Полевой транзистор принцип. Полевой транзистор: принцип работы, типы и применение

В инженерной практике полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом чаще всего применяют в аналоговых трактах совместно с операционными усилителями или в силовых схемах в качестве ключей. Вкратце рассмотрим несколько примеров применения полевых транзисторов с p-n-переходом в практических схемах.

На рис. 6 показана схема фотодиодного усилителя. Полевой транзистор с p-n-переходом используется здесь в качестве повторителя: он изолирует фотодиод от транзистора, поэтому емкость фотодиода приблизительно равная 3000 пФ «отрезается» от инвертирующего входа операционного усилителя, за счет чего заметно возрастает полоса пропускания.

Коэффициент передачи шума в рассматриваемой схеме определяется выражением:

КШ = 1 + С_ВХ/С_ВЫХ. (5)

За счет уменьшения входной емкости использование полевого транзистора позволяет также снизить шум схемы. Кроме того, полевой транзистор увеличивает входное сопротивление схемы, следовательно, уменьшает коэффициент усиления входного смещения, который определяется выражением:

КУ_СМ = 1 + R_ОС/R_ВХ. (6)

Рис. 6. Схема фотодиодного усилителя

Недостаток схемы (рис. 6) заключается в том, что к фотодиоду прикладывается отрицательное напряжение, из-за чего возрастает его темновой ток, который к тому же зависит от температуры. Если пользователей интересует только переменная составляющая сигнала фотодиода, указанным недостатком можно пренебречь. Если же важна и постоянная составляющая сигнала, следует воспользоваться улучшенной схемой фотодиодного усилителя (рис. 7). В этой схеме используются два согласованных полевых транзистора в одном корпусе. Нижний транзистор является источником тока, величина тока задается сопротивлением R2 в цепи истока и выбирается таким образом, чтобы потенциал катода фотодиода был близок к нулю. Для более точной подстройки нулевого смещения можно добавить потенциометры R4 и R6.

Рис. 7. Улучшенная схема фотодиодного усилителя

Полевые транзисторы с p-n-переходом удобно использовать в качестве переменных сопротивлений, управляемых напряжением в схемах усилителя с управляемым коэффициентом усиления, или аттенюаторов. Последний вариант изображен на рис. 8. В этой схеме использован n-канальный полевой транзистор, на его затвор подается напряжение с потенциометра VR1, таким образом задается коэффициент ослабления. Возможно и иное решение, например, в качестве управляющего напряжения вместо потенциометра VR1 можно использовать пульсирующее напряжение, в этом случае мы получим простой и экономичный модулятор.

Рис. 8. Схема аттенюатора

Благодаря использованию карбида кремния (SiC) удалось получить полупроводниковые приборы с широкой запрещенной зоной, а следовательно, с повышенным нормируемым рабочим напряжением, что позволило применять их в силовых преобразователях. Сегодня производятся полевые транзисторы с нормируемым напряжением вплоть до 1700 В.

Рис. 9. Каскод c SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом

В силовых преобразователях с полевыми SiC-транзисторами с управляемым p-n-переходом последние строятся по хорошо известной еще с ламповых времен схеме каскода (рис. 9). В этой схеме к относительно дорогостоящему высоковольтному SiC-транзистору добавлен обычный низковольтный недорогой кремниевый MOSFET стоимостью «пятачок на пучок». На этом же рисунке можно видеть описание режимов работы каскода.

Рис. 10. Схема суперкаскода с SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом

Увеличения нормируемого рабочего напряжения можно достичь с помощью последовательного включения нескольких полевых SiC-транзисторов с p-n-переходом. На рис. 10 показана образованная таким методом схема суперкаскода с нормируемым напряжением 6500 В. В схеме суперкаскода последовательно соединены пять полевых SiC  транзисторов с управляемым p-n-переходом с рабочим напряжением 1700 В.

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10¹⁷ Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N⁺ находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U_зи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда U_зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I_си. Чем выше напряжение на затворе транзистора U_зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток I_си растет прямопропорционально росту напряжения U_си. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток I_си практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда U_си превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (U_зи = 0). В результате через канал пойдет ток I_си, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток I_си уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток I_си увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

• Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
• Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

• У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
• Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
• Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

• При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

  Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

• Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

  Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

FET Transistor — Типы и работа

Fet Transistor означает полевой транзистор. Полевой транзистор (FET) — это тип транзистора, который управляет потоком тока в полупроводнике с помощью электрического поля.

Полевые транзисторы представляют собой трехвыводные устройства с истоком, затвором и стоком. Приложение напряжения к затвору, которое изменяет проводимость между стоком и истоком, управляет протеканием тока в полевых транзисторах.

(Изображение скоро будет загружено)

Первый патент на полевые транзисторы был получен Джулиасом Эдгаром в 1926 году. С тех пор произошло много изменений. Другой патент был подан Оскаром Хейлом в 1934 году. Затвор, который используется в полевых транзисторах, был создан в Bell Labs Уильямом Шокли. За прошедшие годы в полевых транзисторах было сделано много других достижений.

Работа полевого транзистора

Полевой транзистор представляет собой устройство, работающее от напряжения, в котором приложенное напряжение используется для управления протекающим током. Он также известен под названием униполярный транзистор, так как он работает по типу с одной несущей. Входное сопротивление высокое во всех формах и типах полевых транзисторов. Проводимость всегда регулируется с помощью приложенного напряжения с вывода полевого транзистора. Кроме того, плотность заряда носителей влияет на проводимость.

Полевой транзистор представляет собой устройство, состоящее из трех основных компонентов: истока, стока и затвора. Исток — это один из выводов полевого транзистора, через который на планку поступает большинство носителей. Слив — это второй терминал, через который проходит большинство перевозчиков. Gate имеет два терминала, которые внутренне связаны друг с другом.

Поскольку затвор полевого транзистора смещен в обратном направлении, ток затвора практически равен нулю. Подача стока подключена к терминалу истока, ведущему к потоку электронов, который обеспечивает необходимые носители.

FET-транзистор — Типы и принципы его работы

Существует еще одно подразделение FET-транзисторов. В одном из типов ток потребляется в основном основными носителями и поэтому называется устройствами с основными носителями заряда. Существуют также устройства с неосновными носителями заряда, в которых протекание тока в основном связано с неосновными носителями.

Две клеммы, исток и затвор имеют потенциал между ними, который, в свою очередь, имеет проводимость канала как функцию от него. Три клеммы, то есть исток, сток и затвор, есть у каждого полевого транзистора. Функция терминала затвора аналогична затвору в реальной жизни, поскольку затвор может открываться и закрываться, а также может разрешать прохождение электронов или полностью их останавливать.

Полевые транзисторы подразделяются на:

1. Полевой транзистор с переходом (JFET)

2. Полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET)

1.Junction Field Effect Transistor (JFET)

Junction FET транзистор представляет собой форму полевого транзистора, который можно использовать для электрического управления переключателем. Между истоками и выводами стока электрическая энергия проходит по активному каналу.

Канал нагружен и электрический ток отключен подачей обратного напряжения смещения на вывод затвора.

Принцип работы:

Работа этих JFET основана на каналах, которые формируются между клеммами. Можно использовать либо канал n-типа, либо канал p-типа. Он называется n-канальным JFET, потому что у него есть канал n-типа, и он называется p-канальным JFET, потому что у него есть канал p-типа.

Полевые транзисторы изготавливаются так же, как транзисторы N-P-N и P-N-P изготавливаются из BJT (транзистора с биполярным переходом). Эти JFET имеют канал, который может быть n- или p-типа.

• Он классифицируется как n-канальный JFET или p-канальный JFET в зависимости от канала.

• Клемма источника подключается к положительной стороне n-канального JFET.

• В этом n-канальном полевом транзисторе вывод стока имеет наибольший потенциал по сравнению с затвором.

• Соединение, создаваемое выводами стока и затвора, имеет обратное смещение. В результате область истощения вокруг стока шире, чем у истока.

• Большинство носителей заряда, которые представляют собой электроны, текут от конечного стока к истоку.

• По мере роста потенциала на стоке увеличивается поток носителей, а вместе с ним увеличивается и ток.

• Однако при повышении напряжения на стоке и истоке до определенного уровня ток прекращается.

• JFET хорошо известен своей способностью управлять током посредством подачи входного напряжения. У этого транзистора входное сопротивление максимально.

• На клемме затвора нет текущих данных, когда полевой транзистор JFET находится в оптимальном режиме.

Так работает n-канальный JFET. Только изменение полярности источников питания заставляет полевой транзистор работать как p-канальный JFET.

2. Металлооксид-полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор)

МОП-транзисторы работают путем подачи напряжения на каналы, которые уже существуют или формируются. Полевые МОП-транзисторы делятся на два типа в зависимости от режимов работы:

• Истощение

• Расширение

В режиме расширения напряжение затвора индуцирует канал, тогда как в режиме истощения MOSFET работает за счет существующего канала.

Существует два типа моделей истощения MOSFET: n-типа и p-типа. Единственная разница заключается в нанесении субстрата. Формирование зоны обеднения обусловлено концентрацией носителей, предпочитаемой большинством. На проводимость влияет ширина истощения.

Канал формируется в расширенном режиме, когда напряжение, подаваемое на вывод затвора, превышает пороговое напряжение. Это может быть n-тип для подложки P-типа и p-тип для подложки N-типа. Режим улучшения классифицируется как улучшенный MOSFET N-типа или улучшенный MOSFET P-типа в зависимости от формирования канала. МОП-транзисторы типа расширения используются чаще, чем транзисторы типа истощения.

Разница между полевыми транзисторами и полевыми МОП-транзисторами

Основное различие между двумя основными типами полевых транзисторов — JFET и MOSFET — заключается в том, что JFET (Junction Field Effect Transistor) представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, а MOSFET (металлооксид-полупроводниковый полевой транзистор) представляет собой полупроводниковый прибор с четырьмя выводами. JFET может работать только в режиме истощения. В то время как MOSFET может работать как в режиме улучшения, так и в режиме истощения. Входное сопротивление выше у MOSFET, что делает их более резистивными. По сравнению с ценой MOSFET дороже, чем JFET.

Из-за высокого входного импеданса полевые транзисторы обычно используются в качестве входных усилителей в электронных вольтметрах, осциллографах и других измерительных устройствах. Они также занимают мало места, что делает их более эффективными для других устройств.

Заключение

В статье рассматриваются некоторые важные и ключевые характеристики полевых транзисторов. Эти фундаментальные знания можно в дальнейшем использовать для понимания других концепций, связанных с электричеством и током. Определение полевого транзистора, типы полевых транзисторов и то, как он регулирует схемы, являются ключевыми моментами этой статьи.

Полевой транзистор (FET), конструкция, условное обозначение, работа, преимущества

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, в котором проводимость тока осуществляется одним типом носителей заряда, т. е. либо отверстиями, либо

Полевой транзистор

Это полупроводниковый прибор с тремя выводами, в котором проводимость тока осуществляется одним типом носителей заряда , то есть либо дырками, либо электронами, и контролируется действием электрического поля. FET имеет высокое входное сопротивление и низкий уровень шума.

Конструкция полевого транзистора

Схематическое обозначение полевого транзистора