Что такое полевой транзистор и как он работает. Какие бывают виды полевых транзисторов. В чем преимущества полевых транзисторов перед биполярными. Где применяются полевые транзисторы в современной электронике.
Что такое полевой транзистор и его отличия от биполярного
Полевой транзистор (Field-Effect Transistor, FET) — это полупроводниковый прибор, в котором ток проходит через проводящий канал, управляемый электрическим полем. В отличие от биполярного транзистора, в полевом практически отсутствует входной ток управления.
Основные отличия полевого транзистора от биполярного:
- Управляется напряжением, а не током
- Очень высокое входное сопротивление (10^9 — 10^14 Ом)
- Низкий уровень шумов
- Высокая плотность размещения в интегральных схемах
- Меньшее энергопотребление
Благодаря этим преимуществам полевые транзисторы нашли широкое применение в современной микроэлектронике, особенно в цифровых интегральных схемах.
Принцип работы полевого транзистора
Работа полевого транзистора основана на управлении проводимостью канала с помощью поперечного электрического поля. Канал представляет собой область полупроводника, через которую протекает основной ток транзистора.
Электрическое поле создается напряжением, приложенным к управляющему электроду — затвору. Это поле изменяет концентрацию носителей заряда в канале, тем самым регулируя его проводимость.
В зависимости от полярности напряжения на затворе канал может обедняться носителями заряда (режим обеднения) или обогащаться ими (режим обогащения). Таким образом осуществляется управление током, протекающим через канал между истоком и стоком транзистора.
Основные виды полевых транзисторов
Существует два основных типа полевых транзисторов:
1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (JFET)
В этих транзисторах затвор отделен от канала обратносмещенным p-n переходом. Управляющее напряжение прикладывается к этому p-n переходу, изменяя ширину его обедненной области и, соответственно, проводимость канала.
2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET)
Затвор в этих транзисторах изолирован от канала слоем диэлектрика. Наиболее распространенный тип — МОП-транзисторы (MOSFET), в которых в качестве диэлектрика используется слой оксида кремния.
МОП-транзисторы в свою очередь делятся на:
- Транзисторы с индуцированным каналом
- Транзисторы со встроенным каналом
Также различают n-канальные и p-канальные полевые транзисторы в зависимости от типа проводимости канала.
Преимущества полевых транзисторов
Полевые транзисторы обладают рядом важных преимуществ по сравнению с биполярными:
- Очень высокое входное сопротивление (до 10^14 Ом)
- Низкое энергопотребление в статическом режиме
- Высокая плотность размещения в интегральных схемах
- Возможность работы как с положительным, так и с отрицательным напряжением на затворе
- Слабая зависимость параметров от температуры
- Низкий уровень собственных шумов
Эти преимущества определили широкое применение полевых транзисторов в современной электронике.
Области применения полевых транзисторов
Благодаря своим уникальным свойствам полевые транзисторы находят применение во многих областях электроники:
- Цифровые интегральные схемы (процессоры, память и т.д.)
- Аналоговые схемы (усилители, генераторы и др.)
- Силовая электроника
- Источники питания
- Датчики и сенсоры
- Радиочастотные схемы
Особенно широко полевые транзисторы используются в современных микропроцессорах и микросхемах памяти, где их количество может достигать миллиардов на одном кристалле.
Характеристики полевых транзисторов
Основными характеристиками полевых транзисторов являются:
- Крутизна характеристики — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе
- Выходная проводимость — отношение изменения тока стока к изменению напряжения сток-исток
- Пороговое напряжение — минимальное напряжение на затворе, при котором начинает протекать ток стока
- Максимальное напряжение сток-исток
- Максимальный ток стока
- Входная и выходная емкости
Эти параметры определяют возможности применения полевых транзисторов в различных схемах и учитываются при их выборе.
Сравнение полевых и биполярных транзисторов
Хотя полевые транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными, у последних также есть свои сильные стороны. Сравним основные характеристики этих двух типов транзисторов:
| Параметр | Полевые транзисторы | Биполярные транзисторы |
|---|---|---|
| Входное сопротивление | Очень высокое (10^9 — 10^14 Ом) | Среднее (10^3 — 10^6 Ом) |
| Управляющий параметр | Напряжение | Ток |
| Скорость переключения | Высокая | Средняя |
| Энергопотребление | Низкое | Среднее |
| Линейность характеристик | Средняя | Высокая |
Выбор между полевыми и биполярными транзисторами зависит от конкретного применения и требований к схеме.
Заключение
Полевые транзисторы стали неотъемлемой частью современной электроники благодаря своим уникальным свойствам. Их способность управляться напряжением при минимальном потреблении энергии сделала возможным создание сверхбольших интегральных схем с миллиардами транзисторов.
Несмотря на то, что биполярные транзисторы все еще находят применение в некоторых областях, полевые транзисторы доминируют в цифровой электронике и продолжают развиваться, обеспечивая дальнейшую миниатюризацию и повышение производительности электронных устройств.
|
Обусловлен данный недостаток тем, что управляющее напряжение на затвор поступает из цепи стока, поэтому при меньшем значении падения напряжения на нем, транзистор открываться не будет, ведь на затворе открытого транзистора должно быть положительное напряжение относительно истока.
Диод VD2 — выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки). Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.
5) из односторонне фольгированного стеклотекстолита. Плату припаивают к выводам транзистора и приклеивают к упомянутой медной пластине клеем. В качестве такой пластины можно использовать, например, корпус с фланцем от испорченного мощного биполярного транзистора, скажем, КТ827, применив при этом навесной монтаж. 
Схема простого стабилизатора постоянного напряжения на опорном стабилитроне и транзисторе. « ЭлектроХобби
Для некоторых электрических цепей и схем вполне хватает обычного блока питания, не имеющего стабилизации. Источники тока такого типа обычно состоят из понижающего трансформатора, выпрямительного диодного моста и фильтрующего конденсатора. Выходное напряжение блока питания зависит от количества витков вторичной обмотки на понижающем трансформаторе. Но как известно сетевое напряжение 220 вольт нестабильно. Оно может колебаться в некоторых пределах (200-235 вольт). Следовательно и выходное напряжение на трансформаторе тоже будет «плавать» (в место допустим 12 вольт будет 10-14, или около того).
Электротехника, которая особо не капризна к небольшим изменения питающего постоянного напряжения может обойтись таким вот простым блоком питания.
Но вот более чувствительная электроника уже это не терпит, она от этого даже может выйти из строя. Так что возникает необходимость в дополнительный схеме стабилизации постоянного выходного напряжения. В этой статье я привожу электрическую схему достаточно простого стабилизатора постоянного напряжения, который имеет стабилитрон и транзистор. Именно стабилитрон выступает в роли опорного элемента, который определяет и стабилизирует выходное напряжения блока питания.
Теперь давайте перейдем к непосредственному разбору электрической схемы простого стабилизатора постоянного напряжения. Итак, к примеру у нас имеется понижающий трансформатор с выходным переменным напряжением в 12 вольт. Эти самые 12 вольт мы подаем на вход нашей схемы, а именно на диодный мост и фильтрующий конденсатор. Диодный выпрямитель VD1 из переменного тока делает постоянный (но скачкообразный). Его диоды должны быть рассчитаны на ту максимальную силу тока (с небольшим запасом где-то 25%), который может выдавать блок питания.
Ну, и напряжение их (обратное) должно быть не ниже выходного.
Фильтрующий конденсатор C1 сглаживает эти скачки напряжения, делая форму постоянного напряжения более ровной (хотя и не идеальной). Его емкость должна быть от 1000 мкф до 10 000 мкф. Напряжение, также больше выходного. Учтите, что есть такой вот эффект — переменное напряжение после диодного моста и фильтрующего конденсатора электролита увеличивается примерно на 18%. Следовательно в итоге мы уже получим на выходе не 12 вольт, а где-то 14,5.
Теперь начинается часть стабилизатора постоянного напряжения. Основным функциональным элементом тут является сам стабилитрон. Напомню, что стабилитроны имеют способность в некоторых пределах стабильно держать на себе определенное постоянное напряжение (напряжение стабилизации) при обратном своем включении. При подачи на стабилитрон напряжения от 0 до напряжения стабилизации оно просто будет увеличиваться (на концах стабилитрона). Дойдя до уровня стабилизации напряжение будет оставаться неизменным (с незначительным ростом), а расти начнет сила тока, протекающего через него.
В нашей схеме простого стабилизатора, который на выходе должен выдавать 12 вольт, стабилитрон VD2 рассчитан на напряжение 12,6 (поставим стабилитрон на 13 вольт, это соответствует Д814Д). Почему 12,6 вольт? Потому, что 0,6 вольт осядут на транзисторном переходе эмиттер-база. А на выходе получится ровно 12 вольт. Ну, а поскольку мы ставим стабилитрон на 13 вольт, то на выходе БП будет где-то 12,4 В.
Стабилитрон VD2 (создающим место опорного постоянного напряжения) нуждается в ограничителе тока, который будет предохранять его от чрезмерного перегрева. На схеме эту роль выполняет резистор R1. Как видно он подключен последовательно стабилитрону VD2. Еще один фильтрующий конденсатор электролит C2 стоит параллельно стабилитрону. Его задача также сглаживать излишки пульсаций напряжения. Можно обойтись и без него, но все же лучше будет с ним!
Далее на схеме мы видим биполярный транзистор VT1, который подключен по схеме общий коллектором. Напомню, схемы подключения биполярных транзисторов по типу общий коллектор (это еще называется эмиттерный повторитель) характеризуются тем, что они значительно усиливают силу тока, но при этом нет никакого усиления по напряжению (даже оно немного меньше входного, именно на те самые 0,6 вольт).
Следовательно мы на выходе транзистора получаем то постоянное напряжение, которое имеется на его входе (а именно напряжение опорного стабилитрона, равное 13 вольтам). И поскольку эмиттерный переход на себе оставляет 0,6 вольта, то и на выходе транзистора уже будет не 13, а 12,4 вольта
Как вы должны знать, чтобы транзистор начал открываться (пропускать через себя управляемые токи по цепи коллектор-эмиттер) ему нужен резистор для создания смещения. Эту задачу выполняет все тот же резистор R1. Изменяя его номинал (в определенных пределах) можно менять силу тока на выходе транзистора, а значит и на выходе нашего стабилизированного блока питания. Тем, кто желает с этим поэкспериментировать советую на место R1 поставить подстроечное сопротивление номиналом около 47 ком. Подстраивая его смотрите, как будет изменяться сила тока на выходе блока питания.
Ну, и на выходе схемы простого стабилизатора постоянного напряжения стоит еще один небольшой фильтрующий конденсатор электролит C3, сглаживающий пульсации на выходе стабилизированного блока питания.
Параллельно ему припаян резистор нагрузки R2. Он замыкает эмиттер транзистора VT1 на минус схемы. Как видим схема достаточно проста. Содержит минимум компонентов. Она обеспечивает вполне стабильное напряжение на своем выходе. Для питания многой электротехники данного стабилизированного блока питания будет вполне хватать. Данный транзистор рассчитан на максимальную силу тока в 8 ампер. Следовательно для такого тока нужен радиатор, который будет отводить излишек тепла от транзистора.
P.S. Если параллельно стабилитрону поставить еще переменный резистор номиналом 10 ком (средний вывод подсоединяем к базе транзистора), то в итоге мы получим уже регулируемый блок питания. На нем можно плавно изменять выходное напряжение от 0 до максимума (напряжение стабилитрона минус те самые 0,6 вольт). Думаю такая схема уже будет более востребована.
Полевой транзистор | Nuts & Volts Magazine
» Перейти к дополнительным материалам
Необходимое устройство для современной ИС
Широко используемый биполярный транзистор , в котором электроны или дырки проходят через два PN-перехода полупроводника, представляет собой ток усилительное устройство.
Хотя напряжение может быть усилено косвенно, если используются конфигурации проводки «общий эмиттер» или «общий коллектор», тем не менее, небольшое количество входных ток всегда должен протекать в область базы транзистора для целей управления.
Другой тип полупроводниковых устройств, полевой транзистор или «FET», не знаком многим любителям электроники, возможно, потому, что его легко повредить при неправильном использовании. Полевой транзистор напрямую усиливает напряжение , а ток , необходимый для управления, настолько мал, что его нельзя измерить обычными приборами. Этот транзистор фактически был первым типом полупроводникового усилителя, теоретически предсказанным в Bell Labs еще в 19 веке.50-х годов, но оно не превратилось в практическое устройство до тех пор, пока биполярный тип не стал популярным. Однако в настоящее время полевые транзисторы стали наиболее распространенным типом, их десятки миллионов в каждой микросхеме микропроцессора.
При таком огромном количестве транзисторов, работающих в одном кристалле, нам, конечно, не хочется, чтобы для управления каждым из них требовался большой ток — заряд батареи быстро расходовался бы, а тепло пришлось бы тратить много. удалить. Кроме того, существует множество других приложений, где желателен сверхнизкий входной ток. Очевидным примером является первая ступень точного вольтметра, когда мы не хотим вызывать каких-либо новых падений напряжения, отводя ток из исследуемой цепи.
Еще одним преимуществом полевого транзистора, возможно, менее важным, является тот факт, что его входные и выходные характеристики аналогичны характеристикам электронных ламп. Поскольку лампы используются примерно с 1910 года, у нас есть большой опыт работы с ними, и некоторые разработчики чувствуют себя более комфортно с полевыми транзисторами, чем с биполярными устройствами, особенно в аудиоусилителях. (Действительно ли это преимущество граничит как с эмоциональными, так и с научными факторами.
Некоторые читатели могут узнать в авторе настоящей статьи одного из первых сторонников этого активно обсуждаемого вопроса, поэтому мы не будем его обсуждать. дальше сюда!)
Во всяком случае, полевой транзистор полностью реагирует на напряжение на управляющем электроде, и это можно использовать для дросселирования достаточно больших величин выходного тока и/или напряжения в двух других проводах.
Полевой транзистор JFET
Вместо транзистора, проводящего ток через оба PN-перехода во включенном состоянии («биполярный»), один тип полевого транзистора можно изготовить только с одним PN-переходом («однопереходный»). Поскольку у него есть переход, он называется juncFET или JFET, а упрощенная диаграмма поперечного сечения показана на рис. 9.0038 Рисунок 1 .
РИСУНОК 1. Упрощенное поперечное сечение полевого транзистора с рабочей схемой. Это N-канал, режим истощения и нормально включенный. Символ находится в правой части рисунка.
Прямоугольники, обведенные толстой линией, представляют собой твердые материалы, включая две области кремния P-типа, но не проводящие заметный ток. В середине есть область N-типа, которая может проводить весь ток. В очень простой схеме, показанной на схеме, которую читатель может легко построить, чтобы получить некоторый опыт работы с JFET, омметр измеряет напряжение, а также показывает ток нагрузки. Этот тип полевого транзистора обычно находится во включенном состоянии до подачи какого-либо управляющего напряжения. Если потенциометр 5К установить так, чтобы на «затворе» не было напряжения (сдвинув его стрелку вниз, как показано на схеме), то «положительный» ток нагрузки с омметра идет в левый верхний угол полевого транзистора, затем вниз в самый верхний металл, затем вниз через непрерывный кремний N-типа и из транзистора через нижний металл. (Области «Ox.» представляют собой изоляторы из диоксида кремния.)
Диаграмма нарисована не в масштабе, и прямоугольники показывают области размером всего около микрона.
(Более формальное обозначение размера — «микрометр», что составляет миллионную часть метра.) Металл обычно представляет собой тонкую алюминиевую или медную пленку толщиной около микрона, и вся конфигурация иногда бывает более сложной, чем показано на этой упрощенной схеме. Кремний P-типа (справа, как показано здесь) в основном просто механическая опора для меньших активных областей, которые обеспечивают проводимость. Его часто называют «подложкой».
Чтобы выключить транзистор, можно увеличить значение потенциометра 5K, чтобы обеспечить отрицательное управляющее напряжение. Это заряжает область P-типа, но на самом деле электричество практически не течет, потому что есть «обратно смещенный» PN-переход (отрицательное напряжение на кремнии P-типа и положительное на N). Однако этот заряд сильно отталкивает электроны от очень тонкого проводящего «канала» N-типа в середине. Там образуется обедненная зона, содержащая меньше электронов, поэтому кремний внутри овала со штриховыми линиями становится собственным (I-типа, как обозначено буквой I в скобках), который является изолирующим, и полевой транзистор перестает проводить.
Этот тип поведения называется «режим истощения». Поскольку управляющее действие осуществляется электрическим поле (а не носителями, текущими в базовую область), все устройство называется полевым транзистором или «FET».
Один металлический электрод называется истоком, один — затвором, а третий — стоком, подобно эмиттеру, базе и коллектору в биполярном транзисторе. Это «N-канальное» устройство, потому что ток проходит через кремний N-типа. Символ показан справа от поперечного сечения. Другой тип JFET, устройство с «P-каналом», имеет противоположные типы полупроводниковых областей P и N, поэтому стрелка на символе направлена в сторону от канала. Этот тип ворот должен быть заряжен положительно, чтобы отключить канал, отталкивая дырки. Он не так распространен, как показанный здесь, но он существует и может быть полезен для особых целей.
Диод постоянного тока
Интересным применением полевого транзистора является «диод постоянного тока». Общий эффект аналогичен эффекту биполярного регулятора напряжения, за исключением того, что здесь регулируется ток вместо напряжения.
Это может быть очень простая схема, как показано на рис. 2 , диаграмма B. это слева. Два других символа справа относятся к источникам постоянного тока, включающим в себя источники питания, такие как батареи.
Глядя на отрицательный ток, который течет вверх через резистор, часть его направляется на затвор, который частично отключает полевой транзистор. Это отрицательная обратная связь, поэтому если ток в цепи начинает увеличиваться, то транзистор еще больше запирается. Таким образом, протекает меньший ток, пока не будет достигнут некоторый постоянный уровень тока. JFET и потенциометр находятся внутри изолирующего пластикового «упаковки». Все это плюс источник питания, такой как батарея (здесь не показана), символизируется двумя перекрывающимися кругами, Рисунок 2 , диаграмма C. Иногда используется альтернативный символ со стрелкой вверх, особенно в Европе, как показано на диаграмме D. , устройство металл-оксид-полупроводник или «MOS».
РИСУНОК 3. Упрощенная схема поперечного сечения полевого МОП-транзистора с рабочей схемой. Это N-канальный, расширенный режим, и обычно он выключен. Два альтернативных символа показаны справа.
В этом транзисторе имеется изолирующий диоксид кремния, чтобы предотвратить попадание тока затвора в основной полупроводник, вместо перехода с обратным смещением, который использовался в JFET. Его иногда называют «IGFET» из-за изолированного затвора. Это обычно выключенное устройство, которое должно быть включено каким-либо действием, и поэтому оно называется устройством с «расширенным режимом». (БТПТ также может быть выполнен в конфигурации режима разрядки.)
На рисунке, если потенциометр повернут до нулевого напряжения, то ток батареи, стремящийся пройти как через лампочку, так и через транзистор, будет остановлен одним из ПН-переходы. На этой диаграмме это верхний, который имеет обратное смещение. (Изначально пунктирная линия и область N в середине отсутствуют.
)
Если стрелка потенциометра поднята и теперь на затвор подается положительный потенциал, дырки в кремнии P-типа отталкиваются, в результате чего эта область становится N-типа (обозначается буквой N в скобках). Теперь нет PN-перехода непосредственно на пути между верхней и нижней областями N-типа, потому что все это одна непрерывная область N-типа (нарисованная вертикальной чертой, со штриховой линией как одним ребром). Этот транзистор также N-канальный, потому что электричество проходит через кремний N-типа, когда он включен.
Если читатель хочет получить некоторый опыт работы с полевым МОП-транзистором, можно разместить амперметр, как показано на рис. 3 , чтобы показать, что через затвор не протекает измеряемый ток, даже когда лампочка горит. На этой схеме мультиметр переключен на измерение тока и перемещен к выводу затвора. (Эта схема также может быть использована для эксперимента с JFET. Экспериментатор должен помнить, что меры предосторожности во избежание повреждения МОП-устройств описаны в разделе «Чувствительность к электростатическим разрядам» ниже.
)
Символы MOSFET показаны справа. Стрелка в данном случае указывает на то, что электрод «исток» внутренне соединен с подложкой, что часто делается, если один из PN-переходов не собирается использоваться.
Если бы устройство было P-канальным, исток и сток были бы P-типа, а стрелка была бы направлена в сторону от подложки N-типа.
Характеристические кривые и нагрузочная линия
Типичные «технические листы» полевых транзисторов используют форматы, аналогичные форматам электронных ламп. Формы кривых почти такие же, но напряжения обычно намного ниже. Вход V GS и выход I D . В этом случае полевой МОП-транзистор типа 2N7000 используется в режиме расширения N-канала.
«Линия загрузки» показана здесь пунктирной линией. Его наклон представляет собой эффект сопротивления нагрузки (например, лампочка в рис. 4 ), и он весьма ценен как способ показать величину тока в любой ситуации.
РИСУНОК 4.
Кривые характеристик для полевого МОП-транзистора 2N7000 с линией нагрузки.
В показанном здесь случае сопротивление нагрузки составляет 1000 Ом, а V DS — 20 вольт. Пунктирная линия нагрузки проведена от максимально возможного напряжения (обозначенного здесь как B) до максимально возможного тока с этой конкретной нагрузкой, который составляет 20 В/1 кВт = 20 мА (обозначен как A). Если транзистор частично включен (V GS = 3 вольта), ток стока будет около 11 мА, как показано точкой пересечения (круг под буквой C).
КМОП
Два МОП-транзистора противоположного типа могут быть подключены, как в Рисунок 5 , в комплементарной конфигурации MOS («КМОП»).
РИСУНОК 5. Пара КМОП-транзисторов . Ток чрезвычайно низок, когда нет входного сигнала.
Когда на вход не подается сигнал, один из транзисторов всегда «закрыт», поэтому практически нулевой ток может проходить от источника питания вниз через резистор, а затем через пару транзисторов.
Когда на вход поступает сигнал, то ток нагрузки может сниматься с выходной клеммы либо при высоком (V+), либо при низком (земля) напряжении, в зависимости от полярности входного напряжения. Однако в ситуациях, когда нет входа, общий ток практически равен нулю.
Современные интегральные схемы имеют миллионы транзисторов, соединенных параллельно, поэтому, если бы через каждый неиспользуемый транзистор протекал микроампер «тока утечки», источник питания или батарея все равно постоянно потребляли бы ампер или больше. . Это будет генерировать много тепла, а также слишком быстро разряжать батареи для портативных устройств. Поэтому почти во всех современных калькуляторах, портативных компьютерах, сотовых телефонах и т. д. по возможности используются КМОП-схемы.
Чувствительность к электростатическим разрядам
МОП-транзистор особенно восприимчив к статическому электричеству, которое возникает, когда человек идет по ковру в сухую погоду. Искра, которую человек производит при прикосновении к металлической лицевой панели выключателя света, называется электростатическим разрядом или «ЭСР», но полевой МОП-транзистор может быть поврежден, даже если статического электричества недостаточно для образования видимой искры.
Статическое электричество может разрушить очень тонкий оксид кремния, изолирующий ворота. Некоторые МОП-транзисторы защищены стабилитронами, присоединенными параллельно им, внутри корпусов, но большинство не защищены. Чтобы предотвратить повреждение, люди, работающие с IGFT, всегда должны соблюдать следующие две меры предосторожности:
- Прикасайтесь руками только к пластиковой изоляции, а не непосредственно к металлическим проводам;
- Используйте заземленный браслет.
Последний представляет собой пластиковую ленту (обычно черного или розового цвета), проводящую электричество и прикрепленную к длинному проводу. Его следует закрепить на любом запястье, касаясь кожи человека, а затем другой конец провода подключить к хорошему заземлению, например к водопроводной трубе. NV
Список деталей
| JFET | N-канальный |
| Потенциометр | 5000 Ом |
| Мощный МОП-транзистор | N-канальный |
| Лампа накаливания | Вольфрам, 12 В, 40 мА |
| Аккумулятор | Девять вольт |
| Мультиметр | |
| Антистатический браслет |
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.
Источник
- Исток обозначен символом S. Он выполняет роль электрода 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
- Обозначается 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.
- 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, что 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.
- Истощение канала: рассмотрим полевой транзистор N-канального типа, 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.
Давайте обсудим их один за другим.- 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.
- Символ перехода полевого транзистора следующий;
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.
N-канальные полевые транзисторы
Конструкция N-канального полевого транзистора 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 из 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 режиме обратного смещения, поэтому он имеет 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.
- 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 условиях нулевого смещения в переходном полевом транзисторе существует только ток стока.
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, полевые транзисторы на основе оксида металла.
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. Полевые транзисторы на основе оксида металла
- идеально подходят для цифровых, аналоговых и линейных схем.
- Иногда металлооксидные полевые транзисторы — МОП-транзисторы также называют IGFET, полевыми транзисторами с изолированным затвором.
- 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
- MOSFET очень похож на JFET, но основное отличие заключается в изоляции электрода затвора от канала проводимости, либо P-канала, либо N-канала, 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 MOSFET, его конструкцией, работой и применением вы можете обратиться к подробной статье, представленной на нашем веб-сайте.
- 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;
- Омический район
- 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 ID тока транзистора в данный 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 настолько велико, что токопроводящий канал разрывается 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
- Полевые транзисторы часто используются в интегральных схемах из-за их меньшего размера и компактности. Полевые транзисторы
- используются в операционных усилителях в качестве VR, резисторов с переменным напряжением.
- Они также используются в регуляторах тембра для работы микшера на ТВ и FM. Полевые транзисторы
- также используются в логических элементах. Полевые транзисторы
- 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 обсудим 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 счете, 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. Генераторы с фазовым сдвигом
- используются для генерации сигналов с широким диапазоном частот. Полевые транзисторы
- могут использоваться как для усиления, так и для работы в контуре обратной связи, поэтому они отлично подходят для работы в качестве фазовращателей.
- Field Effect Transistor_ Полевые транзисторы имеют высокий входной импеданс, поэтому при использовании их в качестве генераторов с фазовым сдвигом возникает очень меньший эффект нагрузки.
- В большинстве случаев для этой цели используются N-канальные JFET.
- Вы можете увидеть 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». Каскодные схемы
- состоят из двух компонентов: первый — усилитель крутизны, а второй — буферный усилитель. Усилители Cascode
- 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.
FET 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! Полевые транзисторы
- 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.
Представьте себе целый год напряженной работы, а конечный результат сводится в единую карточку результатов после экзамена!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.
- Установив 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!
- Создание шума 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.
