Чем полевой транзистор отличается от биполярного

Содержание

Хотите узнать каких видов бывают транзисторы — ознакомьтесь с максимально подробной классификацией транзисторов (по принципу действия, структуре и т. д.).

Транзистор (или полупроводниковый триод) — это полупроводниковый прибор, позволяющий при помощи небольшого сигнала управлять значительными токами. Транзистор бывает самостоятельным компонентом, либо состоящим из нескольких компонентов, вместе выполняющих функцию одиночного транзистора. В настоящее время транзистор надежно закрепил статус неотъемлемой части большинства электронных устройств и интегральных схем. Долгое время основой всех радиоэлектронных устройств была электронная лампа. Она имела большие размер и потребляемую мощность при низкой прочности и коротком сроке службы. Но не имела альтернатив. Не имела вплоть до 1947 года, когда сотрудниками Bell Telephone Laboratories Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином был создан первый рабочий транзистор имевший форму металлического цилиндра длиной всего 13мм. К слову, за это достижение спустя 9 лет все трое ученых были удостоены нобелевской премии в области физики. Мало-помалу мир оценил преимущества транзистора, лишенного недостатков электронной лампы, и новинка постепенно вытеснила устаревшего предшественника. Как правило, транзистор имеет три выхода. Варианты форм-фактора транзисторов лежат в довольно широком диапазоне, включающем в себя, в том числе, SMD, THT и винтовое исполнение. Выделяют два базовых класса транзисторов — биполярные и полевые, а также ряд вторичных категорий. Биполярные транзисторы — это устройства, в полупроводниковой структуре которых сформированы два p-n-перехода. Заряд через них переносят носители дух полярностей — электроны и «дырки». Такие транзисторы состоят из трех слоев с чередующимся типом проводимости — эмиттера, базы и коллектора. Тип проводимости может быть p-n-p либо n-p-n. Биполярные транзисторы управляются током.

Полевые (униполярные) транзисторы состоят из полупроводниковой пластины с электродами (стоком и истоком) на противоположных концах и управляющей пластины (затвора). Такие транзисторы управляются напряжением.

Транзистор – это своего рода вентиль. При помощи небольшого усилия он открывает или закрывает путь для основного питания. Таким образом, транзисторы нашли широкое применение в качестве активных элементов в усилительных каскадах, генераторах сигналов, электронных ключах. На сегодняшний день существуют самые разные типы и виды транзисторов. Если обобщить и структурировать их, можно выделить следующую классификацию:

Биполярные транзисторы;

p-n-p-типа;
n-p-n-типа;
многоэлектродные (например, двухэмиттерные транзисторы);
биполярные транзисторы на гетеропереходах (HBT);

Лавинные транзисторы;

Однопереходные транзисторы;

с p-базой;

с n-базой;

Полевые (униполярные) транзисторы с управляющим переходом;

с управляющим p-n-переходом (JFET);

с каналом p-типа;

с каналом n-типа;

статические индукционные транзисторы (VFET/SIT);

биполярные статические индукционные транзисторы;

с управляющим переходом Шоттки (MESFET)(контакт металл-полупроводник);

с управляющим гетеропереходом (HFET/MODFET/HEMT);

Полевые транзисторы c изолированным затвором (МДП-транзисторы) (MOSFET);

со встроенным каналом (МДП-транзисторы обедненного типа);

с каналом p-типа;

с каналом n-типа;

с индуцированным каналом (МДП-транзисторы обогащенного типа);

с каналом p-типа;

с каналом n-типа (практически не встречаются);

многозатворные транзисторы (особенно распространены двухзатворные);

биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT);

поверхностно-зарядовые транзисторы.

Транзистор полевой, биполярный, MOSFET, IGBT

Важность транзистора в современной технике переоценить трудно. Процессоры, микроконтроллеры, ОЗУ/ПЗУ память, сотни других электронных приборов – все это было бы невозможно без появления транзистора и схем на его основе.

Чем отличается полевой транзистор от биполярного

В электронных схемах для увеличения мощности импульса и замыкания контактов часто используются биполярные и униполярные, или полевые транзисторы. Это полупроводниковые элементы, которые могут выполнять роль усилителя и переключателя — они сходны между собой, но имеют и отличия, определяющие их особенности и сферу применения.

Разница между биполярными и полевыми транзисторами

Чтобы понять, чем отличаются эти полупроводники и можно ли заменить биполярный транзистор полевым в электронной схеме, рассмотрим их устройство.

Биполярный транзистор имеет в конструкции три электрода — эмиттер, базу и коллектор. Электроды могут иметь электронную или дырочную проводимость — n или p. База имеет обратную по отношению к эмиттеру и коллектору проводимость. В зависимости от этого различают два варианта устройства биполярных транзисторов — n-p-n или p-n-p. Ток всегда подается на расположенную между эмиттером и коллектором базу, в зависимости от параметров подаваемого на нее тока меняются и параметры выходного тока на коллекторе.
Полевой, или униполярный, транзистор также состоит из трех электродов — истока, затвора и стока. Затвор может отделяться от канала исток-сток слоем диэлектрического материала или быть связан с ним электрическую связь с переходом p-n. Ток на истоке и стоке зависит от величины электромагнитного поля затвора.

Таким образом, разница между биполярными и полевыми транзисторами в том, что первые управляются электрическим током, а вторые — электромагнитным полем.

Какой транзистор лучше выбрать

Назначение обоих видов транзисторов — это стабилизация и усиление тока, а также выключение и включение различных функций электрооборудования в зависимости от управляющих микросхем. Отличия в управлении биполярными и полевыми транзисторами определяют их плюсы и минусы.

Преимущества полевых транзисторов перед биполярными в том, что они не зависят от температурных колебаний, обладают более быстрой скоростью срабатывания, малыми электропотерями при работе, большей величиной усиления тока, малошумностью, низким потреблением мощности.
Биполярные транзисторы отличаются более компактными размерами по сравнению с полевыми, показывают меньшее падение напряжения между электродами, обладают более высокими параметрами рабочих температур, потребляют меньше мощности при работе на высоких частотах.

Ввиду многозадачности современных электронных устройств зачастую в них используются сразу обе разновидности транзисторов, которые нивелируют недостатки друг друга и усиливают преимущества.

В нашем каталоге можно выбрать и приобрести полевые и биполярные транзисторы с различными электротехническими характеристиками, чтобы обеспечить стабильную и долговечную эксплуатацию техники, автоматических систем, оборудования. Выбрать нужную модель можно по описанию на страницах товаров, а также с помощью наших менеджеров — получить консультацию и заказать изделия можно по бесплатным телефонам, указанным в верхней части сайта.

Принцип работы биполярного транзистора

Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника, называемых эмиттером, базой и коллектором. Эмиттер и коллектор имеют противоположный тип проводимости по отношению к базе.

Различают два основных типа биполярных транзисторов:

с электронной проводимостью (n-p-n тип)
с дырочной проводимостью (p-n-p тип)

Принцип действия биполярного транзистора основан на способности управлять величиной тока между коллектором и эмиттером посредством тока базы. Небольшое изменение тока базы вызывает значительное изменение коллекторного тока. Таким образом осуществляется усиление электрических сигналов.

Существует два основных способа включения биполярного транзистора в электрическую цепь:

По схеме с общим эмиттером
По схеме с общей базой

В зависимости от режима работы транзистора различают режим насыщения, нормальный активный режим и режим отсечки. При расчете параметров схемы на транзисторе используют характеристики входа и выхода.

Принцип работы полевого транзистора

Полевой транзистор имеет иную конструкцию и принцип действия по сравнению с биполярным. Рассмотрим его подробнее.

Полевой транзистор состоит из двух областей полупроводника — истока и стока. Между ними располагается тонкий слой диэлектрика. На этот диэлектрик подается напряжение от затвора, который управляет величиной тока между стоком и истоком.

Существует несколько разновидностей полевых транзисторов:

JFET (EPO-транзисторы)
MOSFET (МОП-транзисторы)
MESFET (металл-полупроводниковые)

Наиболее распространены МОП-транзисторы, в которых в качестве диэлектрика используется оксид кремния SiO2.

Основные схемы включения полевого транзистора — по стоку и по истоку. При увеличении отрицательного напряжения на затворе ток сток-исток уменьшается.

Полевые транзисторы могут работать в режиме нормальной проводимости, режиме обогащения и режиме сужения. Для расчета параметров используют характеристики входа и выхода.

Биполярный IGBT транзистор

Конструкция биполярного IGBT транзистора сочетает в себе особенности обеих разновидностей. В нем объединены главные качества. По сути, такой приемник представляет собой биполярный транзистор, имеющий затвор с изоляцией диэлектриком. У данной конструкции есть свои достоинства. Итак, чем биполярный транзистор типа IGBT лучше полевого и в чём проявляются главные качества.

Меньшие потери на нагревание. При нагревании приемников MOSFET их сопротивление увеличивается. Такая особенность приводит к увеличению тепловых затрат. У моделей IGBT сопротивление с ростом температуры уменьшается. Отсутствие токовых перегрузок. Это возможно за счет меньшего времени восстановления внутренних диодов IGBT моделей.

Приемники полевого типа распространяются все больше и вытесняют биполярные устройства. Эти приборы обладают высокой долговечностью, а также они могут стабильно работать от небольшого источника питания.

Конструкция IGBT позволяет сочетать в себе все лучшие качества приемников. Однако при этом невозможно избежать негативного влияния недостатков той и другой разновидностей. Приемники типа IGBT применяются все чаще, но использовать их возможно не во всех приборах.

Вы можете купить качественные приемники биполярного и полевого типа в интернет-магазине «КИМ». В наличии имеется множество электротоваров, микросхем, запчастей для бытовой техники, датчиков. Кроме того, в ассортименте есть такие электронные компоненты, которые трудно найти в похожих магазинах. Наши сотрудники помогут выбрать нужное устройство с учетом ваших требований. Они расскажут обо всех основных преимуществах и недостатках товара. Мы осуществляем доставку заказов по России.

Характеристики

Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.

Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.

У всех транзисторов есть следующие параметры:

Коэффициент усиления по току;
Коэффициент усиления по напряжению;
Коэффициент усиления по току;
Коэффициент обратной связи;
Коэффициент передачи по току;
Входное сопротивление;
Выходное сопротивление;
Время включения;
Максимально допустимый ток и др.

Обратный ток коллектор-эмиттер;
Частота коэффициента передачи тока базы;
Обратный ток коллектора;
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы:

Номинальный режим;
Инверсный;
Насыщения;
Отсечка;
Барьерный.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ., среди которых:

Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.

Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Виды транзисторов

По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:

полевые;
биполярные;
комбинированные.

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.

Полевые

Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

Биполярные

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

Комбинированные

С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами;
комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).

Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

Проверка биполярных транзисторов

Поскольку транзистор состоит из двух переходов, причем каждый из них представляет собой полупроводниковый диод, проверить транзистор можно так же, как проверяют диод. Проверка транзистора обычно осуществляется омметром, проверяют оба p-n перехода транзистора: коллектор – база и эмиттер – база. Для проверки прямого сопротивления переходов p-n-p транзистора минусовой вывод омметра подключается к базе, а плюсовой вывод омметра – поочередно к коллектору и эмиттеру. Для проверки обратного сопротивления переходов к базе подключается плюсовой вывод омметра. При проверке n-p-n транзисторов подключение производится наоборот: прямое сопротивление измеряется при соединении с базой плюсового вывода омметра, а обратное сопротивление – при соединении с базой минусового вывода. Транзисторы так же можно прозванивать цифровым мультиметром в режиме прозвонки диодов. Для NPN красный щуп прибора «+» присоединяем к базе транзистора, и поочередно прикасаемся черным щупом «-» к коллектору и эмиттеру. Прибор должен показывать некоторое сопротивление, примерно от 600 до 1200. Затем меняем полярность подключения щупов, в этом случае прибор ничего не должен показывать. Для структуры PNP порядок проверки будет обратным.

Несколько слов хочу сказать про MOSFET транзисторы (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor), (Метал Оксид Полупроводник (МОП)) – это полевые транзисторы, не путать с обычными полевиками! У полевых транзисторов три вывода: G — затвор, D — сток, S – исток. Различают N канальный и Р, в обозначении данных транзисторов имеется диод Шоттки, он пропускает ток от истока к стоку, и ограничивает напряжение сток – исток. Применяются они в основном для коммутации больших токов, управляются они не током, как биполярные транзисторы, а напряжением, и как правило, имеет очень малое сопротивление открытого канала, сопротивление канала величина постоянная и не зависит от тока. MOSFET транзисторы специально разработаны для ключевых схем, можно сказать как замена реле, но в некоторых случаях можно и усиливать, применяются в мощных усилителях НЧ. Плюсы у данных транзисторов следующие:
Минимальная мощность управления и большой коэффициент усиления по току
Лучшие характеристики, например большая скорость переключения.
Устойчивость к большим импульсам напряжения.
Схемы, где применяются такие транзисторы, обычно более простые. Минусы:
Стоят дороже, чем биполярные транзисторы.
Боятся статического электричества.
Наиболее часто для коммутации силовых цепей применяют MOSFET с N-каналом. Напряжение управления должно превышать порог 4 В, вообще, необходимо 10-12 В для надежного включения MOSFET. Напряжение управления — это напряжение, приложенное между затвором и истоком для включения MOSFET транзистора.