Полевые транзисторы: принцип действия, схемы, режимы работы и моделирование. Секреты зарубежных радиосхем Обозначение электронных компонентов на плате
Продолжаем знакомиться с полупроводниковыми приборами и с этой статьи начнем разбираться с транзистором . В этой части мы познакомимся с устройством и маркировкой биполярных транзисторов .
Полупроводниковые транзисторы бывают двух видов: биполярные
и полевые
.
В отличие от полевых транзисторов биполярные получили наиболее широкое применение в радиоэлектронике, а чтобы эти транзисторы как-то отличать друг от друга, биполярные принято называть просто — транзисторами.
1. Устройство и обозначение биполярного транзистора.
Схематично биполярный транзистор можно представить в виде пластины с чередующимися областями разной электропроводности, которые образуют два p-n перехода. Причем обе крайние области обладают электропроводностью одного типа, а средняя область электропроводностью другого типа, и где каждая из областей имеет свой контактный вывод.
Если в крайних областях полупроводника преобладает дырочная электропроводность, а в средней области электронная , то такой полупроводниковый прибор называют транзистором структуры p-n-p .
А если в крайних областях преобладает электронная электропроводность, а в средней дырочная , то такой транзистор имеет структуру n-p-n .
А теперь возьмем схематичную часть транзистора и прикроем любую крайнюю область, например, область коллектора , и посмотрим на результат: у нас остались открытыми область базы и эмиттера , то есть получился полупроводник с одним p-n переходом или обычный полупроводниковый диод. О диодах можно почитать .
Если же мы прикроем область эмиттера , то останутся открытыми области базы и коллектора — и также получается диод.
Отсюда возникает вывод, что биполярный транзистор можно представить в виде двух диодов с одной общей областью, включенных навстречу друг другу. При этом общая (средняя) область называется базой , а примыкающие к базе области коллектором и эмиттером . Это и есть три электрода транзистора.
Примыкающие к базе области делают неодинаковыми: одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходил ввод (инжекция) носителей заряда в базу , а другую область делают таким-образом, чтобы в нее эффективно осуществлялся вывод (экстракция) носителей заряда из базы .
Отсюда получается:
ввод (инжекция) носителей зарядов в базу называется эмиттером эмиттерным .
область транзистора, назначением которой является вывод (экстракция) носителей из базы, называется коллектором , и соответствующий p-n переход коллекторным .
То есть получается, что эмиттер вводит электрические заряды в базу, а коллектор их забирает .
Различие в обозначениях транзисторов разных структур на принципиальных схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p-n-p транзисторах она обращена в сторону базы, а в n-p-n транзисторах – от базы.
2. Технология изготовления биполярных транзисторов.
Технология изготовления транзисторов ни чем не отличается от технологии изготовления диодов. Еще в начальный период развития транзисторной техники биполярные транзисторы делали только из германия методом вплавления примесей, и такие транзисторы называют сплавными .
Берется кристалл германия и в него вплавляются кусочки индия.
Атомы индия диффузируют
(проникают) в тело кристалла германия, образуя в нем две области p-типа
– коллектор и эмиттер. Между этими областями остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника n-типа
, которую именуют базой. А чтобы защитить кристалл от влияния света и механического воздействия его помещают в металлостеклянный, металлокерамический или пластмассовый корпус.
На картинке ниже показано схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора, собранного на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу диска – ее наружный проволочный вывод.
Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проводникам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Металлический колпак защищает прибор от влияния света и механических повреждений. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные германиевые транзисторы из серии МП37 — МП42.
В обозначении буква «М» говорит, что корпус транзистора холодносварной , буква «П» — это первая буква слова «плоскостной », а цифры означают порядковый заводской номер транзистора. Как правило, после заводского номера ставят буквы А, Б, В, Г и т.д., указывающие на разновидность транзистора в данной серии, например, МП42Б.
С появлением новых технологий научились обрабатывать кристаллы кремния, и уже на его основе были созданы кремниевые транзисторы, получившие наиболее широкое применение в радиотехнике и на сегодняшний день практически полностью вытеснившие германиевые приборы.
Кремниевые транзисторы могут работать при более высоких температурах (до 125ºС), имеют меньшие обратные токи коллектора и эмиттера, а также более высокие пробивные напряжения.
Основным методом изготовления современных транзисторов является планарная технология, а транзисторы, выполненные по этой технологии, называют планарными . У таких транзисторов p-n переходы эмиттер-база и коллектор-база находятся в одной плоскости. Суть метода заключается в диффузии (вплавлении) в пластину исходного кремния примеси, которая может находиться в газообразной, жидкой или твердой фазе.
Как правило, коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного кремния, на поверхность которой вплавляют близко друг от друга два шарика примесных элементов. В процессе нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластину кремния.
При этом один шарик образует в пластине тонкую базовую область, а другой эмиттерную . В результате в пластине исходного кремния образуются два p-n перехода, образующие транзистор структуры p-n-p. По такой технологии изготавливают наиболее распространенные кремниевые транзисторы.
Также для изготовления транзисторных структур широко используются комбинированные методы: сплавление и диффузия или сочетание различных вариантов диффузии (двусторонняя, двойная односторонняя). Возможный пример такого транзистора: базовая область может быть диффузионная, а коллектор и эмиттер – сплавные.
Использование той или иной технологии при создании полупроводниковых приборов диктуется различными соображениями, связанными с техническими и экономическими показателями, а также их надежностью.
3. Маркировка биполярных транзисторов.
На сегодняшний день маркировка транзисторов, согласно которой их различают и выпускают на производствах, состоит из четырех элементов.
Например: ГТ109А, ГТ328, 1Т310В, КТ203Б, КТ817А, 2Т903В.
Первый элемент — буква Г , К , А или цифра 1 , 2 , 3 – характеризует полупроводниковый материал и температурные условия работы транзистора.
1
. Буква Г
или цифра 1
присваивается германиевым
транзисторам;
2
. Буква К
или цифра 2
присваивается кремниевым
транзисторам;
3
. Буква А
или цифра 3
присваивается транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия
.
Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах: германий – выше 60ºС, а кремний – выше 85ºС.
Второй элемент – буква Т от начального слова «транзистор».
Третий элемент – трехзначное число от 101 до 999 – указывает порядковый заводской номер разработки и назначение транзистора. Эти параметры даны в справочнике по транзисторам.
Четвертый элемент – буква от А до К – указывает разновидность транзисторов данной серии.
Однако до сих пор еще можно встретить транзисторы, на которых стоит более ранняя система обозначения, например, П27, П213, П401, П416, МП39 и т.д. Такие транзисторы выпускались еще в 60 — 70-х годах до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Пусть эти транзисторы устарели, но они все еще пользуются популярностью и применяются в радиолюбительских схемах.
В рамках этой части статьи мы рассмотрели лишь общие методы изготовления транзисторных структур, чтобы начинающему радиолюбителю было легче понять внутреннее устройство транзистора.
На этом мы закончим, а в проведем несколько опытов и на их основе сделаем практические выводы о работе биполярного транзистора
.
Удачи!
Литература:
1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К — Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» — 4-е изд. перераб. и доп. 1987г.
На принципиальных схемах можно встретить обозначения полевого транзистора той или иной разновидности.
Чтобы не запутаться и получить наиболее полное представление о том, какой всё-таки транзистор используется в схеме, сопоставим условное графическое обозначение униполярного транзистора и его отличительные свойства, и особенности.
Независимо от разновидности полевого транзистора он имеет три вывода. Один из них называется Затвор (З). Затвор является управляющим электродом, на него подают управляющее напряжение. Следующий вывод зовётся Исток (И). Исток аналогичен эмиттеру у биполярных транзисторов. Третий вывод именуется Сток (С). Сток является выводом, с которого снимается выходной ток.
На зарубежных электронных схемах можно увидеть следующее обозначение выводов униполярных транзисторов:
G – затвор (от англ. – G ate «затвор», «ворота»);
S – исток (от англ. – S ource «источник», «начало»);
D – сток (от англ. – D rain «отток», «утечка»).
Зная зарубежные обозначения выводов полевого транзистора, будет легко разобраться в схемах импортной электроники.
Обозначение полевого транзистора с управляющим p-n – переходом (J-FET).
Итак. Транзистор с управляющим p-n – переходом обозначается на схемах так:
n-канальный J-FET
p-канальный J-FET
В зависимости от типа носителей, которые используются для формирования проводящего канала (область, через которую течёт регулируемый ток), данные транзисторы могут быть n-канальные и p-канальные. На графическом обозначении видно, что n-канальные изображаются со стрелкой, направленной внутрь, а p-канальные наружу.
Обозначение МДП-транзистора.
Униполярные транзисторы МДП типа (MOSFET) имеют немного иное условное графическое обозначение, нежели J-FET"ы c управляющим p-n переходом. MOSFET"ы также могут быть как n-канальными, так и p-канальными.
MOSFET"ы существуют двух типов: со встроенным каналом и индуцированным каналом .
В чём разница?
Разница в том, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при подаче на затвор положительного или только отрицательного порогового напряжения. Пороговое напряжение (U пор ) – это напряжение между выводом затвора и истока, при котором полевой транзистор открывается и через него начинает протекать ток стока (I c ).
Полярность порогового напряжения зависит от типа канала. Для мосфетов с p-каналом к затвору необходимо приложить отрицательное «-» напряжение, а для тех, что с n-каналом, положительное «+» напряжение. Мосфеты с индуцированным каналом ещё называют транзисторами обогащённого типа . Поэтому, если услышите, что говориться о мосфете обогащенного типа – знайте, это транзистор с индуцированным каналом. Далее показано его условное обозначение.
n-канальный MOSFET
p-канальный MOSFET
Основное отличие МДП-транзистора с индуцированным каналом от полевого транзистора со встроенным каналом заключается в том, что он открывается только при определённом значении (U пороговое) положительного, либо отрицательного напряжения (зависит от типа канала – n или p).
Транзистор же со встроенным каналом открывается уже при «0», а при отрицательном напряжении на затворе работает в обеднённом режиме (тоже открыт, но пропускает меньше тока). Если же к затвору приложить положительное «+» напряжение, то он продолжит открываться и перейдёт в так называемый режим обогащения - ток стока будет увеличиваться. Данный пример описывает работу n-канального mosfet"а со встроенным каналом. Их ещё называют транзисторами обеднённого типа . Далее показано их условное изображение на схемах.
На условном графическом обозначении отличить транзистор с индуцированным каналом от транзистора со встроенным каналом можно по разрыву вертикальной черты.
Иногда в технической литературе можно увидеть изображение МОП-транзистора с четвёртым выводом, который является продолжением линии стрелки указывающей тип канала. Так вот, четвёртый вывод – это вывод подложки (substrate). Такое изображение мосфета применяется, как правило, для описания дискретного (т.е. отдельного) транзистора и используется лишь как наглядная модель. В процессе производства подложку обычно соединяют с выводом истока.
MOSFET с выводом подложки (substrate)
Обозначение мощного МОП-транзистора
В результате соединения истока и подложки в структуре полевого mosfet"а между истоком и стоком образуется встроенный диод . На работу прибора данный диод не влияет, поскольку в схему он включен в обратном направлении. В некоторых случаях, встроенный диод, который образуется из-за технологических особенностей изготовления мощного MOSFET"а можно использовать на практике. В последних поколениях мощных МОП-транзисторов встроенный диод используется для защиты самого элемента.
Встроенный диод на условном обозначении мощного МДП-транзистора может и не указываться, хотя реально такой диод присутствует в любом мощном полевике.
Теперь давайте узнаем о том, какие бывают полевые транзисторы. Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной. Сейчас в большей степени используются приборы с изолированным затвором, о типах полевых транзисторов и их особенностях сегодня мы и поговорим. В статье я буду проводить сравнение с биполярными транзисторами, в отдельных местах.
Определение
Полевой транзистор - это полупроводниковый полностью управляемый ключ, управляемый электрическим полем. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность управляющего напряжения зависит от типа канала транзистора. Здесь прослеживается хорошая аналогия с электронными вакуумными лампами.
Другое название полевых транзисторов - униполярные. «УНО» - значит один. В полевых транзисторах в зависимости от типа канала ток осуществляется только одним типом носителей дырками или электронами. В биполярных транзисторах ток формировался из двух типов носителей зарядов - электронов и дырок, независимо от типа приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить на:
транзисторы с управляющим p-n-переходом;
транзисторы с изолированным затвором.
И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых - отрицательное относительно истока.
У всех типов полевых транзисторов есть три вывода (иногда 4, но редко, я встречал только на советских и он был соединен с корпусом).
1. Исток (источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном).
2. Сток (приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора биполярного транзистора).
3. Затвор (управляющий электрод, аналог сетки на лампах и базы на биполярных транзисторах).
Транзистор с управляющим pn-переходом
Транзистор состоит из таких областей:
4. Затвор.
На изображении вы видите схематическую структуру такого транзистора, выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. На конкретной схеме (это p-канальный прибор) затвор - это n-слой, имеет меньше удельное сопротивление, чем область канала (p-слой), а область p-n-перехода в большей степени расположена в p-области по этой причине.
а - полевой транзистор n-типа, б - полевой транзистор p-типа
Чтобы легче было запомнить, вспомните обозначение диода, где стрелка указывает от p-области в n-область. Здесь также.
Первое состояние - приложим внешнее напряжение.
Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Можно провести аналогию с нормально-замкнутым ключом. Этот ток называется Iснач или начальный ток стока при Uзи=0.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, без приложенного управляющего напряжения к затвору является максимально открытым.
Напряжение к стоку и истоку прикладывается таким образом:
Через исток вводятся основные носители зарядов!
Это значит, что если транзистор p-канальный, то к истоку подключают положительный вывод источника питания, т.к. основными носителями являются дырки (положительные носители зарядов) - это так называемая дырочная проводимость. Если транзистор n-канальный к истоку подключают отрицательный вывод источника питания, т.к. в нем основными носителями заряда являются электроны (отрицательные носители зарядов).
Исток - источник основных носителей заряда.
Вот результаты моделирования такой ситуации. Слева расположен p-канальный, а справа n-канальный транзистор.
Второе состояние - подаём напряжение на затвор
При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока (Uзи) для p-канального и отрицательное для n-канального, он смещается в обратном направлении, область p-n-перехода расширяется в сторону канала. В резльтате чего ширина канала уменьшается, ток снижается. Напряжение затвора, при котором ток через ключ перестает протекать называется, напряжением отсечки.
Достигнуто напряжение отсечки, и ключ полностью закрыт. На картинке с результатами моделирования отображено такое состояние для p-канального (слева) и n-канального (справа) ключа. Кстати на английском языке такой транзистор называется JFET.
Рабочий режим транзистора при напряжение Uзи либо нулевое, либо обратное. За счет обратного напряжения можно «прикрывать транзистор», используется в усилителях класса А и прочих схемах где нужно плавное регулирование.
Режим отсечки наступает, когда Uзи=Uотсечки для каждого транзистора оно своё, но в любом случае прикладывается в обратном направлении.
Характеристики, ВАХ
Выходной характеристикой называют график, на котором изображена зависимость тока стока от Uси (приложенного к выводам стока и истока), при различных напряжениях затвора.
Можно разбить на три области. Вначале (в левой части графика) мы видим омическую область - в этом промежутке транзистор ведет себя как резистор, ток возрастает почти линейно, доходя до определенного уровня, переходит в область насыщения (в центре графика).
В правой части график мы видим, что ток опять начинает расти, это область пробоя, здесь транзистор находиться не должен. Самая верхняя ветвь изображенная на рисунке - это ток при нулевом Uзи, мы видим, что ток здесь самый большой.
Чем больше напряжение Uзи, тем меньше ток стока. Каждая из ветвей отличается на 0.5 вольта на затворе. Что мы подтвердили моделированием.
Здесь изображена стоко-затворная характеристика, т.е. зависимость тока стока от напряжения на затворе при одинаковом напряжении стока-исток (в данном примере 10В), здесь шаг сетки также 0.5В, мы опять видим что чем ближе напряжение Uзи к 0, тем больший ток стока.
В биполярных транзисторах был такой параметр как коэффициент передачи тока или коэффициент усиления, он обозначался как B или H21э или Hfe. В полевых же для отображения способности усиливать напряжение используется крутизна обозначается буквой S
То есть крутизна показывает, насколько миллиАмпер (или Ампер) растёт ток стока при увеличении напряжения затвор-исток на количество Вольт при неизменяемом напряжении сток-исток. Её можно вычислить исходя из стоко-затворной характеристики, на приведенном выше примере крутизна равняется порядка 8 мА/В.
Схемы включения
Как и у биполярных транзисторов есть три типовых схемы включения:
1. С общим истоком (а). Используется чаще всех, даёт усиление по току и мощности.
2. С общим затвором (б). Редко используется, низкое входное сопротивления, усиления нет.
3. С общим стоком (в). Усиление по напряжению близко к 1, большое входное сопротивление, а выходное низкое. Другое название - истоковый повторитель.
Особенности, преимущества, недостатки
- практически не потребляет тока управления, это снижает потери управления, искажения сигнала, перегрузку по току источника сигнала…
Главное преимущество полевого транзистора высокое входное сопротивление . Входное сопротивление это отношения тока к напряжению затвор-исток. Принцип действия лежит в управлении с помощью электрического поля, а оно образуется при приложении напряжения. То есть полевые транзисторы управляются напряжением .
В среднем частотные характеристики полевых транзисторов лучше, чем у биполярных , это связано с тем, что нужно меньше времени на «рассасывание» носителей заряда в областях биполярного транзистора. Некоторые современные биполярные транзисторы могут и превосходить полевые, это связано с использованием более совершенных технологий, уменьшения ширины базы и прочего.
Низкий уровень шумов у полевых транзисторов обусловлен отсутствием процесса инжекции зарядов, как у биполярных.
Стабильность при изменении температуры.
Малое потребление мощности в проводящем состоянии - больший КПД ваших устройств.
Простейший пример использования высокого входного сопротивление - это приборы согласователи для подключения электроакустических гитар с пьезозвукоснимателями и электрогитар с электромагнитными звукоснимателями к линейным входам с низким входным сопротивлением.
Низкое входное сопротивление может вызвать просадки входного сигнала, исказив его форму в разной степени в зависимости от частоты сигнала. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Вот простейшая схема такого устройства. Подойдет для подключения электрогитар в линейный вход аудио-карты компьютера. С ней звук станет ярче, а тембр богаче.
Главным недостатком является то, что такие транзисторы боятся статики. Вы можете взять наэлектризованными руками элемент, и он тут же выйдет из строя, это и есть следствие управления ключом с помощью поля. С ними рекомендуют работать в диэлектрических перчатках, подключенным через специальный браслет к заземлению, низковольтным паяльником с изолированным жалом, а выводы транзистора можно обвязать проволокой, чтобы закоротить их на время монтажа.
Современные приборы практически не боятся этого, поскольку по входу в них могут быть встроены защитные устройства типа стабилитронов, которые срабатывают при превышении напряжения.
Иногда у начинающих радиолюбителей опасения доходят до абсурда, типа надевания на голову шапочек из фольги. Всё описанное выше хоть и является обязательным к исполнению, но не соблюдение каких либо условий не гарантирует выход из строя прибора.
Полевые транзисторы с изолированным затвором
Этот вид транзисторов активно используется в качестве полупроводниковых управляемых ключей. Причем работают они чаще всего именно в ключевом режиме (два положения «вкл» и «выкл»). У них есть несколько названий:
1. МДП-транзистор (метал-диэлектрик-полупроводник).
2. МОП-транзистор (метал-окисел-полупроводник).
3. MOSFET-транзистор (metal-oxide-semiconductor).
Запомните - это лишь вариации одного названия. Диэлектрик, или как его еще называют окисел, играет роль изолятора для затвора. На схеме ниже изолятор изображен между n-областью около затвора и затвором в виде белой зоны с точками. Он выполнен из диоксида кремния.
Диэлектрик исключает электрический контакт между электродом затвора и подложкой. В отличие от управляющего p-n-перехода он работает не на принципе расширения перехода и перекрытия канала, а на принципе изменения концентрации носителей заряда в полупроводнике под действием внешнего электрического поля. МОП-транзисторы бывают двух типов:
1. Со встроенным каналом.
2. С индуцированным каналом
На схеме вы видите транзистор с встроенным каналом. Из неё уже можно догадаться, что принцип его работы напоминает полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, т.е. когда напряжение затвора равно нулю - ток протекает через ключ.
Около истока и стока созданы две области с повышенным содержанием примесных носителей заряда (n+) с повышенной проводимостью. Подложкой называется основание P-типа (в данном случае).
Обратите внимание, что кристалл (подложка) соединена с истоком, на многих условных графических обозначениях он так и рисуется. При повышении напряжения на затворе в канале возникает поперечное электрическое поле, оно отталкивает носители зарядов (электроны) и канал закрывается при достижении порогового Uзи.
При подаче отрицательного напряжения затвор-исток ток стока падает, транзистор начинает закрывать - это называется режим обеднения.
При подаче положительного напряжения на затвор-исток происходит обратный процесс - электроны притягиваются, ток возрастает. Это режим обогащения.
Всё вышесказанное справедливо для МОП-транзисторов со встроенным каналом N-типа. Если канал p-типа все слова «электроны» заменяются на «дырки», полярности напряжения изменяются на противоположные.
Согласно datasheet на этот транзистор пороговое напряжение затвор-исток у нас в районе одного вольта, а типовое его значение - 1.2 В, проверим это.
Ток стал в микроамперах. Если еще немного повысить напряжение, он исчезнет полностью.
Я выбрал транзистор наугад, и мне попался достаточно чувствительный прибор. Попробую изменить полярность напряжения, чтобы на затворе был положительный потенциал, проверим режим обогащения.
При напряжении на затворе 1В ток увеличился в четыре раза, по сравнению с тем, что был при 0В (первая картинка в этом разделе). Отсюда следует, что в отличие от предыдущего типа транзисторов и биполярных транзисторов он без дополнительной обвязки может работать как на повышение тока, так и на понижение. Это заявление весьма грубо, но в первом приближении имеет право на существование.
Здесь всё практически так же как и в транзисторе с управляющим переходом, за исключением наличия режима обогащения в выходной характеристике.
На стоко-затворной характеристике четко видно, что отрицательное напряжение вызывает режим обеднение и закрытие ключа, а положительное напряжение на затворе - обогащение и большее открытие ключа.
МОП-транзисторы с индуцированным каналом не проводят ток при отсутствии напряжения на затворе, вернее ток есть, но он крайне мал, т.к. это обратный ток между подложкой и высоколегированными участками стока и истока.
Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом аналог нормально-разомкнутого ключа, ток не протекает.
При наличии напряжения затвор-исток, т.к. мы рассматриваем n-тип индуцируемого канала то напряжение положительное, под действием поля притягиваются отрицательные носители зарядов в область затвора.
Так появляется «коридор» для электронов от истока к стоку, таким образом, появляется канал, транзистор открывается, и ток через него начинает протекать. Подложка у нас p-типа, в ней основными являются положительные носители зарядов (дырки), отрицательных носителей крайне мало, но под действием поля они отрываются от своих атомов, и начинается их движение. Отсюда отсутствие проводимости при отсутствии напряжения.
Выходная характеристика в точности повторяет такую же у предыдущих разница заключается лишь в том, что напряжения Uзи становятся положительными.
Стоко-затворная характеристика показывает то же самое, отличия опять-таки в напряжениях на затворе.
При рассмотрении вольтамперных характеристик крайне важно внимательно смотреть на величины, прописанные по осям.
На ключ подали напряжение 12 В, а на затворе у нас 0. Ток через транзистор не протекает.
Это значит, что транзистор полностью открыт, если бы его не было, ток в этой цепи составил бы 12/10=1.2 А. В дальнейшем я изучал как работает этот транзистор, и выяснил, что на 4-х вольтах он начинает открываться.
Добавляя по 0.1В, я заметил, что с каждой десятой вольта ток растёт всё больше и больше, и уже к 4.6 Вольта транзистор практически полностью открыт, разница с напряжением на затворе в 20В в токе стока всего лишь 41 мА, при 1.1 А - это чепуха.
Этот эксперимент отражает то, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при достижении порогового напряжения, что позволяет ему отлично работать в качестве ключа в импульсных схемах. Собственно, IRF740 - один из наиболее распространенных .
Результаты измерений тока затвора показали, что действительно полевые транзисторы почти не потребляют управляющего тока. При напряжении в 4.6 вольта ток был, всего лишь, 888 нА (нано!!!).
При напряжении в 20В он составлял 3.55 мкА (микро). У биполярного транзистора он был бы порядка 10 мА, в зависимости от коэффициента усиления, что в десятки тысяч раз больше чем у полевого.
Не все ключи открываются такими напряжениями, это связано с конструкцией и особенностями схемотехники устройств где они применяются.
Разряженная ёмкость в первый момент времени требует большого зарядного тока, да и редкие управляющие устройства (шим-контроллеры и микроконтроллеры) имеют сильные выходы, поэтому используют драйверы для полевых затворов, как в полевых транзисторах, так и в (биполярный с изолированным затвором). Это такой усилитель, который преобразует входной сигнал в выходной такой величины и силы тока, достаточный для включения и выключения транзистора. Ток заряда также ограничивается последовательно соединенным с затвором резистором.
При этом некоторые затворы могут управляться и с порта микроконтроллера через резистор (тот же IRF740). Эту тему мы затрагивали .
Они напоминают полевые транзисторы с управляющим затвором, но отличаются тем, что на УГО, как и в самом транзисторе, затвор отделен от подложки, а стрелка в центре указывает на тип канала, но направлена от подложки к каналу, если это n-канальный mosfet - в сторону затвора и наоборот.
Для ключей с индуцированным каналом:
Может выглядеть так:
Обратите внимание на англоязычные названия выводов, в datasheet’ах и на схемах часто указываются они.
Для ключей со встроенным каналом:
В данной статье покажем таблицу графических обозначений радиоэлементов на схеме.
Человек, не знающий графического обозначения элементов радиосхемы, никогда не сможет её «прочесть». Этот материал предназначен для того, чтобы начинающему радиолюбителю было с чего начать. В различных технических изданиях такой материал встречается очень редко. Именно этим он и ценен. В разных изданиях встречаются «отклонения» от государственного стандарта (ГОСТа) в графическом обозначении элементов. Эта разница важна только для органов государственной приёмки, а для радиолюбителя практического значения не имеет, лишь бы был понятен тип, назначение и основные характеристики элементов. Кроме того, в разных странах и обозначение может быть разным. Поэтому, в этой статье приводятся разные варианты графического обозначения элементов на схеме (плате). Вполне может быть, что здесь вы увидите не все варианты обозначения.
Любой элемент на схеме имеет графическое изображение и его буквенно-цифровое обозначение. Форма и размеры графического обозначения определены ГОСТом, но как я писал ранее, не имеют практического значения для радиолюбителя. Ведь если на схеме, изображение резистора будет по размеру меньше чем по ГОСТам, радиолюбитель не перепутает его с другим элементом. Любой элемент обозначается на схеме одной, или двумя буквами (первая обязательно — прописная), и порядковым номером на конкретной схеме. Например R25 обозначает, что это резистор (R), и на изображённой схеме – 25-й по счёту. Порядковые номера, как правило, присваиваются сверху вниз и слева направо. Бывает, когда элементов не больше двух десятков, их просто не нумеруют. Встречается, что при доработках схем, некоторые элементы с «большим» порядковым номером могут стоять не в том месте схемы, по ГОСТу – это нарушение. Явно, заводскую приёмку подкупили взяткой в виде банальной шоколадки, или бутылкой необычной формы дешёвого коньяка. Если схема большая, то найти элемент, стоящий не по порядку бывает затруднительно. При модульном (блочном) построении аппаратуры, элементы каждого блока имеют свои порядковые номера. Ниже вы можете ознакомиться с таблицей, содержащей обозначения и описания основных радиоэлементов, для удобства в конце статьи есть ссылка для скачивания таблицы в формате WORD.
Таблица графических обозначений радиоэлементов на схеме
| Графическое обозначение (варианты) | Наименование элемента | Краткое описание элемента |
| Элемент питания | Одиночный источник электрического тока, в том числе: часовые батарейки; пальчиковые солевые батарейки; сухие аккумуляторные батарейки; батареи сотовых телефонов | |
 | Батарея элементов питания | Набор одиночных элементов, предназначенный для питания аппаратуры повышенным общим напряжением (отличным от напряжения одиночного элемента), в том числе: батареи сухих гальванических элементов питания; аккумуляторные батареи сухих, кислотных и щелочных элементов |
| Узел | Соединение проводников. Отсутствие точки (кружочка) говорит о том, что проводники на схеме пересекаются, но не соединяются друг с другом – это разные проводники. Не имеет буквенно-цифрового обозначения | |
 | Контакт | Вывод радиосхемы, предназначенный для «жёсткого» (как правило — винтового) подсоединения к нему проводников. Чаще используется в больших системах управления и контроля электропитанием сложных многоблочных электросхем |
 | Гнездо | Соединительный легкоразъёмный контакт типа «разъём» (на радиолюбительском сленге — «мама»). Применяется преимущественно для кратковременного, легко разъединяемого подключения внешних приборов, перемычек и других элементов цепи, например в качестве контрольного гнезда |
| Розетка | Панель, состоящая из нескольких (не менее 2-х) контактов «гнездо». Предназначена для многоконтактного соединения радиоаппаратуры. Типичный пример – бытовая электророзетка «220В» | |
| Штекер | Контактный легкоразъёмный штыревой контакт (на сленге радиолюбителей — «папа»), предназначенный для кратковременного подключения к участку электрорадиоцепи | |
 | Вилка | Многоштеккерный разъем, с числом контактов не менее двух предназначенный для многоконтактного соединения радиоаппаратуры. Типичный пример — сетевая вилка бытового прибора «220В» |
| Выключатель | Двухконтактный прибор, предназначенный для замыкания (размыкания) электрической цепи. Типичный пример – выключатель света «220В» в помещении | |
 | Переключатель | Трёхконтактный прибор, предназначенный для переключения электрических цепей. Один контакт имеет два возможных положения |
 | Тумблер | Два «спаренных» переключателя — переключаемых одновременно одной общей рукояткой. Отдельные группы контактов могут изображаться в разных частях схемы, тогда они могут обозначаться как группа S1.1 и группа S1.2. Кроме того, при большом расстоянии на схеме они могут соединяться одной пунктирной линией |
 | Галетный переключатель | Переключатель, в котором один контакт «ползункового» типа, может переключаться в несколько разных положений. Бывают спаренные галетные переключатели, в которых имеется несколько групп контактов |
 | Кнопка | Двухконтактный прибор, предназначенный для кратковременного замыкания (размыкания) электрической цепи путём нажатия на него. Типичный пример – кнопка дверного звонка квартиры |
| Общий провод (GND) | Контакт радиосхемы, имеющий условный «нулевой» потенциал относительно остальных участков и соединений схемы. Обычно, это вывод схемы, потенциал которого либо самый отрицательный относительно остальных участков схемы (минус питания схемы), либо самый положительный (плюс питания схемы). Не имеет буквенно-цифрового обозначения | |
| Заземление | Вывод схемы, подлежащий подключению к Земле. Позволяет исключить возможное появление вредоносного статического электричества, а также предотвращает поражение от электрического тока в случае возможного попадания опасного напряжения на поверхности радиоприборов и блоков, которых касается человек, стоящий на мокром грунте. Не имеет буквенно-цифрового обозначения | |
 | Лампа накаливания | Электрический прибор, применяемый для освещения. Под действием электрического тока происходит свечение вольфрамовой нити накала (её горение). Не сгорает нить потому, что внутри колбы лампы нет химического окислителя – кислорода |
 | Сигнальная лампа | Лампа, предназначенная для контроля (сигнализирования) состояния различных цепей устаревшей аппаратуры. В настоящее время, вместо сигнальных ламп используют светодиоды, потребляющие более слабый ток и более надёжные |
 | Неоновая лампа | Газоразрядная лампа, наполненная инертным газом. Цвет свечения зависит от вида газа-наполнителя: неон – красно-оранжевое, гелий – синее, аргон – сиреневое, криптон – сине-белое. Применяют и другие способы придать определённый цвет лампе наполненной неоном – использование люминесцентных покрытий (зелёного и красного свечения) |
 | Лампа дневного света (ЛДС) | Газоразрядная лампа, в том числе колба миниатюрной энергосберегающей лампы, использующая люминесцентное покрытие – химический состав с послесвечением. Применяется для освещения. При одинаковой потребляемой мощности, обладает более ярким светом, чем лампа накаливания |
 | Электромагнитное реле | Электрический прибор, предназначенный для переключения электрических цепей, путём подачи напряжения на электрическую обмотку (соленоид) реле. В реле может быть несколько групп контактов, тогда эти группы нумеруются (например Р1.1, Р1.2) |
 | Электрический прибор, предназначенный для измерения силы электрического тока. В своём составе имеет неподвижный постоянный магнит и подвижную магнитную рамку (катушку), на которой крепится стрелка. Чем больше ток, протекающий через обмотку рамки, тем на больший угол стрелка отклоняется. Амперметры подразделяются по номинальному току полного отклонения стрелки, по классу точности и по области применения | |
 | Электрический прибор, предназначенный для измерения напряжения электрического тока. Фактически ничем не отличается от амперметра, так как делается из амперметра, путём последовательного включения в электрическую цепь через добавочный резистор. Вольтметры подразделяются по номинальному напряжению полного отклонения стрелки, по классу точности и по области применения | |
 | Резистор | Радиоприбор, предназначенный для уменьшения тока, протекающего по электрической цепи. На схеме указывается значение сопротивления резистора. Рассеиваемая мощность резистора изображается специальными полосками, или римскими символами на графическом изображении корпуса в зависимости от мощности (0,125Вт – две косых линии «//», 0,25 – одна косая линия «/», 0,5 – одна линия вдоль резистора «-«, 1Вт – одна поперечная линия «I», 2Вт – две поперечных линии «II», 5Вт – галочка «V», 7Вт – галочка и две поперечных линии «VII», 10Вт – перекрестие «Х», и т.д.). У Американцев обозначение резистора – зигзагообразное, как показано на рисунке |
| Переменный резистор | Резистор, сопротивление которого на его центральном выводе регулируется с помощью «ручки-регулятора». Номинальное сопротивление, указанное на схеме – это полное сопротивление резистора между его крайними выводами, которое не регулируется. Переменные резисторы бывают спаренные (2 на одном регуляторе) | |
| Подстроечный резистор | Резистор, сопротивление которого на его центральном выводе регулируется с помощью «шлица-регулятора» — отверстия под отвёртку. Как и у переменного резистора, номинальное сопротивление, указанное на схеме – это полное сопротивление резистора между его крайними выводами, которое не регулируется | |
| Терморезистор | Полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от окружающей температуры. При увеличении температуры, сопротивление терморезистора уменьшается, а при уменьшении температуры наоборот, увеличивается. Применяется для измерения температуры в качестве термодатчика, в цепях термостабилизации различных каскадов аппаратуры и т.д. | |
| Фоторезистор | Резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от освещённости. При увеличении освещённости, сопротивление терморезистора уменьшается, а при уменьшении освещённости наоборот – увеличивается. Применяется для измерения освещенности, регистрации колебаний света и т.д. Типичный пример – «световой барьер» турникета. В последнее время вместо фоторезисторов чаще используются фотодиоды и фототранзисторы | |
 | Варистор | Полупроводниковый резистор, резко уменьшающий своё сопротивление при достижении приложенного к нему напряжения определённого порога. Варистор предназначен для защиты электрических цепей и радиоприборов от случайных «скачков» напряжения |
 | Конденсатор | Элемент радиосхемы, обладающий электрической ёмкостью, способный накапливать электрический заряд на своих обкладках. Применение в зависимости от величины ёмкости разнообразно, самый распространённый радиоэлемент после резистора |
 | Конденсатор, при изготовлении которого применяется электролит, за счет этого при сравнительно малых размерах обладает намного большей ёмкостью, чем обыкновенный «неполярный» конденсатор. При его применении необходимо соблюдать полярность, в противном случае электролитический конденсатор теряет свои накопительные свойства. Используется в фильтрах питания, в качестве проходных и накопительных конденсаторов низкочастотной и импульсной аппаратуры. Обычный электролитический конденсатор саморазряжается за время не более минуты, обладает свойством «терять» ёмкость вследствие высыхания электролита, для исключения эффектов саморазряда и потери ёмкости используют более дорогие конденсаторы – танталовые | |
| Конденсатор, у которого ёмкость регулируется с помощью «шлица-регулятора» — отверстия под отвёртку. Используется в высокочастотных контурах радиоаппаратуры | ||
| Конденсатор, ёмкость которого регулируется с помощью выведенной наружу радиоприёмного устройства рукоятки (штурвала). Используется в высокочастотных контурах радиоаппаратуры в качестве элемента селективного контура, изменяющего частоту настройки радиопередатчика, или радиоприемника | ||
| Высокочастотный прибор, обладающий резонансными свойствами подобно колебательному контуру, но на определённой фиксированной частоте. Может применяться на «гармониках» — частотах, кратных резонансной частоте, указанной на корпусе прибора. Часто, в качестве резонирующего элемента используется кварцевое стекло, поэтому резонатор называют «кварцевый резонатор», или просто «кварц». Применяется в генераторах гармонических (синусоидальных) сигналов, тактовых генераторах, узкополосных частотных фильтрах и др. | ||
 | Обмотка (катушка) из медного провода. Может быть бескаркасной, на каркасе, а может исполняться с использованием магнитопровода (сердечника из магнитного материала). Обладает свойством накопления энергии за счёт магнитного поля. Применяется в качестве элемента высокочастотных контуров, частотных фильтров и даже антенны приёмного устройства | |
 | Катушка с регулируемой индуктивностью, у которой имеется подвижный сердечник из магнитного (ферромагнитного) материала. Как правило, мотается на цилиндрическом каркасе. При помощи немагнитной отвёртки регулируется глубина погружения сердечника в центр катушки, тем самым изменяется её индуктивность | |
 | Катушка индуктивности, содержащая большое количество витков, которая исполняется с использованием магнитопровода (сердечника). Как и высокочастотная катушка индуктивности, дроссель обладает свойством накопления энергии. Применяется в качестве элементов низкочастотных фильтров звуковой частоты, схем фильтров питания и импульсного накопления | |
| Индуктивный элемент, состоящий из двух и более обмоток. Переменный (изменяющийся) электрический ток, прикладываемый к первичной обмотке, вызывает возникновение магнитного поля в сердечнике трансформатора, а оно в свою очередь наводит магнитную индукцию во вторичной обмотке. В результате на выходе вторичной обмотки появляется электрический ток. Точки на графическом обозначении у краёв обмоток трансформатора обозначают начала этих обмоток, римские цифры – номера обмоток (первичная, вторичная) | ||
 | Полупроводниковый прибор, способный пропускать ток в одну сторону, а в другую нет. Направление тока можно определить по схематическому изображению – сходящиеся линии, подобно стрелке указывают направление тока. Выводы анода и катода буквами на схеме не обозначаются | |
 | Специальный полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации приложенного к его выводам напряжения обратной полярности (у стабистора – прямой полярности) | |
| Специальный полупроводниковый диод, обладающий внутренней ёмкостью и изменяющий её значение в зависимости от амплитуды приложенного к его выводам напряжения обратной полярности. Применяется для формирования частотно-модулированного радиосигнала, в схемах электронного регулирования частотными характеристиками радиоприемников | ||
 | Специальный полупроводниковый диод, кристалл которого светится под действием приложенного прямого тока. Используется как сигнальный элемент наличия электрического тока в определённой цепи. Бывает различных цветов свечения | |
| Специальный полупроводниковый диод, при освещении которого на выводах появляется слабый электрический ток. Применяется для измерения освещенности, регистрации колебаний света и т.д., подобно фоторезистору | |
 | Полупроводниковый прибор, предназначенный для коммутации электрической цепи. При подаче небольшого положительного напряжения на управляющий электрод относительно катода, тиристор открывается и проводит ток в одном направлении (как диод). Закрывается тиристор только после пропадания протекающего от анода к катоду тока, или смены полярности этого тока. Выводы анода, катода и управляющего электрода буквами на схеме не обозначаются | |
| Составной тиристор, способный коммутировать токи как положительной полярности (от анода к катоду), так и отрицательной (от катода к аноду). Как и тиристор, симистор закрывается только после пропадания протекающего от анода к катоду тока, или смены полярности этого тока | ||
 | Вид тиристора, который открывается (начинает пропускать ток) только при достижении определённого напряжения между его анодом и катодом, и запирается (прекращает пропускать ток) только при уменьшении тока до нуля, или смены полярности тока. Используется в схемах импульсного управления | |
| Биполярный транзистор, который управляется положительным потенциалом на базе относительно эмиттера (стрелка у эмиттера показывает условное направление тока). При этом при повышении входного напряжения база-эмиттер от нуля до 0,5 вольта, транзистор находится в закрытом состоянии. После дальнейшего повышения напряжения от 0,5 до 0,8 вольта транзистор работает как усилительный прибор. На конечном участке «линейной характеристики» (около 0,8 вольта) транзистор насыщается (полностью открывается). Дальнейшее повышение напряжения на базе транзистора опасно, транзистор может выйти из строя (происходит резкий рост тока базы). В соответствии с «учебниками», биполярный транзистор управляется током база-эмиттер. Направление коммутируемого тока в n-p-n транзисторе – от коллектора к эмиттеру. Выводы базы, эмиттера и коллектора буквами на схеме не обозначаются | ||
| Биполярный транзистор, который управляется отрицательным потенциалом на базе относительно эмиттера (стрелка у эмиттера показывает условное направление тока). В соответствии с «учебниками», биполярный транзистор управляется током база-эмиттер. Направление коммутируемого тока в p-n-р транзисторе – от эмиттера к коллектору. Выводы базы, эмиттера и коллектора буквами на схеме не обозначаются | ||
| Транзистор (как правило — n-p-n), сопротивление перехода «коллектор-эмиттер» которого уменьшается при его освещении. Чем выше освещённость, тем меньше сопротивление перехода. Применяется для измерения освещенности, регистрации колебаний света (световых импульсов) и т.д., подобно фоторезистору | ||
 | Транзистор, сопротивление перехода «сток-исток» которого уменьшается при подаче напряжения на его затвор относительно истока. Обладает большим входным сопротивлением, что повышает чувствительность транзистора к малым входным токам. Имеет электроды: Затвор, Исток, Сток и Подложку (бывает не всегда). По принципу работы, можно сравнить с водопроводным краном. Чем больше напряжение на затворе (на больший угол повёрнута рукоятка вентиля), тем больший ток (больше воды) течёт между истоком и стоком. По сравнению с биполярным транзистором имеет больший диапазон регулирующего напряжения – от нуля, до десятков вольт. Выводы затвора, истока, стока и подложки буквами на схеме не обозначаются | |
 | Полевой транзистор, управляемый положительным потенциалом на затворе, относительно истока. Имеет изолированный затвор. Обладает большим входным сопротивлением, и очень малым выходным сопротивлением, что позволяет малыми входными токами управлять большими выходными токами. Чаще всего, технологически подложка соединена с истоком | |
 | Полевой транзистор, управляемый отрицательным потенциалом на затворе, относительно истока (для запоминания р-канал — позитив). Имеет изолированный затвор. Обладает большим входным сопротивлением, и очень малым выходным сопротивлением, что позволяет малыми входными токами управлять большими выходными токами. Чаще всего, технологически подложка соединена с истоком | |
 | Полевой транзистор, обладающий теми же свойствами, что и «со встроенным n-каналом» с той разницей, что имеет ещё большее входное сопротивление. Чаще всего, технологически подложка соединена с истоком. По технологии изолированного затвора исполняются MOSFET транзисторы, управляемые входным напряжением от 3 до 12 вольт (в зависимости от типа), имеющие сопротивление открытого перехода сток-исток от 0,1 до 0,001 Ом (в зависимости от типа) | |
 | Полевой транзистор, обладающий теми же свойствами, что и «со встроенным p-каналом» с той разницей, что имеет ещё большее входное сопротивление. Чаще всего, технологически подложка соединена с истоком |
Сопротивление по традиции обозначается буквой R (Resistor) и измеряется в Омах (Ом). На схеме оно обозначается прямоугольником, либо перечеркнутым прямоугольником (так обозначается термистор и его сопротивление зависит от температуры). R3 470 означает, что это сопротивление №3 на данной схеме и он имеет сопротивление 470 Ом
Конденсатор
Конденсатор обозначается буквой C и его емкость измеряется в Фарадах (F). Существует два типа конденсаторов - полярный и неполярный. На картинке внизу C4 - неполярный конденсатор, C5 - полярный. Слева вверху показан внешний вид полярного конденсатора. Неполярный конденсатор, значит, неполяризованный, - то есть не важно какой стороной он будет установлен на печатную плату. В отличие от полярного, который нужно устанавливать строго -плюс к плюсу, минус к минусу. Таблица значений конденсаторов .
Диод
Существует множество различных диодов , диод используется в качестве фильтра тока и напряжения, также в качестве выпрямителя и преобразователя. Диод это электронный прибор который обладает различной проводимостью в зависимости от приложенного напряжения (в одном направлении пропускает ток, в другом нет)
На печатной плате обычный диод похож на сопротивление, но на нем может быть маленькая точечка. Так как диод нельзя просто так взять и поставить на плату, надо определить по схеме какой стороной он должен быть установлен.
Светодиоды (LED - Light Emitting Diode). Данный тип диодов используются в качестве подсветки клавиатуры и экранов на всех современных мобильных устройствах
Также часто можно встретить фотодиоды (PhotoDiode Photo Cell). Их используют в качестве датчика света, например, в айФонах любого поколения есть такая функция, как регулировка яркости экрана, в зависимости от освещенности. Яркость регулируется как раз с помощью данного типа диодов.
Катушка индуктивности
Грубо говоря это кусок проволоки намотанной в спираль. Определить на схеме ее очень просто, она похожа на волну.
Предохранитель
Предохранитель необходим для защиты от внезапного увеличения силы тока и напряжения в конкретной схеме. В случае если сопротивление в цепи будет очень низким или появится короткое замыкание, предохранитель просто сгорит. Их специально изготавливают из таких материалов, что при прохождении через него большого тока они сильно нагреваются и сгорают. На печатной плате они похожи сопротивления. Обозначается на схеме буквой F:
Кварцевый генератор
Кварцевые генераторы используют для измерения времени, в качестве стандартов частоты. Кварцевые генераторы широко применяются в цифровой технике в качестве тактовых генераторов, то есть генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах. Кстати, кварцевый генератор на столько важный элемент, что при его поломке телефон просто не включится.
Если я забыл рассказать о чем-то, напишите мне в комментариях и я подправлю эту статью.
