Принцип работы полевого транзистора. Полевые транзисторы: принцип работы, типы и применение

Что такое полевой транзистор. Как устроен полевой транзистор. Какие бывают типы полевых транзисторов. Как работает полевой транзистор. Где применяются полевые транзисторы.

Что такое полевой транзистор и как он устроен

Полевой транзистор (Field-Effect Transistor, FET) — это полупроводниковый прибор, в котором ток между двумя электродами управляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Основные элементы конструкции полевого транзистора:

• Канал — область полупроводника, через которую протекает ток
• Исток — электрод, через который в канал входят носители заряда
• Сток — электрод, через который носители заряда выходят из канала
• Затвор — управляющий электрод, создающий электрическое поле в канале

В отличие от биполярных транзисторов, в полевых транзисторах ток создается носителями только одного знака (электронами или дырками). Поэтому их также называют униполярными транзисторами.

Основные типы полевых транзисторов

Существует несколько основных типов полевых транзисторов:

1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (JFET)

В JFET затвор образует p-n переход с каналом. При подаче обратного напряжения на этот переход изменяется ширина обедненной области, что регулирует проводимость канала.

2. МДП-транзисторы (MOSFET)

В МОП-структуре затвор отделен от канала слоем диэлектрика (обычно оксида кремния). Различают:

• МДП-транзисторы с встроенным каналом
• МДП-транзисторы с индуцированным каналом

3. Полевые транзисторы с барьером Шоттки (MESFET)

В MESFET используется контакт металл-полупроводник вместо p-n перехода. Применяются в основном в СВЧ-технике.

Принцип работы полевого транзистора

Рассмотрим принцип работы полевого транзистора на примере JFET с n-каналом:

1. При отсутствии напряжения на затворе ток свободно протекает через канал от истока к стоку.
2. При подаче отрицательного напряжения на затвор обедненная область p-n перехода расширяется, сужая канал.
3. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем уже становится канал и тем меньше ток стока.
4. При достижении напряжения отсечки канал полностью перекрывается и ток прекращается.

Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, протекающим через канал транзистора.

Основные характеристики полевых транзисторов

Ключевые параметры полевых транзисторов включают:

• Крутизна характеристики — отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения затвор-исток
• Напряжение отсечки — напряжение на затворе, при котором канал полностью перекрывается
• Начальный ток стока — ток стока при нулевом напряжении на затворе
• Входное сопротивление — обычно очень высокое (порядка 10^9 — 10^14 Ом)
• Выходное сопротивление — сопротивление канала между стоком и истоком

Преимущества и недостатки полевых транзисторов

Полевые транзисторы обладают рядом преимуществ по сравнению с биполярными:

• Очень высокое входное сопротивление
• Низкий уровень шумов
• Хорошая температурная стабильность
• Простота изготовления и интеграции в микросхемы

К недостаткам можно отнести:

• Меньшую крутизну характеристики
• Большую чувствительность к статическому электричеству

Области применения полевых транзисторов

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

• Аналоговые усилители с высоким входным сопротивлением
• Аналоговые ключи и коммутаторы
• Стабилизаторы напряжения
• Генераторы, управляемые напряжением
• Цифровые логические схемы (КМОП-технология)
• Силовая электроника (MOSFET)
• СВЧ-техника (MESFET)

Как выбрать полевой транзистор для конкретного применения

При выборе полевого транзистора следует учитывать следующие факторы:

1. Тип канала (n-канал или p-канал)
2. Максимальное напряжение сток-исток
3. Максимальный ток стока
4. Напряжение отсечки
5. Крутизна характеристики
6. Входная и выходная емкость
7. Рассеиваемая мощность
8. Частотные характеристики

Правильный выбор транзистора обеспечит оптимальную работу устройства и его надежность.

Современные тенденции в развитии полевых транзисторов

Основные направления совершенствования полевых транзисторов включают:

• Уменьшение размеров для повышения быстродействия и плотности интеграции
• Применение новых материалов (GaN, SiC) для улучшения характеристик
• Разработка транзисторов с вертикальной структурой для силовой электроники
• Создание транзисторов на основе графена и других 2D-материалов

Эти инновации позволяют создавать все более эффективные и производительные электронные устройства.

Полевые транзисторы. Их характеристики, виды и принцип работы

Дата 05.10.2015 Автор ElectricianКомментироватьПросмотров: 10 995

Одним из главных недостатков биполярных транзисторов является их небольшое входное сопротивление h₁₁, благодаря чему требует значительного тока, что в последствии требует большой мощности для его управления. Во избежание этого были придуманы так называемые униполярные транзисторы. ток в Них создают только носители одного знака, обычные электроны, поэтому приборы и называют униполярными. Эти транзисторы имеют большое входное сопротивление. Кроме этого они оказались более технологичными при изготовлении и несколько дешевле чем биполярные. Благодаря большому входному сопротивлению униполярные транзисторы почти не потребляют ток управления, смена выходного тока осуществляется приложением ко входу напряжения, которое создает электрическое поле.

Поэтому такой тип транзисторов называют еще полевыми. Полевые транзисторы бывают:

• С p-n переходом;
• С МДП со встроенным каналом;
• С МДП с наведенным каналом;

Рассмотрим их каждый по очереди.

Полевые транзисторы с p-n переходом

Ниже показана схема полупроводника с n-проводимостью:

К торцам кристалла В и С прикладывают напряжение U_С, под действием этого поля протекает ток. С боку кристалла созданы зоны с р-проводимостью, благодаря чему вдоль кристалла возникает p-n переход.

Электроны под действием U_С  движутся от отрицательного электрода В к положительному С, поэтому отрицательный электрод называют истоком, а положительный – стоком. Боковая поверхность с р-проводимостью и вывод от нее зовут затвором З. между истоком и затвором приложено напряжение U_З с отрицательным знаком к затвору и положительным к истоку.

Ниже показано условное обозначение транзистора с n-проводимостью:

И р-проводимостью:

Поскольку электроны более подвижны, то обычно строят транзисторы с электронной проводимостью.

Пускай U_З=0, то есть отрицательный потенциал приложен к р-проводнику, а положительный через электрод С к самому кристаллу с n-проводимостью. В p-n переходе возрастет потенциальный барьер. Напряжение U_С  пропорционально распределяется вдоль кристалла пропорционально его длине, благодаря чему потенциальный барьер будет больший со стороны стока, и свободная зона для носителей полупроводников будет сужаться в направлении от истока к стоку в виде конуса. Уменьшение сечения полупроводника, свободного от носителей, приведет к увеличении сопротивления, которое будет расти при увеличении U_C. Сток-затворная характеристика данного устройства показана ниже:

Если по мимо того приложить к затвору отрицательный потенциал относительно истока, потенциальный барьер еще больше и ток уменьшится. Характеристики, отвечающие разным значениям U_З создают семейство характеристик:

Полевые транзисторы с МДП со встроенным каналом

Для увеличения входного сопротивления металлический затвор изолируют от полупроводника с помощью диэлектрика, зачастую используют SiO₂. Поэтому их называют транзисторами типа «металл-диэлектрик-полупроводник» или МДП. Ниже показана их конструкция:

В кристалле с р-проводимостью создано две зоны И (исток) и С (сток), заполненные полупроводниками n-типа. Обе зоны соединены каналом К, над которым через диэлектрик расположен металлический вывод затвору З. Ток переносят электроны под действием напряжения, приложенного к точкам И и С. Если подать между З и основой р-типа отрицательное напряжение, канал сузится и стоковый ток уменьшится. При положительном потенциале затвора канал расширится и ток возрастет. Выходные характеристики этого устройства:

Сток-затворная характеристика:

Она размещена уже в двух квадрантах. Условное обозначение на схеме:

Противоположная сторона полупроводника р-типа тоже имеет вывод, имеющий название подложки (П), которую обычно соединяют с истоком.

Полевой транзистор с МДП с наведенным каналом

Транзисторы такого типа с наведенным каналом не имеют специально созданного канала:

Он возникал при подаче на затвор относительно основы р положительного напряжения. Благодаря этому сток-затворная характеристика будет иметь вид:

Выходные характеристики:

Обозначение на схеме:

Posted in Электротехника

Каковы структура и принцип работы полевого транзистора? . Электроника в вопросах и ответах

Структура полевого транзистора упрощенно представлена на рис. 4.17.

Рис. 4.17. Структура полевого МОП транзистора:

_{1 — металлический контакт истока; 2 — металлический контакт стока; 3 — подложка с собственной проводимостью или р-типа; 4 — изолирующий слой окисла; 5 — канал с зарядом электронов}

На подложке из собственного или слабо легированного акцепторами полупроводника (p-типа) расположены полученные путем диффузии две области с высокой концентрацией электронов (n-типа), называемые истоком и стоком и соединенные с металлическими контактами.

В центральной части над подложкой находится изолирующий слой окисла, а над ним — металлический слой треть его электрода, называемого затвором. В полупроводнике между истоком и стоком под затвором во время работы транзистора возникает канал, проводящий ток.

Действие подобного полупроводникового прибора заключается в следующем. При отсутствии напряжения на затворе подводимое между стоком и истоком напряжение создает пренебрежимо малое значение протекающего тока благодаря большому сопротивлению канала. При подведении к затвору положительного относительно истока и большего, чем напряжение сток-исток, напряжения в диэлектрике подложки возникает электрическое поле, вытягивающее электроны из участков металлизации истока и стока и направляющее их в канал в сторону стока. Электроны свободно движутся вдоль канала от истока к стоку, образуя ток стока, зависящий от напряженности электрического поля. Это и есть полевой эффект.

Рассматриваемый транзистор типа МОП имеет несколько эквивалентных названий, связанных со структурой и принципом работы, которые встречаются в литературе и каталогах: полевой транзистор, работающий на принципе обогащения носителей в канале, или транзистор с индуцированным или встроенным каналом, или транзистор типа «нормально выключенный».

Название «нормально выключенный» следует из того факта, что ток стока равен нулю при разомкнутом затворе (U_зи = 0) и возрастает при положительных напряжениях на затворе.

Существуют транзисторы типа МОП с несколько отличной структурой и другими эффектами, сопутствующими возникновению тока стока, называемые полевыми транзисторами с изолированным затвором, работающие на принципе обеднения носителей в канале, или транзисторы типа «нормально включенный». В зарубежной литературе они помимо обозначения MOS часто имеют обозначение MOST или IGFET. Название, связанное с обеднением, следует из того факта, что проводимость канала, не равная нулю для 

U_зи = 0, может быть уменьшена («обеднена»), когда (U_зи будет отрицательным. Положительные значения напряжения затвора увеличивают проводимость канала и ток стока.

Графически изображения обоих типов транзисторов представлены на рис.  4.18.

Рис. 4.18. Условные графические изображения полевых МОП транзисторов с изолированным затвором, обогащенного типа с р-каналом с подложкой, выведенной наружу, (а) и подложкой, не выведенной наружу, (б), с n-каналом (а) и обедненного типа с

р-каналом (г)

Что такое полевой транзистор? — Определение, конструкция и классификация

Определение: FET — это аббревиатура, используемая для «полевого транзистора ». Это трехконцевое униполярное устройство, проводимостью в котором управляют с помощью приложенного электрического поля . Само название дает краткое представление о принципе его работы, «эффект поля», эти два слова ясно указывают на то, что это транзистор, управляемый электрическим полем.

Таким образом, его также называют устройством, управляемым напряжением, в котором в механизме проводимости участвуют только основные носители заряда. Он состоит из трех терминалов, то есть истока, затвора и стока.

Символ цепи, описанный на приведенной ниже диаграмме, четко иллюстрирует три вывода полевого транзистора.

История полевого транзистора

В 1926 году Lilienfield представил идею полевого транзистора (FET). После этого в 1935 году Heil также осветил полевой транзистор. Но к тому времени полевые транзисторы не пользовались большой популярностью. Именно в 1940 году значение полевых транзисторов набирает обороты. Это связано с тем, что в 19В 40-х годах в лаборатории Белла велись исследования полупроводников .

Значение полевого транзистора

Прежде чем обсуждать значение полевого транзистора, я хотел бы поделиться важной концепцией, касающейся полевого транзистора. Транзистор в его названии часто путают с биполярным транзистором. Но существует огромная разница между FET и BJT, то есть биполярным транзистором.

Хотя оба являются транзисторами и оба включают проводимость тока, а также оба имеют три вывода, но на этом сходство заканчивается. BJT использует инжекцию и сбор неосновных носителей заряда, и этот процесс инжекции и сбора выполняется во время прямого смещения PN-перехода. Напротив, полевые транзисторы используют электрическое поле для изменения ширины обеднения во время обратного смещения перехода.

Таким образом, проводимость в BJT включает как основные носители, так и неосновные носители, но механизм проводимости в FET обусловлен только основными носителями заряда. По этой причине полевые транзисторы называются униполярными устройствами.

Вода Аналогия для понимания концепции полевого транзистора

Чтобы понять, как работает полевой транзистор, давайте воспользуемся аналогией. Аналогии часто упрощают понимание даже сложной концепции. Под источником воды можно понимать источник ПТ, сосуд для сбора воды аналогичен дренажному терминалу ПТ. Давайте быстро взглянем на приведенную ниже диаграмму, после чего понимание концепции FET будет легкой прогулкой.

А теперь угадайте, чему аналогичен гейт-терминал? Если вы думаете о водопроводе, то да, вы правы. Это не что иное, как регулирующий кран, который регулирует поток воды. Теперь то, как управляющий кран модулирует количество воды, поступающей из выхода, точно так же, как напряжение на клемме затвора управляет потоком тока от истока к клемме стока.

Конструкция и работа полевого транзистора

Полупроводник является основой всех полевых транзисторов. В зависимости от используемого канала, то есть N-канала или P-канала, будет использоваться образец полупроводника. Если мы разрабатываем N-канальные JFET, то канал будет из полупроводника N-типа. А в середине противоположных фаз образец будет рассеян полупроводником П-типа.

Полупроводниковая шина P-типа будет действовать как клемма затвора. Противоположные концы полупроводника P-типа будут соединены вместе, образуя общий вывод затвора. Таким образом, по обе стороны от затвора будет два PN-перехода, которые будут называться клеммами истока и стока.

Компоненты полевых транзисторов

1. Канал: Это область, в которой текут основные носители заряда. Когда большинство носителей заряда введено в полевой транзистор, то с помощью этого канала только они текут от истока к стоку.
2. Источник: Источник — это вывод, через который в полевой транзистор вводятся основные носители заряда.
3. Дренаж: Дренаж — это сборный терминал, в который входят основные носители заряда и, таким образом, вносят свой вклад в процедуру проводимости.
4. Gate: Терминал Gate формируется путем диффузии одного типа полупроводника с другим типом полупроводника. Это в основном создает область с высоким содержанием примесей, которая контролирует поток носителя от источника к стоку.

Классификация полевых транзисторов

Классификацию полевых транзисторов можно понять с помощью таблицы, представленной на рисунке ниже. Полевые транзисторы в основном описываются двух типов: JFET (транзистор с полевым эффектом) и полевой транзистор с изолированным затвором.

Полевой транзистор с переходом: Полевой транзистор с переходом представляет собой не что иное, как полевой транзистор, в котором проводимость определяется изменением ширины обеднения, когда переход смещен в обратном направлении. Он состоит из двух типов в соответствии с конструкцией: N-Channel и P-Channel.

Полевой транзистор с изолированным затвором: Полевой транзистор с изолированным затвором — это транзистор, в котором затвор изолирован изоляционным материалом из образца полупроводника. Они бывают двух типов: MESFET (металло-полупроводниковый полевой транзистор) и MISFET (полевой транзистор металл-изолятор-полупроводник).

Как MESFET, так и MISFET используют переход металл-полупроводник, а не обычный переход P-N. Но отличительной особенностью обоих является использование изоляционного материала в случае MISFET, в то время как в MESFET изоляционный материал отсутствует.

MOSFET — это подтип MISFET, в котором оксидный слой играет решающую роль в обеспечении изоляции между затвором и другими выводами. МОП-транзисторы работают в двух режимах: , режим истощения и , режим расширения . В режиме истощения физический канал существует, а в режиме расширения его нет.

Полевой МОП-транзистор с истощением и улучшением снова может быть спроектирован двумя способами: с использованием N-канала или P-канала. Это было краткое описание полевых транзисторов.

Что такое полевой транзистор? Основы полевых транзисторов, конструкция, символы, характеристики, кривые и типы FET — это компонент электроники, который используется во многих электронных схемах и приборах.

FET представляет собой трехполюсное устройство с тремя выводами, используемое для переключения, например транзистор BJT. FET расшифровывается как полевой транзистор. Изучите основы полевых транзисторов в этой статье.

• Расчет кВА трансформатора: калькулятор кВА трансформатора
• Классификация трансформаторов тока на основе четырех параметров

В чем разница между биполярными транзисторами и полевыми транзисторами (FET)?

1. Основное различие между транзистором BJT и транзистором FET заключается в управляющем параметре. BJT — это устройство, управляемое током, а FET — устройство, управляемое напряжением.
2. BJT — биполярное устройство, тогда как FET — униполярное устройство. Биполярный означает, что ток в BJT течет из-за электронов и дырок. Если униполярный означает, что ток в полевом транзисторе связан либо с электронами, либо с дырками.

Основы полевых транзисторов

Мы знакомы с концепцией, согласно которой статический заряд создает вокруг себя электрическое поле. Электрическое поле может притягивать другие заряды. То же самое явление может происходить внутри полупроводника. Электрическое поле внутри полупроводникового канала может притягивать заряды и контролировать путь проводимости внутри канала.

Конструкция полевого транзистора

Конструкция n-канального полевого транзистора с тремя выводами и двумя переходами. Большая часть конструкции состоит из материала n-типа для n-канального JFET. Два материала P-типа осаждаются по обеим сторонам n-канала, образуя два PN-перехода. Там, где производится осаждение, площадь n-канала для проводимости уменьшается. Обе стороны n-канала соединены с электродами. Одна клемма — сток, а другая клемма — исток. Где оба материала P-типа подключены к терминалу затвора. Клемма затвора является управляющей клеммой источника для отвода тока.

Схема конструкции полевого транзистора

Как работает полевой транзистор?

• Краткое руководство по электронным генераторам и их различным типам
• Как работают микроволновые печи

Давайте обсудим работу полевых транзисторов для различных случаев входа затвора и стока истока. Рассмотрим следующие случаи.

1. Нет входа затвора
2. Отрицательное напряжение на затворе

Нет входа затвора В

_GS =00147 ДС применяется. А на входе затвора к истоку напряжения V _GS ноль вольт. PN-переход между затвором и n-каналом имеет обратное смещение и образует обедненную область вокруг перехода. При напряжении сток-исток V _DS, будет протекать ток стока I _D , ограниченный только омическим сопротивлением n-канала.

Смещение полевого транзистора и рабочая схема

Путем увеличения стока до напряжения истока В _DS от нулевого напряжения ток стока I _D увеличится. Ток на этом этапе можно определить по закону Ома. За счет увеличения обратного напряжения область обеднения станет шире. В какой-то момент при нескольких напряжениях V _DS область истощения станет настолько шире, что при увеличении напряжения будет увеличиваться ток. Это значение V _DS называется напряжением отсечки V _P . Дальнейшее увеличение V _DS не приведет к увеличению тока I _D . Этот максимальный ток I _D называется I _DSS .

Отрицательное входное напряжение затвора V

_GS <0

При подаче отрицательного входного напряжения затвора к напряжению источника V _GS получаются различные кривые. Для различных V _GS можно получить аналогичные характеристики JFET, но иметь меньший ток стока. Это означает, что для большего количества VGS напряжение отсечки будет достигаться быстрее, а IDSS будет ниже. Величина VGS, которая приводит к нулевому току стока, называется напряжением отсечки и обозначается VGS(off). Область слева от кривой напряжения отсечки представляет собой линейную область усиления.

VI Кривые характеристик полевого транзистора

Переменный резистор, управляемый напряжением

Область слева от кривой напряжения отсечки и геометрической кривой называется омической областью или резистором, управляемым напряжением. В этой области JFET может работать как переменный резистор, управляемый напряжением.

• 7 причин изучать электротехнику
• Аналоговая и цифровая электроника для инженеров pdf Книга

Символы полевых транзисторов

Символ полевых транзисторов имеет три клеммы: затвор, сток и исток. Ворота отмечены стрелкой. Где стрелка указывает на условный ток, если PN-переход имеет прямое смещение.

n-Channel FET Symbol

Типы FET

FET можно классифицировать по-разному. Все типы полевых транзисторов описаны на следующей древовидной диаграмме полевых транзисторов.

Полевые транзисторы в основном подразделяются на полевые транзисторы с переходом и с изолированным затвором.

Типы полевых транзисторов

Транзистор JFET

Транзистор JFET относится к полевым транзисторам, имеющим соединение между затвором и каналом. Ток стока регулируется обратным смещением перехода. JFET можно разделить на n-канальные и p-канальные устройства.

FET с изолированным затвором IGFET или полевой МОП-транзистор с оксидом металла

FET с изолированным затвором — это широкая категория, в которой полевой транзистор с оксидом металла и кремнием является наиболее известным полевым транзистором с изолированным затвором, доступным на рынке. Полевой МОП-транзистор имеет оксид металла на кремниевой подложке для создания полевого транзистора в целях изоляции. Наиболее заметной особенностью MOSFET является высокое входное сопротивление.

МОП-транзистор с двумя затворами

МОП-транзистор с двумя затворами использует два затвора вдоль канала для улучшения характеристик РЧ-сигналов. Вторые ворота обеспечивают большую изоляцию. Двухзатворный МОП-транзистор можно использовать для микширования и умножения.

Метакремниевый полевой транзистор MESFET

Метакремниевый полевой транзистор MESFET изготовлен с использованием арсенида галлия и используется для радиочастотных приложений. Он может обеспечить высокий коэффициент усиления и низкий уровень шума.