử bằng bàn tay điện của mình và nó sẽ ngay lập tức thất bại, đây là hậu quả của việc quản lý khóa bằng cách sử dụng trường. Họ được khuyến nghị làm việc với chúng trong găng tay điện môi, được kết nối thông qua một vòng đeo tay đặc biệt với mặt đất, với một que hàn điện áp thấp có đầu cách điện, và các dây dẫn bóng bán dẫn có thể được buộc bằng dây để đoản mạch trong quá trình lắp đặt.
Các thiết bị hiện đại thực tế không sợ điều này, bởi vì ở lối vào chúng, các thiết bị bảo vệ như điốt zener có thể được tích hợp, hoạt động khi vượt quá điện áp.
Đôi khi, đối với những người nghiệp dư vô tuyến mới bắt đầu, nỗi sợ hãi đạt đến mức vô lý, chẳng hạn như đặt mũ lá trên đầu. Tất cả mọi thứ được mô tả ở trên, mặc dù là bắt buộc, nhưng không tuân thủ bất kỳ điều kiện nào không đảm bảo cho sự thất bại của thiết bị.
Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường cách điện
Loại bóng bán dẫn này được sử dụng tích cực như một khóa điều khiển bán dẫn. Hơn nữa, chúng hoạt động thường xuyên nhất ở chế độ phím (hai vị trí trên phạm vi và trên phạm vi trực tiếp). Họ có một số tên:
1. Transitor MOS (kim loại bán dẫn điện môi).
2. Transitor MOS (chất bán dẫn oxit kim loại).
3. Transitor MOSFET (chất bán dẫn oxit kim loại).
Hãy nhớ rằng - đây chỉ là các biến thể của cùng một tên. Chất điện môi, hay còn gọi là oxit, đóng vai trò là chất cách điện cho cổng. Trong sơ đồ bên dưới, một chất cách điện được hiển thị giữa vùng n gần cửa trập và cửa trập ở dạng vùng trắng có chấm. Nó được làm từ silicon dioxide.
Chất điện môi loại bỏ tiếp xúc điện giữa điện cực cổng và chất nền. Không giống như tiếp giáp pn điều khiển, nó không hoạt động theo nguyên tắc mở rộng đường giao nhau và chồng lấp kênh, mà theo nguyên tắc thay đổi nồng độ chất mang điện tích trong chất bán dẫn dưới tác động của điện trường ngoài. MOSFE có hai loại:
1. Với kênh tích hợp.
2. Với kênh cảm ứng
Kênh tích hợp bóng bán dẫn
Trong sơ đồ, bạn thấy một bóng bán dẫn với một kênh tích hợp. Người ta có thể đoán từ đó rằng nguyên tắc hoạt động của nó giống như một bóng bán dẫn hiệu ứng trường với một tiếp giáp p-n điều khiển, tức là khi điện áp cổng bằng không, dòng điện chạy qua công tắc.
Gần nguồn và cống, hai vùng có hàm lượng chất mang tạp chất cao (n +) có độ dẫn tăng được tạo ra. Một chất nền là một cơ sở loại P (trong trường hợp này).
Xin lưu ý rằng tinh thể (chất nền) được kết nối với nguồn, nó được vẽ trên nhiều biểu tượng đồ họa thông thường.Khi điện áp cổng tăng, một trường điện ngang phát sinh trong kênh, nó sẽ đẩy các hạt mang điện (electron) và kênh đóng lại khi đạt đến giá trị ngưỡng U.
Chế độ hoạt động
Khi điện áp nguồn cổng âm được áp dụng, dòng xả giảm, bóng bán dẫn bắt đầu đóng - đây được gọi là chế độ nạc.
Khi một điện áp dương được đặt vào nguồn cổng, quá trình ngược lại xảy ra - các electron bị thu hút, dòng điện tăng. Đây là một chế độ làm giàu.
Tất cả những điều trên là đúng đối với các bóng bán dẫn MOS với kênh loại N tích hợp. Nếu kênh loại p thay thế tất cả các từ điện tử điện tử cơ bản với các lỗ trống, thì cực của điện áp bị đảo ngược.
Làm người mẫu
Transitor có kênh loại n tích hợp với điện áp cổng 0:
Chúng tôi áp dụng -1V cho màn trập. Hiện tại giảm 20 lần.
Theo bảng dữ liệu cho bóng bán dẫn này, chúng ta có điện áp nguồn ngưỡng ngưỡng trong vùng một volt và giá trị tiêu biểu của nó là 1,2 V, hãy kiểm tra điều này.
Hiện tại đã trở thành trong microamperes. Nếu bạn tăng điện áp thêm một chút, nó sẽ biến mất hoàn toàn.
Tôi đã chọn một bóng bán dẫn một cách ngẫu nhiên, và tôi đã bắt gặp một thiết bị khá nhạy cảm. Tôi sẽ cố gắng thay đổi cực tính của điện áp để cổng có tiềm năng dương, chúng tôi sẽ kiểm tra chế độ làm giàu.
Ở điện áp cổng 1 V, dòng điện tăng bốn lần, so với mức 0 V (hình đầu tiên trong phần này). Theo sau đó, không giống như các loại bóng bán dẫn và bóng bán dẫn lưỡng cực trước đây, nó có thể hoạt động cả để tăng dòng điện và giảm mà không cần thêm dây đai. Tuyên bố này rất thô lỗ, nhưng trong một xấp xỉ đầu tiên có quyền tồn tại.
Đặc điểm
Ở đây, mọi thứ gần giống như trong một bóng bán dẫn có sự chuyển đổi điều khiển, ngoại trừ sự hiện diện của chế độ làm giàu trong đặc tính đầu ra.
Về đặc tính cửa cống, có thể thấy rõ rằng điện áp âm làm cho chế độ cạn kiệt và đóng phím, và điện áp dương trên màn trập gây ra sự làm giàu và mở khóa lớn hơn.
Các bóng bán dẫn cảm ứng kênh
Các MOSFE có kênh cảm ứng không dẫn dòng khi không có điện áp trên cổng, hay đúng hơn là có dòng điện, nhưng nó cực kỳ nhỏ, bởi vì đây là dòng trở lại giữa chất nền và các khu vực hợp kim cao của cống và nguồn.
Transitor hiệu ứng trường với một cổng bị cô lập và kênh cảm ứng là một tương tự của một công tắc thường mở, dòng điện không chảy.
Trong sự hiện diện của một điện áp nguồn cổng, như chúng tôi xem xét loại n của kênh cảm ứng, điện áp là dương, sóng mang âm bị thu hút vào vùng cổng bởi tác động của trường.
Vì vậy, có một hành lang trên mạng vì các điện tử từ nguồn đến cống, vì vậy một kênh xuất hiện, bóng bán dẫn mở ra và dòng điện bắt đầu chảy qua nó. Chúng ta có chất nền loại p, những chất chính trong đó là các hạt mang điện tích dương (lỗ trống), có rất ít chất mang âm, nhưng dưới ảnh hưởng của trường chúng tách ra khỏi các nguyên tử của chúng và chuyển động của chúng bắt đầu. Do đó thiếu độ dẫn trong trường hợp không có điện áp.
Đặc điểm
Đặc tính đầu ra lặp lại chính xác cùng một sự khác biệt so với trước đó, chỉ có điều điện áp Uz trở nên dương.
Đặc tính cổng-cổng cho thấy điều tương tự, một lần nữa, sự khác biệt trong điện áp cổng.
Khi xem xét các đặc tính điện áp hiện tại, điều cực kỳ quan trọng là phải xem xét cẩn thận các giá trị được viết dọc theo các trục.
Làm người mẫu
Một điện áp 12 V được đặt vào phím và chúng ta có 0. Ở cổng, dòng điện không chạy qua bóng bán dẫn.
Thêm 1 volt vào cổng, nhưng dòng điện không nghĩ sẽ chảy ...
Thêm một volt, tôi thấy rằng dòng điện bắt đầu tăng từ 4v.
Thêm 1 Volt nữa, dòng điện tăng mạnh lên 1.129 A.
Bảng dữ liệu cho biết điện áp ngưỡng để mở bóng bán dẫn này trong một phần từ 2 đến 4 volt và tối đa trên cổng tới cổng từ -20 đến +20 V, việc tăng thêm điện áp không cho kết quả ở mức 20 volt (Tôi không vài milliamp Tôi nghĩ trong trường hợp này).
Điều này có nghĩa là bóng bán dẫn sẽ hoàn toàn mở, nếu nó không phải là dòng điện, dòng điện trong mạch này sẽ là 12/10 = 1,2 A. Sau đó tôi đã nghiên cứu cách thức hoạt động của bóng bán dẫn này và phát hiện ra rằng ở 4 volt nó bắt đầu mở.
Thêm 0,1V mỗi cái, tôi nhận thấy rằng cứ sau một phần mười volt, dòng điện phát triển ngày càng nhiều và với 4,6 volt thì bóng bán dẫn gần như mở hoàn toàn, sự khác biệt với điện áp cổng 20V trong dòng xả chỉ là 41 mA, ở mức 1.1 A vô nghĩa
Thí nghiệm này phản ánh thực tế rằng bóng bán dẫn có kênh cảm ứng chỉ mở khi đạt đến điện áp ngưỡng, cho phép nó hoạt động hoàn hảo như một chìa khóa trong các mạch xung. Trên thực tế, IRF740 là một trong những phổ biến nhất trong việc chuyển đổi nguồn cung cấp năng lượng.
Kết quả đo dòng điện cổng cho thấy các bóng bán dẫn hiệu ứng trường hầu như không tiêu thụ dòng điều khiển. Ở điện áp 4,6 volt, dòng điện chỉ còn 888 nA (nano !!!).
Ở điện áp 20V, nó là 3,55 μA (micro). Đối với một bóng bán dẫn lưỡng cực, nó sẽ ở mức 10 mA, tùy thuộc vào mức tăng, gấp hàng chục nghìn lần so với hiệu ứng trường.
Không phải tất cả các phím được mở bằng điện áp như vậy, điều này là do thiết kế và tính năng của mạch điện của các thiết bị nơi chúng được sử dụng.
Các tính năng của việc sử dụng các phím có màn trập cách điện
Hai dây dẫn, và giữa chúng là một chất điện môi - nó là gì? Đây là một bóng bán dẫn, bản thân cổng có điện dung ký sinh, nó làm chậm quá trình chuyển đổi bóng bán dẫn. Đây được gọi là Miller Plateau, nói chung, vấn đề này xứng đáng là một tài liệu nghiêm túc riêng biệt với mô hình chính xác, sử dụng phần mềm khác (tôi đã không kiểm tra tính năng này trong multisim).
Công suất xả tại thời điểm đầu tiên cần dòng sạc lớn và các thiết bị điều khiển hiếm (bộ điều khiển PWM và vi điều khiển) có đầu ra mạnh, vì vậy chúng sử dụng trình điều khiển cho cửa chớp trường, cả trong bóng bán dẫn hiệu ứng trường và trong IGBT (lưỡng cực với một màn trập bị cô lập). Đây là một bộ khuếch đại như vậy để chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành đầu ra có cường độ và cường độ dòng điện như vậy, đủ để bật và tắt bóng bán dẫn. Dòng điện tích cũng bị giới hạn bởi một điện trở được nối tiếp với cổng.
Đồng thời, một số cổng cũng có thể được điều khiển từ cổng vi điều khiển thông qua một điện trở (cùng IRF740). Chúng tôi đã chạm vào chủ đề này. trong chu trình vật liệu arduino.
Đồ họa có điều kiện
Chúng giống như các bóng bán dẫn hiệu ứng trường với một cổng điều khiển, nhưng khác ở trên UGO, như trong chính bóng bán dẫn, cổng được tách ra khỏi đế và mũi tên ở giữa chỉ ra loại kênh, nhưng được dẫn từ đế đến kênh, nếu đó là mosfet kênh n - về phía màn trập và ngược lại.
Đối với các phím có kênh cảm ứng:
Nó có thể trông như thế này:
Hãy chú ý đến tên tiếng Anh của các kết luận, chúng thường được chỉ định trên biểu dữ liệu và trên sơ đồ.
Đối với các khóa có kênh tích hợp:
Xem thêm tại electro-vi.tomathouse.com
: