Работа полевых транзисторов. Полевые транзисторы JFET: принцип работы, характеристики и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроены полевые транзисторы JFET. Какие физические процессы лежат в основе их работы. Каковы основные характеристики и области применения JFET. Чем JFET отличаются от других типов транзисторов. Какие преимущества и недостатки имеют JFET-транзисторы.

Содержание

Что такое полевой транзистор JFET и как он устроен

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом (JFET) — это полупроводниковый прибор, в котором ток между стоком и истоком регулируется электрическим полем, создаваемым напряжением на затворе. Основные особенности JFET:

Имеет три вывода: исток, сток и затвор
Содержит канал n-типа или p-типа между истоком и стоком
Управление током осуществляется напряжением на затворе
Обладает очень высоким входным сопротивлением
Является униполярным прибором — ток создается носителями только одного типа

Структура n-канального JFET выглядит следующим образом:

Канал n-типа между истоком и стоком
Области p-типа по бокам канала, образующие затвор

Области повышенного легирования n+ возле истока и стока

Такая структура позволяет управлять шириной проводящего канала с помощью напряжения на затворе.

Принцип работы полевого транзистора JFET

Работа JFET-транзистора основана на изменении ширины проводящего канала под действием электрического поля. Рассмотрим основные режимы работы:

Режим с нулевым напряжением на затворе

При подаче напряжения между стоком и истоком (Uси) и нулевом напряжении на затворе (Uзи = 0) через канал протекает максимальный ток. По мере увеличения Uси ток растет линейно, пока не достигнет насыщения.

Режим с отрицательным напряжением на затворе

При подаче отрицательного напряжения на затвор (Uзи < 0) ширина канала уменьшается из-за расширения обедненной области p-n перехода. Это приводит к уменьшению тока стока. При определенном напряжении отсечки канал полностью перекрывается и ток прекращается.

Основные характеристики JFET-транзисторов

Ключевыми характеристиками JFET являются:

Крутизна характеристики (S) — показывает, насколько сильно изменяется ток стока при изменении напряжения на затворе
Напряжение отсечки (Uотс) — напряжение на затворе, при котором канал полностью перекрывается
Начальный ток стока (Iс нач) — максимальный ток стока при нулевом напряжении на затворе
Входное сопротивление — очень высокое, порядка сотен МОм

Эти параметры определяют усилительные свойства и области применения JFET.

Преимущества и недостатки JFET по сравнению с другими типами транзисторов

JFET имеют ряд особенностей по сравнению с биполярными транзисторами и МОП-транзисторами:

Преимущества JFET:

Сверхвысокое входное сопротивление
Низкий уровень шумов
Простота изготовления
Высокая радиационная стойкость

Недостатки JFET:

Низкий коэффициент усиления по напряжению

Невысокая крутизна характеристики
Сложность изготовления комплементарных пар

Эти особенности определяют области применения JFET-транзисторов.

Основные области применения полевых транзисторов JFET

Благодаря своим характеристикам JFET нашли применение в следующих областях:

Входные каскады усилителей с высоким входным сопротивлением
Малошумящие усилители
Аналоговые ключи и коммутаторы
Источники тока, управляемые напряжением
Преобразователи напряжение-частота
Измерительные приборы (вольтметры, осциллографы)

В этих применениях JFET позволяют создавать схемы с минимальным влиянием на источник сигнала и низким уровнем собственных шумов.

Сравнение JFET с МОП-транзисторами (MOSFET)

JFET и MOSFET имеют ряд существенных отличий:

У JFET затвор образован p-n переходом, у MOSFET — изолирован диэлектриком
JFET работают только в режиме обеднения канала, MOSFET — в режимах обогащения и обеднения

Входное сопротивление MOSFET еще выше, чем у JFET
MOSFET имеют более высокую крутизну характеристики
JFET проще в изготовлении и дешевле

Выбор между JFET и MOSFET зависит от конкретного применения и требуемых параметров схемы.

Перспективы развития и применения JFET-транзисторов

Несмотря на широкое распространение MOSFET, полевые транзисторы JFET продолжают развиваться и находить новые применения:

Разработка JFET на основе широкозонных полупроводников (SiC, GaN) для силовой электроники
Создание вертикальных JFET с улучшенными характеристиками
Применение в радиационно-стойкой электронике
Использование в высокочастотных и СВЧ-схемах

Эти направления позволят расширить области применения JFET и использовать их уникальные свойства в новых разработках.

Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Возвращаемся к рубрике, посвященной целиком и полностью электронике и смежным тематикам. И вот дошли руки, наконец-то, до описания процессов, происходящих в таком устройстве, как полевой транзистор. Идем по проверенной схеме – докапываемся до всех нюансов принципа работы, а затем добьем тему практическим примером. Первое невозможно без разбора устройства полевого транзистора, а второе – без рассмотрения его основных характеристик. По такому плану и действуем. Стоит оговориться, что про транзисторы можно говорить до бесконечности, в статье же основной акцент будет именно на протекающих в нем физических процессах, то есть на принципе его функционирования.

Но прежде всего разветвим данную тему на две отдельные части:

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом (JFET — Junction Field-Effect Transistor).
Полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET — Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).

Конкретно сегодня речь пойдет о первом типе устройств, второй же аналогичным образом разберем во второй части, на которую я помещу потом здесь же ссылку.

Первым делом – классическое сравнение с биполярными товарищами. Итак, в биполярном транзисторе сила проходящего через него тока регулируется управляющим током. Это уже многократно обсудили, так что отдельно не останавливаюсь. В полевом же транзисторе, напротив, сила тока регулируется внешним электрическим полем. То есть, по сути, приложенным напряжением.

В творческом порыве решил визуализировать данное отличие следующим образом )

Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом (JFET).

Каждый из озвученных типов транзисторов делится еще на две подгруппы:

с N-каналом
с P-каналом

Мы сосредоточимся на первом варианте, суть процессов полностью идентична, различна лишь полярность подключаемых источников напряжений.

Итак, устройство JFET-транзистора с N-каналом:

Подложку зачастую соединяют с истоком еще на этапе производства транзистора, поэтому на схемах обычно присутствуют только три вывода.

Отметим сразу эти три электрода полевого транзистора: сток, исток и затвор. Собственно, наблюдаем две области P-типа, а между ними в наличии область N-типа, к концам которой подключены два оставшихся электрода – сток и исток. И вся эта область N-типа как раз и образует N-канал.

Вспоминаем об основных характеристиках областей разного типа в целом:

В области P-типа основными носителями заряда являются дырки, концентрация же электронов мала. Электроны здесь – неосновные носители.
Полностью противоположна ситуация в областях N-типа. В этом случае электроны как раз-таки являются основными носителями заряда, а концентрация дырок мала.

В непосредственной близости от стока и истока на схеме помечены отдельные области «N+». Это все та же область N-типа, но сильно легированная. Что означает еще более высокую концентрацию электронов в ней.

Из схемы также можно сделать вывод о том, что для полевого транзистора с управляющим p-n переходом исток и сток по своей сути идентичны, то есть в схему его можно включить двумя способами, меняя, соответственно, исток и сток местами. Таким образом, для данного класса элементов обозначения стока и истока, по большому счету, условны.

Разобравшись со структурой и устройством, переходим к самому интересному – к протекающим внутри процессам. Из чего уже будет понятно, как все это работает.

Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом (JFET).

За отправную точку возьмем нашу схему, но дополненную носителями заряда:

Подключаем источники напряжения следующим образом, в виде наглядной иллюстрации:

В данном случае напряжение между затвором и истоком равно 0 (U_{ЗИ} = 0). Отлично, при таких раскладах транзистор ведет себя просто как проводник, то есть протеканию тока от стока к истоку не препятствует.

Проанализируем подробнее: подключенный источник питания приводит к появлению электрического поля E, которое направлено от стока к истоку. Само собой это поле начинает воздействовать на частицы – дырки начинают перемещаться в направлении этого поля, электроны – в противоположном. Это, в свою очередь, приводит к появлению тока, который по направлению противоположен направлению перемещения электронов. Все четко следует одно из другого 👍

Ситуация изменится с повышением U_{СИ}. Области P-типа в местах контакта с N-каналом образуют p-n переходы. И с увеличением напряжения между стоком и истоком возле этих переходов возникают области, обедненные носителями заряда. Что, в свою очередь, идентично «сужению» канала:

Таким образом, с одной стороны, рост напряжения U_{СИ} должен приводить к росту тока, то есть к более активному перемещению носителей заряда. Но в то же время сужение канала приводит к обратному эффекту – носителям сложнее преодолевать узкую зону, соответственно, ток уменьшается. И в итоге имеем фактически стабилизацию тока.

Данное состояние полевого транзистора называется режимом насыщения, а напряжение U_{СИ}, которое соответствует переходу в этот режим – напряжением насыщения сток-исток:

Резюмируем:

При U_{ЗИ} равном 0 и напряжении сток-исток меньше U_{СИ \medspace нас} зависимость I_{СИ} от U_{СИ} плюс-минус близка к линейной.
При U_{ЗИ} равном 0 и напряжении U_{СИ} > U_{СИ \medspace нас} имеем кардинально иную картину – ток между стоком и истоком практически перестает увеличиваться. Транзистор в режиме насыщения.

С этим разобрались, рассмотрим процессы, протекающие при подаче отрицательного напряжения между затвором и истоком (U_{ЗИ} < 0). Собственно, эффект тут в определенном смысле аналогичный – канал будет сужаться еще сильнее. При определенном значении U_{ЗИ} канал сузится настолько, что протекание тока полностью прекратится:

Это пороговое значение называется напряжением отсечки, U_{ЗИ \medspace отс}. Графическая интерпретация в виде зависимости тока сток-исток от напряжения между затвором и истоком:

Видим ровно то, что мы и обсудили. С изменением напряжения между затвором и истоком происходит сужение канала, что эквивалентно уменьшению тока. При значении равном U_{ЗИ \medspace отс} протекание тока прекращается.

Давайте рассмотрим поведение JFET-транзистора при разных значениях U_{ЗИ}:

Что тут стоит отметить… Во-первых, как мы и обсудили, чем меньше значение U_{ЗИ}, тем больше сужается канал, что влечет за собой уменьшение тока. Соответственно, кривые пролегают все «ниже» друг относительно друга. И во вполне определенный момент (когда U_{ЗИ} = U_{ЗИ \medspace отс}) ток исчезает.

Во-вторых, обратите внимание, что напряжение насыщения сток-исток — не фиксированная величина. Это значение будет разным для разных U_{ЗИ}. При U_{ЗИ} = U_{ЗИ \medspace 0} транзистор перейдет в режим насыщения при U_{СИ} = U_{СИ \medspace нас \medspace 0}. По такой же логике, напряжению затвор-исток U_{ЗИ \medspace 2} соответствует переход в режим насыщения при U_{СИ} = U_{СИ \medspace нас \medspace 2}.

Для транзистора с P-каналом идея такая же, отличаются только полярности подаваемых напряжений.

В общем-то, в этом и кроется суть принципа работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом. И это подтверждает указанное в самом начале статьи отличие от биполярных собратьев – сила тока (I_{СИ}) регулируется напряжением между затвором и истоком (U_{ЗИ}).

Для закрепления и надежной фиксации данных аспектов проведем практические тесты, к которым и переходим.

Практический пример.

Итак, на принципиальных схемах полевой транзистор с управляющим p-n переходом бывает представлен следующим образом:

Для теста возьму первый попавшийся, а именно J112, вот даташит на него, в котором можно найти всю необходимую информацию. Например, зависимость, обсуждению которой мы посвятили столько времени:

Обозначения англоязычные, но, естественно, это погоды не делает.

Кроме того, первым делом при выборе транзистора будет не лишним выяснить предельно допустимые значения напряжений и токов, чтобы не превысить их и не вывести элемент из строя.

Я буду моделировать схему в Proteus, поностальгирую заодно по старым временам, когда активно его использовал. Но речь не об этом, а о том, что значения скорее всего не будут прямо в точности совпадать с приведенными в документации – это нормально. Тем не менее полученные при симуляции величины должны быть близки к аналогичным из даташита.

Схема будет такая, как в первой части статьи:

То есть — полевой транзистор, амперметр, источник питания, тогда:

U_{ЗИ} = 0 \medspace В
U_{СИ} же поставим 0. 4 В

Из документации видим, что ток должен быть около 6 мА, получаем на практике:

I_{СИ}= 5.07 \medspace мА, нормально, все ожидаемо и подтверждает рассмотренные теоретические аспекты.

Теперь реализуем схему из второй части статьи, добавив источник напряжения между затвором и истоком. Пусть будет так:

U_{ЗИ} = -0.6 \medspace В
U_{СИ} = 0.4 \medspace В

На основе физических процессов в JFET-транзисторе ожидаем увидеть меньшее значение тока, так как при таком же напряжении сток-исток U_{ЗИ} стал меньше относительно первого эксперимента:

Именно это и получили:

Уменьшим еще U_{ЗИ} до -0.8 В:

Опять все логично, и добавить нечего к этому.

Есть такое ощущение, что уже при U_{СИ} = 0.4 \medspace В транзистор в данном случае находится в режиме насыщения. Попробуем увеличить U_{СИ} до 1.4 В:

Так и есть, ток не изменился. Значит попробуем уменьшить, почему нет. U_{ЗИ} остается -0.8 В, U_{СИ} выставляем равным 0.1 В:

Ток ожидаемо уменьшился. Если вернуться к теоретическому графику, то осознаем, что при U_{СИ} = 0.1 \medspace В мы находимся в линейной области, а при U_{СИ} = 0.4 \medspace В уже в области насыщения:

На этом я и заканчиваю сегодняшний пост, прошлись по теории, подтвердили на практике, чего еще желать… До скорого 🤝

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET

Полевой транзистор – транзистор, в котором сила проходящего через него тока регулируется внешним электрическим полем, т.е напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током.

Поскольку у полевого транзистора нет управляющего тока, то у него очень высокое входное сопротивление, достигающее сотен ГигаОм и даже ТерраОм (против сотен КилоОм у биполярного транзистора).

Еще полевые транзисторы иногда называют униполярными, поскольку носителями электрического заряда в нем выступают только электроны или только дырки. В работе же биполярного транзистора, как следует из названия, участвует одновременно два типа носителей заряда – электроны и дырки.

Классификация полевых транзисторов

Полевые транзисторы (FET: Field-Effect-Transistors) разделяются на два типа – полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET: Junction-FET) и полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET: Metal-Oxid-Semiconductor-FET).

Каждый из типов может быть как с N–каналом, так и с P-каналом. У транзисторов с N-каналом в роли носителей электрического заряда выступают электроны. У транзисторов с P-каналом – дырки. В этой статье речь пойдет о полевом транзисторе с управляющим PN-переходом JFET c N-каналом. Принцип работы транзистора P-типа аналогичен, только меняется полярность источников напряжения.

Устройство полевого транзистора JFET с N-каналом

Как показано на рисунке ниже, область полупроводника N-типа формирует канал между зонами P-типа.

Электроды, подключаемые к концам N-канала, называются сток и исток. Полупроводники P-типа электрически соединяются между собой (закорачиваются), и представляют собой один электрод – затвор.

Вблизи стока и истока находятся области повышенного легирования N+. T. e. зоны с повышенной концентрацией электронов. Это улучшает проводимость канала. Кроме этого, наличие областей N+ ослабляет эффект появления паразитических PN-переходов в случае присоединения проводников из трехвалентного алюминия.

Имена электродов сток и исток носят условный характер. Если взять отдельный полевой транзистор, не подключенный к какой-либо схеме, то не будет иметь значения какая ножка корпуса сток, а какая исток. Имя электрода будет зависеть от его расположения в электрической цепи.

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

1. Напряжение на затворе Uзи = 0

Подключим источник положительного напряжения к стоку, землю к истоку.

Затвор также подсоединим к земле (Uзи = 0). Начнем постепенно повышать напряжение на стоке Uси. Пока Uси низкое, ширина канала максимальна. В таком состоянии полевой транзистор ведет себя как обычный проводник. Чем больше напряжение между стоком и истоком Uси, тем больше ток через канал между стоком и истоком Iси. Это состояние еще называют омическая область.

При повышении Uси, в полупроводнике N-типа в зонах PN-перехода постепенно снижается количество свободных электронов – появляется обедненный слой. Этот слой растет несимметрично – больше со стороны стока, поскольку туда подключен источник напряжения. В результате канал сужается настолько, что при дальнейшем повышении Uси, Iси будет расти очень незначительно. Это состояние называют

режим насыщения.

2. Напряжение на затворе Uзи

Когда транзистор находится в режиме насыщения, канал относительно узкий. Достаточно подать небольшое отрицательное напряжение на затвор Uзи, для того чтобы еще сильнее сузить канал и значительно уменьшить ток Iси (для транзистора с P-каналом на затвор подается положительное напряжение ). Если продолжить понижать Uзи, канал будет сужаться, пока полностью не закроется, и ток Iси не прекратится. Значение Uзи, при котором ток Iси останавливается, называется напряжение отсечки (Uотс).

Для усиления сигнала полевой транзистор JFET используют в режиме насыщения, так как в этом состоянии вследствие небольших изменений Uзи сильно меняется Iси. Параметр усилительной способности JFET – это крутизна стоко-затворной характеристики (Mutual Transconductance). Обозначается g

m или S, и измеряется в mA/V (милиАмпер/Вольт).

Преимущества и недостатки полевого транзистора JFET

Высокое входное сопротивление

Одно из важнейших свойств полевых транзисторов, как уже упоминалось выше, это очень высокое входное сопротивление Rвх (Rin). Причем у полевых транзисторов с изолированным затвором MOSFET, Rin в среднем еще на несколько порядков выше, чем у JFET. Благодаря этому, полевые транзисторы практически не потребляют ток у источников сигнала, который надо усилить.

Например, цифровая схема микроконтроллера генерирует сигнал, управляющий работой электромотора. Такого рода схема обычно располагает очень малым током на выходе, что явно недостаточно для двигателя. Здесь потребуется усилитель, потребляющий крайне мало тока на входе, и выдающий на выходе сигнал такой же формы и частоты как на выходе у микроконтроллера, только уже с большим выходным током. Здесь как раз и подойдет усилитель, основанный на JFET транзисторе с высоким входным сопротивлением.

Низкий коэффициент усиления по напряжению

Значительным недостатком JFET по сравнению с биполярным транзистором является очень низкий коэффициент усиления по напряжению. Если построить усилитель на основе одного прибора JFET, можно добиться Vout/Vin в лучшем случае около 20. При аналогичном использовании биполярного транзистора с высокой β (коэффициент усиления биполярного транзистора – ток коллектора/ток базы) можно достигнуть Vout/Vin в несколько сотен.

Поэтому для качественных усилителей нередко используются совместно оба типа транзисторов. Например, благодаря очень высокому Rin полевого транзистора, добиваются большого усиления сигнала по току. А уже потом, с помощью биполярного транзистора усиливают сигнал по напряжению.

О других преимуществах и недостатках полевых транзисторов, вы можете почитать здесь

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 воротам в реальной жизни, поскольку ворота могут открываться и закрываться, а также могут разрешать прохождение электронов или полностью останавливать их.

FETS классифицируются как:

Эффект поля соединения Транзистор (JFET)
Металл оксид полупроводник Полевой эффект Транзистор (JFET)

1. Джак -эффект Полевый эффект Транзистор Транзистор (JFET)

9003 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 терминалами. 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 полевой МОП-транзистор 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.

FET: определение, символ, работа, характеристики, типы и применение

Привет, друзья! Надеюсь, вы все счастливы, здоровы и довольны. В последнее время мы обсуждали транзисторы, от основного определения до типов и характеристик транзисторов, мы рассмотрели все это. Если у вас есть краткое представление о транзисторах, вы должны знать о полевых транзисторах или, возможно, где-то слышали или читали о них, это один из самых ранних известных типов транзисторов, который является нашей сегодняшней темой обсуждения.

Полевые транзисторы были сделаны, чтобы скрыть недостаток ранее известных транзисторов, которые занимали много места и производили много шума, еще одной серьезной проблемой была низкая надежность предыдущих версий. Итак, давайте начнем с FET.

Определение полевого транзистора

Давайте сначала определим полевой транзистор,

«Полевой транзистор — это униполярный транзистор, изготовленный из полупроводникового материала, который использует электрическое поле для управления током».

История полевых транзисторов

Чтобы узнать, как развивались полевые транзисторы на протяжении веков, давайте совершим небольшое путешествие в историю, в те дни, когда у нас не было большого количества ресурсов для материализации наших концепций.
Первая попытка создать полевой транзистор была предпринята Джулиусом Эдгаром в 1925 году, и, к сожалению, он с треском провалился, но ему посчастливилось запатентовать эту концепцию.
В 1934 году Оскар Хейл попытал счастья, но не смог.
В 1945 году полевой транзистор Junction был первым устройством на полевых транзисторах, которое сконструировал Генрих Велькер.
В последующие годы было предпринято несколько попыток и были введены различные типы материалов для изготовления полевых транзисторов и родственных им типов. Все эти удачные и неудачные попытки привели к созданию современного полевого транзистора.

Однополярность полевого транзистора

Однополярность полевого транзистора означает, что транзистор использует для работы либо дырки, либо электроны, в зависимости от типа материала, из которого он изготовлен, в отличие от биполярных транзисторов, в которых используются как электроны, так и дырки для их функционирования.

Символ полевого транзистора_ FET

На следующем рисунке показан символ полевого транзистора.
На рисунке показаны три клеммы, а именно затвор, исток и сток, обозначенные буквами D, G и S.

Направление стрелки отражает направление электрического поля.
Символ немного отличается для двух разных типов полевых транзисторов FET, они могут быть N-канальными FET или P-канальными FET, вы узнаете символы разных FET в соответствующих разделах этой статьи.

Почему полевые транзисторы так называются или что означает полевой транзистор?

Теперь вы, должно быть, думаете о том, как полевой транзистор получил свое название? Что имеется в виду под FET? За этим стоит несколько предположений, одно из которых я считаю подходящим, это то, что слабый электрический сигнал, поступающий через электрод, генерирует большее электрическое поле и через другие части транзистора, поэтому они называются полевыми эффектами. транзисторы. Если вы знаете какую-либо другую причину, по которой мы называем их полевыми транзисторами, кроме этой, вы можете сообщить мне об этом в разделе комментариев ниже, я с нетерпением жду вашего ответа!

BJT против FET

Много раз FET сравнивают с BJT, давайте кратко рассмотрим их особенности в этом разделе. Вот некоторые из существенных различий между ними двумя;

BJT немного шумнее, чем FET.
BJT имеет более высокое выходное сопротивление, чем FET.
BJT управляется током, тогда как FET управляется напряжением.
BJT имеет более низкий входной импеданс, чем FET.

Работа полевого транзистора FET

Базовая конструкция полевого транзистора FET

В отличие от других типов транзисторов, полевые транзисторы не состоят из типичных коллектора, эмиттера и базы, хотя количество компонентов такое же, но название и функции каждого компонента совершенно разные. Чтобы понять работу полевого транзистора, давайте сначала обсудим его основные компоненты один за другим.

Исток

Исток обозначен символом S. Он действует как электрод полевого транзистора, через который носители заряда поступают в канал при подаче напряжения.
Как следует из названия, исток полевого транзистора работает как источник носителей заряда.

Затвор

Он представлен буквой G, везде, где вы видите G, сразу предполагайте, что это полевой транзистор, в случае транзисторов. Проводящая история полевого транзистора начинается с подачи напряжения на затвор, которое передается на другие компоненты.

Слив

Сток обозначен символом D. Сток — это электрод полевого транзистора, который обеспечивает канал для носителей заряда, помогая им покинуть цепь.

Работа полевого транзистора

Поскольку у вас есть краткое представление об основных компонентах полевого транзистора и их функциях, мы собираемся обсудить работу полевого транзистора.
Ток всегда течет от источника S к стоку D.
На клеммы Gate и Source подается напряжение, которое создает проводящий канал между источником S и Gate G.
Электроны или дырки текут от истока S к стоку D в виде потока через канал.
Есть несколько других вещей, связанных с работой и функциями полевого транзистора в зависимости от их типов, которые мы собираемся обсудить в соответствующих разделах. Итак, следите за обновлениями!
Здесь возникает простой вопрос, который часто не задают и на который тоже не дают ответа: почему полевые транзисторы FET называются устройствами, управляемыми напряжением?
Полевые транзисторы называются устройствами, управляемыми напряжением, потому что ток в стоке, представленный как ID, зависит от напряжения на затворе G, в отличие от транзистора с биполярным переходом, который является устройством, управляемым током.
Напряжение затвора очень важно для проведения тока к стоку.
Есть два явления, влияющие на это: истощение канала и усиление состояния канала. Давайте обсудим их один за другим.
Опустошение канала. Рассмотрим N-канальный полевой транзистор, в котором большинство электронов являются носителями заряда. Делая затвор более отрицательным, мы отталкиваем электроны от затвора, и эти электроны насыщают канал, увеличивая его сопротивление. Это делает область затвора тоньше из-за минимального движения электронов, но говорят, что канал проводимости истощается из-за повышенного сопротивления.

Снова рассмотрим n-канальный полевой транзистор, теперь подумайте сами, что произойдет, если вы сделаете затвор G полевого транзистора более положительным? Движение электронов устремится к воротам! Это сделает область ворот толще из-за большего трафика, но на параллельных линиях канал проводимости будет усилен из-за меньшего сопротивления.

Типы полевых транзисторов

Мы можем разделить полевые транзисторы на следующие типы в зависимости от их структуры;

Соединение Полевой транзистор JFET
Металлооксидный полевой транзистор MOSFET

Полевой транзистор JFET

Полевой транзистор — один из самых простых типов полевых транзисторов.
Они униполярны по действию и работают либо с электронами, либо с дырками, что свойственно и простым полевым транзисторам.
Переходной полевой транзистор имеет очень высокий уровень входного сопротивления.
В отличие от биполярного полевого транзистора, он мало шумит или как-то молчит по сравнению с ним.
Структура полевого транзистора Junction Field Effect зависит от его типа, как правило, JFET состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа и одного p-типа, и наоборот.
Обозначение переходного полевого транзистора следующее;

Типы JFET

Есть еще два типа переходных полевых транзисторов.

N-канальные полевые транзисторы
P-канальные полевые транзисторы

Теперь мы подробно обсудим эти два типа переходных полевых транзисторов — JFET.

Полевые транзисторы с каналом N

Конструкция полевого транзистора с каналом N Давайте сначала обсудим конструкцию N-канального полевого транзистора.

В качестве подложки берется брусок из полупроводникового материала n-типа, в основном из силикона.
Затем стержень рассеивается двумя силиконовыми стержнями p-типа, которые меньше по размеру, чем кремниевый стержень n-типа, на двух крайних концах стержня подложки. Только представьте, что вы кладете и склеиваете два маленьких блока с крайней правой и крайней левой сторон большого блока, сделанного из дерева или любого другого материала, который вы можете склеить!
Теперь мы закончили с диффузией материалов p-типа в нашу подложку n-типа, оставшаяся область проводит ток и помечена как Channel. Эти каналы отвечают за токопроводящее действие полевых транзисторов при подаче напряжения.
После того, как мы закончили с формированием канала, мы теперь увидим, как основные части, такие как Gate, Source и Drain, формируются из этих рассеянных полупроводниковых блоков.
Два рассеянных кремниевых стержня p-типа, которые теперь сформировали PN-переход с материалом n-типа, теперь соединяются вместе, образуя ворота.
Два конца канала, который образовался ранее после процесса диффузии, металлизируются для преобразования в исток и сток.
N-канальные полевые транзисторы предполагают, что электроны являются основными носителями заряда. Они более эффективны, чем полевые транзисторы с p-канальным переходом, потому что электроны движутся быстрее, чем дырки.

Полевые транзисторы с P-каналом

Конструкция полевого транзистора с P-каналом

Тот же процесс повторяется для построения полевого транзистора с p-каналом.
Подложка материала p-типа берется в виде большой пластины или бруска, а затем рассеивается двумя меньшими брусками n-типа.
Канал, образованный после диффузии, затем металлизируется с обоих концов, образуя исток и сток.
PN-переход, образованный двумя полупроводниковыми материалами n-типа, затем соединяется для формирования ворот.
Вот как устроены полевые транзисторы с p-канальным переходом.
Полевые транзисторы с p-канальным переходом предполагают, что дырки являются основными носителями заряда, поскольку они униполярны.

Работа переходного полевого транзистора

Полевой транзистор Junction всегда работает в условиях обратного смещения, поэтому они имеют очень высокое входное сопротивление.
В случае транзистора с полевым эффектом перехода ток затвора равен нулю, что обозначается; ИГ=0
Входное напряжение, представленное VGS, является контролирующим фактором для выходного тока, представленного ID.

Вы, должно быть, думаете, как мы контролируем ширину канала, по которому проходит ток? Ответ прост, мы меняем ширину PN-перехода с обеих сторон канала, что увеличивает сопротивление протеканию тока.

Поскольку мы уже знаем, что полевой транзистор Junction работает только в условиях обратного смещения, давайте теперь обсудим несколько сценариев, чтобы узнать, как генерируется выходной сигнал при различных обстоятельствах.

Состояние нулевого смещения полевого транзистора перехода

Когда на затвор не подается внешнее напряжение VGS, результирующее напряжение на стоке будет равно нулю, что можно записать как VGS = VDS = 0
Области истощения будут иметь ту же толщину, что и раньше, потому что напряжение еще не приложено.
В этом состоянии с нулевым смещением создается ток стока, позвольте мне рассказать вам, как! Носители заряда при отсутствии разности потенциалов начинают двигаться от истока к стоку, создавая ток стока, противоположный обычному протеканию тока.
Таким образом, в состоянии нулевого смещения в переходном полевом транзисторе существует только ток стока.

Условия обратного смещения полевого транзистора перехода

Сценарий применения малого обратного напряжения

При наличии потенциала или малого напряжения напряжение затвор-исток VGS, от которого зависит ток стока ID, при приложении малого обратного потенциала ширина обедненной области увеличивается.
Из-за увеличения ширины областей обеднения с обеих сторон каналу становится трудно проводить ток.
Эта трудность канала для проведения тока приводит к падению напряжения.
Ширина области обеднения больше увеличивается по направлению к выводу стока, можно считать это случайным, но в науке ничего не существует в рамках рассуждений и логики, область обеднения больше увеличивается по направлению к стоку, потому что падение напряжения выше на стороне стока .
Значение ID тока стока меньше из-за сжатия канала проводимости.

Сценарий приложения большого обратного напряжения

В этом случае мы применяем более высокое отрицательное напряжение, которое является нашим напряжением от затвора до источника, представленным VGS
Области истощения обоих соответствующих узлов PN продолжают увеличиваться в ширину.
В конце концов, обе области истощения встречаются или, можно сказать, касаются друг друга.
Вот вопрос к вам, что произойдет, если обе обедненные области встретятся или диффундируют друг в друга? В конечном итоге они заблокируют проведение тока!
Точка, в которой конкретное напряжение полностью блокирует канал проводимости, называется напряжением отсечки или иногда отсечкой

MOSFET_ металл-оксидные полевые транзисторы.

Второй тип полевых транзисторов — это MOSFET, металлооксидные полевые транзисторы.

Металлооксидные полевые транзисторы являются одним из наиболее распространенных типов широко используемых транзисторов.

Особенности MOSFET

MOSFET потребляет меньше энергии, чем другие транзисторы.
Они исключительно масштабируемы и, если вы помните закон Мура, являются его лучшим практическим воплощением.
МОП-транзисторы имеют высокие скорости переключения, поэтому они используются для генерации последовательностей импульсов. Вы знаете, что такое импульсный поезд? Последовательность импульсов представляет собой прямоугольную форму асимметричных волн, которые являются периодическими, но несинусоидальными по своей природе.
идеально подходят для цифровых, аналоговых и линейных схем.
Иногда металлооксидные полевые транзисторы — MOSFET также называют IGFET, полевыми транзисторами с изолированным затвором.

Базовая структура MOSFET

Давайте теперь обсудим базовую структуру металлооксидных полевых транзисторов MOSFET.
Металлооксидный полевой МОП-транзистор состоит из четырех компонентов, в отличие от JFET.
Компоненты MOSFET включают исток S, сток D, корпус B и затвор G.
Затвор отделен от корпуса транзистора через изоляционный материал
очень похож на JFET, но основное отличие заключается в изоляции электрода затвора от канала проводимости, либо канала P, либо канала N, с помощью тонкого слоя в основном из SiO2 или стекла.
Изоляция клеммы Gate слоем оксида металла помогает увеличить входное сопротивление. Изоляция может увеличить значение входного сопротивления до мегаом.
Для подробного ознакомления с полевым МОП-транзистором, его конструкцией, работой и применением вы можете обратиться к подробной статье, представленной на нашем веб-сайте.

Символ металл-оксидного полевого транзистора MOSFE T

Следующий символ используется для обозначения MOSFET.

Стрелка указывает направление тока, и я уже знаю, что вы знаете об этом!
Теперь вы, должно быть, думаете, почему символическое представление показывает только три терминала, пожалуйста, не ищите четвертый! Потому что источник всегда привязан к терминалу тела и представлен как один терминал.
Таким образом, вы можете обнаружить только три терминала с названиями Gate G, Drain D и Source S.

Типы МОП-транзисторов

Ниже приведены четыре широко известных типа MOSFET;

N-канальный режим расширения MOSFET
Режим расширения P-канала MOSFET
N-канальный режим истощения MOSFET
Режим истощения P-канала MOSFET

Подробный обзор всех этих типов MOSFET можно найти в нашей статье о MOSFET.

Характеристики полевого транзистора

Текущее напряжение, ВАХ полевого транзистора нанесены на график между приложенным напряжением VDS и током стока ID.
График для изучения характеристической кривой полевого транзистора_FET построен между переменными значениями тока стока, представленными ID по оси y, с переменными значениями VDS по оси x.

На графике показаны следующие регионы;

Омическая область
Зона отсечки
Насыщенность или активная область
Область пробоя

Обратитесь к графику для лучшего понимания.

Теперь мы подробно обсудим каждый из регионов.

Омическая область

Это крайняя левая сторона графика, которая представляет значение ID тока стока, когда приложенное напряжение транзистора между истоком и затвором равно нулю, т.е. VGS= 0
Проводящий канал в данном случае небольшой, но не узкий.
Области истощения на соответствующих сторонах имеют одинаковый размер и еще не начали расширяться.
Наш полевой транзистор действует как резистор, управляемый напряжением, в этом примере кривой ВАХ.

Область отсечки

Это вторая область нашего графика, представленная фиолетовыми линиями.
Эта область отсечки также называется областью отсечки, потому что напряжение VGS, управляющее током транзистора, достаточно велико, чтобы схема работала как открытый ключ.
В области отсечки проводящий канал для тока почти закрыт из-за увеличенной толщины областей обеднения с обеих сторон.

Область насыщения

Область насыщения также называется активной областью графика.
В этой области полевой транзистор ведет себя как хороший проводник.
Значение приложенного напряжения VGS, напряжение между затвором и истоком управляет транзистором.
Напряжение источника стока VDS оказывает минимальное влияние на текущий идентификатор транзистора в этот самый момент.

Область пробоя

Это последняя и конечная область кривой характеристики полевого транзистора, вы можете наблюдать эту область в крайнем правом углу.
Напряжение между истоком и стоком, представленное VDS, в этой точке очень высокое.
Напряжение достаточно велико, чтобы проводящий канал был разорван, и максимальный ток проходит через канал в сток.

Применение полевых транзисторов

Полевые транзисторы произвели революцию в мире электроники, существует бесконечный список применений полевых транзисторов, в этом разделе мы обсудим несколько важных.
Полевые транзисторы часто используются в интегральных схемах из-за их меньшего размера и компактности.
используются в операционных усилителях в качестве VR, резисторов с переменным напряжением.
Они также используются в регуляторах тембра для работы микшера на ТВ и FM.
также используются в логических элементах.
также широко используются в производстве цифровых переключателей.

Теперь мы обсудим некоторые из наиболее продвинутых применений полевых транзисторов.

Полевой транзистор в качестве буферного усилителя

Прежде всего, давайте сначала обсудим, что делает буфер? Буфер обеспечивает успешную передачу цифрового или аналогового сигнала на предыдущую волну.
Буфер напряжения помогает усиливать ток, не нарушая фактического уровня напряжения.
Итак, поскольку вы хорошо знаете функцию буфера, мы обсудим, как полевой транзистор действует как буферный усилитель.
Буферный усилитель отделяет предыдущую ступень сигнала от последующей, для этого служит сток полевого транзистора.
Наконец, вы должны подумать, какое характерное свойство помогает полевому транзистору достичь этого. У меня есть ответ на этот ваш вопрос! Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс делают полевой транзистор превосходным буферным усилителем.

FET в качестве аналогового переключателя

В последнее время мы обсуждали использование полевых транзисторов в аналоговых и цифровых переключателях, теперь мы будем обсуждать их использование в аналоговых переключателях.
Мы обсуждали это ранее, а также в нашей кривой характеристик и сценариях работы полевого транзистора, когда выходное напряжение равно входному напряжению, благодаря чему полевой транзистор работает как переключатель.

Когда VGS, который является напряжением истока затвора, как вы уже знаете, отсутствует, полевой транзистор работает как маленькое сопротивление, хотя ток стока немного присутствует, но его величина практически незначительна.
Математическое выражение можно записать как

VOUT = {RDS/ (RD + RDS (ON)}* Vin

Если вы помните, область отсечки кривой ВАХ нашего полевого транзистора, когда на источник затвора подается максимальное отрицательное напряжение области, и в конечном итоге полевой транзистор_FET начинает действовать как очень высокое сопротивление.
Это сопротивление находится в диапазоне мегаом.
В этом случае выходное напряжение Vout почти равно входному напряжению, которое было VGS.

Полевой транзистор в качестве фазовращателя

Полевые транзисторы идеально подходят для использования в качестве фазовращателя.
используются для генерации сигналов с широким диапазоном частот.
могут использоваться как для усиления, так и для работы в контуре обратной связи, поэтому они отлично подходят для работы в качестве фазовращателей.
_ Полевые транзисторы имеют высокий входной импеданс, поэтому эффект нагрузки при использовании в качестве генераторов с фазовым сдвигом значительно меньше.
В большинстве случаев для этой цели используются N-канальные JFET.

Вы можете наблюдать полевые транзисторы в качестве генераторов фазового сдвига в устройствах GPS, музыкальных инструментах и многих других местах, где модулируются аудиосигналы, такие как синтез голоса.

Полевой транзистор в качестве каскодного усилителя

Код регистра слов был получен из фразы «Каскад к катоду».
состоят из двух компонентов: первый — усилитель крутизны, а второй — буферный усилитель.
обычно изготавливаются с использованием полевых транзисторов из-за их высокого входного сопротивления.
Мы используем каскодные усилители из-за того, что они имеют низкую входную емкость, в противном случае обычно используемые обычные усилители имеют более высокое значение входной емкости в целом, чем каскодные усилители.
Хотя коэффициент усиления по напряжению одинаков для обоих усилителей, что опять-таки является беспроигрышной ситуацией для
Каскодные усилители на полевых транзисторах.

Полевой транзистор в мультиплексоре

Давайте сначала обсудим функцию мультиплексора, мультиплексор собирает разные сигналы от разных источников, чтобы представить их как один выходной сигнал. Представьте себе целый год напряженной работы, а конечный результат сводится в единую карточку результатов после экзамена!
Junction используются для построения схемы мультиплексора.
Каждый полевой транзистор работает как SPST.
Если вы не знаете о SPST, позвольте мне сказать вам, что это однополюсный однопозиционный переключатель, который генерирует один выход из одного входа.
SPST используется в качестве переключателя в цепях.

Рассмотрим принципиальную схему, приведенную ниже;

Все входные сигналы блокируются, когда сигналы управления становятся более отрицательными, чем напряжение источника затвора VGS.
Это состояние блокирует все входные сигналы.
Повернув любое из управляющих напряжений V1, V2 или V3 на ноль, мы можем получить одну желаемую выходную волну.
Учтите, что если вы установите V2 на ноль, мы получим треугольный сигнал.
Если мы обратим V3 в ноль, вы можете сами понять из принципиальной схемы, волновой сигнал, который вы получите, Go! Прокрутите вверх!
Так вот как полевые транзисторы используются в мультиплексорах.

FET как малошумящий входной усилитель

Как вы определяете шум? Неприятный для ушей звук или при разговоре сигнализирует о помехах, которые вызывают ненужную турбулентность в желаемом выходе, делая его скудным или слабым.
Шум возникает во многих механических и электрических приборах, но иногда для некоторых вещей он допустим, а иногда нет!
Только представьте себе мешающий шум, когда вы транслируете видео или аудио, громкий сигнал, который заглушает музыку во время вашего солнечного пляжного дня на вашем радио, никому это не нужно! Вот почему полевые транзисторы используются для малошумящего усиления.
Шум не имеет ничего общего с силой сигнала, поэтому он всегда присутствует, даже когда вы закончили прямую трансляцию!
Шумовое производство является недостатком многих электронных устройств, но положительная сторона заключается в том, что наши полевые транзисторы производят немного меньше шума, особенно если они используются во входной части приемника сигнала.