Простые схемы на полевых транзисторах. Полевые транзисторы: принцип работы, типы и применение в схемотехнике — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроены полевые транзисторы. Какие бывают типы полевых транзисторов. Как работают полевые транзисторы. Чем отличаются полевые транзисторы от биполярных. Как применяются полевые транзисторы в электронных схемах.

Содержание

Основные принципы работы полевых транзисторов

Полевой транзистор (FET — Field Effect Transistor) — 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 полевые транзисторы управляются напряжением, а не током.

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

Ключевые особенности полевых транзисторов:

Очень высокое входное сопротивление (до 10^15 Ом)
Управление напряжением, а не током
Малая входная емкость
Высокая крутизна характеристики
Низкий уровень шумов

Благодаря этим свойствам полевые транзисторы нашли широкое применение в аналоговой и цифровой схемотехнике, особенно в высокочастотных усилителях, ключевых схемах, схемах с высоким входным импедансом.

Основные типы полевых транзисторов

Существует несколько основных типов полевых транзисторов, которые различаются по конструкции и принципу работы:

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

В транзисторах типа JFET (Junction Field-Effect Transistor) затвор отделен от канала обратно смещенным p-n переходом. Различают n-канальные и p-канальные JFET.

2. МОП-транзисторы (MOSFET)

В МОП-транзисторах (Metal-Oxide-Semiconductor FET) затвор изолирован от канала слоем диэлектрика. Бывают транзисторы с индуцированным и встроенным каналом, а также n-канальные и p-канальные.

3. МДП-транзисторы

МДП-транзисторы (транзисторы металл-диэлектрик-полупроводник) схожи по конструкции с МОП-транзисторами, но в качестве изолятора используется не оксид, а другой диэлектрик.

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

Рассмотрим принцип работы n-канального JFET:

Канал n-типа расположен между истоком и стоком
Затвор образован областью p-типа, формирующей p-n переход с каналом
При подаче отрицательного напряжения на затвор p-n переход расширяется, сужая канал
Это приводит к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока стока
При достаточно большом отрицательном напряжении канал перекрывается полностью

Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, протекающим через канал между истоком и стоком.

Основные характеристики полевых транзисторов

Для описания свойств и поведения полевых транзисторов используются следующие основные характеристики:

Стоко-затворная характеристика

Показывает зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток. По этой характеристике определяют крутизну транзистора и напряжение отсечки.

Выходная характеристика

Отражает зависимость тока стока от напряжения сток-исток при фиксированном напряжении затвор-исток. Позволяет оценить внутреннее сопротивление транзистора.

Проходная характеристика

Описывает зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток. Используется для определения порогового напряжения.

Сравнение полевых и биполярных транзисторов

Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными:

Очень высокое входное сопротивление (до 10^15 Ом против 10^3-10^5 Ом у биполярных)
Меньший уровень шумов
Более простое смещение (требуется только напряжение)
Отсутствие эффекта накопления заряда
Лучшая температурная стабильность

Однако у полевых транзисторов есть и недостатки:

Меньшая крутизна характеристики
Больший разброс параметров
Более высокая чувствительность к статическому электричеству

Выбор между полевым и биполярным транзистором зависит от конкретного применения и требований к схеме.

Применение полевых транзисторов в схемотехнике

Полевые транзисторы широко используются в различных областях электроники благодаря своим уникальным свойствам. Основные сферы применения включают:

1. Аналоговые схемы

Усилители с высоким входным сопротивлением
Источники тока, управляемые напряжением
Аналоговые ключи и мультиплексоры
Схемы выборки-хранения

2. Цифровые схемы

Логические элементы (особенно КМОП-логика)
Статические ОЗУ
Цифровые компараторы

3. Высокочастотные схемы

ВЧ и СВЧ усилители
Смесители
Генераторы, управляемые напряжением (VCO)

4. Силовая электроника

Ключевые элементы в импульсных источниках питания
Управление электродвигателями
Инверторы

Важно отметить, что выбор конкретного типа полевого транзистора зависит от требований к схеме, включая рабочую частоту, напряжение, ток и другие параметры.

Особенности проектирования схем на полевых транзисторах

При разработке схем на полевых транзисторах необходимо учитывать ряд важных аспектов:

1. Выбор рабочей точки

Правильный выбор рабочей точки обеспечивает оптимальные характеристики усиления и линейность. Для этого используются различные схемы смещения, например, с использованием резистивного делителя или автоматического смещения.

2. Температурная стабилизация

Хотя полевые транзисторы менее чувствительны к температуре, чем биполярные, в некоторых случаях может потребоваться температурная стабилизация. Это достигается с помощью отрицательной обратной связи или термокомпенсирующих элементов.

3. Защита от статического электричества

Полевые транзисторы, особенно МОП-структуры, чувствительны к статическому электричеству. При проектировании необходимо предусмотреть защитные цепи и соблюдать меры предосторожности при монтаже.

4. Учет паразитных параметров

На высоких частотах важно учитывать паразитные емкости и индуктивности транзистора и монтажа. Это может потребовать специальных методов компенсации и оптимизации топологии платы.

5. Согласование импедансов

В высокочастотных схемах критически важно правильное согласование входных и выходных импедансов для обеспечения максимальной передачи мощности и минимизации отражений.

Заключение

Полевые транзисторы представляют собой важный класс полупроводниковых приборов, обладающих уникальными характеристиками и широкими возможностями применения. Их высокое входное сопротивление, управление напряжением и низкий уровень шумов делают их незаменимыми в множестве электронных устройств — от простых аналоговых схем до сложных цифровых систем и высокочастотных приложений.

Понимание принципов работы полевых транзисторов, их основных типов и характеристик позволяет разработчикам создавать эффективные и инновационные схемные решения. При этом важно учитывать особенности проектирования схем на полевых транзисторах, включая выбор рабочей точки, температурную стабилизацию и защиту от статического электричества.

С развитием технологий роль полевых транзисторов в электронике продолжает расти, открывая новые возможности для создания более быстрых, энергоэффективных и компактных устройств. Поэтому глубокое знание принципов работы и применения полевых транзисторов остается важным навыком для современных инженеров-электронщиков и разработчиков схемотехники.

Схема простых усилителей на МОП-транзисторах » S-Led.Ru


Полевые транзисторы, продолжают своё победное шествие в различных отраслях радиотехники. Бесспорно царствование полевых транзисторов на месте мощных силовых ключей, СВЧ-радиоэлектроники, в микропроцессорах, различных видах памяти. Но и нет никаких препятствий успешно использовать полевые транзисторы в тех узлах, где более привычным кажется применение из биполярных собратьев по усилению и коммутации сигналов. На рисунке показан простейший однокаскадный инвертирующий усилитель, выполненный на маломощном р-канальном полевом транзисторе обогащенного типа. Усилитель на низких частотах обладает входным сопротивлением около 5 МОм, с указанными на схеме типом транзистора и номиналом резистора R4 коэффициент усиления по напряжению достигает 60, что составит коэффициент усиления по мощности более 80000! Напряжение автоматического смещения на затвор VT1 поступает с его стока через высокоомные резисторы R1, R3. Конденсатор С1 устраняет отрицательную обратную связь по переменному напряжению, что ведёт к увеличению чувствительности этого каскада. Одной из немаловажных особенностей входных усилителей, построенных на МОП-транзисторов, является то, что их входное сопротивление не зависит от полярности волны входного сигнала, что искажает его значительно меньше, чем это происходит в аналогичных усилительных каскадах, собранных на биполярном транзисторе. Рис. 2 На рис. 2 показан вариант однокаскадного МОП-усилителя, нагруженного на динамическую головку. Для согласования относительно высокого выходного сопротивления усилительного каскада и низкого сопротивления динамической головки используется понижающий трансформатор Т1. Основное отличие от предыдущей схемы, наличие резистора R4, от сопротивления которого зависит коэффициент ООС по переменному напряжению. Чем больше сопротивление этого резистора, тем большей ООС охвачен усилитель, тем меньше вносимые им искажения в сигнал, но тем меньше усиление. На величину ООС также влияет выходное сопротивление источника сигнала. Рис. 3 На рис. 3 приводится схема простого генератора звукового сигнала, в который был преобразован усилитель по схеме на рис. 2. Чтобы возникла генерация, усилитель необходимо охватить положительной обратной связью по переменному напряжению, что достигается подключением конденсатора С1 к одному из выводов вторичной обмотки трансформатора. На рис. 4 вы видите схему на двух аналогичных р-канальных полевых транзисторах. Это устройство представляет собой простейшую одноканальную светомузыкальную установку, которую, например, можно использовать для светодинамического освещения салона автомобиля во время стоянки или освещения полянки во время пикника. На маломощном транзисторе VT1 выполнен предварительный каскад усиления входного сигнала, выпрямитель переменного напряжения реализован на диодах VD1, VD2. Рис. 4 Нагрузкой детектора служит резистор R6. На мощном VT2 сделан силовой ключ, нагруженный на автомобильную лампу накаливания. Транзистор IRF541 допускает ток стока до 28 А и может рассеивать мощность до 150 Вт. В устройстве, собранном по этой схеме, VT2 необходимо устанавливать на мощный теплоотвод. Чтобы это устройство приобрело законченный вид, может потребоваться установить на его входе переменный резистор, которым можно будет регулировать его чувствительность Если потребуется аналогичное устройство для управления лампами накаливания, подключенных к общему минусу — к массе автомобиля, то схему устройства следует несколько изменить, рис. 5. Рис. 5 Транзистор КП504Г выпускается в корпусе ТО-92 (КТ-26), допускает постоянный ток стока до 180 мА, импульсный до 1А, постоянную рассеиваемую мощность до 0,7 Вт, наибольшее допустимое напряжение сток — исток 250В. Для описанных выше устройств его можно заменить на любой из серии КП504, КП501 (Р*100 мВт, IS100 мА), КР1064КТ1 (А, В), КР1014КТ1 (А. ..Г), BSS88. При заменах следует обращать внимание на различия в цоколёвках упомянутых элементов. Транзистор IRF541 можно заменить на IRF540, IRF251, КП746А, КП723А, IRFZ44, IRFZ40. Вместо IRF9540 можно применить КП785А, КП784А. В экспериментах с узлами, собранными по схемам рис. 2 и рис. 3 принимал участие трансформатор типа ТАГ-Ш-4 от абонентского громкоговорителя для работы в сети проводного радиовещания 30 В. Диоды КД521А можно заменить на любые из серий КД510, КД522, Д223 или 1N4148. Оксидные конденсаторы — К50-35, К50-24; неполярные — КМ-5, КМ-6, К10-17. При монтаже полевых транзисторов следует принимать меры от их пробоя статическим электричеством.

Три схемы очень простых устройств для начинающих (КТ3102)

Приведены три очень простых схемы устройств на транзисторах, которые под силу собрать даже начинающему радиолюбителю.

Сигнализатор затопления

С помощью этого сигнализатора можно своевременно узнать о протечке трубы,затоплении квартиры или другого помещения, и принять своевременно необходимые меры. При затоплении или протечке, то есть, при намокании датчика, загорается светодиод и звучит звуковой сигнализатор.

Схема показана на рисунке 1. В основе схемы составной транзистор на VT1 и VT2. Достоинство такого каскада в большом коэффициенте усиления, большом входном сопротивлении. Что особенно важно при работе с дачиком влажности, реагирующим на электропроводность воды.

Включение каскада как относительно нагрузки эмиттерный повторитель еще больше увеличивает его входное сопротивление. На выходе, в эмиттерной цепи VT2 включен индикаторный светодиод HL1 через токоограничительный резистор R3 и звуковой сигнализатор со встроенным генератором.

Датчик представляет собой узкий и длинный кусок поролона прошитый двумя проволоками, обозначенным на схеме как Е1 и Е2. Проволоки прошиты в поролоне так, чтобы они были близко относительно друг друга (1-2 см), но не соприкасались. Длина датчика может быть любой, и зависит в первую очередь от длины трубы или места, влажность которого нужно контролировать.

В случае с горизонтально расположенной трубой датчик прокладывают под ней. Вместо поролона можно использовать какую-то ткань, желательно ворсистую и хорошо впитывающую.

Пока датчик сух, сопротивление между Е1 и Е2 высоко, практически, Е1 и Е2 изолированы друг от друга. При этом, на базу транзистора VT1 не поступает ток, и транзистор остается закрытым. Транзистор VT2 тоже закрыт, потому что на его базу не поступает ток через VT1 и R2. Поэтому на индикаторный светодиод HL1 и звуковой сигнализатор BF1 ток тоже не поступает.

Рис. 1. Схема сигнализатора затопления.

Как только датчик намокает между Е1 и Е2 возникает электропроводность через воду. Поступает ток на базу VT1, из-за чего он открывается. Вслед за ним открывается и транзистор VT2. Через него поступает ток на индикаторный светодиод HL1 и звуковой сигнализатор BF1.

Мощный низковольтный маяк

Для обозначения опасного участка, или неисправной машины, стоящей на дороге, в ночное время может быть весьма полезным световой маяк, питающийся от автомобильного аккумулятора. Схема маяка показана на рисунке 2. Выполнена она по схеме несимметричного мультивибратора, в котором одно из плеч сделано на мощном коммутаторном полевом транзисторе VT2 типа IRF530.

Схема включается последовательно лампе накаливания Н1, и питается через неё. Полевой транзистор VT2 в открытом состоянии имеет очень низкое сопротивление канала, поэтому напряжение питания схемы во время открытого состояния VT2 снижается почти до нулевого значения.

Чтобы поддерживать питание схемы во время горения лампы, когда полевой транзистор VT2 открыт, есть цепь из конденсатора С1 и диода VD1. Конденсатор С1, в то время, когда VT2 закрыт, через диод VD1 и лампу быстро заряжается, и во время открытого состояния VT2 схема питается напряжением, накопленном на С1, потому что диод VD1 препятствует разрядке этого конденсатора.

Рис. 2. Схема мощный низковольтного свето-маяка.

Частота мигания лампы зависит от емкости конденсатора С2. Лампа Н1 — стандартная автомобильная лампочка от фар. Можно использовать лампу мощностью до 65 W. При этом, нужно учесть что транзистору VT2 может потребоваться радиатор.

Таймер для автомобиля

Многие автолюбители оказывались в ситуации, когда, поставив машину на стоянку в темное время суток, очень сложно найти в темноте дорогу домой не наступив, в лучшем случае, в лужу или грязь.

К сожалению, такова наша действительность, — дворы, автостоянки и, тем более, гаражные кооперативы далеко не всегда обустроены. Но, если на автомобиль установить это устройство, автомобиль осветит фарами вам дорогу домой, на сколько это возможно.

Схема показана на рисунке 3. Она представляет собой простой таймер на транзисторах, который запускается кнопкой и после её отпускания удерживает включенным свое выходное реле в течении нескольких минут.

На транзисторах VT1-VT3 сделан трехтранзисторный составной транзистор. Достоинство такого каскада не только в большом коэффициенте усиления, большом входном сопротивлении, но и в достаточно большой мощности выхода, способного работать на такую нагрузку, как стандартное автомобильное электромагнитное реле.

Кнопка S1 служи для запуска таймера. В исходном состоянии она не нажата и конденсатор С1 разряжен. При этом напряжение на базе VT1 нулевое, и все транзисторы этой схемы закрыты. Ток на обмотку реле К1 не поступает. Контакты реле разомкнуты, и оно никак не влияет на работу фар автомобиля.

Рис. 3. Схема простого таймера для автомобиля.

Если нажать S1 через её контакты заряжается конденсатор С1. Напряжение на нем равно напряжению источника питания. На базу VT1 через R1 поступает открывающий ток, и все три транзистора открываются. С коллектора VT3 ток поступает на обмотку реле К1, и его контакты включают фары автомобиля.

После отпускания кнопки транзисторы будут оставаться открытыми еще несколько минут, пока конденсатор С1 разряжается через входное сопротивление каскада на транзисторах VТ1-VT3. После того как напряжение на С1 станет ниже достаточного для удержания транзисторов открытыми, реле выключит фары автомобиля.

Ладогин В. В. РК-11-16.

FET — учебник по проектированию схем » Electronics Notes

Полевые транзисторы

широко используются как в дискретных, так и в интегральных схемах, где они обеспечивают усиление по напряжению и высокое входное сопротивление.

FET, схемотехника на полевых транзисторах Включает:
Основы схемотехники на полевых транзисторах Конфигурации цепи Общий источник Общий сток / исток повторителя Общие ворота

Полевые транзисторы используются в схемотехнике, поскольку они способны обеспечить очень высокие уровни входного импеданса наряду со значительными уровнями усиления по напряжению.

В отличие от биполярного транзистора, который управляется током, полевой транзистор управляется напряжением. Это делает способ проектирования схем на полевых транзисторах довольно отличным от способа проектирования схем на биполярных транзисторах.

Тем не менее, схемы с коэффициентом усиления по току и напряжению все еще могут быть разработаны, и используются аналогичные форматы схем.

Основы схемы FET

При рассмотрении вопроса об использовании полевого транзистора необходимо учитывать технологию полевого транзистора, и тип полевого транзистора будет наиболее подходящим.

Примечание по технологии полевых транзисторов:

Полевой транзистор (FET) представляет собой трехвыводное устройство, обеспечивающее усиление по напряжению. Имея высокий входной импеданс, электрическое поле вблизи входной клеммы, называемой затвором, изменяет ток, протекающий в так называемом канале между клеммами, называемом истоком и стоком.

Подробнее о полевом транзисторе

и принципах его работы

Полевой транзистор имеет три электрода:

Источник: Источник — это электрод на полевом транзисторе, через который в канал поступают основные носители, т.е. он выступает в качестве источника носителей для устройства. Ток, поступающий в канал через источник, обозначается IS.
Сток: Сток — это полевой электрод, через который основные носители покидают канал, т. е. они сливаются из канала. Условный ток, поступающий в канал через сток, обозначается буквами ID. Также напряжение сток-исток часто обозначается буквами VDS 9. 0039
Затвор: Затвор — это терминал, который управляет проводимостью канала, поэтому уровень напряжения на затворе управляет током, протекающим на выходе устройства.

Обозначение схемы соединения FET

Расчетные параметры схемы FET

Приступая к проектированию схемы на полевых транзисторах, необходимо определить основные требования к схеме. Они будут определять многие решения, касающиеся типа используемой топологии схемы, а также типа используемого полевого транзистора.

В требованиях к конструкции транзисторной схемы может быть указан ряд параметров:

Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по напряжению часто является ключевым требованием. Это напряжение выходного сигнала, деленное на напряжение входного сигнала.
Коэффициент усиления по току: Это коэффициент усиления полевого транзистора по току. Может возникнуть необходимость подать в нагрузку ток высокого уровня.
Входной импеданс: Это импеданс, который будет видеть предыдущий каскад, когда он подает сигнал на рассматриваемую схему полевого транзистора. Полевые транзисторы по своей природе имеют высокое входное сопротивление затвора, и поэтому полевые транзисторы часто используются там, где это имеет первостепенное значение.
Выходное сопротивление: Выходное сопротивление также важно. Если схема FET управляет цепью с низким сопротивлением, то ее выход должен иметь низкое сопротивление, иначе в выходном каскаде транзистора произойдет большое падение напряжения.
Частотная характеристика: Частотная характеристика — еще один важный фактор, влияющий на конструкцию схемы полевого транзистора. Конструкции низкочастотных или звуковых транзисторных схем могут отличаться от тех, которые используются для радиочастотных приложений. Кроме того, на выбор номиналов полевого транзистора и конденсатора в схеме сильно влияет требуемая частотная характеристика.
Напряжение и ток питания: Во многих схемах напряжение питания определяется тем, что доступно. Также может быть ограничен ток, особенно если готовая схема полевого транзистора должна питаться от батареи.

Типы полевых транзисторов для схемотехники

Поскольку существует несколько различных типов полевых транзисторов, которые можно использовать, необходимо определить по крайней мере некоторые из полевых транзисторов, которые можно использовать в процессе проектирования схемы.

В приведенной ниже таблице указаны некоторые из различных типов и характеристик, с которыми можно столкнуться.

Полевые транзисторы для использования в схемотехнике
Характеристика	Детали
N-канальный	N-канальный полевой транзистор имеет канал, изготовленный из полупроводника N-типа, в котором основными носителями являются электроны.
P-канал	Полевой транзистор с каналом P имеет канал, изготовленный из полупроводника P-типа, в котором основными носителями являются дырки.
J-FET	J-FET или полевой транзистор с переходом представляет собой форму полевого транзистора, в которой затвор формируется с использованием диодного перехода на канале. Изоляция поддерживается за счет того, что диодный переход остается смещенным в обратном направлении при работе в цепи. Ключевым требованием к конструкции схемы полевого транзистора является обеспечение того, чтобы переход оставался смещенным в обратном направлении для удовлетворительной работы.
МОП-транзистор	Этот тип полевого транзистора основан на оксиде металла между затвором и каналом. Он предлагает очень высокое входное сопротивление.
МОП-транзистор с двумя затворами	Как следует из названия, эта форма МОП-транзистора имеет два затвора. В схемотехнике на полевых транзисторах это дает дополнительные возможности.
Расширенный режим	Полевые транзисторы режима расширения выключены при нулевом напряжении затвор-исток. Они включаются подтягиванием напряжения затвора в направлении напряжения стока, т. е. к шине питания, положительной для N-канальных устройств и отрицательной для P-канальных. Другими словами, при приближении напряжения затвора к напряжению стока количество несущих в активном слое канала увеличивается.
Режим истощения	В полевом МОП-транзисторе, работающем в режиме истощения, устройство нормально включено при нулевом напряжении затвор-исток. Любое напряжение затвора в направлении напряжения стока будет иметь тенденцию истощать активную площадь канала носителей и уменьшать протекающий ток.

При проектировании схемы полевого транзистора сначала необходимо выбрать требуемый тип полевого транзистора. Прежде чем можно будет приступить к проектированию схемы, необходимо определить факторы, включая базовый тип полевого транзистора, включая то, является ли он переходным полевым транзистором, полевым МОП-транзистором или другим типом, а также тип режима и другие факторы.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
Вернуться в меню «Конструкция схем». . .

Junction Полевые транзисторы — Полевые транзисторы

Полевые транзисторы

Хотя он произвел революцию в разработке электронного оборудования, у биполярного (PNP/NPN) транзистора есть одна очень нежелательная характеристика. Низкий входной импеданс, связанный с переходом база-эмиттер, вызывает проблемы согласования импедансов межкаскадных усилителей.

В течение многих лет ученые искали решение, которое сочетало бы в себе высокую входное сопротивление вакуумной лампы со многими другими преимуществами транзистор. Результатом этого исследования является полевой транзистор . ( FET ). В отличие от биполярного транзистора, в котором используется ток смещения между базой и эмиттером для контроля проводимости полевой транзистор использует напряжение для управлять электростатическим полем внутри транзистора.

Элементы одного типа полевых транзисторов, переход полевого транзистора ( JFET ), сравниваются с биполярным транзистором на рисунке ниже. Как видно из рисунка, JFET представляет собой трехэлементное устройство, сравнимое с другой. Элемент «затвор» полевого транзистора JFET очень точно соответствует в работе к базе биполярного транзистора. Элементы «исток» и «сток» JFET соответствуют эмиттеру и коллектору биполярного транзистора.

Сравнение символов JFET (N-канальный) и биполярного транзистора (NPN).

Структура JFET

Конструкция JFET показана на рисунке ниже. Твердый брусок, сделанный либо из материала N-типа, либо из материала P-типа, образует основной корпус устройства. По обеим сторонам этого стержня рассредоточены два отложения материала противоположного типа из брускового материала, из которого формируются «ворота». порция бруска между отложениями воротного материала меньшего сечения сечение, чем остальная часть стержня, и образует «канал», соединяющий источник и слив. На рисунке ниже показан брусок из материала N-типа и ворота. из материала П-типа. Поскольку материал в канале N-типа, устройство называется N-канальным JFET. В P-канальном JFET канал изготовлен из материала P-типа, а ворота из материала N-типа.

Структура JFET.

Символы JFET

На рисунке ниже схематические символы для двух типов JFET сравниваются. с биполярными транзисторами NPN и PNP. Как биполярный транзистор типы, два типа JFET отличаются только конфигурацией напряжений смещения требуется и в направлении стрелки внутри символа. Так же, как это в символах биполярных транзисторов стрелка в символе JFET всегда указывает к материалу N-типа. Таким образом, символ N-канального JFET показывает стрелка указывает на канал сток/исток, тогда как P-канал символ показывает стрелку, указывающую от канала стока/истока к каналу ворота.

Символы и напряжения смещения для биполярных транзисторов и JFET.

Смещение JFET

Ключом к работе полевого транзистора является эффективная площадь поперечного сечения канала, которым можно управлять, изменяя напряжение, подаваемое на затвор. Это продемонстрировано на следующих рисунках.

На рисунке ниже показано, как JFET работает в условиях нулевого смещения затвора. На JFET подается пять вольт, так что электронный ток течет через бар от истока до стока, как указано стрелкой. Терминал ворот привязан к земле. Это условие нулевого смещения затвора. В этом состоянии типичный бар представляет собой сопротивление около 500 Ом. Миллиамперметр, подключен последовательно с выводом стока и питанием постоянного тока, указывает количество текущего потока. Со сливным подводом ( В _DD ) 5 вольт, миллиамперметр показывает ток стока ( I _D ) чтение 10 миллиампер. Нижние буквы напряжения и тока ( V _DD , I _D ) используется для FET соответствует к элементам полевого транзистора так же, как и к элементам транзисторов.

Работа JFET с нулевым смещением затвора.

На рисунке ниже на затвор подается небольшое напряжение обратного смещения. JFET. Напряжение затвор-исток ( В _ГГ ) минус 1 вольт нанесенный на материал затвора P-типа, вызывает соединение между Материал P- и N-типа становится обратно смещенным. Так же, как это было в варикап, условие обратного смещения приводит к тому, что «область обеднения» формируются вокруг PN-перехода JFET. Поскольку этот регион имеет уменьшенный число носителей тока, эффект обратного смещения заключается в уменьшении эффективная площадь поперечного сечения «канала». Это уменьшение площади увеличивает сопротивление исток-сток устройства и уменьшает ток.

JFET с обратным смещением.

Приложение достаточно большого отрицательного напряжения к затвору вызовет область обеднения становится настолько большой, что проводимость тока через бар вообще останавливается. Напряжение, необходимое для уменьшения тока стока ( I _D ) в ноль называется напряжение отсечки (или пороговое напряжение) и сравнимо для отключения напряжения в вакуумной трубке. На рисунке выше отрицательный 1 вольт применяется, хотя и недостаточно велико, чтобы полностью остановить проводимость, имеет вызвало заметное снижение тока стока (с 10 миллиампер при условия нулевого смещения затвора до 5 миллиампер). Расчет показывает, что Смещение затвора на 1 вольт также увеличило сопротивление полевого транзистора. (от 500 Ом до 1 кОм). Другими словами, изменение напряжения затвора на 1 вольт удвоил сопротивление устройства и вдвое сократил ток.

Эти измерения, однако, показывают только то, что JFET работает так, как похож на биполярный транзистор, хотя они сконструированы иначе. Как указывалось ранее, основным преимуществом полевого транзистора является то, что его входное сопротивление значительно выше, чем у биполярного транзистор. Более высокий входной импеданс полевого транзистора с обратным затвором условия смещения можно увидеть, подключив микроамперметр последовательно с напряжение затвор-исток ( В _ГГ), как показано на рисунке ниже.

Полное входное сопротивление JFET.

При В _ГГ в 1 вольт микроамперметр показывает 0,5 микроампер. Применение закона Ома (1 В / 0,5 мкА) показывает, что это очень маленькое количество протекающего тока приводит к очень высокому входному импедансу (около 2 МОм). Напротив, биполярный транзистор в подобных обстоятельствах потребуется более высокий ток (например, от 0,1 до 1 мА), что приведет к значительному более низкое входное сопротивление (около 1000 Ом или меньше). Более высокое входное сопротивление JFET возможен из-за того, как напряжение затвора обратного смещения влияет на площадь поперечного сечения канала.

В предыдущем примере работы JFET используется N-канальный JFET. Однако, P-канальный JFET работает на тех же принципах. Различия между два типа показаны на рисунке ниже.

Символы JFET и напряжения смещения.

Поскольку материалы, используемые для изготовления бара и ворот, меняются местами, потенциалы напряжения источника также должны быть инвертированы. P-канальный JFET поэтому требуется, чтобы положительное напряжение затвора было смещено в обратном направлении, и электронный ток течет через него от стока к истоку.

Кривые выходных характеристик JFET

График (рисунок ниже) тока стока (выхода) I _D по отношению к напряжению сток-исток В _DS , с усилением-исток напряжение В _GS как параметр показывает две области: омическая область , в которой JFET действует как резистор переменной сопротивление в зависимости от напряжения на затворе, и область насыщения в ток стока практически не зависит от напряжения сток-исток ( область постоянного тока ). Обратите внимание, что когда напряжение сток-исток становится слишком большим, происходит внезапное увеличение тока, что указывает на ионизационный пробой полупроводникового кристалла.

Типовые выходные характеристики JFET (N-канальный).

Рабочие характеристики JFET

Тремя наиболее важными рабочими характеристиками устройства являются:

Напряжение отсечки В _P
Ток стока I _DSS в области отсечки (насыщения) при смещение нулевого затвора ( В _GS = 0)
Крутая проводимость г _м

Напряжение отсечки — это значение напряжения смещения затвор-исток. (при нулевом или малом напряжении сток-исток), для которых область обеднения проникает (с обеих сторон) на всю толщину канала тем самым «пережимая» текущий поток. С нулевым смещением затвор-исток напряжение ток протекания является максимальным.

Несколько характеристик передачи ( I _D — V _GS) с использованием различных упрощающих приближений. Самый полезный может быть адаптировано из Richer and Middlebrook [1], который заявил, что ток стока в области отсечки (насыщения) равен

Для многих устройств JFET n очень близко к 2.

Полевые транзисторы JFET обеспечивают коэффициент усиления, измеряемый крутизной , g _м . Крутизна в области отсечки (насыщения) определяется выражением

Если n = 2, крутизна является линейной функцией входного напряжения. ( В _ГС).

Усилитель на полевых транзисторах

На рисунке ниже показана базовая схема усилителя с общим истоком, содержащая N-канальный JFET. Характеристики этой схемы включают высокий входной импеданс и высокий коэффициент усиления по напряжению. Функция компонентов схемы на этом рисунке очень похоже на биполярный переход транзистора Схема усилителя с общим эмиттером. С ₁ и С ₃ входные и выходные разделительные конденсаторы. Р ₁ резистор возврата затвора. Это предотвращает нежелательное накопление заряда на затворе за счет обеспечение пути разгрузки для C ₁ . Р ₂ и C ₂ обеспечивает самосмещение источника для JFET, который работает как самосмещение эмиттера. R ₃ резистор нагрузки стока, который действует как резистор нагрузки коллектора.

Усилитель с общим истоком на JFET.

Фазовый сдвиг на 180 градусов между входным и выходным сигналами одинаков. как у схем на транзисторах с общим эмиттером. Причину фазового сдвига легко увидеть, наблюдая работа N-канального полевого транзистора.