Was ist der Unterschied zwischen Feldeffekttransistoren (FETs), die als Schalter vermarktet werden, und Verstärkern?

Beispielsweise ist der JFET J108 als "N-Kanal-Schalter" aufgeführt, und im Datenblatt ist der RDS- Einschaltwiderstand angegeben , während der JFET J201 als "N-Kanal-Allzweckverstärker" aufgeführt ist (und der Einschaltwiderstand sein müsste aus den IDS-Kurven abgeleitet?)

Gibt es einen Unterschied in der Art und Weise, wie diese entworfen und hergestellt werden? Kann ein Typ generell in der anderen Anwendung verwendet werden, aber nicht umgekehrt?

In Verbindung stehend für BJTs: Was ist der Unterschied zwischen Kleinsignal-Bipolartransistoren (BJTs), die als Schalter vermarktet werden, und Verstärkern?

Beim Entwurf von Transistoren können verschiedene Entscheidungen getroffen werden, wobei einige Kompromisse besser für Schaltanwendungen und andere für "lineare" Anwendungen sind.

Schalter sind dazu gedacht, die meiste Zeit voll ein- oder auszuschalten. Die Ein- und Ausschaltzustände sind daher wichtig, da die Antwortkurve der Zwischenzustände nicht zu relevant ist.

Für die meisten Anwendungen ist der Leckstrom im ausgeschalteten Zustand der meisten Transistoren so gering, dass er keine Rolle spielt. Für Schaltanwendungen ist einer der wichtigsten Parameter, wie "Ein" ist, wie durch Rdson in FETs und die Sättigungsspannung und den Strom in Bipolaren quantifiziert. Aus diesem Grund haben schaltende FETs Rdson-Spezifikationen, um nicht nur zu zeigen, wie gut sie voll eingeschaltet sind, sondern auch, weil es für die Entwickler der Schaltung wichtig ist, zu wissen, wie viel Spannung sie abfallen und wie viel Wärme sie abführen.

Als Allzweckverstärker verwendete Transistoren arbeiten im "linearen" Bereich. Ihre Eigenschaften mögen nicht sehr linear sein, aber dies ist der Name, der in der Industrie verwendet wird, um den Zwischenbereich zu kennzeichnen, in dem der Transistor weder vollständig ein- noch vollständig ausgeschaltet ist. Tatsächlich möchten Sie für die Verwendung von Verstärkern keinen der Grenzzustände ganz erreichen. Der Rdson ist daher nicht so relevant, da Sie planen, niemals in diesem Zustand zu sein. Sie möchten jedoch wissen, wie das Gerät auf verschiedene Kombinationen von Gate-Spannung und Drain-Spannung reagiert, da Sie vorhaben, es über ein breites Kontinuum von diesen zu verwenden.

Der Transistorkonstrukteur kann Abstriche machen, die ein proportionaleres Ansprechen auf die Gate-Spannung im Vergleich zum besten Verhältnis zum effektiven Widerstand begünstigen. Aus diesem Grund werden einige Transistoren als Schalter gegenüber linearen Operationen befördert. Die Datenblätter konzentrieren sich dann auch auf die Spezifikationen, die für den Schaltungsentwickler für die beabsichtigte Verwendung am relevantesten sind.

Bei Leistungs-MOSFETs gibt es eine gute Faustregel, die angibt, dass das Bauteil umso besser für Schaltanwendungen optimiert ist, je neuer es ist. Ursprünglich wurden MOSFETs als Durchlasselemente in linearen Spannungsreglern (kein Basisstrom, der die Leerlaufverluste oder den Gesamtwirkungsgrad beeinträchtigt) oder in Audioverstärkern der Klasse AB verwendet. Die treibende Kraft für die Entwicklung neuer MOSFET-Generationen ist heute natürlich die Allgegenwart der Schaltnetzteile und das anhaltende Streben nach Motorsteuerung mit Frequenzumrichtern. Was auch immer in dieser Hinsicht erreicht wurde, ist nichts weniger als spektakulär.

Einige der Eigenschaften, die mit jeder neuen Generation von Schalt-MOSFETs verbessert wurden:

• Niedrigere R _{DS, ein} - Weil die Minimierung der Leitungsverluste die Maximierung des Gesamtwirkungsgrades bedeutet.
• Geringere parasitäre Kapazität - Weil weniger Ladung um das Gate zur Reduzierung von Antriebsverlusten und zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit beiträgt; Weniger Zeitaufwand für die Schaltübergänge bedeutet weniger Schaltverluste.
• Geringere Sperrverzögerungszeit der internen Diode; verbunden mit einer höheren dV / dt-Bewertung - Dies trägt auch dazu bei, Schaltverluste zu verringern, und es bedeutet auch, dass Sie den MOSFET nicht so leicht zerstören können, wenn Sie ihn zwingen, wirklich, wirklich schnell abzuschalten.
• Lawinen-Robustheit - Bei Schaltanwendungen ist immer ein Induktor beteiligt. Durch Abschalten des Stroms zu einer Induktivität werden große Spannungsspitzen erzeugt. Wenn die Spannungsspitzen schlecht gedämpft oder nicht festgeklemmt sind, sind sie höher als die maximale Nennspannung des MOSFET. Eine gute Lawinenwertung bedeutet, dass Sie einen zusätzlichen Bonus erhalten, bevor ein katastrophaler Ausfall eintritt.

Es gibt jedoch einen weniger bekannten Punkt für lineare Anwendungen von MOSFETs, der mit den jüngeren Generationen deutlicher geworden ist:

• FBSOA (Forward Biased Safe Operating Area), dh Belastbarkeit im linearen Betriebsmodus.

Zugegeben, dies ist ein Problem bei jeder Art von MOSFET, ob alt oder neu, aber die älteren Prozesse waren etwas fehlerverzeihender. Dies ist die Grafik, die die meisten relevanten Informationen enthält:

Quelle: APEC, IRF

Bei einer hohen Gate-Source-Spannung führt eine Erhöhung der Temperatur zu einer Erhöhung des Einschaltwiderstands und zu einer Verringerung des Drainstroms. Für Schaltanwendungen ist dies einfach perfekt: MOSFETs werden mit einer hohen V _GS in eine gute Sättigung getrieben . Denken Sie an parallel geschaltete MOSFETs und denken Sie daran, dass ein einzelner MOSFET viele winzige parallel geschaltete MOSFETs auf seinem Chip hat. Wenn einer dieser MOSFETs heiß wird, hat er einen erhöhten Widerstand und die Nachbarn "nehmen" mehr Strom auf, was zu einer guten Gesamtverteilung ohne Hotspots führt. Genial.

Bei einer V _{GS, die} niedriger ist als der Wert, bei dem sich die beiden Linien kreuzen, was als Null-Temperatur-Übergang bezeichnet wird (siehe IRF-App'note 1155 ), führt eine erhöhte Temperatur jedoch zu einer Verringerung von R _{DS on} und einem erhöhten Drain-Strom. Dies ist der Punkt, an dem ein thermischer Ausreißer an Ihre Tür klopft, im Gegensatz zu der weit verbreiteten Annahme, dass dies ein Phänomen ist, das nur bei BJT auftritt. Es treten Hotspots auf, und Ihr MOSFET kann sich auf spektakuläre Weise selbst zerstören und einige der schönen Schaltkreise in seiner Umgebung mit sich bringen.

Es wird gemunkelt, dass ältere laterale MOSFET-Bauelemente über ihre internen, parallelen On-Chip-MOSFETs hinweg besser passende Übertragungseigenschaften aufwiesen als die neueren Grabenbauelemente, die für die oben genannten, für Schaltanwendungen wichtigen Eigenschaften optimiert wurden. Dies wird weiter durch das Papier untermauert, auf das ich bereits verwiesen habe und das zeigt, wie neuere Geräte eine noch höhere V _GS für den Punkt des Null-Temperatur-Übergangs aufweisen.

Kurz gesagt: Es gibt Leistungs-MOSFETs, die sich besser für lineare Anwendungen oder Schaltanwendungen eignen. Da aus linearen Anwendungen so etwas wie eine Nischenanwendung wurde, z. B. für spannungsgesteuerte Stromsenken , ist besondere Vorsicht gegenüber dem Diagramm für den in Durchlassrichtung vorgespannten sicheren Betriebsbereich ( FB-SOA ) geboten. Wenn es keine Leitung für den Gleichstrombetrieb enthält, ist dies ein wichtiger Hinweis darauf, dass das Gerät in linearen Anwendungen wahrscheinlich nicht gut funktioniert.

Hier ist noch ein Link zu einem Artikel von IRF mit einer guten Zusammenfassung der meisten Dinge, die ich hier erwähnt habe.