Выводы полевого транзистора. Полевые транзисторы: характеристики, типы и принцип работы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое полевой транзистор. Как работает полевой транзистор. Какие бывают типы полевых транзисторов. Чем отличаются полевые транзисторы от биполярных. Каковы основные характеристики полевых транзисторов.

Содержание

Устройство и принцип работы полевого транзистора

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток между двумя электродами (истоком и стоком) управляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде (затворе). Основное отличие от биполярных транзисторов заключается в том, что в полевых транзисторах практически отсутствует ток через управляющий электрод.

Принцип работы полевого транзистора основан на изменении проводимости канала между истоком и стоком под действием поперечного электрического поля. Это поле создается напряжением, приложенным к затвору.

Основные типы полевых транзисторов

Существует несколько основных типов полевых транзисторов:

МОП-транзисторы (металл-оксид-полупроводник) с изолированным затвором
Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (JFET)

Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT)

МОП-транзисторы и JFET в свою очередь делятся на n-канальные и p-канальные в зависимости от типа проводимости канала.

Характеристики полевых транзисторов

Основными характеристиками полевых транзисторов являются:

Крутизна характеристики — отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения затвор-исток
Выходная проводимость — отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения сток-исток
Пороговое напряжение — минимальное напряжение на затворе, при котором начинает формироваться канал
Ток утечки затвора — ток через затвор при нормальном рабочем напряжении

Преимущества полевых транзисторов перед биполярными

Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными:

Очень высокое входное сопротивление (до 10¹⁴ Ом)
Малый уровень шумов
Отсутствие инжекции неосновных носителей
Высокая плотность размещения в интегральных схемах
Положительный температурный коэффициент сопротивления канала, что упрощает параллельное соединение

Области применения полевых транзисторов

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

Аналоговые и цифровые интегральные схемы
Усилители с высоким входным сопротивлением
Электронные ключи и коммутаторы
Преобразователи напряжение-ток
Генераторы, управляемые напряжением
Схемы выборки и хранения

Особенности работы МОП-транзисторов

МОП-транзисторы имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при их применении:

Высокая чувствительность к статическому электричеству

Наличие паразитных емкостей между электродами
Эффект защелкивания в КМОП-структурах
Зависимость порогового напряжения от температуры и технологического разброса

Для защиты от статического электричества применяют специальные меры предосторожности при работе с МОП-транзисторами. Паразитные емкости ограничивают быстродействие схем на высоких частотах. Эффект защелкивания может привести к выходу микросхемы из строя.

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (JFET) имеют некоторые отличия от МОП-транзисторов:

Меньшая чувствительность к статическому электричеству
Работа только в режиме обеднения канала
Меньший диапазон управляющих напряжений
Более высокий уровень шумов

JFET находят применение в маломощных аналоговых схемах, где требуется высокое входное сопротивление. Они хорошо работают в качестве источников тока, управляемых напряжением.

Сравнение характеристик n-канальных и p-канальных транзисторов

N-канальные и p-канальные полевые транзисторы имеют некоторые различия в характеристиках:

N-канальные имеют большую подвижность носителей и, следовательно, большую крутизну
P-канальные обычно имеют меньший ток утечки затвора
N-канальные требуют положительного напряжения на затворе для открытия, p-канальные — отрицательного
P-канальные имеют большее сопротивление открытого канала при тех же размерах

В КМОП-схемах используется комплементарная пара из n-канального и p-канального транзисторов, что позволяет получить малое энергопотребление в статическом режиме.

Методы измерения параметров полевых транзисторов

Для измерения параметров полевых транзисторов применяют следующие методы:

Снятие выходных и передаточных вольт-амперных характеристик
Измерение порогового напряжения методом экстраполяции

Измерение крутизны по приращениям тока и напряжения
Определение выходной проводимости в заданной рабочей точке
Измерение емкостей затвор-исток и затвор-сток

Для автоматизации процесса измерений используют специализированные тестеры полупроводниковых приборов. Это позволяет быстро получать большой объем данных о параметрах транзисторов.

Полевые транзисторы. Характеристики. Основные типы.- Elektrolife

Полевые транзисторы во многом похожи на обычные биполярные транзисторы. Они представляют собой усилительное устройство, имеющее 3 вывода, и могут иметь любую полярность. Один из выводов (

затвор) предназначен для управления током, который протекает между двумя другими выводами (истоком и стоком). Этот транзистор обладает, однако, одним особым свойством: через затвор ток не протекает, за исключением токов утечки. Это значит, что входные сопротивления могут быть очень большими, их предельные значения связаны лишь с наличием емкостей или утечек.

При использовании полевых транзисторов нет необходимости заботиться о величине тока, протекающего через базу, что было совершенно обязательно при разработке схем на биполярных транзисторах. На практике входные токи имеют порядок пикоампер. К настоящему времени полевые транзисторы зарекомендовали себя как надежные устройства, способные выполнять разнообразные функции.

Их предельно допустимые напряжения и токи сравнимы с соответствующими напряжениями и токами биполярных транзисторов.

В большинстве устройств на основе транзисторов (согласованные пары, дифференциальные и операционные усилители, компараторы, токовые ключи и усилители, радиочастотные усилители, цифровые схемы) используют полевые транзисторы и зачастую они обладают лучшими характеристиками. Более того, микропроцессоры и запоминающие устройства (а также другие крупные устройства цифровой электроники) строятся исключительно на основе полевых транзисторов.

Полевые транзисторы названы так, чтобы подчеркнуть их отличие от биполярных. В расширенном толковании, однако, они имеют много общего, так что их можно определить как

приборы, управляемые зарядом. В обоих случаях мы имеем прибор с тремя выводами, в котором проводимость между двумя электродами зависит от наличия носителей заряда, которое в свою очередь регулируется напряжением, приложенным к третьему управляющему электроду.

Отличия от биполярных транзисторов

В биполярном

n‑p‑n ‑транзисторе переход коллектор‑база смещен в обратном направлении и обычно ток через него не течет. Подача на переход база‑эмиттер напряжения около 0,6В преодолевает «потенциальный барьер» диода, приводя к поступлению электронов в область базы, где они испытывают сильное притяжение со стороны коллектора. Хотя при этом через базу будет протекать некоторый ток, большинство такого рода «неосновных носителей» захватывается коллектором. Результатом является коллекторный ток, управляемый (меньшим по величине) током базы.

Биполярный транзистор можно рассматривать как усилитель тока (

с коэффициентом усиления h_21Э) или как прибор‑преобразователь проводимости (Эберс‑Молл). В полевом транзисторе, как следует из его названия, проводимостью канала управляет электрическое поле, создаваемое приложенным к затвору напряжением.

Здесь нет прямосмещенных р‑n ‑переходов, так что ток через затвор не течет и это, возможно, – наиболее важное преимущество полевых перед биполярными транзисторами.

Посмотрим на полевой транзистор поближе. Прежде всего, свыше нормального диапазона ток насыщения стока растет довольно умеренно при увеличении напряжения затвора (

U_ЗИ). Фактически он пропорционален (U_ЗИ ‑ Uth)², где Uth ‑ «пороговое напряжение затвора», при котором начинает протекать ток стока.

Во‑вторых, постоянный ток затвора равен нулю, так что мы не должны смотреть на полевой транзистор как на устройство, усиливающее ток (усиление было бы равно бесконечности). Вместо этого необходимо рассматривать полевой транзистор как устройство, характеризуемое крутизной – программирование тока стока напряжением затвор‑исток. Крутизна

g_m есть просто отношение тока стока к напряжению исток/сток i_С /u_СИ.

В‑третьих, у МОП‑транзистора затвор действительно изолирован от канала сток‑исток. Поэтому, в отличие от биполярных транзисторов, можно подавать на него положительное (или отрицательное) напряжение до 10 В и более, не заботясь о диодной проводимости.

И наконец, полевой транзистор отличается от биполярного транзистора в так называемой линейной области графика. Здесь его поведение довольно точно соответствует поведению резистора, даже при отрицательном

U_СИ. Это очень полезное свойство, поскольку, сопротивление сток‑исток программируется напряжением затвор‑исток.

Возможности полевых транзисторов различного типа

Наиболее важной характеристикой полевого транзистора является отсутствие тока затвора. Получаемое, вследствие, высокое входное полное сопротивление (оно может быть больше 10

¹⁴ Ом) существенно во многих применениях и в любом случае упрощает проектирование схем. В качестве аналоговых переключателей и усилителей со сверхвысоким входным полным сопротивлением полевые транзисторы не имеют себе равных.

Сами по себе или в сочетании с биполярными транзисторами они легко встраиваются в интегральные схемы.

Различают дискретные полевые транзисторы и интегральные, которые изготавливают при производстве микросхем. Интегральные вместе с другими элементами схемы выполняются на общей полупроводниковой подложке, от которой делается четвертый вывод, обозначаемый символом

B. Так как на малой площади в интегральной микросхеме может быть размещено большее число слаботочных полевых транзисторов, то они особенно полезны для создания больших интегральных микросхем, таких как микропроцессоры и устройства памяти. Дискретные полевые транзисторы предназначены для монтажа на печатных платах и имеют собственный корпус.

Плюс к тому наличие мощных полевых транзисторов (30 А или более) позволяет заменить биполярные транзисторы во многих применениях, зачастую получая более простые схемы с улучшенными параметрами.

Как уже было сказано полевой транзистор является полупроводниковым схемным элементом с тремя выводами, которые называются

затвором (Gate, G), истоком (Source, S) и стоком (Drain, D).

Полевые транзисторы бывают двух полярностей:

n ‑канальные (с проводимостью за счет электронов) и р ‑канальные (с дырочной проводимостью). Эти полярности аналогичны уже известным нам n‑p‑n и p‑n‑p ‑транзисторам биполярного типа. Однако разнообразие полевых транзисторов этим не ограничивается, что может приводить к путанице. Во‑первых, полевые транзисторы могут изготавливаться с затворами двух различных типов. В результате мы имеем полевые транзисторы с p‑n ‑переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором, так называемые МОП‑транзисторы. Во‑вторых – двумя типами легирования канала, что дает полевой транзистор обогащенного и обедненного типа.

В качестве общего ознакомления, посмотрите варианты существующих полевых транзисторов (боюсь, что это не самый полный список):

MOSFET — (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) использует изолятор обычно SiO2 между затвором и каналом.

JFET — полевой транзисторе с управляющим p-n переходом
MESFET — (Metal–Semiconductor Field-Effect Transistor) разновидность p-n перехода JFET с барьером Schottky; используются с GaAs и др. III-V полупроводниками.
ISFET — ion-sensitive field-effect transistor – ионно-чувствительный полевой транзистор.
ChemFET — chemical field-effect transistor — МОСФЕТ транзисторы, заряд на затворе которых определяется химическими процессами.
EOSFET — electrolyte-oxide-semiconductor field effect transistor вместо металла в качестве затвора используется электролит.
CNTFET — Carbon nanotube field-effect transistor — полевой транзистор с углеродными нанотрубками.

DEPFET – полевой транзистор с полностью обедненной подложкой, используются как сенсоры, усилители и ячейки памяти одновременно. Может быть использован как датчик фотонов.
DGMOSFET — с двумя затворами.
DNAFET — специальный FET используемый как биосенсор, с затвором из 1-й ДНК молекулы чтобы определять соответствующую нить ДНК.
FREDFET — (Fast Reverse or Fast Recovery Epitaxial Diode FET) специальный полевой транзистор, разработанный для обеспечения сверхбыстрого закрытия встроенного диода (is a specialized FET designed to provide a very fast recovery (turn-off) of the body diode)
HEMT — (high electron mobility transistor) или HFET(heterostructure FET) полевой транзистор с высокой подвижностью зарядов, гетероструктурные (шестигранные) FET. Изолятор затвора формируется из полностью обедненного материала с большой шириной запрещенной зоны.
HIGFET — (heterostructure insulated gate field effect transisitor), гетероструктурные MISFET используются в основном в исследовательских целях.
MODFET — (Modulation-Doped Field Effect Transistor) использует квантовую структуру, сформированную градиентным легированием активной области.
NOMFET – (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor) — память на основе органических наночастиц.
OFET – (Organic Field-Effect Transistor) — канал из органического полупроводника.
GNRFET – (Field-Effect Transistor that uses a graphene nanoribbon for its channel). С каналом из графеновой пленки.
VFET – (Vertical Field-Effect Transistor), вертикальный полевой транзистор, полевой транзистор с вертикальной структурой, полевой транзистор с вертикальным каналом.
VeSFET — (Vertical-Slit Field-Effect Transistor) is a square-shaped junction-less FET with a narrow slit connecting the source and drain at opposite corners. Two gates occupy the other corners, and control the current through the slit… полевой транзистор квадратной формы, без перехода с близким расположением истока и стока на противоположных углах. Два других входа, занимающие другие углы — затворы, которые контролируют переход.
TFET — (Tunnel Field-Effect Transistor) — основан на эффекте тунеллирования … из полосы в полосу.
IGBT — (insulated-gate bipolar transistor) устройство для контроля мощности. Представляет из себя гибрид полевого транзистора с проводящим каналом, как у биполярного транзистора. Обычно используются для напряжений 200-3000V сток-исток. Мощные MOSFETs обычно используются до 200 V.

Входные характеристики полевых транзисторов

Рассмотрим вначале

n ‑канальный МОП‑транзистор, биполярным аналогом которого является n‑p‑n – транзистор.

α) n-канальный МОП транзистор б) биполярный n-р-n транзистор

В нормальном режиме сток (или соответствующий ему коллектор) имеет положительный потенциал относительно истока (эмиттера). Ток от стока к истоку отсутствует, пока на затвор (базу) не будет подано положительное по отношению к истоку напряжение. В последнем случае затвор становится «прямосмещенным», и возникает ток стока, который весь проходит к истоку.

Подобно

n‑p‑n ‑транзистору, полевой транзистор имеет большое приращение полного сопротивления стока. В результате чего, при напряжении U_СИ свыше 1–2 В, ток стока почти не меняется. Подобно биполярному транзистору, чем больше смещение затвора полевого транзистора относительно истока, тем больше ток стока. В любом случае поведение полевого транзистора ближе к идеальным устройствам, по сравнению с биполярным. Согласно уравнению Эберса‑Молла у биполярных транзисторов должны быть превосходные характеристики выходной проводимости, но эти идеальные характеристики не достигаются из‑за эффекта Эрли.

Зеркальным отображением n ‑канального МОП‑транзистора является

p ‑канальный МОП‑транзистор. Его характеристики симметричны и напоминают характеристики р‑n‑р – транзистора. Сток нормально имеет отрицательное смещение по отношению к истоку. Ток стока будет проходить, если на затвор подать отрицательное по отношению к истоку напряжение не менее одного‑двух вольт.

Симметрия несовершенна, поскольку носителями являются не электроны, а дырки с меньшей «подвижностью» и «временем жизни неосновных носителей».

Отсюда следует, что

p ‑канальные полевые транзисторы имеют обычно более плохие характеристики, а именно более высокое пороговое напряжение, более высокое R_вкл и меньший ток насыщения.

У МОП‑транзисторов (металл‑окисел‑полупроводник) затвор изолирован от проводящего канала тонким слоем SiO

₂ (стекла), наращенного на канал.

Затвор, который может быть металлическим или легированным полупроводником, действительно изолирован от цепи исток‑сток (характеристическое сопротивление > 10

¹⁴ Ом) и действует на проводимость канала только своим электрическим полем. Отсюда название МОП‑транзистора — полевые транзисторы с изолированным затвором. Изолирующий слой довольно тонкий, обычно его толщина не превышает длины волны видимого света, и он может выдержать напряжение затвора до ±20 В и более.

Управляющее напряжение воздействует на плотность носителей заряда в инверсионном слое под затвором. Этот слой образует проводящий канал между истоком и стоком и тем самым делает возможным протекание тока в канале.

МОП‑транзисторы просты в применении, поскольку на затвор можно подавать напряжение любой полярности относительно истока, и при этом через затвор не будет проходить никакой ток. Эти транзисторы, однако, в большой степени подвержены повреждениям от статического электричества, вы можете вывести из строя устройство на МОП‑транзисторах буквально одним прикосновением.

Символическое изображение МОП‑транзистора показано на рисунке

a) – n канальный и б) – p канальный МОП транзисторы

Здесь представлен дополнительный вывод, «тело» или «подложка» ‑ кусок кремния, на котором выполнен полевой транзистор. Так как подложка образует с каналом диодное соединение, напряжение на ней должно быть ниже напряжения проводимости. Она может быть соединена с истоком или с точкой схемы, в которой напряжение ниже (выше), чем у истока

n ‑канального (р ‑канального) МОП‑транзистора.

Обычно на схемах вывод подложки не показывается.

В

полевом транзисторе с управляющим p-n переходом (JFET) управляющее напряжение влияет на протяженность запорного слоя в закрывающем направлении рабочего p-n перехода. Это приводит к изменению площади сечения и, следовательно, проводимости канала между стоком и истоком

Поскольку затвор не отделен от канала, p-n переход может быть смещен в прямом направлении.

Отсюда следствие, что

в полевом транзисторе с p‑n‑переходом во избежание прохождения тока через затвор последний не должен быть смещен в прямом направлении относительно канала. Т.е. у n ‑канального полевого транзистора с p‑n ‑переходом диодная проводимость будет наблюдаться по мере того, как напряжение на затворе приближается к 0,6-4 В по отношению к концу канала с более отрицательным потенциалом (обычно это исток). Поэтому затвор работает смещенным в обратном направлении по отношению к каналу. И в цепи затвора нет никакого тока, кроме тока утечки.

Схемные изображения полевого транзистора с

p‑n ‑переходом представлены на рисунке

a) – n канальный и б) – p канальный полевой транзистор с p n переходом.

Полевые транзисторы (как с

p‑n ‑переходом, так и МОП‑транзисторы) почти симметричны, но обычно они изготавливаются таким образом, чтобы получить емкость между стоком и затвором меньше, чем емкость между истоком и затвором. Вследствие чего использовать сток в качестве выходного вывода предпочтительнее.

Обогащение, обеднение N ‑ канальный МОП‑транзистор не проводит ток при нулевом (или отрицательном) смещении затвора и начинает проводить, когда затвор положительно смещен относительно истока. Этот тип полевого транзистора известен как полевой транзистор обогащенного типа.

Имеется и другая возможность изготовления

n ‑ канального полевого транзистора, когда полупроводник канала «легирован». В этом случае даже при нулевом смещении затвора имеется значительная проводимость канала, и на затвор должно быть подано обратное смещение в несколько вольт для отсечки тока стока.

Такой полевой транзистор известен как транзистор обедненного типа.

МОП‑транзисторы могут быть изготовлены любой разновидности, поскольку здесь нет ограничения на полярность затвора. Однако полевые транзисторы с

p‑n ‑переходом допускают лишь одну полярность смещения затвора, и поэтому их выпускают только обедненного типа.

График зависимости тока стока от напряжения затвор‑исток при фиксированном значении напряжения стока приведен на рисунке ниже.

Обогащенные (1) и обедненные (2) полевые транзисторы отличаются только сдвигом напряжения затвор исток

МОП‑транзистор обогащенного типа не проводит ток, пока напряжение затвора не станет положительным (для

n ‑канальных) по отношению к истоку. В то время как ток стока МОП‑транзистора обедненного типа будет близок к максимальному при напряжении затвора, равном напряжению истока. В некотором смысле такое разбиение на две категории является искусственным, поскольку два графика на рисунке выше отличаются только на сдвиг по оси U_ЗИ.

Полевые транзисторы с

р‑n ‑переходом – это всегда приборы обедненного типа и смещение затвора относительно истока не должно быть больше приблизительно +0,5 В (для n ‑канала). Иначе появится проводимость в диодном переходе затвор‑канал. МОП‑транзисторы могут быть обогащенными или обедненными, но на практике редко можно встретить последние. Во всех практически встречающихся случаях мы имеем дело только с полевыми транзисторами с p‑n ‑ переходом обедненного типа, либо с обогащенными МОП‑транзисторами. И те и другие могут быть любой полярности, т. е. n ‑канальными или p ‑канальными.

Таким образом, можно выделить

шесть основных типов полевых транзисторов. Их графические условные обозначения показаны ниже.

n-канальный МОП транзистор с изолированным затвором (обогащенный)p-канальный МОП транзистор с изолированным затвором (обогащенный)n-канальный МОП транзистор с изолированным затвором (обедненный)p-канальный МОП транзистор с изолированным затвором (обедненный)n-канальный полевой транзистор с управляющим р-n переходомp-канальный полевой транзистор с управляющим р-n переходом

Вовсе не обязательно запоминать свойства каждого из представленных типов полевых транзисторов, поскольку они в основном одинаковы.

Во‑первых, при заземленном истоке полевой транзистор включается (переходит в проводящее состояние) путем смещения напряжения затвора в сторону напряжения питания стока. Это верно как для всех типов полевых транзисторов, так и для биполярных транзисторов. Например, для

n ‑канального полевого транзистора с р‑n ‑переходом (который, разумеется, является обедненным) используется положительное напряжение питания стока, как и для всех n ‑канальных приборов. Таким образом, этот полевой транзистор включается положительным смещением затвора. Здесь есть тонкость, состоящая в том, что у приборов обедненного типа для получения нулевого тока стока затвор должен иметь обратное смещение. В то время как у приборов обогащенного типа достаточно для этой цели нулевого напряжения на затворе.

Во‑вторых, в связи с примерной симметрией истока и стока любой из этих выводов может работать как исток (исключение составляют мощные МОП‑транзисторы, у которых подложка внутри корпуса соединена с истоком).

При изучении работы полевого транзистора, а также при расчетах, за исток принимается вывод, наиболее «удаленный» по напряжению от активного питания стока.

Например, допустим, что полевой транзистор используется для замыкания на землю некоторой линии, в которой присутствуют как положительные, так и отрицательные сигналы. Обычно такая линия подключается к стоку полевого транзистора. Если в качестве ключа взят

n ‑канальный МОП‑транзистор обогащенного типа и если случится, что в выключенном состоянии напряжение на стоковом выводе будет отрицательным, то для подсчета отпирающего напряжения затвора этот вывод следует считать в действительности «истоком». Это означает, что для обеспечения надежного запирания ключа отрицательное напряжение на затворе должно быть не только уровня «земли», но и превышать (по абсолютной величине) наибольший отрицательный сигнал.

Характеристики, приведенные на рисунке ниже, помогут разобраться в этих запутанных вопросах.

Характеристики полевых транзисторов различных типов и полярностей 1 – обогащенный p канальный МОП транзистор; 2 – обогащенный n канальный МОП транзистор; 3 – n- канальный полевой транзистор с p-n переходом; 4 – p -канальный полевой транзистор с p-n переходом.

Для полевого транзистора с

p‑n ‑переходом напряжение затвор‑исток, при котором ток стока становится равен нулю, называется «напряжением отсечки» (U_отс) или «напряжением выключения» (U_{ЗИ выкл}). Типичное его значение лежит в диапазоне от –3 до –10 В (для p ‑канального прибора оно, разумеется, положительное).

Для обогащенного МОП‑транзистора аналогичная величина называется «пороговое напряжение»,

U_th (или U_{ЗИ пор}), – это напряжение перехода затвор‑исток, при котором начинает проходить ток стока. Типичная величина U_th составляет 0,5–5 В, разумеется, в «прямом» направлении.

Еще раз отметим, что разница между обогащенными и обедненными приборами выражается только в сдвиге вдоль оси

U_ЗИ. Т. е. имеется ли большой ток стока или нет совсем никакого тока при напряжении затвора равном напряжению истока. Полевые n ‑канальные и p ‑канальные транзисторы симметричны друг другу в том же смысле, в каком являются таковыми биполярные n‑р‑n ‑ и p‑n‑p ‑транзисторы.

Для полевых транзисторов с

p‑n ‑переходом величина тока стока при замкнутых накоротко затворе и истоке обозначается в спецификациях как I_{СИ нач}(ток от стока к истоку при короткозамкнутых затворе и истоке). Величина I_{СИ нач} близка к величине максимально допустимого тока стока.

Для обогащенных МОП‑транзисторов аналогичной спецификацией является

I_СИ_вкл, при некотором заданном напряжении прямого смещения затвора. I_{СИ нач} у любого прибора с обогащением был бы равен нулю.

Выходные характеристики полевых транзисторов

Полевые транзисторы ведут себя как хорошие преобразователи проводимости (т. е.

I_C почти не изменяется при заданном U_ЗИ) практически во всем диапазоне изменения U_СИ. Исключением являются его малые значения, где они проявляют себя как сопротивление (т. е. I_С пропорционален U_СИ).

В обоих случаях приложенное к переходу затвор‑исток напряжение управляет поведением полевого транзистора, которое хорошо можно описать аналогом уравнения Эберса‑Молла для полевого транзистора. Посмотрим на эти две области более подробно.

Нарастание тока стока

В обеих областях ток стока зависит от

U_ЗИ ‑ U_th, величины, на которую напряжение затвор‑исток превышает пороговое напряжение (или напряжение отсечки). Линейная область, в которой ток стока приблизительно пропорционален U_ЗИ, простирается до напряжения U_ЗИнас, после чего ток стока почти не изменяется. Крутизна наклона линейного участка, I_С /U_СИ, пропорциональна напряжению смещения, U_ЗИ ‑ U_th. Далее, напряжение стока U_СИнас, при котором кривая «выходит на насыщение», равно U_ЗИ ‑ U_th, в результате чего ток насыщения, U_Снас, становится пропорционален (U_ЗИ ‑ U_П )² – квадратичный закон, о котором мы упоминали ранее.

Итак, имеем универсальные формулы для определения тока стока полевого транзистора:

I_С = 2k[(U_СИ – U_th )U_СИ – 0,5U²_СИ ] (линейный участок)

I_С = k[(U_ЗИ – U_th )² (участок насыщения)

Если мы назовем (

U_ЗИ–U_th₎ (величину, на которую напряжение затвор‑исток превышает порог) «напряжением возбуждения затвора», то можно сформулировать три важных результата из сказанного:

а) удельное сопротивление полевого транзистора в линейной области обратно пропорционально напряжению возбуждения

б) линейный участок простирается вплоть до напряжения, равного напряжению возбуждения

в) ток насыщения стока пропорционален напряжению возбуждения в квадрате.

Приведенные выражения предполагают, что подложка соединена с истоком. Обратите внимание на то, что «линейный участок» не является строго линейным, поскольку формула содержит нелинейный член

U²_СИ.

Масштабный коэффициент

k зависит от таких параметров, как геометрия полевого транзистора, емкость слоя окисла и подвижность носителей. У этой постоянной отрицательный температурный коэффициент:

k ~ T ^‑3/2.

Этот эффект сам по себе приводил бы к уменьшению

I_С с увеличением температуры. Однако это компенсируется тем, что U_th также в слабой степени зависит от температуры с коэффициентом 2–5 мВ/°С.

При больших токах стока убывание коэффициента к с ростом температуры влечет уменьшение тока стока! Как следствие этого, полевые транзисторы какого‑нибудь одного типа могут быть соединены параллельно без токовыравнивающих резисторов.

В отличие от биполярных транзисторов, где «резисторный балласт» в цепях эмиттеров необходим. Этот же отрицательный температурный коэффициент предотвращает также тепловую гонку на локальном участке перехода (эффект, известный под названием «прогиб тока»). При малых токах стока (когда доминирует температурная зависимость U_th) I_С растет с ростом температуры и точка перехода от возрастания к убыванию находится при некотором промежуточном значении тока стока. Этот эффект используется в операционных усилителях на полевых транзисторах для минимизации температурного дрейфа.

Разброс характеристик

Полевые транзисторы уступают биполярным транзисторам в предсказуемости

U_ЗИ, т. е. значения U_ЗИ, обеспечивающие заданный I_С, имеют большой разброс. Приборы, обладающие большим разбросом, будут давать больший сдвиг (напряжение небаланса), если их применять в качестве дифференциальных пар.

Например, типичный серийный биполярный транзистор дает разброс U_БЭ в 50 мВ или около того при некотором заданном токе коллектора без всякого отбора транзисторов. Соответствующая цифра для МОП‑транзисторов – более 1 В! Но поскольку полевые транзисторы обладают весьма желательными характеристиками, имеет смысл затратить некоторые дополнительные усилия для уменьшения сдвига путем изготовления согласованных пар.

Хотя полевые транзисторы не могут сравняться с биполярными транзисторами в согласованности

U_ЗИ, их параметры вполне пригодны для большинства применений. Например, наилучшим образом согласованная пара полевого транзистора имеет сдвиг 0,5 мВ и температурный коэффициент 5 мкВ/°С (макс). В то время как у лучшей биполярной пары эти значения будут 25 мкВ и 0,6 мкВ/°С, грубо говоря, в 10 раз лучше.

Операционные усилители (универсальные дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления) выпускаются как на полевых, так и на биполярных транзисторах.

Для высокоточных применений лучше выбрать ОУ с биполярной «начинкой» (ввиду тесного согласования входных транзисторов по U_БЭ). В то время как ОУ с входом на полевых транзисторах, очевидно, является наилучшим выбором для высокоомных схем (их входы – затворы полевого транзистора – не потребляют тока).

Возможно Вам будет интересно:

Как проверить полевой транзистор?

Такой транзистор можно заменить практически любым n-канальным с напряжением между стоком и истоком больше или равно 40V и током стока больше или равно 30А, например IRFZ44, 40n10, 50N06 и т.п. При ремонте аппаратов, в которых применены полевые транзисторы, часто возникает задача проверки целостности и работоспособности этих транзисторов.

Чаще всего приходится иметь дело с вышедшими из строя мощными полевыми транзисторами импульсных блоков питания. Расположение выводов полевых транзисторов (Gate – Drain – Source) может быть различным. Часто выводы транзистора можно определить по маркировке на плате ремонтируемого аппарата (обычно выводы маркируются латинскими буквами G, D, S).

Если такой маркировки нет, то желательно воспользоваться справочными данными. Чтобы предотвратить выход из строя транзистора во время проверки, очень важно при проверке полевых транзисторов соблюдать некоторые правила безопасности.

Полевые транзисторы очень чувствительны к статическому электричеству, поэтому их рекомендуется проверять, предварительно организовав заземление. Для того чтобы снять с себя накопленные статические электрические заряды, необходимо надеть на руку заземляющий антистатический браслет.

Также следует помнить, что при хранении полевых транзисторов, особенно маломощных, их выводы должны быть замкнуты между собой. При проверке чаще всего пользуются обычным омметром, у исправного полевого транзистора между всеми его выводами должно быть бесконечное сопротивление, следует заметить, что тут могут быть некоторые исключения.

Например, если при проверке приложить положительный щуп тестового прибора к затвору (G) транзистора n-типа, а отрицательный к истоку (S), емкость затвора зарядится и транзистор откроется. И тогда при замере сопротивления между стоком (D) и истоком (S) прибор покажет некоторое значение сопротивления, которое можно ошибочно принять за неисправность транзистора.

Поэтому перед «прозвонкой» канала «сток-исток» замкните накоротко все ножки транзистора, чтобы разрядить емкость затвора. После этого сопротивление сток-исток должно стать бесконечным.

В противном случае транзистор признается неисправным. В современных мощных полевых транзисторах между стоком и истоком имеется встроенный диод, поэтому канал «сток-исток» при проверке ведет себя как обычный диод. Для того чтобы избежать досадных ошибок, помните о наличии такого диода и не примите это за неисправность транзистора.

Убедиться в наличии диода достаточно просто. Нужно поменять местами щупы тестера, и он должен показать бесконечное сопротивление между стоком и истоком. Если этого не произошло, то, скорее всего, транзистор пробит. Таким образом, имея под рукой обычный омметр, можно легко и быстро проверить мощный полевой транзистор.

Для диагностики полевых транзисторов N-канального вида, вначале берем и выпаиваем транзистор, кладем его на стол лицом к себе, ноги обязательно должны быть в воздухе, ничего не касаться. Черный щуп слева на подложку (D – сток), красный на дальний от себя вывод справа (S – исток), мультиметр показывает падение напряжения на внутреннем диоде ~502 мВ, транзистор закрыт .

Далее, не снимая черного щупа, касаемся красным щупом ближнего вывода (G – затвор и опять возвращаем его на дальний (S – исток), тестер показывает 0 мВ (на некоторых цифровых мультиметрах будет показываться не 0, а ~150…170мВ): полевой транзистор открылся прикосновением.

Если сейчас черным щупом коснуться нижней (G – затвор) ножки, не отпуская красного щупа и вернуть его на подложку (D – сток), то полевой транзистор закроется, и мультиметр снова будет показывать падение напряжения около 500мВ.

Это верно для большинства N-канальных полевых транзисторов в корпусе DPAK и D²PAK. Открываем. Открыт. Закрываем. Закрыт. Транзистор выполнил всё, что от него требовалось. Диагноз – исправен. Для проверки P-канальных полевых транзисторов нужно поменять полярность напряжений открытия-закрытия.

Для этого просто меняем щупы мультиметра местами. Еще раз по-быстрому: Берем тестер на режиме проверки диодов. Кладем транзистор на стол лицом к себе, ноги в воздухе, ничего не касаются. Щупы тестера ставим так: минус в правую ногу, а плюс в левую. Это откроет транзистор. Плюс переносим на среднюю ногу.

Тестер должен показать минимальное падение напряжения (около 10-50 мВ). (В случае мультиметра – показывает около 0, что-то типа “002”) Теперь плюс на правую ногу, а минусом на левую. Это закроет транзистор. Тестер показывает бесконечность. И опять плюс на среднюю ногу, а минус на правую. Тестер показывает бесконечность. (Минус на среднюю ногу, плюс на правую – показывает что-то около 500 – это встроенный диод, защитный, присутствует в большинстве мощных мосфетов).

транзисторпроверка

На этом сайте не используются файлы cookie, соглашаясь вы предоставите возможность принимать файли куки подробнее

Полевые транзисторы

(FET) — что это такое и для чего они нужны? — Франчайзинговый дистрибьютор электронных компонентов — Военный сертифицированный производитель

Полевой транзистор, иногда называемый униполярным транзистором , использует либо электроны (в n-канальный полевой транзистор ), либо дырки (в p-канальный полевой транзистор ) для проводимости . Четыре клеммы полевого транзистора называются исток , затвор , сток и корпус ( подложка 9).0004). В большинстве полевых транзисторов корпус подключен к источнику внутри корпуса, и это предполагается для последующего описания.

В полевом транзисторе ток сток-исток протекает по проводящему каналу, соединяющему область истока с областью стока . Проводимость зависит от электрического поля, создаваемого при приложении напряжения между выводами затвора и истока; следовательно, ток, протекающий между стоком и истоком, регулируется напряжением, приложенным между затвором и истоком. Поскольку напряжение затвор-исток ( В GS) увеличивается, ток сток-исток ( I DS) увеличивается экспоненциально для VGS ниже порогового значения, а затем примерно с квадратичной скоростью ( I DS ∝ ( В GS- В T)2) (где В Тл — пороговое напряжение, при котором начинается ток стока). в области «ограничения пространственного заряда» выше порога. Квадратичное поведение не наблюдается в современных устройствах, например, на технологическом узле 65 нм.

Для низкого уровня шума при узкой полосе пропускания предпочтительно более высокое входное сопротивление полевого транзистора. 9Полевые транзисторы 0019

делятся на два семейства: полевые транзисторы с переходом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET). БТПТ более известен как полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор), что отражает его первоначальную конструкцию из слоев металла (затвор), оксида (изоляция) и полупроводника. В отличие от IGFET, затвор JFET образует p-n-диод с каналом, расположенным между истоком и стоком. Функционально это делает n-канальный JFET твердотельным эквивалентом лампового триода, который аналогичным образом образует диод между его сеткой и катодом. Также оба устройства работают в режим истощения , они оба имеют высокий входной импеданс, и они оба проводят ток под контролем входного напряжения.

Полевые транзисторы металл-полупроводник (MESFET) представляют собой полевые транзисторы JFET, в которых p-n-переход с обратным смещением заменен переходом металл-полупроводник. Они, а также HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов, или HFET), в которых для переноса заряда используется двумерный электронный газ с очень высокой подвижностью носителей, особенно подходят для использования на очень высоких частотах (микроволновых частотах; ГГц).

Полевые транзисторы далее подразделяются на типы с режимом истощения и с режимом расширения в зависимости от того, включен или выключен канал с нулевым напряжением затвор-исток. В режиме улучшения канал выключен при нулевом смещении, а потенциал затвора может «усилить» проводимость. В режиме истощения канал включен при нулевом смещении, а потенциал затвора (противоположной полярности) может «истощать» канал, уменьшая проводимость. Для любого режима более положительное напряжение затвора соответствует более высокому току для n-канальных устройств и более низкому току для p-канальных устройств. Почти все полевые транзисторы JFET работают в режиме истощения, потому что диодные переходы смещали бы вперед и проводили, если бы они были устройствами в режиме улучшения; большинство IGFET являются типами режима улучшения.

Источник: Wikipedia

FET — STUDYTRONICS

— FET — это транзистор, который использует электрическое поле для управления формой и, следовательно, проводимостью канала одного типа носителей заряда в полупроводниковом материале.

— Полевые транзисторы представляют собой униполярные транзисторы.

— Это устройство, работающее от напряжения.

— Это 3-концевое устройство.

3 Клеммы FET

· Источник

: Несущие входят в ток канала.
·         Слив : Несущие покидают текущий канал.
·         Gate : Терминал, модулирующий проводимость канала.
Принципиальная схема
JFET
Соединение полевого транзистора
Не имеет p-n переходов
Резисторы JFET имеют канал, по которому течет ток 101
Символ

Выходные характеристики

MOSFET
·         Полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника
·         Он имеет затвор из оксида металла, который электрически изолирован от основного полупроводника
·         Также известен как IGFET
Конструкция МОП-транзистора
ТИПЫ МОП-транзисторов

Режим истощения
    Транзистору требуется напряжение затвор-исток для выключения устройства
     Эквивалентно нормально закрытому переключателю
Режим расширения
устройство ON
    Эквивалентно нормально разомкнутому переключатель
РЕЖИМЫ ПТ
Полевой транзистор, являющийся устройством с тремя выводами, может работать в трех различных режимах.