Параметры полевых транзисторов: ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

12.4. Основные параметры полевых транзисторов

Параметры полевого транзистора отражают следующие зависимости.

1. Крутизна сток — затворной характеристики

. (12.1)

Физический смысл крутизны характеристики – она показывает, на сколько миллиампер изменяется ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В при неизменном напряжении на стоке. Вычислить Sможно по сток — затворной характеристике, непосредственно измеривICиUЗИ. У маломощных полевых транзисторовS= 0,1…20 мА/В, у мощных достигает единиц А/В.

2. Внутреннее сопротивление

. (12.2)

Внутреннее сопротивление определяется по выходной характеристике транзистора на участке от UСИ.НАСдоUСИ.макспо приращению тока стока и может составлять от нескольких десятков до сотен кОм.

3. Статический коэффициент усиления по напряжению

. (12.3)

При определении этого параметра берутся взаимно компенсирующие друг друга по действию на ток стока приращения напряжений UСИиUЗИ. Поскольку эти приращения противоположны по величине, вычисляется их отношение по модулю. Статический коэффициент усиления по напряжению показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе эффективнее воздействует на ток стока, чем изменение напряжения на стоке. Учитывая выражения (12.1) и (12.2) можно записать

. (12.4)

Этот коэффициент определяет потенциальные возможности полевого транзистора как усилителя напряжения, и может иметь значение до нескольких сотен.

4. Входное дифференциальное сопротивление при IC= 0

. (12.5)

Входное сопротивление может иметь значение от нескольких сотен кОм до нескольких МОм.

5. Дифференциальное сопротивление сток — затвор

. (12.5)

Этот параметр учитывает влияние напряжения стока на цепь затвора, и может иметь значение от нескольких сотен кОм до нескольких МОм.

В качестве предельных параметров полевых транзисторов выделяют следующие:

— максимально допустимое напряжение затвор-исток UЗИ.макс;

— максимально допустимое напряжение сток-исток UСИ.макс;

— максимально допустимый ток стока IC.макс;

— максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмакс.

12.5. Схемы включения полевого транзистора и их основные параметры

По аналогии с биполярным транзистором для полевого транзистора существуют схемы включения с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Рассмотрим эти схемы для транзистора с управляющим

p-nпереходом и каналомnтипа.

В зависимости от схемы включения полевого транзистора изменяются его параметры: коэффициент передачи по напряжению в режиме нагрузки KU, входноеrвхи выходноеrвыхсопротивление, сдвиг фазы усиливаемого сигнала. В таблице 12.1 представлены схемы включения транзистора и их основные параметры.

Таблица 12.1

Схемы включения полевого транзистора и их основные параметры

Параметр

Схема ОЗ

Схема ОИ

Схема ОС

KU

10…100

10…100

1

rвх

10…1000 Ом

105…106 Ом

1051010 Ом

rвых

107108 Ом

104106 Ом

10…1000

0

180

0

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются полевые и биполярные транзисторы?

2. По каким параметрам классифицируются полевые транзисторы?

3. Расшифруйте обозначение КП302А, КП904Б.

4. Нарисуйте схемы включения ОЗ и ОИ полевого транзистора с управляющим pn переходом и каналом n-типа, работающего в нормальном активном режиме. Укажите полярность питающих напряжений и направление токов.

Буквенные обозначения параметров полевых транзисторов — DataSheet

Буквенное обозначение Параметр
Отечественное Международное
 IЗ IG  Ток затвора (постоянный).
Iз отс IGSX  Ток отсечки затвора.
IЗ пр  IGF  Прямой ток затвора.
I
З
ут
IGSS  Ток утечки затвора.
IЗИО IGSO  Обратный ток перехода затвор-исток.
IЗСО IGDO  Обратный ток перехода затвор-сток.
IИ IS  Ток истока (постоянный).
 IИ нач ISDS  Начальный ток истока.
 IИ ост  ISDX  Остаточный ток истока.
IС ID  Ток стока (постоянный).
 IС нагр IDSR  Ток стока при нагруженном затворе.
  IС нач IDSS  Начальный ток стока.
 IС ост IDSX  Остаточный ток стока.
 IП IB, I
U
 Ток подложки.
UЗИ  UGS  Напряжение затвор-исток (постоянное).
 UЗИ обр  UGSR  Обратное напряжение затвор-исток (постоянное).
 UЗИ отс  UGS(OFF),  UGS(off)  Напряжение отсечки транзистора — напряжение между затвором
и истоком (полевого транзистора с p-n-переходом и с изолированным затвором).
UЗИ пор  UGST, UGS(th), UGS(TO)  Пороговое напряжение транзистора — напряжение между затвором и истоком (у полевого транзистора с изолированным затвором).
 UЗИ пр UGSF  Прямое напряжение затвор-исток (постоянное).
UЗ проб U(BR) GSS  Пробивное напряжение затвора — напряжение пробоя затвор-исток при замкнутых стоке и истоке.
UЗП UGB, UGU  Напряжение затвор-подложка (постоянное).
UЗС UGD  Напряжение затвор-сток (постоянное).
UИП USB, USU  Напряжение исток-подложка (постоянное).
 UСИ UDS  Напряжение сток-исток (постоянное).
  UСП UDB, UDU  Напряжение сток-подложка (постоянное).
  U31— U32 UG1— UG2  Напряжение затвор-затвор (для приборов с двумя затворами).
PСИ PDS  Рассеиваемая мощность сток-исток (постоянная).
PСИ, т max  Максимальная рассеиваемая мощность сток-исток с теплоотводом
(постоянная).
S gms  Крутизна характеристики.
RЗИ rGS, rgs  Сопротивление затвор-исток.
RЗС rGD, rgd  Сопротивление затвор-сток.
RЗСО rGSS, rgss  Сопротивление затвора (при UDS = 0 или Uds = 0).
RСИ отк rDS(ON), rds(on), rDS on  Сопротивление сток-исток в открытом состоянии — сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора
при заданном напряжении сток-исток.
RСИ закр rDS(OFF), rds(off), rDS off  Сопротивление сток-исток в закрытом состоянии — сопротивление между стоком и истоком в закрытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток-исток.
Сзио Cgso  Емкость затвор-исток — емкость между затвором и истоком при
разомкнутых по переменному току остальных выводах.
Сзсо Cgdo  Емкость затвор-сток — емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
Ссио Cdso  Емкость сток-исток — емкость между стоком и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
C11и, Свх, и Ciss, C11ss Входная емкость транзистора — емкость между затвором и истоком.
С12и Crss, C12ss  Емкость обратной связи в схеме с общим истоком при коротком
замыкании на входе по переменному току.
С22и Coss, C22ss  Выходная емкость транзистора — емкость между стоком
и истоком.
С22с  Cods, C22ds  Выходная емкость в схеме с общим стоком при коротком замыкании на входе (при коротком замыкании цепи затвор-сток по переменному току).
g11и giss, g11s  Активная составляющая входной проводимости транзистора (в схеме с общим истоком при коротком замыкании на выходе).
g22и goss, g22s  Активная составляющая выходной проводимости транзистора (в схеме с общим истоком при коротком замыкании на входе).
Y11и Yis, Y11s  Полная входная проводимость транзистора (в схеме с общим истоком при коротком замыкании на выходе).
Y12и Yrs, Y12s  Полная проводимость обратной передачи транзистора (в схеме с общим истоком при коротком замыкании на входе).
Y21и Yfs, Y21s  Полная проводимость прямой передачи транзистора (в схеме с общим истоком при коротком замыкании на выходе;
Yfs = gfs + gbfs = Id / Ugs ; на низких частотах |Yfs| = gfs).
Y22и Yos, Y22s  Полная выходная проводимость транзистора (при коротком замыкании на входе).
Kу. P GP  Коэффициент усиления по мощности.
fY21и fYfs  Частота отсечки в схеме с общим истоком.
Uш Un  Шумовое напряжение транзистора.
Eш en  Электродвижущая сила шума
 Kш F  Коэффициент шума транзистора.
αID  Температурный коэффициент тока стока.
αrds  Температурный коэффициент сопротивления сток-исток.
tвкл ton  Время включения транзистора.
tвыкл toff  Время выключения транзистора.
tзд, вкл td(on)  Время задержки включения.
tзд, выкл td(off)  Время задержки выключения.
tнр tr  Время нарастания.
tсп tf  Время спада.
Для сдвоенных полевых транзисторов:
IЗ(ут)1-IЗ(ут)2 IGSS1-IGSS2  Разность токов утечки затвора (для полевых транзисторов с изолированным затвором) и разность токов отсечки затвора (для полевых транзисторов с р-n-переходом).
IC нач1/IC нач1 IDSS1/IDSS2  Отношение токов стока при нулевом напряжении затвор-исток.
UЗИ1-UЗИ2 UGS1-UGS2  Разность напряжений затвор-исток.
|Δ(UЗИ1-UЗИ2 )|/ΔT |Δ(UGS1-UGS2 )|/ΔT  Изменение разности напряжений затвор-исток между двумя значениями температуры.
g22и1-g22и2 gos1-gos2  Разность выходных проводимостей в режиме малого сигнала в схеме с общим истоком.
 g21и1/g21и2 gos1/gos2  Отношение полных проводимостей прямой передачи в режиме малого сигнала в схеме с общим истоком.

Измерение параметров полевых транзисторов — RadioRadar

   Прибор для проверки основных параметров маломощных полевых транзисторов выполнен на основе недорогих цифровых мультиметров, возможно, даже с неисправными переключателями пределов измерения. Это минимизировало затраты труда по монтажу и изготовлению конструкции. Цифровые показания несколько облегчают сравнение транзисторов и подбор пар для дифференциальных каскадов. Крутизну транзисторов определяют простейшим расчетом.

   По роду своей деятельности мне часто приходится ремонтировать контрольно-измерительную аппаратуру с полевыми транзисторами. Они применяются в модуляторах, входных каскадах усилителей в осциллографах и цифровых вольтметрах, коммутационных устройствах и пр. Например, в вольтметре В7-38 установлено около 30 транзисторов серии КП301. Эти транзисторы очень чувствительны к статическому электричеству, и малейшее несоблюдение технологии монтажа приводит к выходу их из строя. Большинство неисправностей приборов, которые связаны с выходом из строя полевых транзисторов, удается устранить простой заменой, но если транзисторы используют в дифференциальных или «симметричных» каскадах, их необходимо подобрать по основным параметрам.


Рис. 1

   К основным параметрам полевых транзисторов относятся начальный ток стока, напряжение отсечки и крутизна характеристики. Определить их, а следовательно, и принять решение о пригодности полевого транзистора к использованию возможно с помощью устройства, схема которого изображена на рис. 1. Изменяя напряжение на затворе и контролируя ток стока, можно узнать все три основных параметра. Для транзисторов с затвором на основе р-n перехода или с изолированным затвором и встроенным каналом начальный ток стока IСнач — это ток стока при нулевом значении напряжения на затворе. Напряжение отсечки U3иотс — напряжение на затворе, при котором ток стока достигает близкого к нулю значения. Крутизна характеристики определяется как отношение изменения тока стока ΔIС (мА) к вызвавшему его изменению напряжения между затвором и истоком ΔUзи (В): S = ΔIС/Δ U3и- Применив в приборе цифровые измерители тока и напряжения, вычислить значение крутизны для транзисторов любой структуры будет несложно.

   Крутизна S полевого транзистора с управляющим р-n переходом зависит от напряжения затвор- исток U3и и имеет максимальное значение Smax при напряжении на затворе, равном нулю. Если измерены значения начального тока стока IСнач и напряжения отсечки U3иотс. крутизну можно приблизительно оценить по формулам:

   Smax = 2Iснач/Uзиотс

   S = √Iснач·Ic/Uзиотс

   где напряжение — в вольтах, ток — в миллиамперах, крутизна — в размерности мА/В [1].

   Для транзисторов с изолированным затвором крутизну при токе стока Ic и напряжении Uзи можно рассчитать по формуле

   S = 2Ic/|Uзи — Uзиотс|

   где UЗИотс — напряжение отсечки либо пороговое напряжение (для транзисторов с индуцированным затвором).

   На основе макета этого устройства изготовлен прибор для оперативного измерения основных параметров полевых транзисторов и контроля их работоспособности.

    Технические характеристики
Измеряемое напряжение на затворе, В …………..-12…+12
Разрешающая способность вольтметра, мВ…………….10
Измеряемый ток стока, мА . .-20… +20
Разрешающая способность миллиамперметра, мкА………10
Погрешность измерения IСнач и Uзи, %, не более ………..1
Ток потребления прибора, мА, не более ………………60

  Рис. 2

 В приборе есть защита проверяемого транзистора от повреждения.

   Схема измерителя изображена на рис. 2. Для изменения напряжения на затворе транзистора используется переменный резистор R2, подключенный к двухполярному источнику питания 2×12 В, что позволяет получить характеристику крутизны любого полевого транзистора малой мощности как с n-каналом, так и с р-каналом. Резистор R3 необходим для ограничения тока затвора. Полярность напряжения на стоке изменяют переключателем SB1. Для исключения перегрузки миллиамперметра использован ограничитель тока на транзисторе VT1 и резисторе R1. Ограничение возникает при токе 25 мА, поскольку максимальный измеряемый ток выбран равным 20 мА. Диодный мост VD1 обеспечивает действие ограничителя при любом направлении тока стока. Реле К1 и К2 предотвращают выход из строя измеряемого полевого транзистора от статического электричества: пока не нажата кнопка «Измерение» SB2, обмотка реле отключена, а контакты для подключения транзистора замкнуты между собой и на общий провод. При измерении кнопка нажата и через контакты реле транзистор подключен к измерительным цепям. Светодиод HL1 сигнализирует о том, что происходит процесс измерения.

   Главная часть устройства — миллиамперметр РА1 и вольтметр PV1 — собрана из готовых узлов мультиметров M890D. Основа этих мультиметров — широко известная микросхема ICL7106. Эти приборы выбраны из-за удобного большого корпуса, чтобы снизить трудозатраты при изготовлении измерителя параметров. Питание аналого-цифрового преобразователя (АЦП) мульти-метра — от двухполярного источника питания +5/-5 В, необходимого для микросхем АЦП и остальных частей устройства. Микросхема АЦП имеет такую возможность, если мультиметр доработать так, как показано на фрагменте схемы на рис. 3 (нумерация элементов условная).


Рис. 3

   В основном включении, используемом при батарейном питании, выводы 30,32 и 35 соединены вместе. При двух-полярном питании вывод 30 (низкоуровневая цепь АЦП) отключают от этой точки. В этом случае микросхема измеряет разность потенциалов между выводами 30 и 31, при этом вход АЦП отвязан от цепей питания. Единственное условие — напряжение в любой из измерительных цепей не должно превышать напряжения питания АЦП относительно общего провода. Такая доработка описана в [2].

   При минимальных переделках микросхема обеспечивает измерение напряжения до 200 мВ без делителей. Для построения вольтметра с пределом 20 В, необходимого для измерения напряжения затвора, использован делитель 1:100, состоящий из резисторов R5 и R6. Для построения миллиамперметра с пределом измерения 20 мА служит резистор R7. При токе 20 мА на нем падает напряжение 200 мВ, которое и измеряет АЦП. Миллиамперметр установлен в цепь истока и измеряет ток транзистора. Такое решение продиктовано невозможностью измерять ток в цепи стока, потому что на измерительных выводах миллиамперметра может присутствовать напряжение, превышающее питающее для микросхемы АЦП. Вольтметр включен между затвором и истоком, поэтому через делитель R5R6 будет протекать ток с максимальным значением не более 12мкА, что будет вызывать ошибку в показаниях миллиамперметра в одну единицу младшего разряда, которая оказывается несущественной.

   Схема блока питания прибора изображена на рис. 4.

Рис. 4 

Для понижения сетевого напряжения до 12 В используется трансформатор Т1. Далее переменное напряжение выпрямляется диодным мостом VD1 и фильтруется конденсаторами С1, С2. Стабилизаторами двухполярного напряжения +12/-12В служат микросхемы DA1, DA2. Двухполярное напряжение +5/-5 В стабилизирует микросхемы DA3 и DA4. Стабилизаторы включены последовательно для уменьшения падения напряжения на стабилизаторах DA3 и DA4. Схема двухполярного источника питания может быть любой другой; возможно даже использовать автономное питание, например от батарей «Корунд». Для этого потребуется добавить преобразователь напряжения батареи в необходимое для питания остальных узлов измерителя.


Рис. 5

   Детали и конструкция. В приборе можно применить следующие детали. Резисторы R5-R7 — С2-29 или другие с допуском не более ±0,5 %, хотя номиналы могут отличаться от указанных на схеме; главное — стабильность сопротивления. Остальные резисторы — любые, например МЛТ0.125. Переменный резистор R2 — многооборотный, например, РП1-53 или предназначенный для прецизионной регулировки (по гру-боточной схеме) — СП5-35, СП5-40.

   Если найти такой не удастся, резисторы R2 и R3 можно заменить аналогом — узлом из двух переменных и двух постоянных резисторов, как это сделано в моей конструкции. Схема такого узла изображена на рис. 5. Резистором R1 напряжение устанавливают грубо, a R2 — точно.

   Светодиод можно заменить другими, например, из серий АЛ 102, АЛ307, КИПД, лучше красного цвета свечения. Диодные мосты — КЦ407 с любой буквой, вместо них можно применить отдельные кремниевые диоды с допустимым средним током не менее 200 мА в выпрямителе и 100 мА — в ограничителе тока. Для упрощения конструкции применены микросхемы интегральных стабилизаторов 7812, 7912, 7805 и 7905, отечественные аналоги которых — соответственно КР142ЕН8Б, КР1162ЕН12А, КР142ЕН5А и КР1162ЕН5А.

   Реле — РЭС60 (исполнение РС4.569.435-07) или аналогичные с двумя контактными группами на переключение.

   Сетевой трансформатор Т1 -любой, обеспечивающий выходные напряжения 2х 15 В и ток не менее 100 мА, его можно взять из сетевого адаптера мощностью не менее 6 Вт. Вторичную обмотку такого трансформатора перематывают для получения нужного двухполярного напряжения. Трансформатор и выпрямитель размещены в корпусе адаптера, а элементы стабилизатора расположены в корпусе прибора. Прибор соединяется с адаптером трехпроводным кабелем.

   Весь измеритель сооран в корпусе одного из мультиметров. При изготовлении прибора мультиметры были вскрыты и после удаления ненужных частей плат объединены в одном корпусе, как показано на рис. 6.


Рис. 6

   Лишние детали — резисторы делителя, переключатель и прочее — удаляют (поэтому поводом для изготовления такого прибора может быть неустранимый дефект переключателя подобного мультиметра). Оставляют только часть платы с микросхемой ICL7106, индикатором, элементами «обвязки» микросхемы и индикатора и кнопками включения, которые выполнят роль переключателей SB1, SB2. Печатные проводники, идущие к этим переключателям, должны быть обрезаны.

   Нижнюю крышку мультиметра обработке не подвергают, а верхнюю придется доработать. У одного прибора крышку спиливают так, чтобы осталась только часть с индикатором и кнопкой. У второго вырезают середину там, где находится переключатель пределов, и на это место вклеивают вырезанную часть конструкции первого прибора. При вырезании частей от верхних крышек сохраняют стойки, в которые ввинчивают винты-саморезы, скрепляющие верхнюю и нижнюю крышки. Сверху, около кнопки, крепят резистор, регулирующий напряжение на затворе. Снизу устанавливают разъем для подключения полевых транзисторов. В качестве разъема использована цанговая панель для микросхем. Середину панели вырезают, и ряд контактов склеивают. Выбор цанговой панели обусловлен высокой износостойкостью.

   В моей конструкции применена небольшая плата из фольгированного текстолита, на которой устанавливают панель, светодиод и реле. В свою очередь, плату двумя винтами крепят к лицевой панели. Лишние отверстия на лицевой панели заклеивают вырезанной по размеру пластиной из пластмассы или электрокартона, на которую приклеивают отпечатанную на принтере накладку, ее вид показан на рис. 7.


Рис. 7

   Большинство транзисторов имеют цилиндрический корпус с меткой-ключом для определения выводов. Контакты разъема для подключения полевых транзисторов соединяются между собой согласно назначению таким образом, чтобы у каждого типа транзисторов было свое место без необходимости уточнять цоко-левку. В предлагаемом варианте транзисторы устанавливают ключом вверх. Соединения отдельного вывода корпуса транзисторов с истоком, а второго затвора транзисторов серий КП306, КП350 — со стоком обеспечивают через разъем перемычками между соответствующими гнездами. Внешний вид готового прибора показан на рис. 8.


Рис. 8

   Перед первым включением прибора необходимо проверить значения выходных напряжений стабилизатора. Налаживание прибора заключается в настройке ограничителя тока и установке образцовых напряжений миллиамперметра и вольтметра. Для настройки ограничителя надо подключить образцовый миллиамперметр между контактами «С» и «И» разъема для подключения измеряемого транзистора, нажать на кнопку «Измерение» и подобрать резистор R1, добиваясь показаний 25…30 мА. Можно заранее подобрать транзистор по параметру ограничения тока, тогда резистор R1 заменяют перемычкой. Далее образцовый миллиамперметр последовательно с переменным резистором подсоединяют к этим же контактам, устанавливают ток 10 мА и резистором настройки образцового напряжения добиваются тех же показаний миллиамперметра прибора. Для настройки вольтметра образцовый вольтметр подключают к выводам «3» и «И», резистором прибора устанавливают напряжение затвора 10 В и резистором регулировки вольтметра прибора устанавливают те же показания.

   Ввиду того что полевые транзисторы могут выйти из строя из-за статического электричества, может быть рекомендована следующая методика работы с прибором. Перед подключением все выводы полевого транзистора следует замкнуть проволочной перемычкой между собой. На приборе устанавливают тип проводимости канала (п- или р-канал), кнопка «Измерение» отжата. Полевой транзистор подключают к своему гнезду, перемычку с выводов снимают, нажимают на кнопку «Измерение» и контролируют его параметры. После измерения отжать кнопку, замкнуть выводы транзистора между собой и вынуть транзистор из панельки.

   С помощью прибора легко диагностировать любой вид неисправности полевых транзисторов. Как показала практика, большинство неисправностей транзисторов сводится к большому току утечки затвора, пробою или обрыву канала либо внутреннему разрыву одного из выводов. Если при нажатии на кнопку «Измерение» напряжение на затворе уменьшится по сравнению с установленным, то имеет место утечка тока с затвора. Показания миллиамперметра не будут нулевыми при любом напряжении на затворе. Во всех других случаях невозможность измерить начальный ток стока и напряжение отсечки говорит о неисправности измеряемого полупроводникового прибора.

   ЛИТЕРАТУРА

  1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: Мир, 1983.
  2. Садченков Д. А. Современные цифровые мультиметры. — М.: СОЛОН-Р, 2001.

   Автор: В. Андрюшкевич, г. Тула

Основные параметры полевых транзисторов — Студопедия

Параметры полевого транзистора отражают следующие зависимости.

1. Крутизна сток — затворной характеристики

. (12.1)

Физический смысл крутизны характеристики – она показывает, на сколько миллиампер изменяется ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В при неизменном напряжении на стоке. Вычислить S можно по сток — затворной характеристике, непосредственно измерив DIC и DUЗИ. У маломощных полевых транзисторов S = 0,1…20 мА/В, у мощных достигает единиц А/В.

2. Внутреннее сопротивление

. (12.2)

Внутреннее сопротивление определяется по выходной характеристике транзистора на участке от UСИ.НАС до UСИ.макс по приращению тока стока и может составлять от нескольких десятков до сотен кОм.

3. Статический коэффициент усиления по напряжению

. (12.3)

При определении этого параметра берутся взаимно компенсирующие друг друга по действию на ток стока приращения напряжений DUСИ и DUЗИ. Поскольку эти приращения противоположны по величине, вычисляется их отношение по модулю. Статический коэффициент усиления по напряжению показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе эффективнее воздействует на ток стока, чем изменение напряжения на стоке. Учитывая выражения (12.1) и (12.2) можно записать

. (12.4)

Этот коэффициент определяет потенциальные возможности полевого транзистора как усилителя напряжения, и может иметь значение до нескольких сотен.

4. Входное дифференциальное сопротивление при IC = 0

. (12.5)

Входное сопротивление может иметь значение от нескольких сотен кОм до нескольких МОм.

5. Дифференциальное сопротивление сток — затвор

. (12.5)

Этот параметр учитывает влияние напряжения стока на цепь затвора, и может иметь значение от нескольких сотен кОм до нескольких МОм.

В качестве предельных параметров полевых транзисторов выделяют следующие:

— максимально допустимое напряжение затвор-исток UЗИ.макс;

— максимально допустимое напряжение сток-исток UСИ.макс;

— максимально допустимый ток стока IC.макс;

— максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмакс.

теория и практика — Сайт инженера Задорожного С.М.

Интерес к статическим параметрам полевого транзистора с p-n-переходом на затворе, таким как начальный ток стока и напряжение отсечки, проявляется чаще всего инженерами и радиолюбителями либо как к приводимым в справочниках характеристикам для сравнения транзисторов различных типов, либо в связи с подбором близких по параметрам транзисторов для дифференциального каскада. В настоящей статье речь пойдёт об использовании статических параметров при расчёте схем на полевых транзисторах.

Определения

На рис.1. приведено условное графическое обозначение полевого транзистора с n-каналом и управляющим p-n-переходом на затворе:

Рис.1 Условное графическое обозначение полевого с n-каналом и p-n-переходом на затворе.

Обозначение его выводов соответственно следующее:

G (Gate) — затвор;
S (Source) — исток;
D (Drain) — сток.

Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n-переходом на затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки. Начальный ток стока полевого транзистора определяется как ток, протекающий через его канал при заданном постоянном напряжении сток-исток и равном нулю напряжении затвор-исток. В англоязычной технической документации этот параметр обозначают как IDSS.

Напряжение отсечки — это такое пороговое значение напряжения затвор-исток, по достижении которого ток через канал полевого транзистора уже не изменяется и практически равен нулю. Его также измеряют при фиксированном значении напряжения сток-исток и в англоязычной документации обозначают как VGS(off) или реже как Vp.

В качестве усилительного элемента полевой транзистор работает при достаточно большом напряжении сток-исток VDS — на графике семейства выходных характеристик транзистора это значение напряжения расположено в области насыщения. Это значит, что величина тока через канал полевого транзистора, — ток стока ID, — зависит в основном лишь от величины напряжения затвор-исток VGS. Эту зависимость тока стока полевого транзистора ID от входного напряжения затвор-исток VGS описывает так называемая передаточная характеристика транзистора. Для транзисторов с управляющим p-n-переходом её обычно аппроксимируют следующим выражением:

(1)

Таким образом ток стока полевого транзистора с изменением напряжения на его затворе изменяется по квадратичному закону. Графически эту зависимость иллюстрирует приведенная на рис.2 диаграмма:

Рис.2. Пример аппроксимации зависимости тока стока ID от напряжения затвор-исток VGS квадратичной функцией при начальном токе стока IDSS = 9,5 mA и напряжении отсечки VGS(off) = -2,8 V.

В таком изменении тока стока ID с изменением напряжения затвор-исток VGS и проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Количественно эти свойства характеризует такой его параметр как крутизна, определяемая как:

(2)

Понятно, что значение крутизны, выраженное через статические параметры полевого транзистора IDSS и VGS(off), можно получить дифференцируя выражение для передаточной характеристики (1) по dVGS:

То есть для транзистора с известными значениями начального тока стока IDSS и напряжения отсечки VGS(off) при заданном напряжении затвор-исток VGS крутизну передаточной характеристики можно рассчитать по формуле:

(3)

или, учитиывая равенство:

получаем еще одно выражение для крутизны при заданном токе стока ID:

(4)

Установка рабочей точки

На рис.3 приведены основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе:

а) усилительный каскад с общим истоком;
б) истоковый повторитель;
в) двухполюсник — стабилизатор тока.

а)

б)

в)

Рис.3 Основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе.

Во всех этих схемах для установки требуемого значения тока стока ID служит включенный в цепь истока резистор RS. Потенциал затвора полевого транзистора равен потенциалу нижнего по схеме вывода этого резистора, поэтому ток стока ID, напряжение затвор-исток VGS и сопротивление RS элементарно связаны между собой законом Ома:

(5)

Расчет сопротивления RS для установки требуемого тока стока ID для полевого транзистора с известными значеними начального тока стока IDSS и напряжения отсечки VGS(off) также можно произвести на основании выражения для передаточной характеристики (1):

откуда получаем равенство:

(6)

Разделим обе части равенства (6) на RS и, с учётом выражения (5), получим:

Соответственно выражение для значения сопротивления RS примет следующий вид:

(7)

Теория и практика

Исходя из приведенных математических выкладок логично предположить, что, измерив значения начального тока стока IDSS и напряжения отсечки VGS(off) — основных статических параметров полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, — можно определить крутизну передаточной характеристики транзистора в заданной рабочей точке или установить рабочую точку транзистора так, чтобы получить требуемое значение крутизны, рассчитать параметры других элементов схемы, и пр. Но практические результаты чаще всего оказываются далеки от расчетных.

Такое несоответствие теории и практики отмечается и в ряде авторитетных публикаций на тему работы полевого транзистора. Так, например, в [1] один и тот же абзац содержит и утверждение о том, что передаточная характеристика полевого транзистора «достаточно точно определяется квадратичной зависимостью» в соответствии с формулой (1), и оговорку, что на практике с помощью прибора зафиксировать величину соответствующего напряжения отсечки VGS(off) очень трудно, и поэтому обычно измеряют напряжение затвор-исток при ID = 0,1·IDSS, а затем, подставив эти значения в формулу (1), вычисляют уже соответствующее ей значение напряжения отсечки по формуле:

(8)

В [2] также отмечается, что измеренное значение напряжения отсечки VGS(off), при котором величина тока стока ID становится нулевой или равной нескольким микроамперам, «не всегда будет удовлетворять равенству (1), поэтому удобнее вычислять величину как функцию VGS и экстраполировать полученную прямую линию до значения тока ID=0″.

Поскольку речь идёт о наиболее точном определении передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, то величина напряжения отсечки VGS(off) конкретного транзистора важна лишь как параметр в выражении (1), при котором это выражение наиболее соответствует реальной передаточной характеристике этого транзистора. То же самое можно сказать и о величине начального тока стока IDSS. Таким образом может оказаться, что прямое измерение статических параметров полевого транзистора особого практического смысла не имеет, поскольку эти параметры не описывают с достаточной точностью передаточную характеристику транзистора.

На практике при проектировании схем усилительных каскадов на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом на затворе режим их работы никогда не выбирают таким, чтобы напряжение затвор-исток VGS было близким к напряжению отсечки VGS(off) или к нулю. Следовательно, нет никакой необходимости описывать передаточную характеристику (1) на всём её протяжении от ID=0 до ID=IDSS, достаточно сделать это для некоего рабочего участка от ID1=ID(VGS1) до ID2=ID(VGS2). Для этого решим следующую задачу.

Пусть путём измерения получены значения тока стока ID1 и ID2 соответственно для двух отстоящих друг от друга значений напряжения затвор-исток VGS1 и VGS2:

(9)

Решив систему уравнений (9) относительно значений начального тока стока и напряжения отсечки мы получим более соответствующие реальной передаточной характеристике параметры формулы (1).

Сначала определим значение . Для этого разделим второе уравнение на первое чтобы сократилось и получилось одно уравнение с одним неизвестным, которое решаем:

Таким образом искомое значение напряжения отсечки для формулы (1) определяется выражением:

(10)

А соответствующее значение начального тока стока вычисляется путём подстановки полученного по формуле (10) значения напряжения отсечки в следующее выражение, полученное из формулы (1):

(11)

Экспериментальные данные

Вычисленные по формулам (10) и (11) значения напряжения отсечки и начального тока стока после подстановки в формулу (1) должны дать более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора. Чтобы это проверить были проведены контрольные измерения параметров двенадцати полевых транзисторов четырёх типов — по три транзистора каждого типа.

Порядок измерений для каждого транзистора был следующим. Сначала измерялись начальный ток стока IDSS и напряжение отсечки VGS(off) полевого транзистора. Затем были измерены значения напряжений затвор-исток VGS1 и VGS2 для двух соответствующих им значений тока стока ID1 и ID2, несколько отстоящих от нулевого значения при VGS=VGS(off) и начального тока стока IDSS. Подстановка VGS1, VGS2, ID1 и ID2 в формулы (10) и (11) давала искомые значения и . Чтобы иметь возможность затем сравнить, какая же пара параметров полевого транзистора, — IDSS и VGS(off) или и , — после подстановки в формулу (1) даёт более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора, ток стока полевого транзистора устанавливался примерно равным половине измеренного значения его начального тока стока IDSS, то есть где-то посередине передаточной характеристики транзистора, с последующим измерением соответствующего этому току напряжения затвор-исток. Полученные таким образом значения ID0 и VGS0 — это координаты произвольно выбранной рабочей точки полевого транзистора на его передаточной характеристике. Осталось подставить теперь значение VGS0 в формулу (1) сначала с парой параметров IDSS и VGS(off), а затем с и , и сравнить оба вычисленных значения тока стока с измеренным ID0.

Результаты измерений параметров двенадцати полевых транзисторов приведены в таблице ниже.

Транзистор Измеренные значения статических параметров Значения статических параметров по формулам
(10) и (11)

VGS0,
В

ID0,
мА
Значение тока стока ID, вычисленное по формуле (1) с параметрами
IDSS и VGS(off)
Значение тока стока I’D, вычисленное по формуле (1) с параметрами
I’DSS и V’GS(off)

IDSS,
мА

VGS(off),
В

I’DSS,
мА

V’GS(off),
В

ID,
мА

Ошибка,
%

I’D,
мА

Ошибка,
%
1 КП303В 2,95 -1,23 2,98 -1,35 -0,40 1,52 1,33 -12,5 1,47 -3,6
2 КП303В 2,89 -1,20 2,95 -1,32 -0,40 1,48 1,28 -13,1 1,43 -3,2
3 КП303В 2,66 -1,16 2,70 -1,24 -0,36 1,41 1,26 -10,2 1,35 -3,8
4 2П303Е 12,06 -4,26 12,73 -4,90 -1,49 6,49 5,09 -21,5 6,16 -5,2
5 2П303Е 11,24 -3,94 11,69 -4,50 -1,37 6,06 4,79 -20,9 5,67 -6,5
6 2П303Е 10,92 -3,77 11,26 -4,31 -1,29 5,91 4,73 -20,0 5,53 -6,3
7 2N3819 10,64 -3,47 10,76 -3,91 -1,08 5,90 5,05 -14,4 5,64 -4,4
8 2N3819 10,22 -3,51 10,29 -3,90 -1,06 5,73 4,98 -13,1 5,46 -4,8
9 2N3819 10,30 -3,38 10,46 -3,80 -1,07 5,67 4,81 -15,2 5,40 -4,8
10 2N4416A 8,79 -2,98 9,05 -3,27 -1,04 4,46 3,71 -16,9 4,20 -5,9
11 2N4416A 10,10 -3,22 10,31 -3,55 -1,18 4,98 4,04 -19,0 4,58 -8,0
12 2N4416A 10,92 -3,93 12,66 -4,32 -1,63 5,36 4,09 -23,6 4,92 -8,2

Выделенные цветом значения погрешностей говорят сами за себя. Если же сравнивать графики передаточной характеристики, подобные приведенному на рис.2, то линия, построенная по значениям (; ), пройдёт гораздо ближе к точке (VGS0; ID0), чем построенная по измеренным значениями напряжения отсечки и начального тока стока (VGS(off); IDSS).

Результаты будут ещё более точными, если в качестве точек (VGS1; ID1) и (VGS2; ID2) взять границы более узкого отрезка передаточной характеристики полевого транзистора, на котором он будет работать в реальной схеме. Особо следует отметить, что данный метод определения статических параметров полевых транзисторов незаменим для транзисторов с большим начальным током стока, например для таких как J310.

©Задорожный Сергей Михайлович, 2012г., г.Киев

Литература:

  1. Бочаров Л.Н., «Полевые транзисторы»; Москва, издательство «Радио и связь», 1984;
  2. Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982.

Стенд для определения параметров полевых транзисторов.

Этот стенд позволяет определить такие параметры полевых транзисторов с p-n переходом как начальный ток стока и напряжение отсечки.

Эти параметры приходится определять довольно часто в радиолюбительской практике, когда возникает необходимость подбора полевого транзистора именно по этим критериям.

Схема этого стенда-испытателя полевых транзисторов целиком и полностью позаимствована с сайта С. Беленецкого.

Перейдя по ссылке выше, можно получить более подробную информацию о таких параметрах полевых транзисторов как напряжение отсечки Uотс и начальный ток стока Iнач.

Стенд собран по очень простой схеме:

Здесь даже и описывать нечего.

Как уже указывалось, этот стенд позволяет измерить напряжение  отсечки Uотс и начальный ток стока Iнач полевых транзисторов с p-n переходом как с p-каналом (КП103) , так и с  n-каналом (КП303,307, BF245 и подобные)

Стенд питается напряжением 9 В, причем, указанная на схеме полярность питания используется при работе с полевыми транзисторами с  n-каналом (КП303,307, BF245 и подобные). Для работы с транзисторами с р-каналом полярность питания необходимо изменить на ОБРАТНУЮ.

Стенд подключается к цифровому  мультиметру, который работает в режиме измерения постоянного напряжения.

После подачи питания стенд сразу измеряет напряжение отсечки Uотс полевого транзистора, установленного в панельку. Для измерения начального тока стока Iнач достаточно просто нажать на кнопку. При этом показания мультиметра нужно разделить на 10, согласно формуле, указанной на схеме стенда.

Стенд собран на миниатюрной печатной платке размерами 25х35 мм. Внешний вид платы  с указанием элементов представлен ниже:

Детали здесь применены недефицитные.

Один тонкий момент-поскольку номинал резистора R2 10 Ом входит в расчетную формулу для начального тока стока-именно на 10 делим показания, то его  нужно подобрать поточнее. Я выбрал из своих запасов резистор с номиналом 10,4 Ома.

В качестве панельки для транзисторов использована панелька для микросхем , у которой отпилено всё лишнее, и оставлено только пять контактов.

 

Теперь о том, как использовать этот стенд для определения параметров полевых транзисторов.

Несколько реальных измерений:

Устанавливаем транзистор КП302Б в панельку. Подключаем  к стенду цифровой мультиметр в режиме измерения постоянных напряжений на пределе 20 В.  Подаем питание и сразу считываем напряжение отсечки транзистора в вольтах:

Как видно, напряжение отсечки этого экземпляра КП302Б составляет 3,09 В.

Нажимаем на кнопку и считываем начальный ток стока:

Прибор показывает 0,34. Это падение напряжения на резисторе R2  (см. схему выше).

Начальный ток стока равен Ic=0,34 В/10 Ом=0,034 А или 34 мА. В общем, чтобы не путаться, достаточно просто мысленно отбросить все символы слева от запятой и получим просто 34 мА.

 

Измеряем параметры транзистора КП103К в пластиковом корпусе.

Этот транзистор имеет канал р-типа. Поэтому полярность питания изменяем на обратную. Мультиметр я переключил на предел измерения 2000 мВ, потому что на пределе 20 В считывать показания не очень удобно для этого типа транзистора.

Включаем питание и видим напряжение отсечки 1314 мВ, или 1,34 В.

 

Нажимаем на кнопку и считываем значение начального тока стока:

Тестер показал 18 мВ, делим на 10 (резистор R2) и получаем начальный ток стока Ic=1,8 мА.

 

Получился простой, но достаточно полезный во многих случаях приборчик.

 

Печатная плата со стороны проводников:

 

Небольшое видео о работе этого стенда-измерителя параметров полевых транзисторов:

Как проверить полевой транзистор и снять его основные характеристики

Простое универсальное устройство для измерения параметров JFET-транзисторов
со встроенным p-n переходом обеднённого типа и MOSFET-транзисторов обогащён-
ного типа.

В последнее время в радиолюбительской практике всё чаще встречаются устройства, построенные на полевых транзисторах. Причиной этого является ряд полезных качеств полевиков, таких как: высокое входное сопротивление, низкий уровень собственных шумов, малая проходная ёмкость, высокая температурная стабильность и т. д. и т. п.

Казалось бы — вот оно счастье! Ан нет — главным ограничением при использовании любых полевых транзисторов является разброс параметров. Эти параметры индивидуальны для каждого конкретного экземпляра и могут существенно различаться даже у однотипных полевых транзисторов из одной партии.

В разных источниках можно найти всевозможные описания измерителий параметров ПТ, но они либо сложны, либо представляют собой простейшие тестеры для определения начального тока стока и напряжения отсечки.
Предлагаемый к рассмотрению довольно простой прибор позволяет измерять величину напряжения затвор-исток при различных (задаваемых) токах стока. Это даёт возможность не только сразу и точно рассчитать номиналы резисторов, задающих режим работы каскада, но и снять вольт-амперные характеристики полупроводника, а при выполнении пары простейших манипуляций с калькулятором — вычислить крутизну передаточной характеристики.
Объектами для снятия характеристик могут быть как JFET-транзисторы со встроенным p-n переходом, так и MOSFET транзисторы обогащённого типа. Параметры считываются при помощи внешнего вольтметра или мультиметра (наличие которого предполагается у каждого радиолюбителя) в количестве — одна штука.

Рис.1 Схема устройства для измерения характеристик полевых транзисторов

Представленный на Рис.1 измерительный прибор довольно универсален и адаптирован для работы с любыми полевыми транзисторами, для которых необходимо как положительное смещение затвора относительно истока, так и отрицательное. С учётом различной проводимости ПТ таких типов полупроводников набралось 4 штуки: JFET n-типа, JFET p-типа, MOSFET n-типа и MOSFET p-типа.
Для того, чтобы избежать обустройства сложной коммутации в устройстве было решено под каждый вид полевика использовать отдельные клеммы подключения.

По большому счёту, схема представляет собой линейный стабилизатор тока. Токовым датчиком здесь является пара резисторов R3, R5 (или R4, R6), суммарное сопротивление которой рассчитывается исходя из формулы R ≈ 0,6/Iнагр .
При увеличении тока через испытуемый ПТ падение напряжения на датчике растёт. При достижении им значения 0,6В транзистор T2 начинает открываться, уровень напряжения на затворе ПТ падает, ток уменьшается. Таким образом происходит стабилизация Iс полевого транзистора.

Поскольку для нормальной работы n-канального JFET транзистора значение Uзи должно находиться в отрицательной области, напряжение на его истоке зафиксировано на уровне 5,2В посредством делителя R1, R2 и эмиттерного повторителя Т1.
Для n-канального MOSFET транзистора значение Uзи должно находиться в положительной области, поэтому его исток посажен на землю.

Для р-канальных транзисторов всё происходит аналогичным образом, но с обратной полярностью, для чего схема управления на транзисторах Т3 и Т4 перевёрнута относительно питания и земли.

Как было сказано, регулировка тока стока тестируемого транзистора задаётся изменением величины сопротивления токового датчика. Для удобства пользования прибором весь диапазон регулировки тока разбит на 2 поддиапазона: 0,2…3мА и 2…35мА.
Для того чтобы избежать необходимости использования дополнительного измерительного прибора, потенциометры следует снабдить шкалой и проградуировать. Ввиду того, что далеко не каждый JFET транзистор в состоянии выдать ток истока — 35мА, градуировку лучше выполнять с каким-нибудь не сильно мощным MOSFET транзистором, например, MOSFET n-типа из серии 2N7000 — 2N7002.
Далее всё просто: 1. Установить полевой транзистор; 2. В разрыв между его стоком и плюсом источника питания временно включить амперметр; 3. Нанести на шкалу резисторов отметки, соответствующие показаниям прибора в обоих поддиапазонах изменения тока.

Как пользоваться прибором?

1. Начальный ток стока полевого транзистора (только для JFET-ов) — это ток стока при Uзи = 0.
Крутим потенциометр, пока вольтметр не покажет Uзи = 0В. Показания на шкале потенциометра и будут являться искомым значением начального тока стока.
В принципе этот параметр имеет практический смысл только при расчёте каскадов с общим истоком, в которых исток без резистора посажен напрямую на землю (или шину питания для р-типа).

2. Напряжения отсечки полевого транзистора — это напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (10мкА…1мА).
Параметр для аналоговой электроники мало информативный, а для switch MOSFET-ов задаётся при токе 250мкА и выше — поэтому 200мкА, выдаваемые прибором для измерения Uзи_отс, вполне достаточны для практического использования.

3. Напряжения Uзи при заданном токе стока — это главный параметр для расчёта усилительного каскада на полевом транзисторе.
Критериев выбора значения тока стока может быть множество, как с точки зрения достижений необходимой нагрузочной способности, так и других факторов, таких как: быстродействие, шумовые характеристики, энергопотребление, стабильность параметров и т. д. Исходя из этих критериев, разработчик, как правило, заранее знает при каком токе будет работать тот или иной каскад на ПТ.
Поэтому и тут всё очень просто: устанавливаем потенциометром необходимый ток стока и измеряем вольтметром Uзи.
Как дальше (с учётом снятых параметров) рассчитать элементы каскадов на полевых транзисторах мы подробно рассмотрели на страницах ссылка на страницу 1 и ссылка на страницу 2.

4. Крутизна передаточной характеристики — немаловажный параметр для расчёта коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе.
Поскольку существует довольно сильная зависимость крутизны от начального тока стока транзистора, то и измерять её надо в непосредственной близи от заданного тока стока.
Предположим, что каскад будет работать при токе Iс=2мА. Тогда измерения напряжений Uзи можно провести при токах 1,5 и 2,5 мА, а значение крутизны вычислить по формуле S = ΔIc/ΔUзи (мА/В).

 

Понимание спецификаций FET » Примечания по электронике

В технических описаниях полевых транзисторов указано множество различных параметров и спецификаций — от V

gs до R DSON .

Полевые транзисторы, полевые транзисторы Включает:
Основные сведения о полевых транзисторах характеристики полевого транзистора JFET МОП-транзистор МОП-транзистор с двойным затвором Мощный МОП-транзистор MESFET / GaAs полевой транзистор ХЕМТ И ФЕМТ Технология FinFET БТИЗ


Спецификации полевых транзисторов, как и для других форм электронных компонентов, содержат множество различных параметров и спецификаций, которые определяют производительность конкретного устройства.

При проектировании электронных схем или при замене существующих полевых транзисторов важно понимать различные параметры и спецификации, указанные в технических описаниях, чтобы можно было выбрать и использовать правильный полупроводниковый прибор.

Различные параметры могут иметь большее или меньшее значение в зависимости от фактического проекта электронного устройства. Например, для радиочастотных конструкций важными будут такие радиочастотные аспекты, как емкостные характеристики на высоких частотах и ​​т.п., но для источников питания ключевыми могут быть тепловыделение и допустимый ток.Однако полезно хорошо понимать все основные параметры полевого транзистора, чтобы можно было оценить его характеристики в целом и убедиться, что он подходит для любой конкретной ситуации.

Понимание различных параметров полевого транзистора позволит выбрать правильный полевой транзистор для конкретной электронной конструкции, конструкции радиочастоты или для замены, особенно если точная замена недоступна.

Технические характеристики и параметры основных полевых транзисторов

Когда-то можно было получить печатные листы данных или даже книги листов данных при разработке электронного дизайна.В наши дни спецификации для электронных компонентов обычно доступны в Интернете. Интересно, что формат спецификаций остался прежним, единственным реальным изменением стал способ доставки.

Совершенно нормально, приступая к проектированию электронной схемы, искать в Интернете подходящие устройства. Это намного быстрее, чем ждать отправки спецификации, если ее не было в лаборатории проектирования электроники.

Основные характеристики полевых транзисторов, используемые в технических описаниях, приведены в списке ниже.Некоторые параметры особенно важны для различных типов полевых транзисторов, например. JFET, в то время как другие могут быть более применимы к MOSFET или другим формам полевых транзисторов.

  • Тип полевого транзистора:  Одним из ключевых параметров любой электронной конструкции будет тип полевого транзистора. Будь то JFET, MOSFET, MOSFET с двойным затвором, мощный FET, IGBT или что-то еще, это будет первый параметр, который необходимо оценить.

    Различные типы полевых транзисторов, как правило, используются в различных сценариях или электронных конструкциях:

    • JFET:   JFET используют диод с обратным смещением на входе затвора, чтобы обеспечить вход управления для полупроводникового устройства.Их легко производить, и они часто используются в качестве недорогих конструкций общего назначения. Одним из конкретных примеров может быть 2N3819, надежная рабочая лошадка, доступная уже много лет.

    • MOSFET:   MOSFET имеет изолированный затвор и, следовательно, имеет очень высокое входное сопротивление. Эти полевые транзисторы также широко доступны и могут использоваться в самых разных электронных конструкциях.

    • МОП-транзистор с двумя затворами:   Этот тип МОП-транзистора имеет два затвора.Второй затвор позволяет использовать его в ВЧ-схемах, таких как ВЧ-смесители, где один затвор используется для входящего сигнала, а другой — для гетеродина. Второй затвор также позволяет уменьшить емкость обратной связи от выходной цепи к входной, чтобы предотвратить паразитные колебания. В результате эти устройства также используются для ВЧ-усилителей для УКВ и выше, где важны даже малые значения емкости.

    • Мощный полевой МОП-транзистор : Многие полевые транзисторы используются для того, что можно назвать «стандартными» приложениями или схемами для малых сигналов.Однако некоторые полевые транзисторы используются для электронных схем, связанных с питанием: в источниках питания — особенно в импульсных источниках питания и других схемах силовых переключающих схем, где встречаются более высокие уровни тока и напряжения. Существует множество мощных полевых МОП-транзисторов, которые изготавливаются только для этих схем и сценариев, и они способны работать с гораздо более высокими уровнями тока и напряжения.

    • GaAs FET :  GaAs FET представляют собой особую форму FET. Часто они используются для малошумящих ВЧ-усилителей и других ВЧ-конструкций для частот УКВ и выше.Они представляют собой специальную форму полевых транзисторов, которые полезны для этих схем.

    • IGBT — биполярный транзистор с изолированным затвором:   БТИЗ используются для ряда коммутационных схем. Они представляют собой комбинацию полевого МОП-транзистора с изолированным затвором и биполярного транзистора. Они представляют собой форму однонаправленного переключателя без фиксации, который можно использовать во многих переключающих электронных схемах, где они имеют некоторые преимущества перед биполярным транзистором или мощным полевым МОП-транзистором.

    Несмотря на то, что здесь было упомянуто несколько технологий FET, можно выбрать несколько других типов. Для выбора наиболее подходящего типа полевого транзистора может потребоваться обзор различных технологий.

  • Напряжение истока затвора, В GS :   Параметр полевого транзистора V GS представляет собой максимально допустимое напряжение между клеммами затвора и истока.

    Целью включения этого параметра в техпаспорт является предотвращение повреждения оксида затвора.Фактическое выдерживаемое напряжение оксида затвора обычно намного выше, чем это, но оно варьируется в результате допусков, существующих в производственных процессах. Желательно оставаться в пределах этого рейтинга, чтобы сохранить надежность устройства. Часто многие правила проектирования указывают, что устройство должно работать только до 60 или 70% от этого рейтинга.

  • Напряжение сток-исток, В DSS :   Это максимальное напряжение сток-исток, которое может быть приложено без лавинного пробоя.Параметр обычно указывается для случая, когда затвор закорочен на источник и при температуре 25°C. В зависимости от температуры напряжение лавинного пробоя может быть меньше номинала V DSS .

    При проектировании цепи всегда лучше оставлять значительный запас между максимальным напряжением, которое можно испытать, и спецификацией V DSS . Часто они могут работать примерно на 50% V DSS для обеспечения надежности.

  • Обратный ток утечки затвора, Igss:   Этот параметр особенно важен для переходных полевых транзисторов и представляет собой ток утечки от неосновных носителей через обратносмещенный переход затвор-канал.Обычно он очень мал, особенно потому, что полевые транзисторы обычно изготавливаются на кремнии, хотя он также может быть важен для полупроводниковых устройств, таких как полевые транзисторы на арсениде галлия.

  • Пороговое напряжение В GS(TH) : Пороговое напряжение В GS(TH) — это минимальное напряжение затвора, которое может сформировать проводящий канал между истоком и стоком. Обычно он указывается для заданного тока стока истока.

  • Ток стока при нулевом напряжении на затворе, I dss :  Этот параметр полевого транзистора представляет собой максимальный непрерывный ток, который устройство может пропускать при полностью включенном устройстве.Обычно он указывается для определенной температуры, обычно 25°C.

    Эта спецификация полевого транзистора основана на номинальном тепловом сопротивлении переход-корпус R θJC (температура перехода/канала) и температуре корпуса.

    Этот параметр полевого транзистора представляет особый интерес для мощных полевых МОП-транзисторов, и при определении параметра максимального тока не учитываются потери при переключении. Кроме того, хранение корпуса при температуре 25°C на практике нецелесообразно. В результате фактический ток переключения должен быть ограничен менее чем половиной значения I dss при TC = 25°C в приложении с жестким переключением.Обычно используются значения от трети до четверти.

  • Напряжение отсечки истока затвора , VGS(off):   Напряжение отсечки истока затвора на самом деле является спецификацией выключения. Он определяет пороговое напряжение для данного остаточного тока, поэтому устройство в основном выключено, но находится на грани включения.

    Пороговое напряжение имеет отрицательный температурный коэффициент, т.е. уменьшается с ростом температуры. Этот температурный коэффициент также влияет на время задержки включения и выключения, что влияет на некоторые схемы.

  • Прямая крутизна, G fs :  Прямая крутизна, g fs полевого транзистора является важным параметром и мерой чувствительности тока стока к изменениям напряжения затвор-исток. Прямая крутизна, G fs , обычно указывается для V gs , который дает ток стока примерно в половину максимального значения номинального тока, и для V DS , который обеспечивает работу в области постоянного тока полупроводникового устройства. .

    Интересно отметить, что на крутизну полевого транзистора влияет ширина затвора устройства, и она увеличивается пропорционально активной площади внутри полупроводникового устройства.

  • Входная емкость, C iss :   Параметром входной емкости полевого транзистора является емкость, которая измеряется между выводами затвора и истока, когда сток закорочен на исток для сигналов переменного тока. Другими словами, это фактически емкость между затвором и каналом.C iss состоит из емкости затвора стока C gd , параллельной емкости затвора истока C gs . Это можно выразить как:
  • Сопротивление сток-исток, R ds(on) :  При включенном полевом транзисторе это сопротивление в омах на канале между стоком и истоком. Это особенно важно при переключении приложений с логики на переключение питания, а также при ВЧ-переключении, включая применение в смесителях.Полевые транзисторы обычно способны обеспечить хорошие характеристики переключения и имеют относительно низкое значение R ds(on) .

  • Рассеиваемая мощность, P tot :   В этой спецификации FET указана максимальная непрерывная мощность, которую может рассеивать устройство. Рассеиваемая мощность обычно указывается в свободном положении на воздухе или при заданной температуре основания, обычно 25°C.

    Фактические условия хранения в радиаторе или на открытом воздухе зависят от типа устройства и производителя.Очевидно, что силовые полевые транзисторы с большей вероятностью будут работать в условиях, когда они удерживаются на радиаторе, в то время как состояние свободного воздуха применимо к сигнальным полевым транзисторам.

    Мощный полевой МОП-транзистор с возможностью установки на радиатор

    Возможность установки силовых полупроводниковых устройств на радиатор будет подробно описана в механических спецификациях.

Спецификации полевых транзисторов содержат множество различных параметров и спецификаций, определяющих производительность полевого транзистора. Все они изложены в различных таблицах данных, которые позволят сделать правильный выбор полевого транзистора.

Параметры и спецификации, содержащиеся в спецификациях, не совпадают с теми, которые используются для биполярной технологии, и поэтому иногда требуется немного больше времени, чтобы понять, что на самом деле означают спецификации для тех, кто не так хорошо знаком с технологией полупроводниковых устройств FET.

Другие электронные компоненты:
Резисторы конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор полевой транзистор Типы памяти Тиристор Соединители ВЧ-разъемы Клапаны/трубки Батареи Переключатели Реле Технология поверхностного монтажа
    Вернуться в меню «Компоненты».. .

Параметр FET | Модели слабого сигнала для FET

Полевой транзистор Параметр

В полевом транзисторе мгновенный ток стока i D является функцией (i) мгновенного напряжения затвора V GS и (ii) мгновенного напряжения стока V DS . Таким образом,

             ……..(1)

Используя уравнение 1, мы можем определить три параметра FET g m , r d и

.

Транскондуктивность g

m и динамическое сопротивление дренажу r d

Разлагая уравнение 1 в ряд Тейлора и учитывая только первые два члена, которые мы получаем,

            ……..(2)

Используя обычное обозначение слабого сигнала,

, и может быть представлено как,

              ……..(3)

Где,

         …….(4)

А,

           ……..(5)

Параметр g m называется взаимной проводимостью или крутизной полевого транзистора и выражается в mho (или сеймен) или милли-мхо (милли-сеймен).

Параметр r d представляет собой динамическое сопротивление стока полевого транзистора и выражается в омах.Проводимость стока g d обратно пропорциональна r d .

Коэффициент усиления

Определяется как:

           …….(6)

Варьируя v ds и v gs , можно сохранить i d = 0. Уравнение 3 дает:

             ………(7)

Или,

              ………(8)

Или,

             ……..(9)

Все три параметра g m , r d и

изменяются в зависимости от смещения затвора V GS и температуры окружающей среды.Установлено, что g m имеет отрицательный температурный коэффициент. Ток стока I D имеет то же изменение температуры, что и g m . Таким образом, I d также имеет отрицательный температурный коэффициент. В основном это связано с уменьшением подвижности основных носителей при повышении температуры. Это плюс полевого транзистора, поскольку с отрицательным температурным коэффициентом тепловой разгон никогда не приводит к полевому транзистору. С другой стороны, в BJT ток неосновных носителей увеличивается с повышением температуры, и существует тенденция к тепловому разгону.

Модели слабого сигнала для FET

Уравнение 3 дает инкрементальный ток стока i d в единицах g m , r d , v gs и v ds . На рис. 1 показана схема, которая удовлетворяет уравнению 3 и, следовательно, образует низкочастотную модель полевого транзистора с малым сигналом. Эта модель содержит один зависимый генератор тока, ток которого g m , v gs пропорционален изменяющемуся во времени напряжению затвор-исток v gs . Константой пропорциональности является крутизна g m .

В низкочастотной модели полевого транзистора с обратным смещением затвора ток затвора равен нулю. Следовательно, входное сопротивление между затвором и истоком бесконечно. Точно так же сопротивление между затвором и стоком бесконечно.

Предполагая синусоидальное входное напряжение со среднеквадратичным значением v gs , модель на рисунке 1 может быть перерисована, как на рисунке 2, где v gs , i d , v ds заменены, соответственно, на среднеквадратичное значение v gs , I d и V ds .

Сравнение низкочастотной модели FET и BJT

Давайте сравним низкочастотную модель полевого транзистора, представленную на рисунках 1 и 2, с моделью биполярного транзистора с h-параметрами. Мы находим, что

  1. Обе модели FET и BJT имеют зависимый генератор тока в выходной цепи.
  2. В моделях FET ток генератора пропорционален входному напряжению V gs , тогда как в модели BJT ток генератора пропорционален входному току.
  3. В FET нет обратной связи от выхода (стока) к входу (истоку), тогда как в модели BJT существует обратная связь через параметр h re .
  4. В режиме FET входное сопротивление очень высокое, теоретически бесконечное на низких частотах, тогда как в модели BJT с общим эмиттером входное сопротивление низкое, всего около 1 кОм.

Таким образом, мы заключаем, что на низких частотах FET представляет собой более идеальный усилитель, чем BJT-усилитель.

Величина параметров полевого транзистора

В таблице 1 приведен порядок величины параметров низкочастотной модели полевого транзистора с диффузным переходом.В таблице также приведены значения тех же параметров для типичного низкочастотного МОП-транзистора.

Таблица 1: Значения параметров типовых JFET и MOSFET
Параметр FET с диффузным соединением МОП-транзистор
г м

р г

р гс

р гс

от 0,1 до 10 мкм

от 0,1 до 1 МОм

> 100 МОм

> 10 МОм

0.от 1 до 20 мес.

1-50 кОм

> 10 4 МОм

> 10 6 МОм

 

Параметры JFET или характеристики JFET

При покупке JFET для конкретного применения необходимо проверить характеристики устройства. Эти характеристики предоставляются производителями. Ниже приведены параметры, используемые для определения JFET:

Напряжение отсечки затвора

При фиксированном напряжении стока ток стока (I D ) JFET зависит от напряжения затвор-исток (V GS ).Если напряжение затвор-исток уменьшается от нуля в n-канальном полевом транзисторе, ток стока также соответственно уменьшается. Соотношение между напряжением затвора и истока и током стока приведено ниже. После определенного напряжения затвор-исток (V GS ) ток стока I D становится равным нулю. Это напряжение известно как напряжение затвора отсечки (V GS(off) ). Это напряжение численно равно отсечке стока к напряжению истока (V p ). В случае p-канального JFET, если мы увеличим напряжение на выводе затвора с нуля, ток стока уменьшится, и после определенного напряжения затвора до истока ток стока станет равным нулю.Это напряжение является напряжением отсечки затвора для p-канального полевого транзистора. Это напряжение отсечки затвора для p-канального полевого транзистора.

Закороченный ток стока затвора

Когда клемма затвора заземлена (V GS = 0) и положительное напряжение сток-исток (V DS ) медленно увеличивается в случае n-канального JFET, ток стока увеличивается линейно. Но после напряжения отсечки (V p ) ток стока больше не увеличивается и принимает постоянное значение.Это максимальный ток стока, который может протекать через канал, когда клемма затвора находится в потенциале земли. Этот ток является фиксированным для JFET и называется током стока с короткозамкнутым вентилем и обычно обозначается I DSS .

Transconductance

Transconductance представляет собой отношение изменения тока стока (δI D ) к изменению напряжения затвор-исток (δV GS ) при постоянном напряжении сток-исток (V DS = константа).

Это значение максимально при V GS = 0.Это обозначается g mo . Это максимальное значение (г мес ) указано в листе данных JFET. крутизна при любом другом значении напряжения затвор-исток (g m ) может быть определена следующим образом. Выражение тока стока (I D ) равно

Путем частичного дифференцирования выражения тока стока (I D ) по напряжению затвор-исток (V GS )

At V GS = 0 , крутизна достигает своего максимального значения и составляет

Следовательно, мы можем написать,

Динамическое выходное сопротивление

Это отношение изменения напряжения стока к напряжению истока (δV DS ) к изменению тока стока ( δI D ) при постоянном напряжении от затвора до истока (V GS = постоянное).Отношение обозначается как r d .

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления определяется как отношение изменения напряжения стока (δV DS ) к изменению напряжения затвора (δV GS ) при постоянном токе стока (I D = постоянный).

Существует зависимость между крутизной (g m ) и динамическим выходным сопротивлением (r d ), которую можно установить следующим образом.

Полевые транзисторы с переходом (JFET) Рабочий лист

Пусть сами электроны дадут вам ответы на ваши «учебные задачи»!

Примечания:

По моему опыту, ученикам нужно много практиковаться в анализе цепей, чтобы стать профессионалом.С этой целью преподаватели обычно дают своим ученикам множество практических задач для решения и дают ответы, чтобы студенты могли проверить свою работу. Хотя этот подход позволяет учащимся хорошо разбираться в теории цепей, он не дает им полного образования.

Студентам нужна не только математическая практика. Им также нужны настоящие практические занятия по построению схем и использованию тестового оборудования. Итак, я предлагаю следующий альтернативный подход: студенты должны построить свои собственные «практические задачи» с реальными компонентами и попытаться математически предсказать различные значения напряжения и тока.Таким образом, математическая теория «оживает», и учащиеся получают практические навыки, которые они не получили бы, просто решая уравнения.

Еще одна причина для следования этому методу практики состоит в том, чтобы научить студентов научному методу : процессу проверки гипотезы (в данном случае математических предсказаний) путем проведения реального эксперимента. Студенты также разовьют реальные навыки устранения неполадок, поскольку они время от времени допускают ошибки при построении схемы.

Потратьте несколько минут вместе с классом, чтобы просмотреть некоторые «правила» построения схем, прежде чем они начнутся.Обсудите эти вопросы со своими учениками в той же сократовской манере, в которой вы обычно обсуждаете вопросы из рабочего листа, а не просто говорите им, что они должны и не должны делать. Я не перестаю удивляться тому, как плохо студенты усваивают инструкции, представленные в формате типичной лекции (монолога инструктора)!

Примечание для тех инструкторов, которые могут жаловаться на «потерянное впустую» время, необходимое для того, чтобы студенты строили реальные схемы, а не просто математически анализировали теоретические схемы:

С какой целью студенты изучают ваш курс?

Если ваши ученики будут работать с реальными схемами, им следует по возможности учиться на реальных схемах.Если ваша цель — обучить физиков-теоретиков, то обязательно придерживайтесь абстрактного анализа! Но большинство из нас планирует, чтобы наши ученики делали что-то в реальном мире с образованием, которое мы им даем. «Потерянное» время, потраченное на построение реальных схем, окупится огромными дивидендами, когда им придет время применить свои знания для решения практических задач.

Кроме того, когда студенты создают свои собственные практические задачи, они узнают, как выполнять первичное исследование , что дает им возможность самостоятельно продолжить свое образование в области электротехники/электроники.

В большинстве наук реалистичные эксперименты гораздо сложнее и дороже поставить, чем электрические цепи. Профессора ядерной физики, биологии, геологии и химии хотели бы, чтобы их студенты применяли передовую математику в реальных экспериментах, не представляющих угрозы безопасности и стоящих меньше, чем учебник. Они не могут, а вы можете. Воспользуйтесь удобством, присущим вашей науке, и заставьте ваших студентов практиковать математику на множестве реальных схем!

Полевой транзистор с переходом

(JFET) Модель

Модель

Вид

Транзистор

Модель Подвид

JFET

Префикс SPICE

Дж

Формат шаблона списка соединений SPICE

@DESIGNATOR %1 %2 %3 @MODEL &"КОЭФФИЦИЕНТ ПЛОЩАДИ" &"ПУСКНЫЕ УСЛОВИЯ" ?"НАЧАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ D-S"|[email protected]"НАЧАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ D-S", @"НАЧАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ G-S"| ?TEMPERATURE|[email protected]|

Параметры (определяемые на уровне компонентов)

Следующие параметры уровня компонента определяются для этого типа модели и перечислены на вкладке Параметры диалогового окна Sim Model .Чтобы получить доступ к этому диалоговому окну, просто дважды щелкните запись для ссылки на имитационную модель в области Models диалогового окна Component Properties .

Коэффициент площади

указывает количество эквивалентных параллельных устройств указанной модели. Этот параметр влияет на ряд параметров модели.

Начальное состояние

установите на OFF, чтобы обнулить напряжение на клеммах во время анализа рабочей точки.Может быть полезен в качестве помощи в конвергенции.

Начальное напряжение D-S

нулевое время напряжения на клеммах Drain-Source (в вольтах).

Начальное напряжение G-S

нулевое по времени напряжение на клеммах Gate-Source (в вольтах).

Температура

температура, при которой должно работать устройство (в град.С). Если значение не указано, будет использоваться значение по умолчанию, присвоенное параметру TEMP на странице SPICE Options диалогового окна Analyses Setup (по умолчанию = 27).

Параметры (определяемые в файле модели)

Ниже приведен список параметров, которые можно сохранить в связанном файле модели:

ВТО

пороговое напряжение VTO (в вольтах). (по умолчанию = -2,0).

БЕТА

параметр крутизны β (в A/V 2 ).(по умолчанию = 1.0e-4)

ЛЯМБДА

параметр модуляции длины канала λ (в 1/В). (По умолчанию = 0).

РД

омическое сопротивление стока (в омах). (По умолчанию = 0).

RS

омическое сопротивление источника (в Омах). (По умолчанию = 0).

СГС

емкость перехода GS при нулевом смещении C GS (в фарадах). (По умолчанию = 0).

ЦГД

емкость перехода G-D при нулевом смещении C GD (в фарадах). (По умолчанию = 0).

ПБ

потенциал перехода затвора (в вольтах).(по умолчанию = 1).

ИС

ток насыщения затворного перехода I S  (в амперах). (По умолчанию = 1.0e-14).

Б

параметр легирующего хвоста (по умолчанию = 1).

КФ

коэффициент мерцающего шума (по умолчанию = 0).

АФ

экспонента мерцающего шума (по умолчанию = 1).

ФК

Коэффициент

для формулы емкости истощения при прямом смещении (по умолчанию = 0,5).

ТНОМ

параметр измерения температуры (в °C) 
— если значение не указано, будет использоваться значение по умолчанию, присвоенное TNOM на странице параметров SPICE диалогового окна «Настройка анализа» (по умолчанию = 27).

Примечания

  1. Модель JFET основана на модели FET Шичмана и Ходжеса.
  2. Значения для Initial D-S Voltage и Initial G-S Voltage применяются только в том случае, если параметр Use Initial Conditions включен на странице Transient/Fourier Analysis Setup диалогового окна Analyses Setup .
  3. Фактор площади влияет на следующие параметры модели:
  • параметр крутизны ( БЕТА )
  • Активное сопротивление стока ( RD )
  • омическое сопротивление источника ( RS )
  • Емкость перехода GS с нулевым смещением ( CGS )
  • Емкость перехода G-D с нулевым смещением ( CGD )
  • ток насыщения затворного перехода ( IS )
  1. Если коэффициент площади опущен, значение 1.Предполагается 0 .
  2. Ссылка на нужный файл модели ( *.mdl ) указана на вкладке Вид модели диалогового окна Sim Model. Имя модели используется в списке соединений для ссылки на этот файл.
    Если параметр имеет указанное значение по умолчанию (как часть определения модели SPICE), это значение по умолчанию будет использоваться, если специально не введено значение. Значение по умолчанию должно быть применимо к большинству симуляций. Как правило, вам не нужно изменять это значение.

Примеры

Рассмотрим JFET на изображении выше со следующими характеристиками:

  • Контакт 1 (слив) подключен к сети D
  • Pin2 (Шлюз) подключен к сети G
  • Контакт 3 (источник) подключен к сети S
  • Обозначение J1
  • Связанный файл имитационной модели: 2N4393. леев.

Если значения параметров в диалоговом окне Sim Model не введены, записи в списке соединений SPICE будут следующими:

*Схема соединений:
J1 DGS 2N4393 
.
.
*Модели и подсхема:
.МОДЕЛЬ 2N4393 NJF(VTO=-1,422 BETA=0,009109 LAMBDA=0,006 RD=1 RS=1 CGS=4,06E-12
+ CGD=4,57E-12 IS=2,052E-13 KF= 1.23Е-16)

, и механизм SPICE будет использовать указанную информацию о параметрах, определенную в файле модели, наряду со значениями параметров по умолчанию, присущими модели, для тех параметров, которые не указаны в файле.
Если на вкладке Параметры диалогового окна Sim Model были указаны следующие значения параметров:

  • Коэффициент площади = 4
  • Температура = 29

, тогда записи в списке соединений SPICE будут такими:

*Список соединений схемы:
J1 DGS 2N4393 4 TEMP=29
.
.
*Модели и подсхема:
.МОДЕЛЬ 2N4393 NJF(VTO=-1,422 БЕТА=0,009109 LAMBDA=0,006 RD=1 RS=1 CGS=4,06E-12
+ CGD=4.57E-12 IS=2.052E-13 KF=1.23E-16 )

В этом случае механизм SPICE будет использовать эту информацию в сочетании с указанными параметрами, определенными в файле модели (и любыми значениями по умолчанию для неуказанных параметров).

Поддержка PSpice

Чтобы сделать эту модель устройства совместимой с PSpice, поддерживаются следующие дополнительные параметры модели, которые можно ввести в связанный файл модели ( *.mdl ) для устройства:

АЛЬФА

Коэффициент ионизации

(в Вольтах-1).(По умолчанию = 0).

БЕТАТСЕ

Экспоненциальный температурный коэффициент БЕТА (в Ампер/Вольт2). (По умолчанию = 1E-4).

ИСР

Параметр тока p-n рекомбинации затвора (в амперах). (По умолчанию = 0).

М

Коэффициент градации p-n ворот.(по умолчанию = 0,5).

Н

Коэффициент излучения затвора p-n. (по умолчанию = 1).

NR

Коэффициент эмиссии

для ISR. (по умолчанию = 2).

ВК

Напряжение колена ионизации (в вольтах). (По умолчанию = 0).

ВТОТК

Температурный коэффициент VTO (в вольт/°C).(По умолчанию = 0).

XTI

Температурный коэффициент IS. (по умолчанию = 3).

Если параметр имеет указанное значение по умолчанию, это значение по умолчанию будет использоваться, если специально не введено значение.

Формат файла модели PSpice:

  • .MODEL ModelName NJF (параметры модели) - N-канальный JFET
  • .MODEL ModelName PJF (параметры модели) - P-канальный JFET

где

  • ModelName — название модели, ссылка на которую указана на вкладке Model Kind диалога Sim Model .Это имя используется в списке соединений ( @MODEL ) для ссылки на требуемую модель в связанном файле модели.
  • Параметры модели — это список поддерживаемых параметров модели, введенных со значениями по мере необходимости.

Следующие параметры — общие для большинства устройств в PSpice — не поддерживаются:
T_ABS
T_MEASURED
T_REL_GLOBAL
T_REL_LOCAL .

Пример использования модели диода, совместимой с PSpice, в моделировании см. в примере проекта JFET.PrjPCB.

Полевой МОП-транзистор

Полевой МОП-транзистор

Подразделы
Рисунок 10.16: вертикальный разрез встроенного MOSFET
Рисунок 10.17: четыре типа полевых МОП-транзисторов и их обозначения

Существует четыре различных типа полевых МОП-транзисторов. показано на рис. 10.17 все охвачено моделью будет объяснил здесь.«Модель первого порядка» — это физическая модель с уравнения тока стока по Гарольду Шичману и Дэвиду А. Ходжес [13].

В следующей таблице приведены параметры модели и устройства для МОП-транзистор уровня 1.

Рисунок 10.18: n-канальный полевой МОП-транзистор с большим сигналом, модель

Заранее сделано несколько полезных сокращений для упрощения ДК. текущие уравнения.

Пороговое напряжение, зависящее от смещения, зависит от напряжение или напряжение объемного стока в зависимости от режим работы.

(10.169)

Следующие уравнения описывают поведение постоянного тока N-канальный MOSFET в нормальном режиме, т.е. , в соответствии с Шичман и Ходжес.

  • область отсечки:

с

(10.182)

В инверсном режиме работы, т.е. , то же уравнения могут быть применены со следующими модификациями. Заменять с, с и с .Ток стока меняется на противоположный. Кроме того, крутизны изменяют свои управляющие узлы, т.е.

(10.183)

Уравнения тока двух паразитных диодов в основном узле и их производные записывают следующим образом.

с

(10.186)

Рисунок 10.19: сопровождаемая модель постоянного тока внутреннего МОП-транзистора

С моделью сопровождаемого DC, показанной на рис.10.19 это можно сформировать матрицу МНА и текущий вектор встроенный МОП-транзистор.

(10.187)

Существуют электрические параметры, а также физические и геометрические параметры. параметры в наборе параметров модели для МОП-транзисторов «Первый Модель заказа». Некоторые электрические параметры могут быть получены из геометрические и физические параметры.

Оксидная емкость на квадратный метр площади канала может быть вычисляется как

(10.191)

Тогда общая емкость оксида может быть записана как

(10.192)

Коэффициент крутизны можно рассчитать, используя

(10.193)

Поверхностный потенциал определяется выражением (с температурным напряжением)

(10.194)

Уравнение (10.194) справедливо для концентраций акцепторов () существенно больше, чем концентрация доноров .Объемный порог (также иногда называемый эффектом тела коэффициент)

(10.195)

И, наконец, пороговое напряжение нулевого смещения записывается как следует.

(10.196)

Принимая во внимание, что обозначает напряжение плоской полосы, состоящее из работы функциональная разница между затвором и подложкой материал и дополнительный потенциал из-за поверхностного заряда оксида.

(10.197)

Зависящий от температуры потенциал запрещенной зоны кремния (материал подложки Si) пишет следующее. С в ширина запрещенной зоны примерно .

(10.198)

Разница работы выхода вычисляется в зависимости от материал проводника затвора. Это может быть либо глинозем ( ), н-полисиликон ( ) или п-полисиликон ( ). Работа выхода полупроводника, что представляет собой разность энергий между уровнем вакуума и уровнем Ферми. уровень (см.10.20), зависит от легирования концентрация.

(10.199)

(10.200)

Рисунок 10.20: диаграммы энергетических зон изолированных (плоских) МОП-материалов

Выражение в уравнении (10.199) визуализируется в инжир. 10.20. Сокращения обозначают

Обратите внимание, что потенциал положительный в p-MOS и отрицательное в n-MOS, как показывает следующее уравнение.

(10.201)

Когда материал проводника затвора представляет собой сильнолегированный поликристаллический кремния (также называемого поликремнием), то модель предполагает, что Уровень Ферми этого полупроводника совпадает с зоной проводимости (для n-poly) или валентной зоны (для p-poly). В глиноземе Ферми уровень, валентность и зона проводимости равны сродству к электрону.

Если нижняя емкость объемного перехода с нулевым смещением на квадратный метр площадь соединения не задана, ее можно вычислить следующим образом.

(10.202)

Вот и все физические параметры. Параметры геометрии учет электрических параметров по длине, площади или объему. Таким образом, модель MOS является масштабируемой.

Диффузионные сопротивления на стоке и затворе рассчитываются следующим образом. Листовое сопротивление относится к толщине диффузионного область.

(10.203)

Если ток насыщения объемного перехода на квадратный метр области соединения, а также области стока и истока даны соответствующие токи насыщения рассчитываются по следующей формуле уравнения.

(10.204)

Если параметры и не заданы с нулевым смещением Емкости истощения для дна и емкости боковых стенок равны вычисляется следующим образом.



Модель малого сигнала
Рисунок 10.21: Модель малого сигнала внутреннего МОП-транзистора

Емкости объемного стока и объемного истока в модели MOSFET разделены на три части: емкость истощения переходов, которая состоит площади и боковой части и диффузионной емкости.

Диффузионные емкости переходов объемный сток и объемный исток определяются временем прохождения миноритарных зарядов через узел.

Хранение заряда в MOSFET состоит из емкостей, связанных с паразиты и внутреннее устройство. Паразитные емкости состоят из трех постоянных перекрывающихся емкостей. Собственные емкости состоят из нелинейной емкости тонкого оксида, распределенной среди затворной, стоковой, истоковой и наливной областей.Ворота МОС емкости, как нелинейная функция напряжения на клеммах, равны моделируется кусочно-линейной моделью Дж. Э. Мейера [15].

Емкости оксида затвора, зависящие от смещения, распределяются в соответствии с Мейера [15] следующим образом.

  • зоны отсечки:

  • область насыщения:

с

(10.230)

В инверсном режиме работы и должны быть меняется местами, меняет знак, то приведенные выше формулы могут быть применяется также.

Емкости постоянного перекрытия вычисляются следующим образом.

С этими определениями можно сформировать слабый сигнал Матрица Y-параметров внутреннего MOSFET-транзистора в рабочем режиме точка, которая может быть преобразована в S-параметры.

(10.234)

с

Тепловой шум, создаваемый внешними резисторами, и характеризуется следующей спектральной плотностью.

(10.241)

Рисунок 10.22: модель шума собственного MOSFET

Канальный и мерцающий шум, создаваемый крутизной постоянного тока а ток от стока к истоку характеризуется спектральным плотность

(10.242)

Корреляционная матрица шумового тока (представление проводимости) собственный MOSFET можно выразить как

(10.243)

Это матричное представление может быть легко преобразовано в шумовую волну. представление если S-параметр малого сигнала матрица известна.

Температура влияет на некоторые параметры модели MOS, которые обновляются по новой температуре. Эталонная температура в следующие уравнения обозначают номинальную температуру определяется моделью МОП-транзистора. Температурная зависимость и определяется

Влияние температуры на и моделируется

(10.246)

где зависимость уже описана в раздел 10.2.4 на стр. . температурная зависимость , , и описывается следующими соотношениями

Температурная зависимость дается соотношением

(10.251)

Аналогичная зависимость имеет место для .


Этот документ был создан Stefan Jahn по номеру 30.12.2007 с использованием latex2html.

[PDF] Лабораторное занятие 3. Статические параметры полевых транзисторов (JFET и MOSFET)

1 Лабораторное занятие 3 Статические параметры полевых транзисторов (JFET и MOSFET) Цель упражнения Основные…

КАФЕДРА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Лаборатория полупроводниковых приборов

Лабораторное занятие 3 Статические параметры полевых транзисторов (JFET и MOSFET) Цель упражнения Основными целями данного лабораторного занятия являются знакомство с характеристиками постоянного тока и понимание принципов работы транзистора с полевым эффектом перехода (JFET) и полевого транзистора на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET).

Соединительные полевые транзисторы Общие сведения Физическая структура и принцип работы JFET Соединительный полевой транзистор (JFET) представляет собой устройство с тремя выводами (затвор (G), исток (S) и сток (D)), которое принадлежит к группе униполярных полупроводниковых приборов. В полевом транзисторе ток протекает только через полупроводник одного типа. Следовательно, этот ток обусловлен исключительно либо потоком дырок, либо потоком электронов, в зависимости от типа материала (р-типа или n-типа), из которого изготовлен транзистор.Область, в которой текут носители, называется каналом транзистора. Управление током осуществляется за счет изменения сопротивления канала транзистора. Принцип работы полевого транзистора n-типа показан на рис. 1. Направление тока через канал — это направление от истока (S) к стоку (D). Ширина канала ограничена двумя p-n-переходами, которые создаются путем введения p+ ям в полупроводниковый материал n-типа и их соединения с выводом затвора транзистора (G) (как показано на рис.1). В нормальных условиях работы полевого транзистора переходы затвор-канал смещены в обратном направлении, и ток, протекающий через структуру транзистора, управляется изменениями напряжения затвор-исток UGS.

(а)

(б)

Рис. 1. Физическая структура (а) и условное обозначение (б) полевого транзистора n-типа На рис. 2 зависимость ширины канала от напряжения затвор-исток UGS имеет вид (предполагается, что ток в канале пренебрежимо мал, ID≅0). Заштрихованные области на диаграммах представляют области истощения (в которых нет свободных зарядов), а пустые области канала представляют области, содержащие свободные носители заряда.При малых значениях УГС области перехода затвор-канал малы, а эффективная ширина канала велика; следовательно, сопротивление сток-исток транзистора низкое. По мере увеличения UGS (в обратном направлении) канал становится уже, поскольку области истощения переходов затвор-канал обратного смещения становятся больше. По сути, сопротивление сток-исток увеличивается. Когда напряжение затвор-исток достигает так называемого напряжения отсечки, т. е. UGS = Up, обедненные области с каждой стороны канала встречаются.Это полностью закрывает канал, и эффективное сопротивление сток-исток становится бесконечным. СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПТ

1

ОТДЕЛ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Лаборатория полупроводниковых приборов

(а)

(б)

(в)

Рис.2. Форма канала в JFET для (а) UGS = 0, (б) 0

(а)

(б)

(в)

Рис.3. Изменение профиля обедненной области с изменением ID для постоянного УГС: (а) ID = 0, (б) ID

Рис.Рис. Выходные характеристики по постоянному току n-канального JFET Параметры малых сигналов Как и для других дискретных элементов, в случае полевого транзистора параметры малых сигналов могут быть определены для выбранной рабочей точки.На основе этих параметров может быть построена эквивалентная схема транзистора с малым сигналом. Однако параметры малых сигналов зависят от рабочей точки транзистора и частоты усиливаемого сигнала. Для низких частот наиболее важными параметрами малого сигнала являются: крутизна затвора gm и выходная проводимость gd (фактически это проводимость канала). Эти параметры определены ниже:

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы Общие сведения Физическая структура и принцип работы МОП-транзисторов МОП-транзисторы относятся к семейству полевых транзисторов и представляют собой полупроводниковые устройства, управляемые электрическим полем.В основном они используются в микроэлектронных системах (памяти, микропроцессорах и т.д.). Токопроводящие электроды МОП-транзистора называются истоком (S) и стоком (D). Управляющие электроды называются затворным (G) и объемным (B). На рис. 6 представлена ​​структура полевого МОП-транзистора с каналом «n-типа», работающим в режиме обеднения, также называемом «нормально включенным». 6. МОП-транзистор типа «нормально открытый» (а) физическая структура, (б) графические обозначения транзистора с каналом «n-типа» и (в) с каналом «p-типа» Затвор изолирован от канал слоем SiO2.Благодаря этому входное сопротивление затвора составляет около 1012 Ом, а входной ток очень мал, что является большим преимуществом этих транзисторов.

СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПТ

3

ОТДЕЛ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Лаборатория полупроводниковых приборов

Напряжение источника может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Характеристики постоянного тока примерного транзистора представлены на рис. 7.

Рис. 7. Выходные и переходные характеристики полевого МОП-транзистора n-типа в режиме обеднения Другой тип МОП-транзистора — это транзистор с расширенным каналом, работающий в расширенном режиме или так называемый «нормально выключенный». Его структура для транзистора n-типа показана на рис. 8. Если напряжение, приложенное к затвору, положительное, он стремится притянуть электроны от подложки и сформировать инверсионный слой в объеме «p-типа» под затвором. Слой создает канал «n-типа», соединяющий области n-типа истока и стока.Наименьшее положительное напряжение затвора, вызывающее усиление канала, называется UT (пороговое напряжение). Типичные характеристики постоянного тока «нормально закрытого» транзистора показаны на рис. 9.

B (масса)

B (масса) p — объем

Рис. 8. МОП-транзистор нормально выключенного типа (а) физическая структура; (b) графические обозначения транзистора с каналом n-типа; и (в) с каналом p-типа

Параметры слабого сигнала Динамические свойства MOSFET определяются на основе модели слабого сигнала для конфигурации «общий исток», представленной на рис.10.

Рис. 10. Эквивалентная схема MOSFET для среднего диапазона частот где: Cgs – емкость затвор-исток; Cgd – пропускная способность затвора-дренажа; Cdb – сливно-наливная емкость; Csb — источникоемкость; gm – крутизна затвора; gmb – объемная крутизна; gd – проводимость канала. Крутизна затвора gm определяет увеличение тока стока, вызванное небольшим увеличением напряжения на затворе в заданной рабочей точке.

Объемная крутизна gmb определяет увеличение тока стока, вызванное небольшим увеличением объемного напряжения в заданной рабочей точке.

Проводимость канала gd определяется по формуле:

Емкости Cgs и Cgd находятся между электродом затвора и каналом транзистора. При напряжении UDS = 0 обе емкости имеют значения, равные половине всей емкости изоляторного слоя. При увеличении UDS Cgs также увеличивается и достигает 2/3 значения всей емкости диэлектрического слоя, а Cgd уменьшается вплоть до нуля. В реальном транзисторе эти емкости больше, так как поверхность затвора расположена над областями диффузии истока и стока (в транзисторах с усиленными каналами тем более).Поскольку емкость затвор-сток не равна нулю, усиление на высоких частотах снижается. Емкости Cdb и Csb представляют собой емкости смещения барьера для переходов сток-объем и исток-объем. Их значения уменьшаются при увеличении смещения сток-исток. Упражнение Схема измерительной цепи представлена ​​на рис. 11. Эксперимент должен охватывать измерение характеристик постоянного тока JFET и MOSFET: • выходная характеристика ID = f(UDS) для трех значений напряжения затвор-исток UGS.Примечание: для JFET в качестве первого значения следует взять UGS=0 В. Следующие значения должны быть в диапазоне от 0 до Up. • переходная характеристика ID = f(UGS) для трех значений UDS напряжения сток-исток. Из области насыщения следует брать только ОДНО значение UDS.

СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПТ

5

ОТДЕЛ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Лаборатория полупроводниковых приборов

Рис. (3V — 8V) и отрегулируйте значение UGS, чтобы закрыть канал.Эта процедура дает вам информацию о типе транзистора и позволяет оценить напряжение отсечки. Точно так же вы можете оценить пороговое напряжение в полевых МОП-транзисторах. ЗАМЕЧАНИЕ 2. Перед началом измерений изучите контрольные диапазоны всех величин. Оцените, насколько быстро происходят изменения. С помощью этих наблюдений устанавливают шаг измерения (он не обязательно должен быть постоянным!!!). Отчет Отчет о лабораторном занятии должен содержать: Характеристики постоянного тока тестируемых транзисторов (ПРИМЕЧАНИЕ: соберите характеристики на одном графике).Определите параметры UT или UP и IDSS (соберите их в таблицу). Определите параметры малого сигнала для выбранной рабочей точки. Для тестируемых транзисторов постройте их характеристики, а затем постройте прямые линии, соответствующие параметрам слабого сигнала транзистора (рассчитанным в предыдущем пункте). Замечания, наблюдения и выводы. Литература [1] Z.Lisik, Podstawy fizyki półprzewodników, PŁ, 1994 (на польском языке) [2] A.Świt, J. Pułtorak, Przyrządy półprzewodnikowe. WNT, Варшава, 1979 (на польском языке) [3] В.

0 comments on “Параметры полевых транзисторов: ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.