Lauko tranzistoriai yra svarbūs šiuolaikinės elektronikos komponentai. Jie valdomi elektriniu lauku ir pasižymi unikaliomis savybėmis, kurios lemia jų plačias panaudojimo galimybes. Šiame straipsnyje aptarsime lauko tranzistorius, jų veikimo principus bei ribinius srovės tankius.
Lauko Tranzistorių Veikimo Principai
Lauko tranzistoriai, skirtingai nuo dvipolių tranzistorių, yra unipoliniai įtaisai. Tai reiškia, kad srovės srautas juose susideda tik iš vienos rūšies krūvininkų: elektronų (N kanalo tranzistoriuose) arba skylių (P kanalo tranzistoriuose). Išėjimo srovė teka kanalu, kuris gali būti N arba P tipo.
Lauko Tranzistorių Tipai
Lauko tranzistoriai skirstomi į du pagrindinius tipus:
- Valdančiosios PN sandūros lauko tranzistorius (sandūriniai): Šiuose tranzistoriuose tarp valdymo elektrodo ir kanalo susiformuoja atvirkštine kryptimi įjungta PN sandūra.
- Izoliuotosios užtūros lauko tranzistorius (MDP/MOP): Šie tranzistoriai dar vadinami metalo, dielektriko ir puslaidininkio (MDP) arba metalo, oksido ir puslaidininkio (MOP) tranzistoriais.
Valdančiosios PN Sandūros Lauko Tranzistorių Veikimas
Valdančios PN sandūros lauko tranzistoriuose, pakeitus išorinės įtampos poliarumą, metalinis elektrodas įsikrauna neigiamai. Šis neigiamas krūvis stumia elektronus nuo puslaidininkio paviršiaus, sumažindamas pagrindinių krūvininkų tankį ir suformuodamas nuskurdintąjį sluoksnį. Toliau kylant įtampai, pasiekiama slenkstinė įtampa, kai elektronų ir skylių tankiai susilygina. Dar didesnė įtampa sukuria inversinį skylinio laidumo sluoksnį puslaidininkio paviršiuje.
Santakos srovės valdymas pasiekiamas prijungus neigiamo poliarumo užtūros ir ištakos įtampą. Ši įtampa padidina užtvaro sluoksnio tarp užtūros ir kanalo storį, plonindama kanalą ir didindama jo varžą. Kuo didesnė užtūros ir ištakos įtampa, tuo mažesnė santakos srovė teka per tranzistorių. Užtūros ir ištakos įtampa, kuriai esant PN sandūra visiškai užtveria kanalą ir tranzistorius užsidaro, vadinama atkirtos įtampa.
Taip pat skaitykite: Suprasti ribinį dažnį
Išėjimo charakteristikoje tranzistoriaus santakos srovė iki soties įtampos tiesiškai priklauso nuo santakos ir ištakos įtampos. Esant soties režimui, santakos srovė šiek tiek didėja, didinant santakos ir ištakos įtampą. Tranzistoriaus soties režimo santakos srovė priklauso nuo užtūros ir ištakos įtampos. Esant nuliniai užtūros ir ištakos įtampai, tranzistoriumi teka didžiausia santakos srovė.
Izoliuotosios Užtūros Lauko Tranzistorių Veikimas
Izoliuotosios užtūros lauko tranzistoriuose (MDP/MOP) tarp ištakos ir santakos sričių suformuojamas plonas mažai legiruotas N laidumo kanalas. Puslaidininkio sritis tarp ištakos ir santakos padengta izoliaciniu silicio dioksido sluoksniu, kurio paviršius metalizuojamas ir išvedamas užtūros elektrodas. Prijungus prie užtūros teigiamą įtampą, į kanalo N sritį iš ištakos ir santakos N+ sričių pritraukiami papildomi laisvieji krūvininkai - elektronai.
Lauko Tranzistorių Parametrai ir Charakteristikos
Lauko tranzistoriaus charakteristikos statumas ir vidinė varža gali būti surandami iš tranzistoriaus perdavimo ir išėjimo charakteristikų, vietoje diferencialų imant srovių ir įtampų pokyčius. Aukštųjų dažnių srityje tranzistoriaus statumas sumažėja. Dinamines savybes apibrėžia sandūrų užtūra ir ištaka ir užtūra ir santaka krūviai.
Kai oksido sluoksnis arba PN sandūra tarp užtūros ir kanalo yra labai plonas, tada lauko tranzistorius yra labai jautrus valdymo įtampai, tačiau taip pat jautrus ir viršįtampiams. Per didelė valdymo įtampa sugadina izoliatorių, net ir esant trumpam impulsui. Dėl mažos talpos labai maža energija pramuša izoliatorių. Sritis tarp užtūros ir kanalo yra pati jautriausia visų valdančios PN sandūros ir MOP tranzistorių vieta. Užtūros ir kanalo apsaugai formuojami stabilitronai, kurie padidina srovę ir talpą tarp užtūros ir ištakos. Didžiausia leistina užtūros ir ištakos įtampa UGSmax apibrėžia leistinų užtūros ir ištakos diapazoną. Didžiausia leistina santakos srovė IDmax riboja tik MOP lauko tranzistorių darbo srovių diapazoną. Įtampa, veikianti tarp santakos ir ištakos ir kanalu tekanti santakos srovė nusako tranzistoriaus sklaidomąją galią, kuri neturi viršyti Pmax.
Ribinis Srovės Tankis
Ribinis srovės tankis yra maksimali srovės vertė, tenkanti vienetiniam plotui, kurią puslaidininkinis prietaisas gali saugiai praleisti. Viršijus šią vertę, prietaisas gali perkaisti ir sugesti. Ribinis srovės tankis yra svarbus parametras projektuojant elektronines grandines, nes jis leidžia užtikrinti prietaiso patikimumą ir ilgaamžiškumą.
Taip pat skaitykite: Sužinokite apie ribinį naudingumą
Ribinio Srovės Tankio Įtaka Lauko Tranzistoriams
Lauko tranzistoriams ribinis srovės tankis yra ypač svarbus dėl šių priežasčių:
- Kanalo matmenys: Lauko tranzistorių kanalai yra labai maži, todėl net ir nedidelė srovė gali sukelti didelį srovės tankį.
- Šilumos išsklaidymas: Dėl mažų matmenų, lauko tranzistoriai sunkiau išsklaido šilumą, todėl per didelis srovės tankis gali greitai sukelti perkaitimą.
- Izoliacijos pažeidimas: Kaip minėta anksčiau, izoliacinis sluoksnis tarp užtūros ir kanalo yra labai plonas ir jautrus viršįtampiams. Per didelis srovės tankis gali sukelti izoliacijos pažeidimą ir tranzistoriaus gedimą.
Kaip Užtikrinti Tinkamą Srovės Tankį
Norint užtikrinti tinkamą srovės tankį lauko tranzistoriuose, reikia atsižvelgti į šiuos faktorius:
- Tranzistoriaus pasirinkimas: Pasirinkite tranzistorių, kurio maksimali leistina santakos srovė (IDmax) atitinka jūsų grandinės poreikius.
- Darbinės sąlygos: Venkite naudoti tranzistorių ekstremaliomis sąlygomis, tokiomis kaip aukšta temperatūra ar didelė įtampa.
- Šilumos išsklaidymas: Užtikrinkite tinkamą tranzistoriaus aušinimą, naudodami radiatorių ar kitas šilumos išsklaidymo priemones.
- Grandinės projektavimas: Projektuokite grandinę taip, kad srovė per tranzistorių neviršytų leistinos vertės.
Kiti Puslaidininkiniai Prietaisai
Be lauko tranzistorių, elektronikoje plačiai naudojami ir dvikrūviai tranzistoriai. Jie gali būti NPN ir PNP struktūrų ir skirstomi į difuzinius, epitaksinius, planariuosius. Tranzistoriaus išvadai prijungti prie puslaidininkinių kristalų per labai mažos varžos kontaktus. Sandūra tarp emiterio ir bazės vadinama emiterio sandūra, o sandūra tarp kolektoriaus ir bazės - kolektoriaus sandūra. Yra skiriami 3 dvikrūvio tranzistoriaus jungimo atvejai: bendrosios bazės, bendrojo emiterio ir bendrojo kolektoriaus. Galimi 4 tranzistoriaus darbo režimai: stiprinimo, uždarymo, soties, inversinis. Svarbiausios dvikrūvio tranzistoriaus charakteristikos yra įėjimo ir išėjimo.
Diodai
Diodai yra dar vieni svarbūs puslaidininkiniai komponentai, turintys vieną PN sandūrą ir du išvadus. Vienoje pusėje diodas yra legiruotas N tipo puslaidininku, kitoje pusėje - P tipo. Kontaktas prie P sluoksnio vadinamas anodu, kontaktas prie N sluoksnio - katodu. Diodas praleidžia srovę, kai yra įjungtas tiesiogine kryptimi, ir blokuoja srovę, kai yra įjungtas atvirkštine kryptimi (išskyrus nedidelę atvirkštinę soties srovę).
Diodai skirstomi į rūšis pagal paskirtį schemoje, pavyzdžiui, lygintuviniai, aukštadažniai, impulsiniai, stabilitronai, varikapai, Šotkio, fotodiodai, šviesos diodai, tuneliniai ir atvirkštiniai diodai. Kiekvienas tipas turi savo unikalias charakteristikas ir panaudojimo sritis.
Taip pat skaitykite: Kas yra ribinis cukraus kiekis?
Gamybos Technologijos
Šiuolaikiniams puslaidininkiniams prietaisams gaminti plačiausiai naudojama epitaksinė-difuzinė planaroji technologija. Planariųjų tranzistorių visi išvadai suformuojami vienoje plokštumoje. Gaminant planariuosius tranzistorius, kolektoriaus sritis turi gana didelę tūrinę varžą. Gerokai sumažinti kolektoriaus srities tūrinę varžą leidžia NPN tranzistoriaus struktūra su paslėptuoju N+ sluoksniu.