Обозначение полевого транзистора. Полевые транзисторы: принцип работы, виды и применение

Как устроены полевые транзисторы. Какие бывают типы полевых транзисторов. В чем особенности полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом и изолированным затвором. Как работают полевые транзисторы в различных режимах. Где применяются полевые транзисторы.

Принцип работы полевых транзисторов

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем. Основные особенности полевых транзисторов:

• Ток протекает только за счет основных носителей заряда (электронов или дырок)
• Управление током осуществляется напряжением, а не током как в биполярных транзисторах
• Обладают очень высоким входным сопротивлением (до 10^15 Ом)
• Имеют три вывода — исток, сток и затвор

Принцип работы основан на изменении проводимости канала между истоком и стоком под действием поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе. Чем выше напряжение на затворе, тем сильнее открывается канал и увеличивается ток стока.

Основные виды полевых транзисторов

Полевые транзисторы можно классифицировать по нескольким признакам:

По типу канала:

• С каналом n-типа (основные носители — электроны)
• С каналом p-типа (основные носители — дырки)

По способу изоляции затвора:

• С управляющим p-n-переходом
• С изолированным затвором (МДП-транзисторы)

По способу создания канала (для МДП-транзисторов):

• Со встроенным каналом
• С индуцированным каналом

Рассмотрим подробнее основные виды полевых транзисторов.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом

В этих транзисторах затвор отделен от канала p-n-переходом, смещенным в обратном направлении. Основные особенности:

• Канал существует всегда, даже при отсутствии напряжения на затворе
• Работают только в режиме обеднения канала
• Входное сопротивление порядка 10^9 Ом
• Напряжение отсечки обычно 2-5 В

Принцип работы основан на изменении ширины области пространственного заряда p-n-перехода под действием напряжения на затворе, что приводит к изменению сечения канала и его сопротивления.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

В этих транзисторах затвор изолирован от канала слоем диэлектрика (обычно оксида кремния). Основные особенности:

• Канал существует при нулевом напряжении на затворе
• Могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала
• Очень высокое входное сопротивление — до 10^15 Ом
• Напряжение отсечки обычно от -2 до -5 В

Принцип работы основан на изменении концентрации носителей в канале под действием поперечного электрического поля затвора. При отрицательном напряжении канал обедняется, при положительном — обогащается.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

Отличаются от транзисторов со встроенным каналом тем, что канал отсутствует при нулевом напряжении на затворе. Основные особенности:

• Канал образуется только при подаче напряжения на затвор определенной полярности
• Работают только в режиме обогащения канала
• Очень высокое входное сопротивление — до 10^15 Ом
• Пороговое напряжение обычно 1-3 В

Принцип работы основан на инверсии типа проводимости приповерхностного слоя полупроводника под действием сильного поперечного поля затвора, что приводит к образованию проводящего канала.

Режимы работы полевых транзисторов

Можно выделить следующие основные режимы работы полевых транзисторов:

Режим отсечки

В этом режиме канал полностью перекрыт, ток стока практически отсутствует. Достигается путем подачи на затвор напряжения, превышающего напряжение отсечки.

Активный режим

Рабочий режим, в котором изменение напряжения затвор-исток приводит к пропорциональному изменению тока стока. Используется в усилительных схемах.

Режим насыщения

Режим, в котором дальнейшее увеличение напряжения сток-исток не приводит к существенному росту тока стока. Используется в ключевых схемах.

Ключевой режим

Транзистор переключается между режимом отсечки и насыщения, работая как электронный ключ. Используется в цифровых схемах.

Применение полевых транзисторов

Благодаря своим уникальным свойствам полевые транзисторы нашли широкое применение в различных областях электроники:

• Усилители с высоким входным сопротивлением
• Аналоговые ключи и коммутаторы
• Преобразователи напряжения
• Стабилизаторы напряжения
• Генераторы
• Логические элементы цифровых микросхем
• Датчики с электрическим выходом
• Мощные ключи в импульсных блоках питания

Особенно широкое применение получили МДП-транзисторы с индуцированным каналом в интегральных микросхемах. На их основе строятся современные процессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти и другие сложные цифровые устройства.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов

Основные преимущества полевых транзисторов:

• Очень высокое входное сопротивление
• Малый уровень шумов
• Высокая радиационная стойкость
• Простота изготовления интегральных микросхем на их основе
• Возможность работы как с положительным, так и с отрицательным напряжением на затворе

Недостатки полевых транзисторов:

• Меньшее усиление по току по сравнению с биполярными транзисторами
• Чувствительность к статическому электричеству
• Зависимость параметров от температуры
• Нелинейность характеристик в некоторых режимах

Несмотря на имеющиеся недостатки, уникальные свойства полевых транзисторов обеспечивают им широкое применение в современной электронике.

Обозначение выводов полевого транзистора

Для обозначения выводов биполярных транзисторов, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют буквы кириллицы или латиницы Б (В – Base), Э (Е – Emitter) и К (С -Collector) соответственно. На значке схемного обозначения транзистора стрелка указывает условное направление тока в эмиттере от плюса к минусу (рис. 1. а).

Для обозначения выводов полевых транзисторов, относящихся к затвору, стоку и истоку, применяют буквы кириллицы или латиницы 3 (G – Gate), С (D – Drain) и И (S – Source) соответственно.

Рис. 1. Обозначение выводов биполярных (а) и полевых (б) транзисторов на электрической схеме

Полевой транзистор – это полупроводниковый преобразовательный прибор, в котором ток, текущий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении микросхем.

Принцип действия полевых транзистор ов снован на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током, осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Поэтому эти транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р- n – перехода и с изолированным затвором (МДП – или МОП – транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на полевые транзисторы с каналом р- типа и полевые транзисторы с каналом n – типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n – типа – электронной.

Полевой транзистор с управляющим р- n – переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р- n -переходом, смещенным в обратном направлении.

Устройство полевого транзистора с управляющим р- n -переходом (каналом n – типа)

Условное обозначение полевого транзистора с р- n -переходом и каналом n – типа (а), каналом р- типа (б)

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения. Электрод, через который в канал входят носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда – сток. Электрод, для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения – затвор.

Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение U зи является обратным для обоих р- n – переходов. Ширина р- n – переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р- n – переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения U си, то силой тока стока I с , протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р- n – переходом.

При напряжении U зи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток I с получается наибольшим. Ток стока I с нач при U зи = 0 называют начальным током стока. Напряжение U зи , при котором канал полностью перекрывается, а ток стока I с становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки U зи отс .

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р- n – переходом

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р- n – переходом и каналом n – типа, отражают зависимость тока стока от напряжения U си при фиксированном напряжении U зи : I c = f ( U си ) при U зи = const .

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые; б – стокозатворная

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние и управляющее напряжение U зи , и напряжение U си . При U си = 0 выходной ток I с = 0. При U си > 0 ( U зи = 0) через канал протекает ток I c , в результате создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно U си . Повышение напряжения U си вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении U си происходит сужение канала, при котором границы обоих р- n – переходов сужаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение U си называют напряжением насыщения U си нас . При подаче на затвор обратного напряжения U зи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения U си нас . В рабочем режиме используются пологие участки выходных характеристик.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

У полевого транзистора с изолированным затвором (МДП – транзистор), затвор отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП – транзисторы в качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO 2. Другое название таких транзисторов – МОП – транзисторы ( металл-окисел-полупроводник).

Принцип действия МДП – транзисторов основан на изменении проводимости поверхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. Поверхностный слой, является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП – транзисторы выполняют двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Конструкция МДП – транзистора со встроенным каналом n -типа. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, с помощью диффузионной технологии созданы две легированные области с противоположным типом электропроводности – n . На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется поверхностный канал с электропроводностью n – типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика. На этот слой нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

При подаче на затвор положительного напряжения, создающимся электрическим полем дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны – из подложки в канал. Канал обогащается – электронами, и его проводимость увеличивается при возрастании ток стока . Это называется режим обогащения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения, относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость уменьшается, а ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при U зи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком ( U си > 0), протекает ток стока I с нач , называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Канал проводимости тока не создается, а образуется благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины, при приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нету, и между истоком и стоком n -типа расположен только кристалл р- типа, а на одном из р- n – переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком велико, и транзистор заперт. Но при подаче на затвор положительное напряжение, под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области к затвору. Когда напряжение затвора превысит пороговое значение U зи пор , в поверхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и произойдет инверсия типа электропроводности, индуцируется токопроводящий канал n -типа, соединяющий области истока и стока. Транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Полевым транзистором именуют такой компонент, через который под влиянием продольного электрического поля протекает ток, обусловленный движением носителей заряда сугубо одного типа.Так как принцип действия полевых транзисторов основан на перемещении основных носителей заряда одного типа проводимости, такие компоненты ещё называют униполярными.

Затвором называют вывод полевого транзистора, к которому подводят напряжение от устройства управления. Следует подчеркнуть, что управление полевыми транзисторами осуществляют напряжением, а биполярными транзисторами – током. Истоком именуют вывод, который обычно служит источником поступления в транзистор носителей заряда от устройства электропитания. Стоком называют вывод компонента, через который носители заряда покидают транзистор. Перемещение основных носителей заряда от истока к стоку происходит по области, которая носит название канала полевого транзистора. Каналы у полевых транзисторов могут быть как электронного, так и дырочного типов проводимостей. Носителями заряда в полевых транзисторах n-типа выступают электроны, а в приборах p-типа – дырки. Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим переходом и с изолированным затвором, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и другое. Входное сопротивление транзистора – это отношение приращения напряжения затвор-исток и приращению тока затвора. Внутреннее сопротивление транзистора – это отношение приращения напряжения сток-исток к приращению тока стока при заданном напряжении затвор-исток. Крутизна стокозатворной характеристики – это отношение приращения тока стока к приращению напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток.

5.2. Полевые транзисторы с управляющим переходом

5.2.1. Конструкция полевых транзисторов с управляющим переходом

Первый полевой транзистор с управляющим переходом теоретически были рассчитан Уильямом Шокли в 1952 году. Одна из разновидностей таких транзисторов – унитрон – представляет собой полупроводниковую пластину дырочного или электронного типов проводимостей. На её торцы наносят токопроводящие плёнки, к которым подключают выводы стока и истока, а широкие грани легируют для получения противоположного типа проводимости относительно проводимости пластины и подсоединяют к этим граням вывод затвора. Другая разновидность полевых транзисторов с управляющим переходом – текнетрон – может быть образован, например, стержнем из германия, к торцам которого подсоединяют выводы истока и стока, а вокруг стержня внесением индия выполняют кольцеобразный затвор.

Упрощённая конструкция полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа проводимости изображена на рис. 5.1.

Из рисунка видно, что канал возникает между двумя p-n переходами. Конструкция компонентов с каналом n-типа не имеет отличий от конструкции полевых транзисторов с каналом p-типа, что видно на рис. 5.2.

Но в полевых транзисторах с каналом n-типа полупроводник, в котором возникает канал, обладает электронным типом проводимости, а области затвора имеют дырочную проводимость. Полевые транзисторы с каналом n-типа могут обладать лучшими частотными и температурными свойствами и образовывать шумы меньшей амплитуды, чем приборы с каналом p-типа.

5.2.2. Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом

Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом заключён в изменении площади сечения канала под воздействием поля, возникающего при подаче напряжения между затвором и истоком. Упрощённая структура полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа приведена на рис. 5.3.

Пока между затвором и истоком не подано напряжение управления, под воздействием внутреннего поля электронно-дырочных переходов они заперты, сечение канала наиболее велико, его сопротивление низко, и ток стока транзистора максимален. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока наиболее велик, называют напряжением насыщения.

Если между затвором и истоком приложить небольшое напряжение, ещё немного закрывающее p-n переходы, то зоны, к которым подсоединён затвор, будут обеднены носителями заряда, размеры этих зон объёмного заряда возрастут, частично перекрывая сечение канала, сопротивление канала возрастёт, и сила тока стока станет меньше. Обеднённые носителями заряда области почти не проводит электрический ток, причём эти области неравномерны по длине пластины полупроводника. Так, у торца пластинки, к которому подключен вывод стока, обеднённые носителями заряда области будут наиболее существенно перекрывать канал, а у противоположного торца, к которому подсоединён вывод истока, снижение площади сечения канала будет наименьшим.

Если приложить ещё большее напряжение между затвором и истоком, то области, обеднённые носителями заряда, станут столь велики, что сечение канала может быть ими полностью перекрыто. При этом сопротивление канала будет наибольшим, а ток стока будет практически отсутствовать. Напряжение затвор-исток, соответствующее такому случаю, именуют напряжением отсечки.

К важнейшим характеристикам полевых транзисторов относят стокозатворную характеристику и семейство стоковых характеристик. Стокозатворная характеристика отражает зависимость силы тока стока от приложенного к выводам затвор-исток напряжения при фиксированном напряжении сток-исток. Это показано на рис. 5.4 для полевых транзисторов с управляющим переходом и каналами p-типа и n-типа проводимостей.

Семейство стоковых характеристик представляет зависимости токов стока от напряжений сток-исток при фиксированных стабильных напряжениях затвор-исток, что изображено на рис. 5.5.

По достижении определённого значительного напряжения сток-исток развивается лавинный пробой области между затвором и стоком. При этом идёт резкое увеличение тока стока, что можно видеть на стоковой характеристике.

Функционирование полевых транзисторов с управляющим переходом возможно сугубо путём обеднения канала носителями заряда. В связи с тем, что напряжение сигнала прикладывают к закрытому переходу, входное сопротивление каскада велико и для рассмотренных выше приборов может достигать 109 Ом.

5.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором потому носит такое название, что его затвор, выполненный из тонкого металлического покрытия, нанесён на диэлектрический слой, который отделяет затвор от канала. По этой причине полевые транзисторы с изолированным затвором имеют аббревиатуру МДП (металл – диэлектрик – полупроводник). Слой диэлектрика часто образуют двуокисью кремния. Такие полевые транзисторы носят аббревиатуру МОП (металл – оксид – полупроводник). Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют большее входное сопротивление, достигающее 1015 Ом, чем полевые транзисторы с управляющим переходом.

5.3.1. Полевые транзисторы со встроенным каналом

Структура полевого транзистора со встроенным каналом n-типа проводимости дана на рис. 5.6.

Приложим от источника питания постоянное напряжение между выводами сток-исток. Пока напряжение затвор-исток отсутствует, канал обладает некоторым сопротивлением, по нему двигаются основные носители заряда, а, следовательно, протекает некоторый ток стока транзистора. Если к выводам затвор-исток транзистора с каналом n-типа подключить источник питания так, чтобы на затвор было подано напряжение положительной полярности, то неосновные носители заряда, присутствующие в подложке, будут втянуты электрическим полем в канал. Концентрация носителей заряда в канале возрастёт, его сопротивление станет меньше, а, значит, ток стока станет больше. Если подключить источник питания обратной полярностью так, чтобы на затвор было подано отрицательное напряжение относительно истока, то электроны, присутствующие в канале, под действием поля будут вытеснены в подложку. При этом концентрация носителей заряда в канале станет ниже, сопротивление канала возрастет, и ток стока станет меньше. Если запирающее напряжение затвор-исток будет столь велико, что практически все носители заряда будут оттеснены в подложку, то ток стока станет почти отсутствовать. Стокозатворные характеристики полевых транзисторов со встроенным каналом n-типа и p-типа проводимостей приведены на рис. 5.7.

Заключим, что полевые транзисторы со встроенным каналом функционируют как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала.

5.3.2. Полевые транзисторы с индуцированным каналом

Структура полевого транзистора n-типа проводимости с индуцированным каналом представлена на рис. 5.8.

Когда напряжение затвор-исток полевого транзистора, изображённого на рисунке, отсутствует, либо к затвору приложено напряжение отрицательной полярности, канал не возникает и ток стока транзистора не течёт. Когда на затор транзистора подано напряжение положительной полярности относительно истока, возникнет электрическое поле, втягивающее в область под затвором электроны, которые находились в подложке на правах неосновных носителей заряда. А дырки из канала полем будут оттеснены в подложку, обладающую p-типом проводимости. Концентрация электронов в локальном участке полупроводника под затвором между стоком и истоком возрастает относительно концентрации дырок, то есть имеет место смена типа проводимости и возникает, или как говорят, индуцируется, канал. В результате происходит движение носителей заряда по каналу, и течёт ток стока. Стокозатворные характеристики полевых транзисторов с индуцированным каналом p-типа и n-типа проводимостей даны на рис. 5.9.

Сделаем вывод, что полевые транзисторы с индуцированным каналом функционируют сугубо в режиме обогащения канала носителями заряда.

5.4. Режимы работы полевых транзисторов

5.4.1. Динамический режим работы транзистора

Динамическим режимом работы называют такой режим, в котором к транзистору, который усиливает входной сигнал, подключена нагрузка. Такой нагрузкой может служить резистор Rс, подсоединённый последовательно со стоком полевого транзистора, включённого по схеме с общим истоком, что показано на рис. 5.10.

Постоянное напряжение питания каскада Uп составляет сумму падений напряжений на выводах сток-исток транзистора и на резисторе Rс, то есть Uп = URс + Uси.р. В тоже время, согласно закону Ома, падение напряжения на нагрузочном резисторе Rс равно произведению протекающего по нему тока Iс.р на его сопротивление: URс = Iс.р • Rс. Согласно сказанному, напряжение питания каскада составляет: Uп = Uси.р + Iс.р • Rс. Последнее выражение можно переписать относительно напряжения сток-исток транзистора, и в этом случае получим линейную формулу для выходной цепи Uси.р = Uп – Iс.р • Rс, которую именуют уравнением динамического режима.

На выходных статических характеристиках транзистора для получения представления о режимах работы каскада строят динамическую характеристику, имеющую форму линии. Рассмотрим рисунок 5.11, на котором изображена такая динамическая характеристика усилительного каскада.

Чтобы провести эту линию, которую ещё называют нагрузочной прямой, необходимо знать две координаты точек, соответствующих напряжению питания каскада и току стока в режиме насыщения. Эта нагрузочная прямая пересекает семейство выходных статических характеристик, а точка пересечения, которую называют рабочей, соответствует определённому напряжению затвор-исток. Зная положение рабочей точки, можно вычислить некоторые ранее не известные токи и напряжения в конкретном устройстве.

5.4.2. Ключевой режим работы транзистора

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю. На практике, естественно, когда транзистор открыт, присутствует некоторое небольшое сопротивление сток-исток. Когда транзистор закрыт, по выводам сток-исток протекает ток небольшой величины. Таким образом, мощность потерь в транзисторе в статическом режиме мала. Однако в динамическом режиме, когда транзистор открывается или закрывается, его рабочая точка форсирует линейную область, в которой ток через транзистор может условно составлять половину максимального тока стока, а напряжение сток-исток может достигать половины от максимальной величины. Таким образом, в динамическом режиме в транзисторе выделяется огромная мощность потерь, которая свела бы на нет все замечательные качества ключевого режима, но к счастью длительность нахождения транзистора в динамическом режиме много меньше длительности пребывания в статическом режиме. В результате этого КПД реального транзисторного каскада, работающего в ключевом режиме, может быть очень высок и составлять до 93% – 98%.

Работающие в ключевом режиме транзисторы широко применяют в силовых преобразовательных установках, импульсных источниках электропитания, в выходных каскадах некоторых передатчиков и пр.

Москатов Е. А. Книга «Электронная техника. Начало»

Классификация и условные обозначения полевых транзисторов

Классифицировать полевые транзисторы можно по трем параметрам:

— по полярности носителей заряда в канале: n – или p – канальные;

— по типу изоляции затвора: транзисторы с управляющим p – n переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором;

— по типу легирования канала: транзисторы обогащенного или обедненного типа.

Управление током полевого транзистора выполняется с помощью электрического поля, созданного управляющим сигналом. В полупроводнике имеется область, в которой перемещаются носители заряда и проводимостью которой управляет внешнее электрическое поле. Эта область называется проводящим каналом, или просто каналом, и может быть полупроводником p – или n – типа, электрод, через который в канал поступают носители заряда, называется истоком (обозначается И). Электрод, через который выходят из полупроводника носители заряда, называется стоком (С). Электрод, на который подается управляющий сигнал, называется затвором (З).

Затвор изолирован от проводящего канала либо p – n переходом, на который подано обратное смещение (диодная изоляция), либо слоем диэлектрика (оксид кремния). В первом случае имеем полевой транзистор с управляющим p — n переходом, во втором – транзистор с изолированным затвором – МДП – или МОП – транзистор. Аббревиатура МДП – металл – диэлектрик – полупроводник (МОП – металл – оксид — полупроводник) отражает структуру транзистора в области затвора. Металл – это металлизированный электрод затвора.

Из восьми возможных комбинаций, допускаемых, выше перечисленными тремя классификационными параметрами в настоящее время реализованы пять. Их можно представить в виде следующей диаграммы (рис.2):

В электрических схемах полевые транзисторы имеют свое графическое изображение, представленное на рис. 3

а) р – канальный полевой транзистор с управляющим p – n gперходом; б) то же с n – каналом; в) МОП – транзистор с встроенным р – каналом ; г) то же с n – каналом; д) МОП – транзистор с индуцированным р — каналом; е) тоже с n – каналом.

Узнать еще:

Полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом

Добавлено 21 июля 2018 в 10:06

Сохранить или поделиться

Полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET) – это однополярные устройства, как и обычные полевые транзисторы (JFET): то есть управляемый ток не должен проходить через PN переход. В транзисторе имеется PN переход, но его единственное назначение – обеспечить непроводящую обедненную область, которая используется для ограничения тока через канал.

Ниже показана структура N-канального полевого транзистора с изолированным затвором со «встроенным» каналом:

Обратите внимание на то, что вывод стока соединяется с любым концом N-канала, и что вывод затвора прикреплен к металлической пластине, отделенной от канала тонким изолирующим барьером. Этот барьер иногда выполняется из двуокиси кремния (основного химического соединения, находимого в песке), которая является очень хорошим изолятором. Из-за конструкции Метал (затвор) – Оксид (барьер) – Полупроводник (канал) полевые транзисторы с изолированным затвором иногда называют МОП транзисторами или MOSFET транзисторами (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Однако существуют и другие типы конструкции полевых транзисторов с изолированным затвором, поэтому аббревиатуры «IGFET» и «МДП» являются лучшим описанием для этого общего класса транзисторов.

Также обратите внимание на то, что у полевого транзистора с изолированным затвором имеется четыре вывода. На практике вывод подложки непосредственно соединен с истоком, чтобы сделать эти два вывода общими. Обычно это соединение выполняется внутри МДП транзистора, устраняя отдельное соединение подложки, в результате чего получается трехвыводное устройство с немного отличающимся условным обозначением.

Поскольку исток и подложка объединены, слои N и P МДП транзистора в конечном итоге напрямую связаны друг с другом через внешний провод. Это соединение предотвращает воздействие любого напряжения на PN переход. В результате между этими двумя материалами существует обедненная область, но она никогда не может быть расширена или сужена. Работа полевого транзистора основана на расширении обедненной области PN перехода, но здесь, в МДП транзисторе, этого быть не может, поэтому работа МДП транзистора должна основываться на другом эффекте.

Действительно, поскольку, когда управляющее напряжение подается между затвором и источником, проводимость канала изменяется в результате того, что обедненная область движется ближе или дальше от затвора. Другими словами, эффективная ширина канала изменяется так же, как и в полевом транзисторе, но это изменение ширины канала связано со смещением обедненной области, а не с ее расширением.

В N-канальном полевом транзисторе с изолированным затвором управляющее напряжение, прикладываемое плюсом к затвору и минусом к истоку, имеет эффект отталкивания обедненной области PN перехода, расширяющего канал N-типа и увеличивающего проводимость:

Изменение полярности управляющего напряжения имеет противоположный эффект, притягивание обедненной области и сужение канала и, следовательно, уменьшение проводимости канала:

Изолированный затвор допускает использование управляющего напряжения любой полярности без опасности прямого смещения перехода, что было важно для обычных полевых транзисторов. Этот тип полевого транзистора с изолированным затвором, хотя его называют в англоязычной литературе «depletion-type» (тип с обеднением), фактически имеет возможность либо обеднения своего канала (канал сужается), либо его насыщения (канал расширяется). Полярность входного напряжения определяет, какое влияние будет оказываться на канал.

Понять то, какая полярность имеет какой эффект, не так сложно, как может показаться. Ключом является рассмотрение типа полупроводникового легирования, используемого в канале (N-канал или P-канал?), а затем связывание этого типа легирования с выводом источника входного напряжения, подключенного к каналу через вывод истока. Если МДП транзистор является N-канальным, и входное напряжение подключено так, что плюс находится на затворе, а минус – на истоке, канал будет увеличен, поскольку дополнительные электроны накапливаются на канальной стороне диэлектрического барьера. Подумайте, «минус источника соответствует N-типу, тем самым насыщая канал соответствующим типом носителей заряда (электронами) и делая его более проводящим». И наоборот, если входное напряжение подключено к N-канальному МДП транзистору другим способом (минус подключен к затвору, а плюс – к истоку), свободные электроны будут «отняты» от канала, так как конденсатор затвор-канал будет заряжаться, что приводит к истощению канала в плане основных носителей заряда и к уменьшению его проводимости.

Для P-канальных полевых транзисторов с изолированным затвором полярность входного напряжения и воздействия на канал следуют тому же правилу. То есть, требуется полярность, противоположная той, при которой N-канальный МДП транзистор либо истощается, либо насыщается:

Покажем соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором:

Когда между затвором и истоком прикладывается нулевое напряжение, полевой транзистор с изолированным затвором будет проводить ток между истоком и стоком, но не такой большой, как если бы он был насыщен соответствующим напряжением затвора. Это помещает полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом (англ. «depletion-type» IGFET или просто D-type IGFET) в свою собственную категорию транзисторов. Биполярные транзисторы являются нормально выключенными устройствами: при отсутствии тока базы они блокируют любой ток через коллектор. Полевые транзисторы являются нормально включенными устройствами: при прикладывании нулевого напряжения затвор-исток они обеспечивают максимальный ток стока (на самом деле, вы можете выжать из полевого транзистора бо́льшие токи стока, прикладывая небольшое напряжение прямого смещения между затвором и истоком, но на практике так никогда не стоит делать из-за риска повреждения его хрупкого PN перехода). Однако МДП транзисторы со встроенным каналом являются нормально наполовину включенными устройствами: без напряжения затвор-исток их уровень проводимости находится где-то между отсечкой и полным насыщением. Кроме того, они допускают прикладывание напряжений затвор-исток любой полярности, причем PN переход невосприимчив к повреждению из-за изолирующего барьера и, в частности, из-за прямого соединения между истоком и подложкой, предотвращающего любую разность потенциалов на переходе.

По иронии судьбы поведение проводимости МДП транзистора со встроенным каналом поразительно похоже на поведение проводимости электронной лампы из ряда триодов/тетродов/пентодов. Эти устройства были регуляторами тока, управляемыми напряжением, которые также пропускали через себя ток при прикладывании нулевого управляющего напряжения. Управляющее напряжение одной полярности (минус на сетке, и плюс на катоде) уменьшало бы проводимость через лампу, в то время как напряжение противоположной полярности (плюс на сетке, и минус на катоде) увеличивало бы проводимость. Интересно, что одна из более поздних конструкций транзистора демонстрирует те же основные свойства, что и самое первое активное (электронное) устройство.

Несколько анализов в SPICE продемонстрируют регулирующее ток поведение МДП транзисторов со встроенным каналом. Во-первых, тест с нулевым входным напряжением (затвор закорочен на исток) и с изменением напряжения питания от 0 до 50 вольт. На графике показан ток стока:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Как и ожидалось для любого транзистора, управляемый ток остается постоянным на уровне стабилизации в широком диапазоне напряжений питания. В данном случае эта точка стабилизации составляет 10 мкА (1.000E-05). Теперь давайте посмотрим, что произойдет, когда мы приложим отрицательное напряжение к затвору (относительно истока) и будем изменять напряжение питания в том же диапазоне от 0 до 50 вольт:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Неудивительно, что ток стока теперь стабилизируется на более низком значении 2,5 мкА (по сравнению с 10 мкА при нулевом входном напряжении). Теперь давайте приложим входное напряжение другой полярности, чтобы насытить МДП транзистор:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

При насыщении транзистора с помощью небольшого управляющего напряжения ток стока теперь увеличивается до 22,5 мкА (2.250E-05). Из этих трех наборов значений напряжений и графиков тока должно быть очевидно, что отношение между током стока и напряжением затвор-исток нелинейно, как это было и с полевым транзистором. При истощающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 2,5 мкА; при 0 вольт на входе ток стока поднимается до 10 мкА; и при насыщающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 22,5 мкА. Чтобы лучше понять эту нелинейность, мы можем использовать SPICE для построения графика тока стока в зависимости от входного напряжения, изменяя напряжение от отрицательного (истощающего) значения до положительного (насыщающего) значения, поддерживая напряжение питания V1 на постоянном значении.

n-channel igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 .model mod1 nmos vto=-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i(vammeter) .end

Подобно тому, как это было с обычными полевыми транзисторами, эта присущая МДП транзисторам нелинейность может вызывать искажения в схеме усилителя, так как входной сигнал не будет воспроизводиться со 100-процентной точностью на выходе. Также обратите внимание, что напряжение затвор-исток примерно 1 вольт в направлении истощения может пережать канал, так что тока стока практически не будет. МДП транзисторы со встроенным каналом, как и обычные полевые транзисторы, имеют определенное напряжение отсечки. Этот параметр точно зависит от конкретного транзистора и может быть не таким, как в нашем моделировании.

Вычислив набор кривых характеристик МДП транзистора, мы увидим диаграмму, не похожую на диаграмму для обычного полевого транзистора:

Оригинал статьи:

Теги

Сохранить или поделиться

Полевые транзисторы

24 октября 2020 — Admin

Тема довольно сложная, поэтому, предполагается, что читатель  ориентируется в свойствах полупроводников, а также знаком с принципом работы полупроводникового диода и биполярного транзистора.

О чём нам говорит название? Транзистор — значит, каким-то образом позволяет усиливать сигнал. Точнее, с помощью слабого сигнала на входе управлять гораздо более мощным током на выходе. Ну а «полевой» говорит о принципе действия: управление происходит с помощью электрического поля.

Есть несколько типов полевых транзисторов. Мы начнём знакомство с наиболее близкого по конструкции к биполярному транзистору, а именно:

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Давайте возьмём и сделаем из биполярного транзистора полевой:

Устройство биполярного транзистора и полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Итак, здесь у нас появился канал, соединяющий исток и сток (аналоги эмиттера и коллектора). Хоть это и полу-, но всё же проводник, сопротивление у него небольшое. Значит, если к затвору (управляющему электроду) не приложен никакой потенциал, ток через полевой транзистор всё равно будет течь. Обратите внимание, здесь ток создаётся носителями одного типа, в данном примере, дырками. Поэтому полевые транзисторы иногда ещё называют униполярными. В отличие от биполярных, в которых в создании тока всегда участвуют оба типа зарядов.

Теперь посмотрим, что будет, если на затвор подать положительное (относительно истока) напряжение. Это будет запирающее напряжение, как мы видели в полупроводниковых диодах, такое напряжение оттягивает носители зарядов от зоны p-n-перехода. Это значит, что в p-канале расширяется область, обеднённая зарядами, его сопротивление растёт. Это похоже на то, как в трубу вставили заслонку, которая перекрыла часть сечения трубы и поток воды уменьшился.

Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

На рисунке обеднённая зарядами область заштрихована зелёным. Она неравномерная, расширяется к стоку потому, что кроме потенциала затвора на распределение зарядов ещё влияет потенциал исток-сток.

Если к затвору приложить достаточно большое напряжение, можно вообще вытолкнуть из канала практически все дырки. Ток через канал прекратится. Это называется режимом отсечки.

Далее мы ещё поговорим об особенностях и преимуществах полевых транзисторов, а пока обратим внимание на один ключевой момент. Ток затвора очень мал. Ведь, по сути, это диод, включенный в обратной полярности, в котором ток могут создавать случайные неосновные носители, которых очень мало.

В биполярном транзисторе управление шло током: чем больше ток через эмиттерный переход, чем больше зарядов попадает в область базы, тем больше их захватывается коллектором и создаёт коллекторный ток. В полевом же транзисторе управление идёт не током, а напряжением: чем больше потенциал, тем больше сопротивление канала.

То есть, напряжение на затворе может меняться значительно, а ток  затвора при этом меняется очень слабо. Это означает высокое входное сопротивление. Если у биполярного транзистора входное сопротивление измеряется килоомами, то в данном типе полевых транзисторов оно составляет десятки и сотни мегаом.

Разумеется, можно сделать и «зеркальный» полевой транзистор с управляющим p-n переходом: с каналом n-типа и зоной p на затворе. Принцип работы будет тот же самый, только знаки напряжений поменяются на противоположные.

Да, англоязычное обозначение этого типа транзисторов — JFET (Junction-Field-Effect-Transistor). И раз уж заговорили об английском, приведём название выводов: G-gate-затвор, D-drain-сток, S-source-исток

Ну а мы переходим к следующему классу приборов:

Полевой транзистор с изолированным затвором

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором

Основу кристалла составляет слабо легированная зона n. Она называется подложкой. В ней созданы сильнолегированные зоны p (то есть там много основных носителей заряда) и тонкий канал между ними. А затвор вообще изолирован — он отделён от канала тонким слоем диэлектрика. Структура затвора дала название этому типу транзисторов:  МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Ещё их иногда называют МОП (металл-окисел-полупроводник), поскольку в качестве диэлектрика обычно используется слой диоксида кремния. Ну а по-английски это MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

Если предыдущий тип полевых транзисторов работал только при запирающих напряжениях на затворе, то МОП-транзисторы могут работать и при положительном и при отрицательном смещении.

Если приложить к затвору «плюс», он начнёт выталкивать из канала основные носители заряда (которыми, как мы помним, в зоне p являются дырки), тем самым повышая его сопротивление. Это режим обеднения. И, наоборот, минус на затворе притянет в канал некоторое дополнительное количество положительных зарядов из подложки, сопротивление канала уменьшится. Это режим обогащения .

Вы вправе спросить: откуда же в подложке положительные заряды (дырки), если она сделана из полупроводника типа n, с электронной проводимостью? Да, положительные заряды не являются основными в подложке. Но, как уже говорилось, она легирована слабо, и поэтому неосновных зарядов там достаточное количество, чтобы обогатить канал.

Прибор, который мы сейчас рассматриваем, называется МОП-транзистором со встроенным каналом. Но, оказывается, «физический» канал можно совсем убрать. В этом случае мы получим транзистор с индуцированным каналом.

МОП-транзистор с индуцированным каналом

Как же в этом случае идёт ток? Принцип тот же: минус на затворе притянет неосновные носители, положительно заряженные дырки. Так что они образуют небольшую область с положительной проводимостью — то есть «виртуальный» канал, который соединит исток и сток. И то, что их притянуло поле, перпендикулярное направлению канала, не мешает им двигаться вдоль канала, создавая электрический ток. Это как красивая витрина притягивает случайных прохожих, но не мешает им двигаться вдоль витрины.

Отметим, что входное сопротивление МОП-транзисторов ещё на несколько порядков выше, чем транзисторов с управляющим p-n-переходом, так как затвор физически отделён слоем диэлектрика, и токи затвора ничтожны.

Обозначение на схемах

Мы кратко разобрали основные типы полевых транзисторов. Зная их устройство, уже не запутаешься в обозначениях на схемах. Несколько простых правил:

• Затвор рисуется напротив истока
• Стрелка указывает направление от зоны p к зоне n (как и в биполярных транзисторах).
• Если у нас полевой транзистор с управляющим p-n переходом, стрелка рисуется на затворе. Если же это МОП-транзистор, у него рисуется четвёртый вывод между истоком и стоком, это подложка, и уже на ней рисуется стрелка. Кстати, иногда вывод от подложки действительно выводят наружу как 4ю ногу транзистора, в этом случае на рисунке соответствующая линия будет выходить за границы корпуса.
• Иногда подложка соединяется с истоком, это тоже показывается графически.
• Изолированный затвор на рисунке изображается отделённым от истока и стока.
• Индуцированный канал рисуется пунктирной линией, а встроенный канал — сплошной.

Несколько примеров (кликните для увеличения):

Обозначение полевых транзисторов на схемах

Паразитный диод

Продолжаем обсуждать МОП-транзисторы. В силу конструкции, в них возникает одна неприятная штука, а именно — незапланированный биполярный транзистор. Посмотрим ещё раз на рисунок:

Паразитный биполярный транзистор внутри полевого

Получается, что подложка — это база, а сток и исток — это коллектор и эмиттер биполярного транзистора. Этот паразитный транзистор может вносить существенные искажения в работу прибора. Например, открываться в тот момент, когда полевой транзистор должен быть закрыт (если упрощённо, вследствие внутренних паразитных ёмкостей возникает ток в эмиттерном переходе, который открывает транзистор). Борются с этим явлением таким образом: соединяют исток и подложку, тем самым замыкая эмиттерный переход. Остаётся один коллекторный p-n-переход, то есть диод.

Диод включён в обратном направлении между истоком и стоком, поэтому он не мешает работать транзистору в стандартном режиме, когда ток течет от истока к стоку. А вот обратный ток, от стока к истоку, для этого диода будет прямой, то есть потечёт через паразитный диод. Поэтому, на схемах важно не путать исток и сток, хотя конструктивно эти области очень похожи. Наличие диода иногда отображают на схеме:

Диод в полевом транзисторе

Впрочем, сейчас инженеры научились регулировать параметры этого диода и даже вовсе от него избавляться (вернее, задействовать другие механизмы, устраняющие недостатки этого диода), но эта тема уже выходит за рамки данной статьи.

Отличие полевых транзисторов от биполярных

Подведём итог, перечислим отличия полевых транзисторов, имеющих значение для схемотехники.

• Высокое входное сопротивление. Об этом уже говорилось, и это одно из самых важных преимуществ полевых транзисторов. Это упрощает согласование каскадов. Например, полевой транзистор можно напрямую подключать к микросхеме, которая не способна выдать большие токи и поэтому «не потянет» биполярный транзистор. Или, хорошо использовать полевой транзистор на входе УВЧ: своим высоким входным сопротивлением он не снизит добротность колебательного контура, не внесёт заметных искажений в его работу. Ну и в целом: меньше ток — меньше потребляемая мощность.
• Скорость переключения у полевых транзисторов выше, чем у биполярных, так как они не расходуют время на то, чтобы накопленные в области базы заряды рассосались. Впрочем, современные технологии позволяют делать и биполярные высокочастотники.
• Полевые транзисторы менее шумные. В биполярных транзисторах «шумит» процесс инжекции зарядов, а полевых он отсутствует.
• Чувствительность к статическому напряжению. Это относится к минусам полевого транзистора. В силу конструкции затвор очень нежен, статическое электричество легко его пробивает. Поэтому, рекомендуют даже связывать выводы транзистора проволокой, которая снимается только после монтажа. А также, пользоваться заземлённым паяльником и антистатическим ковриком.
• Повышенная теплоустойчивость. У биполярного транзистора с повышением температуры ток растёт (т. к. усиливается процесс инжекции зарядов из базы), что приводит к дальнейшему нагреву транзистора. Начинается цепная реакция, которая может привести к саморазогреву и выходу транзистора из строя. У полевого транзистора всё наоборот: с ростом температуры сопротивление канала растёт, поэтому он является как бы саморегулируемым: если температура поднимается, ток падает и температура снижается обратно.
• Возможность параллельного включения для повышения мощности. Это важное следствие из предыдущей особенности, теплоустойчивости.  Если запараллелить биполярные транзисторы, из-за малейшего случайного дисбаланса один из них начнёт греться и неизбежно сгорит. А полярные саморегулирются и потому могут работать сообща.  Это часто используют в конструкции в инверторов, где необходимо управлять весьма большими токами и один транзистор не справляется.

На этом завершаем первое знакомство с полевыми транзисторами. Вопросы и примечания можно оставить ниже, в комментариях.

Поделиться в соцсетях:

3.3.3 Условные обозначения и схемы включения полевых транзисторов.

На рисунок 3.24 представлены условные обозначения полевых транзисторов с неизолированным затвором.

Рисунок 3.24 – Условное обозначение полевых транзисторов с неизолированным затвором с каналом типа-n (а) и каналом типа-p (б).

Для отображения типа проводимости канала используется стрелка на затворе. Как видно из рисунка, если стрелка смотрит в канал, то это означает, что канал имеет проводимость типа-n. Стрелка на затворе направленная от канала говорит о том, что канал имеет проводимость типа-p. Канал в обозначении полевого транзистора представлен перемычкой между истоком и стоком.

Условные обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом представлены на рисунок 3.25.

Рисунок 3.25 – Условное обозначение полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом типа-n (а) и типа-p (б).

Из рисунка видно, что затвор не имеет гальванической связи с каналом. При рассмотрении принципа действия полевого транзистора с изолированным затвором было сказано, что подложка соединена с истоком для обеспечения стекания объёмного заряда на исток. Это отображено и в условном обозначении в виде перемычки, на которой размещена стрелка. Направление стрелки говорит о типе проводимости канала — в сторону канала для проводимости типа-n и в сторону от канала для проводимости типа-p.

Условное обозначение для полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом представлены на рисунок 3.26. Как видно, отличие их от условного обозначения для полевого транзистора с встроенным каналом состоит в изображении канала пунктиром.

Рис. 3.26 – Условные обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором и индуцированным каналом типа-n (а) и типа-p (б).

Рассмотрим виды включения полевых транзисторов. Как и для биполярных транзисторов, полевые транзисторы включаются так, что один из выводов будет общим для входных и выходных выводов. В результате могут иметь место схемы включения с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Наиболее распространена схема с общим истоком. На рисунке 3.27 представлены полевые транзисторы без изолированного затвора с каналом типа-n и типа-p, включённые по схеме с общим истоком. При включении полевых транзисторов необходимо правильно указать полярность напряжений между истоком и стоком и на затворе относительно истока.

Рисунок 3.27 – Включение полевого транзистора с неизолированным затвором по схеме с общим истоком с каналом типа-n (а) и типа-p (б)

Полярность напряжения между истоком и стоком должна быть такой, чтобы основные носители канала двигались от истока к стоку. Поэтому следует обратить внимание на то, какая проводимость канала, что обозначается стрелкой.

На рисунке 3.27,а представлен полевой транзистор с каналом типа-n, где основными носителями заряда являются электроны. Чтобы электроны двигались от истока к стоку необходимо приложить отрицательный потенциал к истоку, который будет отталкивать электроны от истока, а положительный заряд к стоку, который будет притягивать электроны к стоку. На рисунке 3.27,б представлен полевой транзистор с каналом типа-p, где основными носителями зарядов являются дырки – положительные заряды. Поэтому, с учётом сказанного, к истоку должен быть приложен положительный заряд, а к стоку — отрицательный.

В полевом транзисторе с неизолированным затвором важно не ошибиться в полярности напряжения прикладываемого к затвору относительно истока. Как отмечалось выше, полярность напряжения должна быть такой, чтобы p-n переход между затвором и каналом был под обратным напряжением. Если ошибочно на затвор подать прямое напряжение, то произойдет тепловой пробой p-n перехода (он сгорит). На рисунке 3.27,а канал типа-n, тогда затвор типа-p и на затвор необходимо прикладывать отрицательный заряд, а на исток — положительный. На рисунке 3.27,б полевой транзистор с каналом типа-p, тогда затвор типа-n и к затвору прикладывается положительный потенциал.

3.3.4 Семейства статических вольтамперных характеристик полевых транзисторов.

У полевого транзистора, как и у биполярного рассматриваются входные и выходные характеристики. Кроме этих характеристик, у полевого транзистора рассматриваются ещё стоко – затворные характеристики.

Входные характеристики у полевого транзистора с неизолированным затвором представляют В.А.Х. p-n перехода при обратном напряжении (рисунок 2.3,б). Величина обратного тока незначительна. У полевых транзисторов с изолированным затвором ток затвора равен нулю и поэтому для них вообще не имеет смысла говорить о входной В.А.Х. На основании изложенного у полевых транзисторов не рассматриваются входные В.А.Х.

Выходные характеристики полевых транзисторов представляют зависимость тока стока () от напряжения на стоке () при определённом значении напряжения на затворе. На рисунке 3.28,а представлены выходные характеристики полевого транзистора с неизолированным затвором.

Рисунок 3.28 – Семейства статических выходных и стоко – затворных характеристик полевого транзистора с неизолированным затвором.

При нулевом потенциале на затворе () сечение канала максимально, его сопротивление минимально, что обеспечивает наибольшее значение тока стока при конкретных значениях стокового напряжения. Эта характеристика занимает самое верхнее положение в семействе выходных характеристик. При установке некоторого напряжения на затворе () увеличивается толщина запирающего слоя (рисунок 3.21), уменьшается сечение канала, возрастает его сопротивление, что ведёт к уменьшению тока стока при тех же значениях стокового напряжения. Эта характеристика располагается ниже предыдущей характеристики. Аналогично объясняется поведение остальных выходных характеристик.

На рисунке 3.28,б представлено семейство стоко – затворных характеристик полевого транзистора с неизолированным затвором. Эти характеристики показывают, как изменяется ток стока при изменении напряжения на затворе для определённого значения напряжения на стоке. Они строятся с помощью семейства выходных статических характеристик, на которых выбирается определённое значение напряжения на стоке () и проводится вертикальная линия до пересечения со всеми характеристиками. В точках пересечения берётся значение тока стока () и значение напряжения затвора (), при котором снималась эта характеристика. Найденные значения откладываются на координатных осях стоко – затворной характеристики. С увеличением напряжения стока увеличивается ток стока, что вызывает более высокое расположение стоко – затворных характеристик.

При определённом значении напряжения на затворе запирающий слой затвор – канал полностью перекрывает канал и прекращается протекание тока стока. Это напряжение называется напряжением отсечки ().

Выходные и стоко – затворные характеристики для полевых транзисторов с изолированным затвором с встроенным и индуцированным каналом имеют одинаковый вид и представлены на рисунке 3.29. Особенностью этих транзисторов является то, что к затвору может прикладываться напряжение различной полярности.

Рисунок 3.29 – Семейства статических выходных (а) и стоко – затворных (б) характеристик полевого транзистора с изолированным затвором с встроенным и индуцированным каналами.

Рассмотрим выходные характеристики (рисунок 3.29,а). При нулевом напряжении на затворе () ток стока определяется омическим сопротивлением канала и величиной напряжения между истоком и стоком (). Допустим, что канал типа-n. Тогда при отрицательном потенциале на затворе происходит обеднение канала, и ток стока будет иметь меньшее значение при тех же напряжениях на стоке, и характеристики идут ниже характеристики с нулевым напряжением на затворе. При положительном потенциале на затворе () происходит обогащение канала, и ток стока имеет большее значение при тех же значениях напряжения на стоке, и характеристики идут выше характеристики с нулевым напряжением на затворе.

Семейство стока – затворных характеристик строится аналогично рассмотренному выше, т.е. с помощью семейства выходных характеристик. Из-за возможности прикладывать к затвору и положительный потенциал, стоко – затворные характеристики теперь продолжаются и в первый квадрант.

При определённом уровне отрицательного потенциала на затворе полностью останавливается движение электронов в канале, и ток стока прекращается. Это напряжение на затворе называется напряжением отсечки ().

Полевые транзисторы (Униполярные)- принцип работы и устройство, обозначение на схеме

Полевые транзисторы это отдельный тип полупроводников, которые оснащены одновременно тремя электродами. Их называют истоком, затвором и стоком. В оснащенном стоком/истоком пространстве, находится особый канал токопровождения. В нем и протекает электрический ток. Он изготовлен из материалов, обладающих полупроводниковыми свойствами с переходом либо p либо n.

Управление осуществляется изменением величины проводимости канала, которая находится в прямой зависимости от напряжения заряда, проходящего между затвором и истоком. В биполярных транзисторах ток течет к коллектору от эмиттера, проходя через переходы p-n. В статье рассмотрены все вопросы строения, особенности, сферы использования полевых транзисторов. В качестве дополнения, статья содержит в себе несколько видеоматериалов и одну подробную научную статью.

Различные модели полевых резисторов

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор, MOSFET) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП-транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП – транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Полевые транзисторы  – это однополярные устройства, как и обычные полевые транзисторы. То есть управляемый ток не должен проходить через PN переход. В транзисторе имеется PN переход, но его единственное назначение – обеспечить непроводящую обедненную область, которая используется для ограничения тока через канал.

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

Полевые транзисторы разных размеров

Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 4, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

Основные характеристики полевых транзисторов.

Основные параметры полевых транзисторов:

1. Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
2. Максимально допустимая рабочая частота;
3. Напряжение сток-исток;
4. Напряжение затвор-сток;
5. Напряжение затвор-исток;
6. Максимально допустимый ток стока;
7. Ток утечки затвора;
8. Крутизна характеристики;
9. Начальный ток стока;
10. Емкость затвор-исток;
11. Входная ёмкость;
12. Выходная ёмкость;
13. Проходная ёмкость;
14. Выходная мощность;
15. Коэффициент шума;
16. Коэффициент усиления по мощности.

Полевые транзисторы разных размеров

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом

В полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом управление током транзистора достигается путем изменения сечения канала за счет изменения области, занимаемой этим переходом. Управляющий р-n-переход образуется между каналом и затвором, которые выполняются из полупроводников противоположных типов проводимости. Так, если канал образован полупроводником η-типа, то затвор – полупроводником p-типа. Напряжение между затвором и истоком всегда подается обратной полярности, т.е. запирающей р-n-персход. Напомним, что при подаче напряжения обратной полярности область, занимаемая р-n-переходом, расширяется. При этом расширяется и область, обедненная носителями заряда, а значит, сужается область канала, через которую может течь ток. Причем, чем больше значение запирающего напряжения, тем шире область, занимаемая р-n-переходом, и тем меньше сечение и проводимость канала.

Материал в тему: устройство подстроечного резистора.

Так же, как и для биполярных транзисторов, для описания работы полевых транзисторов используют выходные характеристики. Выходная характеристика нолевого транзистора – это зависимость тока стока Iс от напряжения между стоком и истоком при фиксированном напряжении между затвором и истоком. В отличие от биполярного, работа нолевого транзистора может также описываться непосредственной зависимостью выходного параметра – тока стока от входного – управляющего напряжения между затвором и истоком. В зависимости от температуры, эти характеристики несколько изменяются. Напряжение UЗИ, при котором канал полностью перекрывается (IС = 0), называется напряжением отсечки Uотc. Управляющее действие затвора характеризуют крутизной, которая может быть определена по выходным характеристикам (см. рис. 1.15, г):

S = ΔIс/ΔUЗИ, при UСИ = const.

Так как управляющий p-n-переход всегда заперт, у полевых транзисторов практически отсутствует входной ток. Благодаря этому они имеют очень высокое входное сопротивление и практически не потребляют мощности от источника управляющего сигнала. Это свойство относится не только к транзисторам с управляющим р-n-переходом, но и ко всем полевым транзисторам, что выгодно отличает их от биполярных.

Распространённые типы полевых транзисторов

В настоящее время в радиоаппаратуре применяются ПТ двух основных типов – с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Опишем подробнее каждую модификацию.

Управляющий p-n-переход

Эти полевые транзисторы представляют собой удлинённый полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими выводами играют роль стока и истока. Функцию затвора исполняет небольшая область с обратной проводимостью, внедрённая в центральную часть кристалла. Так же, как сток и исток, затвор комплектуется металлическим выводом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Изолированный затвор

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанных выше ПТ с управляющим p-n-переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на некотором удалении друг от друга внедрены две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.

Из-за того, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов – металл, диэлектрик и полупроводник, – данные радиокомпоненты часто именуют МДП-транзисторами. В элементах, которые формируются в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, в связи с чем буква «Д» в аббревиатуре заменяется на «О», и такие компоненты получают название МОП-транзисторов.

Полевой транзистор на схеме.

Существует два вида этих полевых транзисторов – с индуцированным и встроенным каналом. В первых физический канал отсутствует и возникает только в результате воздействия электрического поля от затвора на подложку. Во-вторых канал между истоком и стоком физически внедрён в подложку, и напряжение на затворе требуется не для формирования канала, а лишь для управления его характеристиками. Схемотехническое преимущество ПТ с изолированным затвором перед транзисторами с управляющим p-n-переходом заключается в более высоком входном сопротивлении.

Это расширяет возможности применения данных элементов. К примеру, они используются в высокоточных устройствах и прочей аппаратуре, критичной к электрическим режимам. В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодеталями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать паяльную станцию с заземлением, а, кроме того, заземляться должен и человек, выполняющий пайку. Даже маломощное статическое электричество способно повредить полевой транзистор.

Классификация транзисторов.

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп-переходом в схеме с общим истоком показано на рис. 26.4. Они ана­логичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти ха­рактеристики показывают зависимость выходного тока I_D от выходного напряжения V_DS(напряжения между стоком и истоком) для заданных Значений напряжения на затворе V_GS(напряжения между затвором и истоком).

Диапазон изменения смещающего напряжения затвор-исток доволь­но велик (несколько вольт) в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно. Видно, что при увеличении (по абсолютной величине) напряжения на затворе ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся обедненный слой перехода затвор-канал не пере­кроет весь канал, останавливая протекание тока. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в состоянии отсечки.

Схема полевого транзистора.

рассмотрим выходную характеристику для V_GS= 0. При уве­личении напряжения V_DS(от нулевого значения) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигает точки Р, после которой величина тока практически не изменяется. Напряжение в точке Р называется напря­жением отсечки. При этом напряжении обедненный слой, связанный с обратносмещенным переходом затвор-канал, почти полностью перекры­вает канал. Однако протекание тока I_Dв этой точке не прекращается, поскольку благодаря этому току как раз и создается обедненный слой. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои точки отсеч­ки: P₁, P₂ и т. д. Если соединить эти точки друг с другом линией, то правее ее лежит область отсечки, являющаяся рабочей областью полевого транзистора.

Полевой транзистор.

Схема типичного усилителя ЗЧ на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме через резистор утечки R₁ отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор R₃ обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затво­ра. Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. R₂ – нагрузочный резистор, который может иметь очень большое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязыва­ющий конденсатор С₂ в цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R₃. Следует отметить, что раз­делительный конденсатор С₁ может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) благодаря высокому входному сопротивлению полевого транзистора.

При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызы­вая, в свою очередь, изменение выходного напряжения на стоке транзи­стора. Во время положительного полупериода входного сигнала напря­жение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор-исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток I_Dполевого транзистора. Увеличение I_D приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И на­оборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует по­ложительный полупериод выходного сигнала. Таким образом, входной и выходной сигналы усилителя с общим истоком находятся в противофазе.

Расчет статического режима

Одно из преимуществ полевого транзистора – очень малый ток утечки затвора, величина которого не превышает нескольких пикоампер (10^-12 A). Поэтому в схеме усилителя па рис. 26.5 затвор находится практически при нулевом потенциале. Ток полевого транзистора протекает от стока к истоку и обычно отождествляется с током стока I_D (который, очевидно, равен току истока I_S).

Рассмотрим схему на рис. 26.5. Полагая I_D = 0,2 мА, вычисляем потенциал истока:

V_S = 0,2 мА · 5 кОм = 1 В. Это величина напряжения обратного смещения управляющего    pn-перехода.

Падение напряжения на резисторе R₂ = 0,2 мА · 30 кОм = 6 В.

Потенциал стока V_D = 15 – 6 = 9 В.

Линию нагрузки можно начертить точно так же, как для биполярного транзистора. Если I_D = 0, то V_DS= V_DD = 15 В. Это точка Х на линии нагрузки. Если V_DS= 0, то почти все напряжение V_DDисточника питания па­дает на резисторе R₂. Следовательно, I_D = V_DD / R₂= 15 В / 30 кОм = 0,5 мА. Это точка Y на линии нагрузки. Рабочая точка Q выбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области отсечки. Выбранная рабочая точка Q точка покоя определяется величинами: I_D = 0,2 мА, V_GS= – 1 В, V_DS= 9 В.

Полевой транзистор.

В полевом транзисторе этого типа роль затвора играет металлический электрод, электрически изолированный от полупроводника тонкой пленкой диэлектрика, в данном случае оксида. Отсюда и название транзистора «МОП» – сокращение от «металл-оксид-полупроводник». Канал п-типа в МОП-транзисторе формируется за счет притяже­ния электронов из подложки р-типа диэлектрическим слоем затвора (рис. 26.7). Ширину канала можно изменять, подавая на затвор электрический потенциал. Подача положительного (относительно подложки)

Заключение

Более подробную информацию об устройстве полевых транзисторов можно узнать в статье Лекция о полевых транзисторах. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.bourabai.ru

www.studme.org

www.radiolubitel.net

www.radioprog.ru

www.eandc.ru

ПолупроводникиЧто такое NTC термисторы

ПолупроводникиЧто такое SMD светодиоды

Глава 23. Полевые транзисторы . Введение в электронику

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Описать разницу между транзисторами, полевыми транзисторами с р-n-переходом и полевыми транзисторами с изолированным затвором (МОП-транзисторами).

• Нарисовать схематические обозначения полевых транзисторов с р-n-переходом и каналом n— и p-типа проводимости, а также полевые транзисторы с изолированным затвором обедненного и обогащенного типа.

• Описать, как работают полевые транзисторы с р-n-переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором обедненного и обогащенного типа.

• Перечислить составные части полевых транзисторов с р-n-переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором.

• Описать меры предосторожности, которые необходимо соблюдать при работе с полевыми транзисторами с изолированным затвором.

• Описать процедуру проверки полевых транзисторов с р-n-переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором с помощью омметра.

История полевых транзисторов начинается с 1925 года, когда Юлиус Лилленфелд изобрел полевой транзистор (р-n-переходом и полевой транзистор с изолированным затвором. Оба этих устройства доминируют в настоящее время в электронной технологии. Эта глава является введением в теорию полевых транзисторов с р-n-переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором.

23-1. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С р-n-ПЕРЕХОДОМ

Полевой транзистор с р-n-переходом — это униполярный транзистор, в котором работают только основные носители.

Полевой транзистор с р-n-переходом — это устройство, управляемое напряжением. Полевые транзисторы с р-n-переходом состоят из полупроводниковых материалов n— и p-типа и способны усиливать электронные сигналы, а конструкция отличается от конструкции биполярных транзисторов, и их работа основана на других принципах. Знание конструкции полевых транзисторов с р-n-переходом помогает понять, как они работают.

Конструкция полевых транзисторов с р-n-переходом начинается с подложки, или базы, слабо легированного полупроводникового материала. Подложка может быть из материала n— или p-типа. р-n-переход в подложке изготовляется как методом диффузии, так и методом выращивания (см. главу 20). Форма р-n-перехода играет важную роль. На рис. 23-1 показано сечение встроенной области в подложке. U-образная область называется каналом, она утоплена по отношению к верхней поверхности подложки.

Рис. 23-1. Сечение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Когда канал сделан из материала n-типа в подложке из материала p-типа образуется полевой транзистор с каналом n-типа. Когда канал сделан из материала p-типа в подложке из материала n-типа образуется полевой транзистор с каналом р-типа.

Полевой транзистор с р-n-переходом имеет три вывода (рис. 23-2). Один вывод соединен с подложкой и образует затвор (3). Выводы, соединенные с концами канала образуют исток (И) и сток (С). Неважно какой из выводов соединен со стоком, а какой с истоком, так как канал симметричен.

Рис. 23-2. Подсоединение выводов полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Работа полевых транзисторов с р-n-переходом требует двух внешних источников смещения. Один из источников (Е_СИ) подсоединяется между стоком и истоком, заставляя ток течь через канал. Другой источник (Е_ЗИ) подсоединяется между затвором и истоком. Он управляет величиной тока, протекающего через канал. На рис. 23-3 показан правильно смещенный полевой транзистор с каналом n-типа.

Источник тока Е_СИ подсоединяется таким образом, чтобы на истоке был отрицательный потенциал по отношению к стоку. Это обусловливает ток через канал, так как основными носителями в материале n-типа являются электроны. Ток, текущий от истока к стоку, называется током стока полевого транзистора (I_C). Канал служит сопротивлением для приложенного напряжения (Е_СИ).

Напряжение затвор-исток (Е_ЗИ) подается таким образом, чтобы затвор имел отрицательный потенциал по отношению к истоку. Это обусловливает формирование обратно смещенного р-n-перехода между затвором и каналом и создает обедненный слой в окрестности р-n-перехода, который распространяется вдоль всей длины канала. Обедненный слой шире у стока, так как напряжение Е_СИ складывается с напряжением Е_ЗИ, создавая более высокое напряжение обратного смещения, чем у истока.

Рис. 23-3. Правильно смещенный полевой транзистор с р-n-переходом и каналом n-типа.

Размером обедненного слоя управляет напряжение Е_ЗИ. При увеличении Е_ЗИ толщина обедненного слоя увеличивается. При уменьшении толщина обедненного слоя уменьшается. При увеличении толщины обедненного слоя резко уменьшается толщина канала, и, следовательно, уменьшается величина тока, проходящего через него. Таким образом, Е_ЗИ можно использовать для управления током стока (I_C), который протекает через канал. Увеличение Е_ЗИ уменьшает I_C.

При обычной работе входное напряжение прикладывается между затвором и истоком. Результирующим выходным током является ток стока (I_C). В полевом транзисторе с р-n-переходом входное напряжение используется для управления выходным током. В обычном транзисторе входной ток, а не напряжение используется для управления выходным током.

Поскольку переход затвор-исток смещен в обратном направлении, полевой транзистор с р-n-переходом имеет очень высокое входное сопротивление. Если переход затвор-исток сместить в прямом направлении, через канал потечет большой ток, что послужит причиной падения входного сопротивления и уменьшения усиления транзистора. Величина напряжения, требуемого для уменьшения I_С до нуля, называется напряжением отсечки затвор-исток (Е_ЗИотс). Это значение указывается производителем транзистора.

Напряжение сток-исток (Е_СИ) управляет размером обедненного слоя в полевых транзисторах с р-n-переходом. При увеличении Е_СИ, увеличивается также I_С. При некотором значении Е_СИ величина I_С перестает расти, достигая насыщения при дальнейшем увеличении Е_СИ. Причиной этого является увеличившийся размер обедненного слоя, и значительное уменьшение в канале неосновных носителей. С увеличением Е_СИ увеличивается, с другой стороны, сопротивление канала, что также приводит к меньшей скорости увеличения I_С. Однако рост тока I_С ограничивается вследствие расширения обедненного слоя и уменьшения ширины канала. Когда это имеет место, говорят, что I_С достиг насыщения. Значение Е_СИ, при котором I_С достигает насыщения, называется напряжением насыщения (Е_Н). Величина Е_Н обычно указывается производителем при значении Е_ЗИ, равном нулю. При Е_ЗИ, равном нулю, величина Е_Н близка к Е_ЗИотс. Когда Е_Н равно Е_ЗИ, ток стока является насыщенным.

Полевые транзисторы с p-каналом и с n-каналом имеют одинаковые характеристики. Основное различие между ними — в направлении тока стока (I_С) через канал. В полевом транзисторе с p-каналом полярность напряжений смещения (Е_ЗИ, Е_СИ) противоположна полярностям этих напряжений для транзистора с каналом n-типа.

Схематические обозначения для полевых транзисторов с p-каналом и с n-каналом показаны на рис. 23-4. Полярности напряжений смещения для полевого транзистора с n-каналом показаны на рис. 23-5, а для транзистора с р-каналом — на рис. 23-6.

Рис. 23-4. Схематические обозначения полевых транзисторов с р-n-переходом.

Рис. 23-5. Полярности источников тока, необходимые для смещения полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Рис. 23-6. Полярности источников тока, необходимые для смещения полевого транзистора с р-n-переходом и каналом р-типа.

23-1. Вопросы

1. Опишите, чем конструкция полевого транзистора с р-n-переходом отличается от конструкции биполярного транзистора.

2. Назовите три вывода полевого транзистора с р-n-переходом.

3. Как прекратить ток через полевой транзистор с р-n-переходом?

4. Дайте определения следующих терминов для полевого транзистора с р-n-переходом:

а. Обедненный слой.

б. Напряжение насыщения.

в. Исток.

г. Сток.

5. Нарисуйте схематические обозначения полевых транзисторов с р-n-переходом с p-каналом и с n-каналом и обозначьте их выводы.

23-2. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ ОБЕДНЕННОГО ТИПА

В полевых транзисторах с изолированным затвором не используют р-n-переход. Вместо него применяется металлический затвор, электрически изолированный от полупроводникового канала тонким слоем окисла. Это устройство известно как полевой транзистор на основе структуры металл-окисел-полупроводник (МОП транзистор).

Существует два типа таких транзисторов: устройства n-типа с n-каналами и устройства p-типа с p-каналами. Устройства n-типа с n-каналами называются устройствами обедненного типа, так как они проводят ток при нулевом напряжении на затворе. В устройствах обедненного типа электроны являются носителями тока до тех пор, пока их количество не уменьшится благодаря приложенному к затвору смещению, так как при подаче на затвор отрицательного смещения, ток стока уменьшается. Устройства p-типа с p-каналами называются устройствами обогащенного типа. В устройствах обогащенного типа поток электронов обычно отсутствует до тех пор, пока на затвор не подано напряжение смещения. Хотя полевые транзисторы обедненного типа с p-каналом и транзисторы обогащенного типа с n-каналом и существуют, они обычно не используются.

На рис. 23-7 изображено сечение полевого транзистора обедненного типа с n-каналом. Он образован имплантацией n-канала в подложку p-типа.

Рис. 23-7. МОП транзистор обедненного типа с n-каналом.

После этого на канал наносится тонкий изолирующий слой двуокиси кремния, оставляющий края канала свободными для подсоединения выводов, стока и истока. После этого на изолирующий слой наносится тонкий металлический слой. Этот металлический слой служит затвором. Дополнительный вывод подсоединяется к подложке. Металлический затвор изолирован от полупроводникового канала, так что затвор и канал не образуют р-n-переход. Металлический затвор используется для управления проводимостью канала так же, как и в полевом транзисторе с р-n-переходом.

На рис. 23-8 изображен полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Рис. 23-8. МОП транзистор обедненного типа с n-каналом и приложенным смещением.

Сток всегда имеет положительный потенциал по отношению к истоку, как и в полевом транзисторе с р-n-переходом. В канале n-типа основными носителями являются электроны, обеспечивающие ток стока (I_C), протекающий от истока к стоку. Величиной тока стока управляет напряжение смещения (Е_ЗИ), приложенное между затвором и истоком, как и в полевом транзисторе с р-n-переходом. Когда напряжение на истоке равно нулю, через устройство течет заметный ток стока, так как в канале имеется большое количество основных носителей (электронов). Когда на затворе отрицательный потенциал по отношению к истоку, ток стока уменьшается вследствие обеднения основных носителей. Если отрицательный потенциал достаточно велик, то ток стока падает до нуля.

Основное различие между полевыми транзисторами с р-n-переходом и полевыми транзисторами с изолированным затвором состоит в том, что на затворе полевого транзистора с изолированным затвором может также быть и положительный потенциал по отношению к истоку. В полевом транзисторе с р-n-переходом нельзя подать такой потенциал на исток, так как в этом случае р-n-переход затвор-канал будет смещен в прямом направлении.

Когда напряжение на затворе полевого МОП-транзистора обедненного типа положительно, изолирующий слой из двуокиси кремния предотвращает какой-либо ток через затвор. Входное сопротивление остается высоким, и в канале появляется больше носителей (электронов), что увеличивает его проводимость. Положительное напряжение на затворе может быть использовано для увеличения тока стока МОП транзистора, а отрицательное напряжение на затворе может быть использовано для уменьшения тока стока. Поскольку отрицательное напряжение подается на затвор для обеднения n-канала МОП транзистора, он называется устройством обедненного режима. Когда напряжение на затворе равно нулю, через МОП транзистор течет большой ток стока. Все устройства обедненного типа обычно открываются при напряжении на затворе, равном нулю.

Схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с n-каналом показано на рис. 23-9.

Рис. 23-9. Схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с n-каналом.

Заметим, что вывод затвора отделен от выводов стока и истока. Стрелка, направленная к подложке, указывает, что этот транзистор имеет канал n-типа. В некоторых МОП транзисторах подложка соединена внутри транзистора с истоком, и они не имеют отдельного вывода подложки.

МОП транзистор обедненного типа с n-каналом и правильно поданным напряжением смещения изображен на рис. 23–10.

Рис. 23–10. Правильно смещенный МОП транзистор обедненного типа с n-каналом.

Заметим, что он смещен точно так же, как и полевой транзистор с р-n-переходом и каналом n-типа. Напряжение сток-исток (Е_СИ) должно всегда прикладываться таким образом, чтобы сток имел положительный потенциал по отношению к истоку. Напряжение затвор-исток (Е_ЗИ) должно иметь обратную полярность. Подложка обычно соединяется с истоком либо внутри транзистора, либо снаружи. В специальных случаях подложка может быть соединена с затвором или с другой точкой цепи.

МОП транзистор обедненного типа может быть изготовлен с каналом p-типа. Транзисторы с p-каналом работают точно так же, как и транзисторы с n-каналом. Разница только в том, что основными носителями являются дырки. Вывод стока имеет отрицательный потенциал по отношению к истоку, и ток стока течет в противоположном направлении.

Потенциал затвора может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к истоку.

На рис. 23–11 показано схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с p-каналом. Отличие от обозначения МОП транзистора с n-каналом состоит в том, что стрелка направлена от подложки.

Рис. 23–11. Схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с р-каналом.

МОП транзисторы обедненного типа как с n-каналом, так и с p-каналом являются симметричными. Выводы стока и истока можно поменять местами. В специальных случаях затвор может быть смещен от области стока для того, чтобы уменьшить емкость между затвором и стоком. В случае, когда затвор смещен, выводы стока и истока нельзя поменять местами.

23-2. Вопросы

1. Чем отличается конструкция МОП транзистора от конструкции полевого транзистора с р-n-переходом?

2. Опишите, как полевой МОП транзистор проводит ток.

3. В чем главное отличие работы МОП транзистора от работы полевого транзистора с р-n-переходом?

4. Нарисуйте схематические обозначения МОП транзисторов с n-каналом и с p-каналом и обозначьте их выводы.

5. Какие выводы можно поменять местами в МОП транзисторе и в полевом транзисторе с р-n-переходом?

23-3. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (МОП ТРАНЗИСТОРЫ) ОБОГАЩЕННОГО ТИПА

МОП транзисторы обедненного типа являются открытыми в нормальном состоянии. Это означает, что они имеют заметный ток стока при напряжении затвор-исток равном нулю. Это полезно во многих приложениях. Но также полезно иметь устройство, которое в нормальном состоянии закрыто; то есть устройство, проводящее ток только тогда, когда приложено напряжение Е_ЗИ соответствующей величины. На рис. 23–12 изображен МОП транзистор, работающий как устройство, закрытое в нормальном состоянии. Он подобен МОП транзистору обедненного типа, но не имеет проводящего канала. Вместо этого в подложку внедрены раздельные области стока и истока. На рисунке показана подложка n-типа и области стока и истока р-типа. Может быть также использована и обратная конфигурация. Расположение выводов такое же, как и у МОП транзистора обедненного типа.

Рис. 23–12. МОП транзистор обогащенного типа с р-каналом.

МОП транзистор с p-каналом обогащенного типа должен быть смещен таким образом, чтобы на стоке был отрицательный потенциал по отношению к истоку. Когда к транзистору приложено только напряжение сток-исток (Е_СИ), ток стока отсутствует. Это обусловлено отсутствием проводящего канала между истоком и стоком. Когда на затвор подается отрицательный потенциал по отношению к истоку, дырки направляются к затвору, где они создают канал p-типа, позволяющий протекать току от стока к истоку.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе размер канала увеличивается, что позволяет увеличиться и току стока. Увеличение напряжения на затворе позволяет увеличить ток стока.

Потенциал затвора МОП транзистора с p-каналом обогащенного типа может быть сделан положительным по отношению к истоку, и это не повлияет на работу транзистора. Ток стока в нормальном состоянии равен нулю и не может быть уменьшен подачей положительного потенциала на затвор.

Схематическое обозначение МОП транзистора с р-каналом обогащенного типа показано на рис. 23–13. Оно аналогично обозначению МОП транзистора с p-каналом обедненного типа, за исключением того, что области истока, стока и подложки разделены пунктирной линией. Это показывает, что транзистор в нормальном состоянии закрыт. Стрелка, направленная от подложки, обозначает канал р-типа.

Рис. 23–13. Схематическое обозначение МОП транзистора обогащенного типа с р-каналом.

МОП транзистор с p-каналом обогащенного типа с правильно поданным напряжением смещения показан на рис. 23–14.

Рис. 23–14. Правильно смещенный МОП транзистор обогащенного типа с р-каналом.

Заметим, что Е_СИ делает сток МОП транзистора отрицательным по отношению к истоку. Е_ЗИ также делает затвор отрицательным по отношению к истоку. При увеличении Е_ЗИ и подаче на затвор отрицательного потенциала, появляется заметный ток стока. Подложка обычно соединяется с истоком, но в отдельных случаях подложка и исток могут иметь различные потенциалы.

МОП транзисторы могут быть изготовлены с n-каналом обогащенного типа. Эти устройства работают с положительным напряжением на затворе так, что электроны притягиваются по направлению к затвору и образуют канал n-типа. В остальном они работают так же, как и устройства с каналом р-типа.

Схематическое обозначение МОП транзистора с n-каналом обогащенного типа показано на рис. 23–15. Оно аналогично обозначению устройства с р-каналом за исключением того, что стрелка направлена к подложке, обозначая канал n-типа. Правильно смещенный МОП транзистор с n-каналом обогащенного типа показан на рис. 23–16.

Рис. 23–15. Схематическое обозначение МОП транзистора обогащенного типа с n-каналом.

Рис. 23–16. Правильно смещенный МОП транзистор обогащенного типа с n-каналом.

МОП транзисторы с изолированным затвором обычно симметричны, как и полевые транзисторы с р-n-переходом. Следовательно, сток и исток можно поменять местами.

23-3. Вопросы

1. Чем МОП транзисторы обедненного и обогащенного типа отличаются друг от друга?

2. Опишите, как работает МОП транзистор с изолированным затвором обогащенного типа?

3. Нарисуйте схематические обозначения МОП транзисторов обогащенного типа с р-каналом и с n-каналом и обозначьте их выводы?

4. Почему МОП транзистор с изолированным затвором имеет четыре вывода?

5. Какие выводы МОП транзисторов обогащенного типа можно поменять местами?

23-4. МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С МОП ТРАНЗИСТОРАМИ

При работе с МОП транзисторами необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности. Важно проверить по данным производителя максимальное значение Е_ЗИ. Если Е_ЗИ будет слишком большим, то тонкий изолирующий слой разрушится, и транзистор выйдет из строя. Изолирующий слой достаточно чувствителен и может быть поврежден статическим зарядом, появляющимся на выводах транзистора. Электростатические заряды с пальцев могут перейти на выводы МОП транзистора, когда вы касаетесь его руками или при монтаже.

Для того чтобы избежать повреждения, МОП транзисторы обычно поставляются с соединенными вместе выводами. Закорачивание осуществляется следующими методами: соединение выводов проволокой, упаковка транзистора в закорачивающее кольцо, прессовка транзистора в проводящую пену, соединение нескольких транзисторов вместе, транспортировка в антистатических трубках и заворачивание транзисторов в металлическую фольгу.

Новейшие МОП транзисторы защищены с помощью стабилитронов, включенных внутри транзистора между затвором и истоком. Диоды защищают от статических разрядов и переходных процессов и избавляют от необходимости использования внешних закорачивающих устройств. В электронике переходным процессом называется временное изменение тока, вызванное резким изменением нагрузки, включением или выключением источника тока или импульсным сигналом.

С незащищенными МОП транзисторами можно без опаски работать при соблюдении следующих процедур:

1. До установки в цепь выводы транзистора должны быть соединены вместе.

2. Рука, которой вы будете брать транзистор, должна быть заземлена с помощью металлического браслета на запястье.

3. Жало паяльника следует заземлить.

4. МОП транзистор никогда не должен вставляться в цепь или удаляться из цепи при включенном питании.

23-4. Вопросы

1. По какой причине с МОП транзисторами надо обращаться очень осторожно?

2. Превышение какого напряжения может вывести МОП транзистор из строя?

3. Какие методы используются для защиты МОП транзисторов при транспортировке?

4. Какие меры предосторожности предприняты для защиты новейших МОП транзисторов?

5. Опишите процедуры, которые должны соблюдаться при работе с незащищенными МОП транзисторами.

23-5. ПРОВЕРКА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Проверка полевых транзисторов более сложна, чем проверка обычных транзисторов. Перед проверкой полевого транзистора необходимо рассмотреть следующие вопросы:

1. Является устройство полевым транзистором с р-n-переходом или полевым МОП транзистором?

2. Является полевой транзистор устройством с каналом n-типа или устройством с каналом р-типа?

3. Если это МОП транзистор, то какого он типа — обедненного или обогащенного?

Перед удалением полевого транзистора из цепи или началом работы с ним проверьте — является он полевым транзистором с р-n-переходом или полевым МОП транзистором. МОП транзистор можно легко повредить, если не соблюдать следующие меры предосторожности.

1. Закоротите все выводы МОП транзистора до тех пор, пока он не будет готов к работе.

2. Убедитесь в том, что рука, используемая для работы с МОП транзистором, заземлена.

3. Выключите питание цепи перед удалением или установкой МОП транзистора.

Как полевые транзисторы с р-n-переходом, так и МОП транзисторы могут быть легко проверены с помощью прибора для проверки транзисторов или с помощью омметра.

При использовании прибора для проверки транзисторов следуйте руководству по его эксплуатации.

Проверка полевых транзисторов с р-n-переходом при помощи омметра

1. Используйте низковольтный омметр на пределе Rх100.

2. Определите полярность выводов прибора. Белый — положительный, а черный — отрицательный.

3. Определите прямое сопротивление следующим образом:

а. Полевой транзистор с каналом n-типа: соедините положительный вывод с затвором, а отрицательный вывод с истоком или стоком. Поскольку и исток, и сток соединены с каналом, необходимо проверить только одну сторону. Прямое сопротивление должно быть низким.

б. Полевой транзистор с каналом р-типа: соедините отрицательный вывод с затвором, а положительный с истоком или стоком.

4. Определите обратное сопротивление следующим образом:

а. Полевой транзистор с каналом n-типа: соедините отрицательный вывод омметра с затвором, а положительный вывод с истоком или стоком. Полевой транзистор должен иметь бесконечное сопротивление. Низкое сопротивление указывает на короткое замыкание или наличие тока утечки.

б. Полевой транзистор с каналом р-типа: соедините положительный вывод с затвором, а отрицательный с истоком или стоком.

Проверка МОП транзисторов с помощью омметра

Прямое и обратное сопротивление можно проверить с помощью низковольтного омметра на его высшем пределе.

МОП транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление из-за наличия изолированного затвора. Прибор должен показать бесконечное сопротивление и в прямом и в обратном направлениях между затвором и истоком или стоком. Низкое значение сопротивления указывает на пробой изоляции между затвором и истоком или стоком.

23-5. Вопросы

1. На какие вопросы надо ответить перед проверкой полевых транзисторов?

2. Почему важно знать тип устройства (транзистор с р-n-переходом или МОП транзистор) перед удалением его из цепи?

3. Опишите, как проверить полевой транзистор с р-n-переходом с помощью омметра?

4. Опишите, как проверить МОН транзистор с помощью омметра?

5. Как проверить полевой транзистор с р-n-переходом или МОИ транзистор с помощью прибора для проверки транзисторов?

РЕЗЮМЕ

• Полевой транзистор с р-n-переходом использует для управления сигналом канал вместо р-n-переходов (в обычных транзисторах).

• Три вывода полевого транзистора с р-n-переходом подсоединены к затвору, истоку и стоку.

• Входной сигнал прикладывается между затвором и истоком для того, чтобы полевой транзистор с р-n-переходом мог управлять его величиной.

• Полевые транзисторы с р-n-переходом имеют очень высокое входное сопротивление.

• Схематические обозначения полевых транзисторов с р-n-переходом следующие:

• В МОП транзисторах (полевых транзисторах с изолированным затвором) затвор изолирован от канала тонким слоем окисла.

• МОП транзисторы обедненного типа обычно бывают с каналом n-типа и открыты в нормальном состоянии.

• МОП транзисторы обогащенного типа обычно бывают с каналом р-типа и закрыты в нормальном состоянии.

• Главное отличие между полевыми транзисторами с р-n-переходом и МОП транзисторами в том, что потенциал затвора в МОП транзисторах может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к истоку.

• Схематическое обозначение для МОП транзистора обедненного типа следующее:

• У большинства полевых транзисторов с р-n-переходом и МОП транзисторов выводы истока, и стока можно поменять местами, так как эти устройства являются симметричными.

• Схематическое обозначение для МОП транзистора обогащенного типа следующее:

• С МОП транзисторами следует обращаться осторожно, для избежания повреждения тонкого слоя окисла, отделяющего металлический затвор от канала.

• Электростатические заряды с пальцев могут повредить МОП транзистор.

• До использования выводы МОП транзистора должны быть соединены вместе.

• При работе с МОП транзисторами необходимо использовать металлический браслет на запястье, соединенный проволокой с землей.

• При пайке МОП транзисторов используйте заземленный паяльник и убедитесь в том, что питание цепи выключено.

• Как полевые транзисторы с р-n-переходом, так и МОП транзисторы могут быть проверены с помощью прибора для проверки транзисторов или с помощью омметра.

Глава 23. САМОПРОВЕРКА

1. Объясните, что означает напряжение отсечки полевого транзистора.

2. Как определить напряжение отсечки полевого транзистора с р-n-переходом?

3. Объясните, что такое МОП транзистор обедненного типа.

4. В каком режиме работы МОП транзистор обогащенного типа, вероятно, будет закрыт?

5. Напишите список мер предосторожности, которые должны соблюдаться при работе с МОП транзисторами.

Что такое полевой транзистор (FET) | Типы

Биполярный переходной транзистор (BJT) — это устройство, управляемое током. Входной ток устройства контролирует выходной ток. С точки зрения эффективности этот тип транзистора потребляет относительно большое количество энергии из-за большого тока, который преобразуется в тепло; таким образом, КПД невысокий. Существуют и другие типы транзисторов с более высокой энергоэффективностью. Это связано с их более высоким внутренним сопротивлением. Полевой транзистор (FET) — это еще один тип транзистора, который благодаря своим преимуществам перед переходным транзистором широко используется в промышленных и бытовых электронных приборах.

Сопротивление цепи полевого транзистора намного больше, чем у их аналогов в BJT. Следовательно, ток намного ниже, что приводит к гораздо меньшему энергопотреблению в цепи, в которой используется транзистор этой категории.

Полевой транзистор (FET): Тип транзистора, все еще сделанный из полупроводниковых материалов, основанный на другой структуре и другом механизме работы, чем у переходного транзистора. Он имеет канал или проход, вокруг которого может развиваться электрическое поле и через который проходят электроны.Поток электронов можно контролировать, регулируя полярность и напряженность поля.

Основное различие между полевым транзистором и переходным транзистором состоит в том, что полевой транзистор имеет только один переход P-N. Структура и процесс изготовления полевого транзистора отличаются от биполярного переходного транзистора.

В полевом транзисторе основной корпус может быть выполнен из материала N-типа или P-типа, в котором диффузный канал из материала противоположного типа. Если материал канала сделан из материала N, то продукт называется N-channel FET , а если канал сделан из полупроводника P-типа, FET называется P-channel FET .

Полевой транзистор — это управляемый напряжением транзистор , не похожий на BJT, который представляет собой устройство , управляемое током . Причина, по которой он называется полевым транзистором, заключается в том, что на ток через канал влияет электростатическое поле, сформированное вокруг канала. Сила этого поля может управлять потоком электрических носителей в канале.

Схема активной области полевого транзистора и его трех выводов показана на Рис. 1 .На практике транзистор очень мал, и все его элементы выполнены на корпусе, который сам является полупроводником и является частью элементов транзистора.

Рисунок 1 Схема активных частей полевого транзистора.

Названия трех элементов полевого транзистора отличаются от названий для BJT. Когда полевой транзистор проводит, электроны движутся по каналу. Одна сторона канала называется истоком (аналог эмиттера), а другая сторона называется стоком (аналог коллектора).

Канал физически окружен полупроводниковым материалом противоположного типа, который может влиять на протяженность (эффективный размер) канала, тем самым создавая меньшее или большее сопротивление потоку электронов. Это управляющее воздействие осуществляется воротами.

Размер канала (размер эффекта, а не физический размер) определяется напряжением, приложенным к затвору, а не током через затвор. Вот почему полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением.

Источник: (в полупроводниках) Один из трех выводов полевого транзистора, сравнимый с эмиттером в переходном транзисторе.

Сток: Один из трех выводов полевого транзистора (FET), аналог коллектора переходного транзистора.

Gate: Специальное соединение в некоторых полупроводниковых устройствах, которое при получении соответствующего сигнала (в виде напряжения или импульса) позволяет управлять устройством, включая его включение и выключение.

Существует много типов полевых транзисторов, и в некоторых (с симметричной геометрией канала) обозначение истока и стока определяется смещением.

В некоторых других каналах канал не имеет симметричной формы (в процессе изготовления они структурируются по-разному), и одна сторона канала обозначена как исток, а другая сторона — сток. Рисунок 2 иллюстрирует схематическое изображение структуры полевого транзистора.

По сравнению с транзистором с биполярным переходом исток, сток и затвор являются эквивалентами эмиттера, коллектора и базы соответственно. Кроме того, полевой транзистор с N-каналом является аналогом транзистора NPN, а полевой транзистор с каналом P соответствует транзистору PNP.

Физически полевые транзисторы похожи на биполярные транзисторы, и невозможно отличить один от другого простым взглядом. Обязательно обращайте внимание на именную бирку и паспорта производителя.

Помимо ряда различий между этими двумя категориями транзисторов, все, что можно сделать с помощью биполярных транзисторов, например усиление, также можно сделать с помощью полевых транзисторов.

В биполярных транзисторах есть общий эмиттер, общая база и общий коллекторный усилитель. Точно так же в полевых транзисторах у нас есть усилители с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно.

полевых транзисторов можно использовать для усиления. По аналогии с BJT, можно использовать усилители с общим истоком, общим стоком и общим затвором.

Точно так же, как NPN-транзистор в равной степени применим к PNP-транзистору, все, что применимо к N-канальному полевому транзистору, верно и для P-канального полевого транзистора. Полярность напряжения смещения и рабочего напряжения, соответственно, противоположна друг другу для N-канальных и P-канальных полевых транзисторов. Далее мы рассматриваем полевой транзистор с N-каналом .

Рисунок 2 Схематическая структура полевого транзистора.

 jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 1
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 2 0,05
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

 jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 1
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

 jfet моделирование
вин 0 1 постоянный ток 0,5
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

 jfet моделирование
вин 0 1 пост 0.25
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

 jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока 25
.model mod1 njf
.dc vin 0 2 0,1
.plot dc i (вамметр)
.конец