Princip činnosti tranzistoru je zjednodušen

Tranzistor je všudypřítomnou a důležitou součástí moderní mikroelektroniky. Jeho účel je jednoduchý: umožňuje ovládat mnohem silnější pomocí slabého signálu.

Zejména může být použit jako řízená „klapka“: nepřítomností signálu na „bráně“ blokovat tok proudu a jeho napájením jej povolit. Jinými slovy: jedná se o tlačítko, které se nestiskne prstem, ale přivedením napětí. Toto je nejběžnější aplikace v digitální elektronice.

Tranzistory jsou k dispozici v různých baleních: stejný tranzistor může vypadat úplně jinak. Při prototypování jsou nejběžnější kryty:

TO-92 – kompaktní, pro lehké zatížení.
TO-220AB – masivní, dobrý odvod tepla, pro velké zatížení.

Označení na schématech se také liší v závislosti na typu tranzistoru a standardu označení použitého v kompilaci. Ale bez ohledu na variace zůstává jeho symbol rozpoznatelný.

Bipolární tranzistory

Bipolární tranzistory (BJT, bipolární tranzistory) mají tři kontakty:

Kolektor – je do něj přiváděno vysoké napětí, které chcete ovládat.

Základna – přes ni se dodává malé množství proudodemknout velké; základna je uzemněna, aby ji blokovala.

Emitor – proud jím protéká z kolektoru a báze, když je tranzistor „otevřený“.

Hlavní charakteristikou bipolárního tranzistoru je indikátor h_fe, také známý jako zisk. Udává, kolikrát více proudu v sekci kolektor-emitor může tranzistor propustit v poměru k proudu báze-emitor.

Například pokud h_fe = 100 a bází prochází 0,1 mA, pak přes sebe tranzistor projde maximálně 10 mA. Pokud je v tomto případě součástka ve vysokoproudé sekci, která spotřebovává např. 8 mA, bude jí přiděleno 8 mA a tranzistor bude mít určitou „výšku“. Pokud existuje součástka, která odebírá 20 mA, bude poskytnuta pouze s maximálním proudem 10 mA.

Také dokumentace pro každý tranzistor uvádí maximální přípustná napětí a proudy na kontaktech. Překročení těchto hodnot vede k nadměrnému zahřívání a snížení životnosti a silné překročení může vést ke zničení.

NPN a PNP

Výše popsaný tranzistor je tzv. NPN tranzistor. Skládá se ze tří vrstev křemíku spojených v pořadí Negativní-Pozitivní-Negativní (NPN), kde negativní je slitina křemíku s přebytkem negativních nosičů náboje (n-dopovaná) a pozitivní je slitina křemíku s přebytkem kladné nosiče náboje (p-dopované).

NPN jsou efektivnější a běžnější v průmyslu.

Při označování PNP tranzistorů se liší ve směru šipky. Šipka vždy ukazuje od P do N. Tranzistory PNP mají „obrácené“ chování: proud není blokován, když je báze uzemněna, a blokována, když jí proud protéká.

Tranzistory s efektem pole

Tranzistory s efektem pole (FET, Field Effect Transistor) mají přesně stejný účel jako bipolární, liší se však svou vnitřní strukturou. Zvláštním typem těchto součástek jsou tranzistory MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Umožňují vám pracovat s mnohem větším výkonem při stejných rozměrech. A ovládání samotné „klapky“ se provádí výhradně pomocí napětí: hradlem tranzistorů s efektem pole na rozdíl od bipolárních neprotéká proud.

Tranzistory s efektem pole mají tři kontakty:

Drain – je do něj přiváděno vysoké napětí, které chcete ovládat.

Hradlo – je na něj přivedeno napětí, aby proud mohl protékat; brána je uzemněna, aby blokovala proud.

Zdroj – proud jím protéká z kolektoru, když je tranzistor „otevřený“.

N-kanál a P-kanál

Analogicky s bipolárními tranzistory se polní tranzistory liší polaritou. N-kanálový tranzistor byl popsán výše. Jsou nejčastější.

P-kanál, když je označen, se liší ve směru šipky a má opět „obrácené“ chování.

Připojení tranzistorů k buzení vysoce výkonných součástek

Typickým úkolem mikrokontroléru je zapínání a vypínání konkrétní součásti obvodu. Samotný mikrokontrolér má obvykle skromný výkon. Takže Arduino s výstupem 5 V na pin vydrží proud 40 mA. Výkonné motory nebo ultrasvítivé LED diody mohou čerpat stovky miliampérů. Při přímém připojení takových zátěží může čip rychle selhat. Některé součástky navíc vyžadují ke svému provozu napětí vyšší než 5 V, čehož výstupní piny Arduina (digitální výstupní pin) v podstatě nejsou schopny.

Ale snadno stačí k ovládání tranzistoru, který zase bude řídit velký proud. Řekněme, že potřebujeme připojit dlouhý LED pásek, který vyžaduje 12 V a spotřebuje 100 mA:

Nyní, když je výstup nastaven na logickou jedničku (vysoká), 5 V vstupujících do báze otevře tranzistor a páskou poteče proud – bude svítit. Nastavením výstupu na logickou nulu (nízká) dojde k uzemnění báze přes mikrokontrolér a zablokování toku proudu.

Dávejte pozor na odpor omezující proud R. Je nutné, aby při přiložení řídicího napětí nevznikl zkrat na trase mikrokontrolér-tranzistor-zem. Hlavní věcí není překročit přípustný proud přes pin Arduino 40 mA, takže musíte použít rezistor vypočítané hodnoty:

zde U_d – to je pokles napětí na samotném tranzistoru. Závisí na materiálu, ze kterého je vyroben, a je obvykle 0,3 – 0,6 V.

Ale absolutně není nutné udržovat proud na povolené hranici. Je pouze nutné, aby zesílení tranzistoru umožňovalo řídit požadovaný proud. V našem případě je to 100 mA. Řekněme pro použitý tranzistor h_fe = 100, pak nám bude stačit řídící proud 1 mA.

Vyhovuje nám rezistor s hodnotou od 118 Ohm do 4,7 kOhm. Pro stabilní provoz na jedné straně a malé zatížení čipu na straně druhé je 2,2 kOhm dobrou volbou.

Pokud místo bipolárního tranzistoru použijete tranzistor s efektem pole, můžete se obejít bez odporu:

To je způsobeno skutečností, že brána v takových tranzistorech je řízena výhradně napětím: v sekci mikrokontrolér-brána-zdroj není žádný proud. A díky svým vysokým charakteristikám vám obvod využívající MOSFET umožňuje řídit velmi výkonné komponenty.

Pokud není uvedeno jinak, obsah této wiki je licencován pod následující licencí: CC Attribution-Nonkomerční-Share Alike 4.0 International

Odvozená díla musí obsahovat odkaz na http://wiki.amperka.ru jako původní zdroj, bezprostředně před obsah práce.
Wiki běží na skvělém enginu DokuWiki.

obvod design/tranzistory.txt · Poslední změna: 2024. 07. 22 14:00 — mik

Nástroje stránky

• Zobrazit zdrojový text
• Historie stránky
• Odkazy zde
• nahoře

Dnes se mezi dostatečným počtem odrůd tranzistorů rozlišují dvě třídy: pn – přechodové tranzistory (bipolární) a tranzistory s izolovaným polovodičovým hradlem (efekt pole).

Dalším názvem, který lze nalézt při popisu tranzistorů s efektem pole, je MOS (metal-oxide-semiconductor). To je způsobeno skutečností, že jako dielektrický materiál se používá hlavně oxid křemíku (SiO).₂).

Dalším poměrně běžným názvem je MIS (metal-dielectric-semiconductor).

Několik upřesnění. Velmi často můžete slyšet pojmy MOSFET, mosfet, MOS tranzistor. Tento termín je pro začátečníky v elektronice někdy zavádějící.

MOSFET je zkratka pro dvě anglické fráze: Metal-Oxide-Semiconductor (kov – oxid – polovodič) a Field-Effect-Transistors (tranzistor řízený elektrickým polem). Proto MOSFET není nic jiného než běžný MOS tranzistor.

Myslím, že je nyní jasné, že termíny mosfet, MOSFET, MOS, MOS, MOS znamenají totéž, a to tranzistor s izolovaným hradlem s efektem pole.

Vzhled jednoho z rozšířených mosfetů je IRFZ44N.

Stojí za připomenutí, že spolu se zkratkou MOSFET se používá zkratka J-FET (Junction). Tranzistor J-FET je také tranzistor s efektem pole, ale je řízen pomocí řídicího pn přechodu v něm. Na rozdíl od MOSFETu má J-FET trochu jinou strukturu.

Princip činnosti tranzistoru s efektem pole.

Podstatou činnosti tranzistoru s efektem pole je schopnost řídit jím protékající proud pomocí elektrického pole (napětí). To je výhodné ve srovnání s bipolárními tranzistory, kde je velký výstupní proud řízen pomocí malého vstupního proudu.

Zjednodušený model tranzistoru s efektem pole s izolovaným hradlem.

Podívejme se na zjednodušený model tranzistoru s efektem pole s izolovaným hradlem (viz obrázek). Protože mosfety přicházejí s různými typy vodivosti (n nebo p), obrázek ukazuje tranzistor s efektem pole s izolovaným hradlem a kanálem typu n.

Zjednodušený model tranzistoru s efektem pole s izolovaným hradlem

Základem tranzistoru MOS je:

• Silikonový substrát. Substrát může být buď polovodič typu p nebo polovodič typu n. Pokud je substrát typu p, pak polovodič obsahuje více kladně nabitých atomů v místech krystalové mřížky křemíku. Pokud je substrát typu n, pak polovodič obsahuje více záporně nabitých atomů a volných elektronů. V obou případech je vytvoření polovodiče typu p nebo n dosaženo zavedením nečistot.
• Oblasti n+ polovodičů. Tyto oblasti jsou vysoce obohaceny volnými elektrony (odtud „+“), čehož je dosaženo zavedením nečistoty do polovodiče. Do těchto oblastí jsou připojeny elektrody zdroje a odvodu.
• Dielektrický. Izoluje hradlovou elektrodu od křemíkového substrátu. Samotné dielektrikum je vyrobeno z oxidu křemičitého (SiO₂). K povrchu dielektrika je připojena hradlová elektroda, řídicí elektroda.

Nyní si krátce popíšeme, jak to celé funguje.

Pokud je mezi bránou a zdrojem kladné napětí (+) k terminálu hradla, pak se mezi kovovým terminálem hradla a substrátem vytvoří příčné elektrické pole. To zase začne přitahovat záporně nabité volné elektrony, které jsou v malém množství rozptýleny v křemíkovém substrátu, k povrchové vrstvě dielektrika.

Tím se v povrchové vrstvě nahromadí dostatečně velké množství elektronů a vytvoří se tzv. kanál – oblast vedení. Na obrázku je kanál zobrazen modře. Skutečnost, že kanál je typu n, znamená, že se skládá z elektronů. Jak vidíme, mezi svorkami zdroje a svodu a vlastně jejich n+ oblastmi je vytvořen jakýsi „most“, který vede elektrický proud.

Mezi zdrojem a odtokem začne protékat proud. V důsledku externího řídicího napětí je tedy řízena vodivost tranzistoru s efektem pole. Pokud odeberete řídicí napětí z hradla, vodivý kanál v blízké povrchové vrstvě zmizí a tranzistor se uzavře a přestane procházet proud. Je třeba poznamenat, že zjednodušený modelový obrázek ukazuje tranzistor s efektem pole s kanálem typu n. Existují také tranzistory s efektem pole s kanálem typu p.

Zobrazený model je velmi zjednodušený. Ve skutečnosti je návrh moderního tranzistoru MOS mnohem složitější. Navzdory tomu však zjednodušený model jasně a jednoduše ukazuje myšlenku, která byla součástí jeho zařízení.

Mimo jiné jsou tranzistory s efektem pole s izolovaným hradlem ochuzeného a obohaceného typu. Obrázek ukazuje pouze obohacený tranzistor s efektem pole – v něm je kanál „obohacen“ o elektrony. V mosfetu typu vyčerpání jsou elektrony již přítomny v oblasti kanálu, takže prochází proud bez řídicího napětí na hradle. Charakteristiky proudového napětí ochuzených a obohacených tranzistorů s efektem pole se výrazně liší.

O rozdílu mezi obohacenými a vyčerpanými MOSFETy si můžete přečíst zde. Také ukazuje, jak jsou různé MOSFETy označeny na schématech zapojení.

Je snadné vidět, že hradlová elektroda a substrát spolu s dielektrikem, které se nachází mezi nimi, tvoří jakýsi elektrický kondenzátor. Desky jsou kovovým hradlovým terminálem a oblastí substrátu a izolátorem mezi těmito elektrodami je dielektrikum oxidu křemíku (SiO₂). Proto má tranzistor s efektem pole základní parametr tzv kapacita brány.

O dalších důležitých parametrech mosfetů jsem již mluvil na stránkách webu.

Tranzistory s efektem pole mají na rozdíl od bipolárních tranzistorů nižší vlastní šum při nízkých frekvencích. Proto se aktivně používají v technologii zesílení zvuku. Například moderní nízkofrekvenční mikroobvody výkonového zesilovače pro CD/MP3 přehrávače do auta obsahují MOSFETy. Na palubní desce přijímače automobilu můžete vidět nápis „Power MOSFET“ nebo něco podobného. Takto se chlubí výrobce, který dává najevo, že mu záleží nejen na výkonu, ale také na kvalitě zvuku.

Tranzistor s efektem pole má ve srovnání s bipolárními tranzistory vyšší vstupní odpor, který může dosahovat 10 až 9 mocnin Ohmů i více. Tato vlastnost nám umožňuje považovat tato zařízení za potenciálně řízená nebo jinými slovy řízená napětím. Dnes je to nejlepší možnost pro vytváření obvodů s dostatečně nízkou spotřebou energie ve statickém klidovém režimu. Tato podmínka je zvláště relevantní pro obvody statické paměti s velkým počtem paměťových buněk.

Pokud mluvíme o klíčovém provozním režimu tranzistorů, pak v tomto případě bipolární vykazují lepší výkon, protože pokles napětí napříč možnostmi pole je velmi významný, což snižuje celkovou účinnost celého obvodu. Navzdory tomu, v důsledku vývoje technologie výroby polovodičových prvků, bylo možné se tohoto problému zbavit. Moderní vzorky mají nízký kanálový odpor a fungují dobře při vysokých frekvencích.

V důsledku hledání zlepšení vlastností vysoce výkonných tranzistorů s efektem pole bylo vynalezeno hybridní elektronické zařízení – tranzistor IGBT, který je hybridem pole s efektem pole a bipolární. Více o tranzistoru IGBT si můžete přečíst zde.