Виды транзисторов

Все транзисторы управляют током, но делают это разными физическими способами. Поэтому классификацию удобнее начинать не с корпуса или мощности, а с устройства управляющей области.

Основные семейства

• биполярные транзисторы BJT управляются током базы и используют носители заряда обоих знаков;
• полевые JFET изменяют проводимость канала электрическим полем, создаваемым p-n-переходом затвора;
• MOSFET имеют изолированный затвор и управляются напряжением;
• IGBT объединяют затвор MOS-структуры с биполярным механизмом проводимости;
• составные решения включают несколько транзисторных структур, соединённых внутри корпуса или схемы.

Эта классификация описывает принцип действия. Деление на малосигнальные, силовые, высоковольтные и высокочастотные компоненты относится уже к назначению и параметрам. Например, MOSFET может быть как малосигнальным, так и силовым.

У биполярного транзистора три вывода – эмиттер, база и коллектор. Ток базы управляет значительно большим током в цепи коллектора, поэтому BJT применяют и для усиления аналоговых сигналов, и для коммутации.

В структуре NPN основными подвижными носителями в рабочей области служат электроны. Для открытия кремниевого NPN-транзистора потенциал базы обычно должен быть выше потенциала эмиттера. Такие компоненты часто устанавливают в нижнее плечо ключа, между нагрузкой и общим проводом.

У PNP полярности и направления токов относительно NPN меняются на противоположные. База должна иметь более низкий потенциал, чем эмиттер, а сам транзистор удобно применять в верхнем плече цепи питания.

Стрелка на эмиттере условного обозначения помогает различить полярность. У NPN она направлена наружу, у PNP – к базе. Это правило относится к обозначению на схеме, но не определяет расположение физических выводов на корпусе.

Полевой транзистор управляет проводимостью канала с помощью электрического поля. Его входная цепь потребляет очень небольшой установившийся ток, однако способ устройства затвора у JFET и MOSFET различается.

В JFET затвор образует p-n-переход с каналом. Такой переход в нормальном рабочем режиме смещают в обратном направлении. Большинство распространённых JFET проводит ток при нулевом напряжении затвор-исток, а управляющее напряжение сужает канал и уменьшает ток.

У MOSFET затвор изолирован от полупроводника тонким диэлектрическим слоем. Наиболее распространены транзисторы с индуцированным каналом, которые при нулевом напряжении затвор-исток закрыты. MOSFET со встроенным каналом встречаются реже и могут проводить ток без управляющего напряжения.

Разница между JFET и MOSFET влияет на начальное состояние, допустимые напряжения затвора, входную ёмкость и способ управления. Называть любой полевой транзистор словом «мосфет» неверно.

Тип канала определяет полярность управляющего напряжения и место транзистора в схеме. У n-канального MOSFET затвор для открытия должен иметь более высокий потенциал относительно истока. Такой вариант чаще применяют в нижнем плече, где исток соединён с общим проводом, а нагрузка находится между питанием и стоком.

Для открытия p-канального MOSFET потенциал затвора понижают относительно истока. Благодаря этому p-канальный компонент удобно ставить в верхнее плечо цепи постоянного питания без сложного драйвера затвора, если напряжение и ток умеренные.

При сопоставимых технологии, размерах кристалла и допустимом напряжении n-канальные MOSFET обычно имеют меньшее сопротивление открытого канала. Причина связана с более высокой подвижностью электронов по сравнению с дырками. Поэтому в мощных преобразователях чаще используют n-канальные транзисторы, а для верхнего плеча добавляют специализированный драйвер.

Нельзя выбирать полярность только по удобству включения. Следует учитывать напряжение управления, сопротивление канала, заряд затвора, встроенный диод и условия отвода тепла.

IGBT управляется изолированным затвором, как MOSFET, но перенос тока внутри силовой части связан с биполярной проводимостью. Такое сочетание подходит для высоких напряжений и значительной мощности. IGBT применяют в инверторах, частотных преобразователях, приводах и силовых источниках питания.

На малых напряжениях и высокой частоте переключения MOSFET обычно оказывается удобнее. IGBT раскрывает преимущества в более высоковольтных силовых режимах, однако выключается медленнее из-за остаточного тока при рассасывании носителей. Граница выбора зависит от конкретных моделей, частоты, тока и допустимых потерь, поэтому универсального порогового напряжения нет.

К составным биполярным решениям относится пара Дарлингтона. Два транзистора соединены так, чтобы получить очень большой коэффициент усиления по току. За это приходится платить повышенным падением напряжения в открытом состоянии и более медленным выключением.

Существуют также комплементарные пары, сборки из нескольких транзисторов и цифровые транзисторы со встроенными резисторами. Их нельзя автоматически заменять одиночным BJT с похожей маркировкой корпуса.

Назначение транзистора не образует отдельного физического семейства. Оно показывает, для каких токов, напряжений, частот и тепловых условий оптимизирован компонент.

Малосигнальные транзисторы работают с небольшими токами и мощностью. Для них важны коэффициент усиления, шум, входные ёмкости и предельная частота. Их используют во входных каскадах, генераторах, формирователях и маломощных ключах.

Силовые исполнения рассчитаны на заметный ток и рассеивание тепла. Здесь на первый план выходят допустимые напряжение и ток, сопротивление открытого канала или напряжение насыщения, импульсные режимы, безопасная область работы и тепловое сопротивление.

Высокочастотные и радиочастотные транзисторы имеют малые паразитные ёмкости и параметры, нормированные для работы на высокой частоте. При монтаже становятся важны длина соединений, разводка платы и согласование цепей.

Размер корпуса даёт только косвенную подсказку. Небольшой транзистор может выдерживать высокое напряжение, а крупный корпус не гарантирует малых потерь без правильного управления и охлаждения.

По внешнему виду надёжно определить семейство, полярность и распиновку нельзя. Одинаковые корпуса используют для BJT, MOSFET, стабилизаторов и интегральных схем, а порядок выводов различается даже у близких транзисторов.

Рабочая последовательность выглядит так:

1. Считайте полную маркировку с корпуса, включая буквенные суффиксы.
2. Найдите документацию именно на эту модификацию и проверьте тип компонента.
3. Сопоставьте условное обозначение и названия выводов: база, коллектор и эмиттер для BJT; затвор, сток и исток для полевого транзистора.
4. Проверьте полярность, предельные напряжения и токи, способ открытия и расположение выводов.
5. Убедитесь, что корпус, тепловые условия и скорость переключения подходят для схемы.

Измерение мультиметром помогает проверить переходы и предварительно отличить BJT от некоторых полевых транзисторов, но не заменяет документацию. Встроенные диоды, защитные цепи и составная структура могут изменить результаты измерения.