Биполярные и полевые транзисторы — в чем различие

Биполярные и полевые транзисторы — в чем различие

Большинству людей, так или иначе сталкивающемуся с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.

Ток и поле — различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.

Полевые транзисторы быстрее

Какие транзисторы лучше полевые или биполярные? Достоинство полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, налицо: полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивлением по постоянному току, и даже управление на высокой частоте не приводит к значительным затратам энергии.

Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.

Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.

Разная реакция на нагрев

Если биполярный транзистор в процессе работы устройства нагревается, то ток коллектор-эмиттер увеличивается, то есть температурный коэффициент сопротивления у биполярных транзисторов отрицательный.

У полевых же все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный, то есть с ростом температуры растет и сопротивление канала, то есть ток сток-исток уменьшается. Это обстоятельство дает полевым транзистором еще одно преимущество перед биполярными: полевые транзисторы можно без опаски соединять параллельно, и не потребуются выравнивающие резисторы в цепах их стоков, поскольку в соответствии с ростом нагрузки станет автоматически расти и сопротивление каналов.

Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах (смотрите — Почему в современных инверторах используются транзисторы, а не тиристры).

А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.

Сферы применения тех и других транзисторов

Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.

Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.

Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители, их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.

Полевые побеждают

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.

Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.

В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры.

5. Разновидности полевых транзисторов

Полевые транзисторы могут быть n-канальными и p-канальными, с индуцированным (наведенным) каналом и с встроенным каналом. В транзисторе с индуцированным каналом канал изначально отсутствует, входной сигнал может навести канал и “открыть” транзистор. В транзисторе с встроенным каналом канал существует независимо от входного сигнала, который может его увеличить, уменьшить или полностью разрушить.

Существуют просто «полевые транзисторы» и МДП (МОП, МИП) транзисторы. Название “полевой” связано с тем, что транзистор полностью управляется напряжением (электрическим полем). Входного тока нет и он не нужен. Однако между металлическим затвором и полупроводниковой подложкой в принципе может протекать ток. Для его предотвращения между металлом и полупроводником помещают диэлектрик (оксид кремния, изолятор) получаем модификацию, которую принято называть МДП, или МОП или МИП транзисторы (Металл — Диэлектрик (Оксид, Изолятор) – Полупроводник).

Кроме того, транзисторы могут включаться по схеме ОИ — с общим истоком (потенциал истоком считается равным нулю, входной сигнал – напряжение на затворе относительно истока, выходной сигнал – напряжение на стоке.

Возможно включение и по схемам ОС (с общим стоком), ОЗ (с общим затвором). Существуют также модификации полевых транзисторов с двойным слоем изолятора, с плавающим затвором и другие, применяемые в перепрограммируемых постоянных запоминающих устройствах.

6. Сравнение биполярных и полевых транзисторов

Полевые транзисторы выполняют те же функции, что и биполярные. Например, если в схеме электронного ключа заменить биполярный npn транзистор на полевой n-канальный транзистор с индуцированным каналом, работа логического устройства не изменится.

Отличия между двумя типами транзисторов технологические. Несомненным преимуществом биполярных транзисторов является их быстродействие. Несмотря на задержки переключения, открытие и закрытие p—n перехода происходит значительно быстрее, чем наведение и рассасывание канала.

Преимуществом полевых транзисторов является их относительная конструктивная простота и отсутствие «паразитных» токов (транзистор управляется напряжением, входного тока нет). Отсутствие “паразитных” токов позволяет создавать схемы, где токи вообще не протекают, и нет выделения тепла. Поэтому возможна большая концентрация полевых транзисторов в кристалле (в 10-100 раз больше, чем биполярных транзисторов).

Наличие в биполярных транзисторах тока база-эмиттер, обратные токи в закрытых для основных носителей p—n переходах приводит к тому, что они постоянно нагреваются. И именно отвод тепла, а не технологические методы изготовления микросхем является основным сдерживающим фактором повышения концентрации элементов в кристалле.

Еще одной особенностью полевых транзисторов является следующее. В биполярных транзисторах помехоустойчивость (допустимые флуктуации) логического нуля основана на электрохимических свойствах кремния или германия (наличие контактной разности потенциалов и порогового напряжения открывания). А в полевых транзисторах помехоустойчивость логического нуля и логической единицы определяется конструктивными особенностями. Пусть при источнике питания 5В канал начинает наводиться напряжением на затворе более 2В, а при напряжении 3В канал становится настолько широким, что его дальнейшее расширение и повышение потенциала затвора не влияет существенно на выходной сигнал. Тогда, выбирая логический ноль U = 0В, логическую единицу U₁ = 5В, можно обеспечить помехоустойчивость логических схем ± 2В.

Таким образом, за исключением быстродействия полевые (канальные, униполярные) транзисторы в большинстве случаев имеют преимущества по сравнению с биполярными транзисторами.

Замена неисправного неизвестного транзистора — биполярный или полевой МОП-транзистор?

Я пытаюсь отремонтировать плату приемника квадрокоптера серии Syma X8. Один из четырех двигателей постоянного тока не работает должным образом, то есть не включается после сигнала от передатчиков (другие двигатели работают). Мотор работает, если он подключен к другим выходам.

Используя осциллограф, я обнаружил, что все большие 4 полевых МОП-транзистора в правой части платы исправны, но один из четырех SMD-транзисторов с маркировкой Y1 (обведен зеленым), подключенный к затвору одного полевого МОП-транзистора, не работает .

У меня нет опыта работы с деталями SMD, но я обнаружил, что маркировка Y1 обычно используется для стабилитронов или транзисторов. Я думаю, что это может быть последним, потому что я вижу квадратный сигнал на «входном» выводе 1 (основание / затвор) других 3 транзисторов, который усиливается на «выходном» выводе 2 остальных трех.

Используя диодный тест на мультиметре, я измеряю падение 797 мВ с контакта 3 на 1 и 795 мВ с 1 на 2. Поэтому я думаю, что это может быть NPN или MOSFET.

Я пробовал NPN, как BC547, но через несколько секунд он разогрелся, и двигатель все еще не работал. Если я попробовал PNP, такой как BC556, он не нагревался, но все равно не включался.

Как я могу найти подходящую замену для сломанного транзистора? Что я должен измерить, чтобы узнать правильный тип?

pericynthion

Брюс Эбботт

Результаты ваших испытаний диодов и формы сигналов показывают, что это биполярный транзистор с NPN (если бы это был FET, напряжение на затворе было бы выше, и затвор измерял бы обрыв цепи как на источник, так и на сток).

Схема, вероятно, выглядит примерно так:

Транзистор не должен нагреваться, так как входной и выходной токи ограничены R1 и R2. Так что где-то должно быть короткое замыкание, либо в компоненте, либо между дорожками на печатной плате. Наиболее вероятный виновник — FET1, который, возможно, сгорел и теперь является коротким замыканием от стока до ворот и разрывом цепи от стока до источника. Если это произойдет, то Q1 попытается запустить двигатель напрямую, но не сможет, потому что он не может подать достаточный ток.

Снимите FET с доски и измерьте сопротивление между воротами и сливом. Это должно быть бесконечно. Если он показывает низкое сопротивление, то FET замкнут. Вам также следует проверить обратный диод Шоттки (D1). Если это шорт, FET обычно следует.

январь

Брюс Эбботт

январь

Брюс Эбботт

переполненный

Это пакет SOT-23. Просто гуглите «sot-23 npn y1». Часть может быть SS8050. Обратите внимание, что Y1 — достаточно маленький код, чтобы легко быть чем-то другим от другого производителя.

В любом случае, сравните максимальный рейтинг Ic для этой детали с максимальным Ic для BC547, и вы поймете, почему ваша попытка замены не удалась.

Конечно, это не говорит о том, почему оригинальная часть вышла из строя. Возможно, это было плохое начало, или могут быть другие проблемы с вашей доской.

Как заменить полевой транзистор на биполярный

IGBT-транзистор (сокращение от англоязычного Insulated-gate bipolar transistor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (сокращенно БТИЗ) — представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, сочетающий внутри одного корпуса силовой биполярный транзистор и управляющий им полевой транзистор.

IGBT-транзисторы являются на сегодняшний день основными компонентами силовой электроники (мощные инверторы, импульсные блоки питания, частотные преобразователи и т.д.), где они выполняют функцию мощных электронных ключей, коммутирующих токи на частотах измеряемых десятками и сотнями килогерц. Транзисторы данного типа выпускаются как в виде отдельных компонентов, так и в виде специализированных силовых модулей (сборок) для управления трехфазными цепями.

То что IGBT-транзистор включает в себя транзисторы сразу двух типов (включенных по каскадной схеме), позволяет объединить достоинства двух технологий внутри одного полупроводникового прибора.

Биполярный транзистор в качестве силового позволяет получить большее рабочее напряжение, при этом сопротивление канала в открытом состоянии оказывается пропорционально току в первой степени, а не квадрату тока как у обычных полевых транзисторов. А то что в качестве управляющего транзистора используется именно полевой транзистор — сводит затраты мощности на управление ключом к минимуму.

Названия электродов характеризуют структуру IGBT-транзистора: управляющий электрод именуется затвором (как у полевого транзистора), а электроды силового канала — коллектором и эмиттером (как у транзистора биполярного).

Немного истории

Исторически биполярные транзисторы использовались наравне с тиристорами в качестве силовых электронных ключей до 90-х годов. Но недостатки биполярных транзисторов были всегда очевидны: большой ток базы, медленное запирание и от этого перегрев кристалла, сильная зависимость основных параметров от температуры, ограниченное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Появившиеся позже полевые транзисторы (структуры МОП) сразу изменили ситуацию в лучшую сторону: управление напряжением уже не требует столь больших токов, параметры ключа слабо зависят от температуры, рабочее напряжение транзистора не ограничено снизу, низкое сопротивление силового канала в открытом состоянии расширяет диапазон рабочих токов, частота переключения легко может достигать сотен килогерц, кроме того примечательна способность полевых транзисторов выдерживать сильные динамические нагрузки при высоких рабочих напряжениях.

Поскольку управление полевым транзистором реализуется значительно проще и получается по мощности существенно легче чем биполярным, да к тому же внутри имеется ограничительный диод, — транзисторы с полевым управлением сразу завоевали популярность в схемах импульсных преобразователей напряжения, работающих на высоких частотах, а также в акустических усилителях класса D.

Первый силовой полевой транзистор был разработан Виктором Бачуриным еще в Советском Союзе, в 1973 году, после чего он был исследован под руководством ученого Владимира Дьяконова. Исследования группы Дьяконова относительно ключевых свойств силового полевого транзистора привели к разработке в 1977 году составного транзисторного ключа, внутри которого биполярный транзистор управлялся посредством полевого с изолированным затвором.

Ученые показали эффективность такого подхода, когда токовые свойства силовой части определяются биполярным транзистором, а управляющие параметры — полевым. Причем насыщение биполярного транзистора исключается, а значит и задержка при выключении сокращается. Это — важное достоинство любого силового ключа.

На полупроводниковый прибор нового типа советскими учеными было получено авторское свидетельство №757051 «Побистор». Это была первая структура, содержащая в одном корпусе мощный биполярный транзистор, поверх которого находился управляющий полевой транзистор с изолированным затвором.

Что касается промышленного внедрения, то уже в 1983 году фирмой Intarnational Rectifier был запатентован первый IGBT-транзистор. А спустя два года был разработан IGBT-транзистор с плоской структурой и более высоким рабочим напряжением. Это сделали одновременно в лабораториях двух компаний — General Electric и RCA.

Первые версии биполярных транзисторов с изолированным затвором имели один серьезный недостаток — медленное переключение. Название IGBT было принято в 90-е, когда были созданы уже второе и третье поколение IGBT-транзисторов. Тогда уже этих недостатков не стало.

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

По сравнению с обычными полевыми транзисторами, IGBT-транзисторы обладают более высоким входным сопротивлением и более низким уровнем мощности, которая тратится на управление затвором.

В отличие от биполярных транзисторов — здесь более низкое остаточное напряжение во включенном состоянии. Потери в открытом состоянии, даже при больших рабочих напряжениях и токах, достаточно малы. При этом проводимость как у биполярного транзистора, а управляется ключ напряжением.

Диапазон рабочих напряжений коллектор-эмиттер у большинства широко доступных моделей варьируется от десятков вольт до 1200 и более вольт, при этом токи могут доходить до 1000 и более ампер. Есть сборки на сотни и тысячи вольт по напряжению и на токи в сотни ампер.

Считается, что для рабочих напряжений до 500 вольт лучше подходят полевые транзисторы, а для напряжений более 500 вольт и токов больше 10 ампер — IGBT-транзисторы, так как на более низких напряжениях крайне важно меньшее сопротивление канала в открытом состоянии.