Характеристики транзистора- основные параметры

Модификации

Тип	Pd	Uds	Ugs	Ugs(th)	Tj	Cd	Id	Qg	Rds	Корпус
IRF640	125 W	200 V	20 V	4 V	150 °C	2100 pf	18 A	55 nC	0.18 Ohm	TO220
IRF640A	139 W	200 V			150 °C	1160 pf	18 A		0.18 Ohm	TO220
IRF640FI	40 W	200 V	20 V		150 °C	2100 pf	10 A		0.18 Ohm	ISOWATT220
IRF640FP	40 W	200 V	20 V	4 V	150 °C	200 pf	18 A	55 nC	0.18 Ohm	TO-220FP
IRF640H	125 W	200 V	20 V	4 V	150 °C	430 pf	18 A	70 nC	0.18 Ohm	TO-263
IRF640L	130 W	200 V	10 V	4 V	150 °C		18 A	70 nC	0.18 Ohm	TO262
IRF640LPBF	130 W	200 V	20 V	4 V	150 °C	430 pf	18 A	70 nC	0.18 Ohm	TO-262
IRF640N	150 W	200 V	20 V				18 A	44.7 nC	0.15 Ohm	TO220AB
IRF640NL	150 W	200 V	20 V	4 V	175 °C		18 A	44.7 nC	0.15 Ohm	TO262
IRF640NLPBF	150 W	200 V	20 V	4 V	175 °C	185 pf	18 A	67 nC	0.15 Ohm	TO-262
IRF640NPBF	150 W	200 V	20 V	4 V	175 °C	185 pf	18 A	67 nC	0.15 Ohm	TO-220AB
IRF640NS	150 W	200 V	20 V	4 V	175 °C		18 A	44.7 nC	0.15 Ohm	D2PAK
IRF640NSPBF	150 W	200 V	20 V	4 V	175 °C	185 pf	18 A	67 nC	0.15 Ohm	TO-263
IRF640PBF	125 W	200 V	20 V	4 V	150 °C	430 pf	18 A	70 nC	0.18 Ohm	TO-220AB
IRF640S	125 W	200 V	20 V	4 V	150 °C		18 A	70 nC	0.18 Ohm	D2PAK
IRF640SPBF	130 W	200 V	20 V	4 V	150 °C	430 pf	18 A	70 nC	0.18 Ohm	TO-263

Транзистор

Буквально сразу после появления полупроводниковых приборов, скажем, транзисторов, они стремительно начали вытеснять электровакуумные приборы и, в частности, триоды. В настоящее время транзисторы занимают ведущее положение в схемотехнике.

Начинающему, а порой и опытному радиолюбителю-конструктору, не сразу удаётся найти нужное схемотехническое решение или разобраться в назначении тех или иных элементов в схеме. Имея же под рукой набор «кирпичиков» с известными свойствами гораздо легче строить «здание» того или другого устройства.

Не останавливаясь подробно на параметрах транзистора (об этом достаточно написано в современной литературе, например, в ), рассмотрим лишь отдельные свойства и способы их улучшения.

Одна из первых проблем, возникающих перед разработчиком, — увеличение мощности транзистора. Её можно решить параллельным включением транзисторов (рис.1). Токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров способствуют равномерному распределению нагрузки.

Оказывается, параллельное включение транзисторов полезно не только для увеличения мощности при усилении больших сигналов, но и для уменьшения шума при усилении слабых. Уровень шумов уменьшается пропорционально корню квадратному из количества параллельно включённых транзисторов.

Защита от перегрузки по току наиболее просто решается введением дополнительного транзистора (рис.2). Недостаток такого самозащитного транзистора — снижение КПД из-за наличия датчика тока R. Возможный вариант усовершенствования показан на рис.3. Благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, а значит, и рассеиваемую на нём мощность.

Составной транзистор (рис. 4) имеет повышенное выходное сопротивление и значительно уменьшенный эффект Миллера благодаря каскодному включению полевого и биполярного транзисторов.

За счёт полной развязки второго транзистора от входа и питанию стока первого транзистора напряжением, пропорциональным входному, составной транзистор, изображённый на рис.5, имеет ещё более высокие динамические характеристики.

Единственное условие реализации такого транзистора — более высокое напряжение отсечки второго транзистора. Входной транзистор можно заменить на биполярный.

Одна из особенностей транзисторного ключа при изменяющейся нагрузке — изменение времени выключения транзистора. Чем больше насыщение транзистора при минимальной нагрузке, тем больше время выключения. Избежать глубокого насыщения можно путём предотвращения прямого смещения перехода база-коллектор. Наиболее простая реализация этой идеи с помощью диода Шоттки представлена на рис.6. На рис.7 изображён более сложный вариант — схема Бейкера.

https://youtube.com/watch?v=D60LaX9Fza0

Описание транзистора 2N4403

Транзистор 2N4403 — биполярный, кремниевый, высокочастотный (30 МГц > F_ГР < 300 МГц) транзистор типа P-N-P, средней мощности (300 мВт > P_К,МАКС < 1,5 Вт). Тип корпуса TO-92. Аналоги данного транзистора это транзисторы: NTE159, SK3466, BC327, BSS80C, PN200, THC4403, TMPT4403, 2N2907, 2N4143*, 2N4972*, 2N6001*, 2N6003*, 2N6005*, 2N6007*, 2N6011*, 2N6013*, 2N6015* A5T2907*, A5T4403*.

Транзистор
U_КЭ0 /U_{КБ0 ПРОБ}В
I_{К, МАКС}мА
P_{К, МАКС}мВт
h_21Э
f_грМГц
Изготовитель

мин.
макс.
I_КмА
U_КЭВ
Название (полное)
Название (сокращённое)

2N4403
40/40
600
350
100

150
10
200
American Microsemiconductor Inc
AmerMicroSC

Advanced Semiconductor tnc
Advncd Semi

Allegro Microsystems Inc
AlegroMicro

Central Semiconductor Corp
CentralSemi

Continental Device India Ltd
Contin Dev

Crimson Semiconductor Inc
CrimsonSimi

Diodes Inc
Diodes Inc

Elm State Electronics lnc
Elm State

Hi-Tron Semiconductor
Hi-Tron

Toshiba Corp/Industria Mexicana Toshiba SA

KSL Microdevices Ing
KSL Micro

Micro Electronics Ltd
Micro Еlecs

Microsemi Corp
Microsemi

Mistral SPA
Mistral SpA

Motorola Semiconductor Products Inc
Motorola

NAS Etektronische Halbleiter Gmbh
NAS Elekt

National Semiconductor Corp
Natl Semi

Rochester Electronics Inc
Rochester

Rohm Со Ltd
Rohm Со Ltd

Samsung Electronics Inc
Samsung

Semelab Plc
Semelab

Semiconductors Inc
Semi Inc

Semiconductor Technology Inc
SemiconTech

Intex Со Inc/Semitronics Corp
Semitronics

Solid State Inc
Solid Stinc

Swampscott Electronics Со Inc
Swampscott

Toshiba America Electronic Components Inc
ToshibaAmer

Transistor Со
Transistor

United-Page Inc, UPI Semiconductor Division
UPI Semi

Space Power Electronics Inc
Space Power

Цоколёвка

Тип
Номера выводов

1
2
3

3 вывода
E
B
C

U_{КЭ0, ПРОБ} — пробивное напряжение коллектор-эмиттер биполярного транзистора при токе базы, равном нулю.

U_{КБ0, ПРОБ} — пробивное напряжение коллектор-база биполярного транзистора.

U_КЭ — напряжение источника питания коллектора биполярного транзистора при измерении h_21Э.

I_{К, МАКС} — максимально допустимый постоянный ток коллектора биполярного транзистора.

I_К — постоянный ток коллектора биполярного транзистора при измерении h_21Э.

h_21Э — статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

f_ГР — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

P_{К, МАКС} — максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора биполярного транзистора.

* — Транзистор не является полным аналогом, но возможна замена.

Аналоги

Тип	Pd	Uds	Ugs	Ugs(th)	Id	Tj	Qg	Tr	Cd	Rds	Корпус
IRF640	125 W	200 V	20 V	4 V	18 A	150 °C	55 nC		2100 pf	0,18 Ohm	TO220
IRF640A	139 W	200 V			18 A	150 °C			1160 pf	0,18 Ohm	TO220
IRF640N	150 W	200 V	20 V		18 A		44,7 nC			0,15 Ohm	TO220AB
IRFP640	125 W	200 V	20 V	4 V	18 A	150 °C		51 ns	430 pf	0,18 Ohm	TO220
18N40	360 W	400 V	30 V		18 A	150 °C		22 ns	280 pf	0,18 Ohm	TO‑247 TO‑220 TO‑220F1
AOT29S50	357 W	500 V	30 V		29 A	150 °C		39 ns	88 pf	0,15 Ohm	TO‑220
AOT42S60L	417 W	600 V	30 V	3,8 V	39 A	150 °C		53 ns	135 pf	0,099 Ohm	TO220
BUZ30A	125 W	200 V	20 V	4 V	21 A	150 °C		70 ns	280 pf	0,13 Ohm	TO‑220
FQP19N20C	139 W	200 V	30 V	4 V	19 A	150 °C	40,5 nC			0,17 Ohm	TO220
IPP220N25NFD	300 W	250 V	20 V	4 V	61 A	175 °C		10 ns	398 pf	0,022 Ohm	TO‑220
IPP320N20N3	136 W	200 V	20 V	4 V	34 A	175 °C	22 nC	9 ns	135 pf	0,032 Ohm	TO‑220
IPP410N30N	300 W	300 V	20 V	4 V	44 A	175 °C		9 ns	374 pf	0,041 Ohm	TO‑220
IPP50R140CP	192 W	500 V	20 V	3,5 V	23 A	150 °C	48 nC	14 ns	110 pf	0,14 Ohm	TO220
IPP600N25N3G	136 W	250 V	20 V	4 V	25 A	175 °C	22 nC	10 ns	112 pf	0,06 Ohm	TO220
IPP60R165CP	192 W	600 V	20 V	3,5 V	21 A	150 °C	39 nC	5 ns	100 pf	0,165 Ohm	TO220
IRF650A	156 W	200 V			28 A	150 °C			2300 pf	0,085 Ohm	TO220
IRFB4620	144 W	200 V	20 V		25 A		25 nC			0,0725 Ohm	TO220AB
IRFB5620	144 W	200 V	20 V		25 A		25 nC			0,0725 Ohm	TO220AB
NCE65T130	260 W	650 V	30 V	4 V	28 A	150 °C	37,5 nC	12 ns	120 pf	0,13 Ohm	TO220
STP30NF20	125 W	200 V	20 V	4 V	30 A	150 °C	38 nC	15,7 ns	320 pf	0,075 Ohm	TO220
UF640	139 W	200 V	20 V		18 A	150 °C		58 ns	240 pf	0,14 Ohm	TO‑263 TO‑220 SOT‑223 TO‑252 TO‑220F
2SK2136	75 W	200 V	30 V		20 A	150 °C	30 nC	85 ns	540 pf	0,18 Ohm	TO220
FQP19N20C	139 W	200 V	30 V	4 V	19 A	150 °C	40,5 nC			0,17 Ohm	TO220
FQA19N20C	180 W	200 V	30 V	4 V	21,8 A	150 °C	53 nC	150 ns	195 pf	0,17 Ohm	TO3P
BUZ31	95 W	200 V	20 V	4 V	14,5 A	150 °C		50 ns	195 pf	0.2	PG-TO-220-3

В качестве отечественной замены могут подойти транзисторы КП750А, КП640.

Примечание: данные в таблицах взяты из даташип компаний-производителей.

Графические иллюстрации характеристик

Рис. 1. Зависимость времени задержки t_d и времени нарастания импульса t_r от коллекторной нагрузки I_C.

Характеристика снята при напряжении питания U_CC = 125 В, температуре п/п структуры T_j = 25°C, и соотношении токов I_C/ I_B = 5.

При измерении времени задержки t_d установлено напряжение смещения U_BE₍_OFF₎ = 5 В.

Рис. 2. Зависимость времени сохранения t_s и времени спадания импульса t_f от величины коллекторной нагрузки I_C.

Рис. 3. Зависимость статического коэффициента усиления h_FE транзистора в схеме с общим эмиттером от величины коллекторной нагрузки I_C.

Зависимость снята для различных значений температуры структуры T_j и напряжений коллектор-эмиттер U_CE.

Рис. 4. Изменение падения напряжения на транзисторе U_CE при изменении управляющего тока базы I_B. Зависимости сняты при различных нагрузках I_C и температуре структуры T_j = 25°C.

Рис. 5. Изменение напряжения насыщения на базовом переходе U_BE₍_sat₎ при разных нагрузках I_C и разных температурах структуры T_j. Соотношение токов I_C / I_B = 3.

Пунктиром показано изменение напряжения включения U_BE₍_ON₎ при напряжении на коллекторе U_CE = 2 В.

Рис. 6. Зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер U_CE(sat) от коллекторного тока I_C при различных температурах и соотношении токов I_C/ I_B = 3.

Рис. 7. Область выключения транзистора. Зависимость коллекторного тока I_C от напряжения база-эмиттер U_BE.

Характеристика снята при разных температурах T_j структуры и напряжении коллектор-эмиттер U_CE = 250 В.

FORWARD – напряжение база-эмиттер приложено в прямом направлении.

REVERS — напряжение база-эмиттер приложено в обратном направлении.

Рис. 8. Зависимости входной емкости C_ib перехода эмиттер-база и выходной емкости C_ob коллекторного перехода от величины обратного приложенного напряжения. Температура структуры T_j= 25°С.

Рис. 9. Область безопасной работы транзистора при резистивной нагрузке.

Предельные токи ограничены: значением максимального постоянного тока I_C = 1,5 А и максимального импульсного тока I_CM = 3,0 А.

При этих значениях тока разрушаются паяные соединения подводящих проводов со слоями п/п структуры. Показано штрихпунктирной линией.

Предельные напряжения ограничены максимальным рабочим напряжением U_CEO₍_SUS₎= 400 В.

Общее тепловое разрушение структуры наступает при превышении ограничений по току и напряжений, показанных пунктирной линией.

Сплошная линия обозначает ограничения, связанные с вторичным необратимым пробоем п/п структуры транзистора. Во всех режимах работы линии нагрузки транзистора (зависимости I_C от напряжения коллектор-эмиттер U_CE) не должны превышать обозначенных ограничений.

Рис. 10. Ограничение величины рассеиваемой мощности (нагрузки) транзистора при возрастании температуры окружающей среды T_a.

Характеристика снята для условий работы на резистивную нагрузку.

Рис. 11. Область безопасной работы транзистора с обратным смещением для случая с введенными ограничениями перенапряжений.

Предельное ограничение по напряжению (перенапряжению) U_CLAMP = 700 В.

Величины напряжений обратного смещения U_BE₍_OFF₎соответственно 9 В, 5 В, 3 В и 1,5 В.

Характеристики построены для температуры структуры в пределах 100°С и при токе базы I_B₁ = 1 А.

Такая ОБР с обратным смещением характерна для схем работы транзистора на индуктивную нагрузку.

В этих режимах работы, линии нагрузки транзистора (зависимости I_C от напряжения коллектор-эмиттер U_CE) не должны превышать обозначенных ОБР ограничений.

Виды полевых транзисторов

В семействе МОП полевых транзисторов в основном выделяют 4 вида:

1) N-канальный с индуцированным каналом

2) P-канальный с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канальный со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом — сплошной.

В современном мире полевой транзистор со встроенным каналом используется все реже и реже, поэтому, в наших статьям мы их не будем рассматривать. Будем изучать только N и P — канальные полевые транзисторы с индуцированным каналом.

Строение полевого транзистора

Давайте еще раз рассмотрим структуру полевого транзистора.

Имеем «кирпич» полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому, их концентрация намного больше, чем электронов. Но электроны также есть и в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике — это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. «Кирпич» P-полупроводника носит название Подложки. От подложки выходит вывод с таким же названием: подложка.

Другие слои — это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.

Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод. Называется этот вывод Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Мы видим, что полевой транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор и Подложка), а реальный транзистор имеет только 3 вывода.

В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:

Поэтому, следует соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.

Характеристики полевого МОП транзистора

Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.

Напряжение V_GS — это напряжение между Затвором и Истоком. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт. Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.

Максимальная сила тока I_D, которая может течь через канал Сток-Исток.

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.

R_DS(on) — сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока. В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока = 25 Ампер).

Максимальная рассеиваемая мощность P_D — это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия — это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите на последних страницах.

Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала полностью открытого транзистора от температуры кристалла:

Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач. И первая на очереди — входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь . При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора — выходной. Выходная характеристика — это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения — изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным .

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано.

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно — при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина — эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу — навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора.

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды. Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.