Полевые транзисторы (FET)

В полевой транзистор (FET) - электронное устройство, в котором электрическое поле используется для регулирования протекания тока. Для реализации этого на выводы затвора и истока устройства прикладывается разность потенциалов, которая изменяет проводимость между выводами стока и истока, заставляя контролируемый ток течь через эти выводы.

Полевые транзисторы называются униполярные транзисторы потому что они предназначены для работы как устройства с одной несущей. Вы найдете в наличии различные типы полевых транзисторов.

Символ

Графические символы для n-канальных и p-канальных полевых транзисторов JFET можно визуализировать на следующих рисунках.

Вы можете ясно заметить, что стрелки, указывающие внутрь для n-канального устройства, указывают направление, в котором я_грамм(ток затвора) должен течь, когда p-n переход был смещен в прямом направлении.

В случае p-канального устройства условия идентичны, за исключением разницы в направлении символа стрелки.

Разница между FET и BJT

Полевой транзистор (FET) - это трехконтактное устройство, предназначенное для широкого круга схемных приложений, которые в значительной степени дополняют те, что используются в BJT-транзисторе.

Хотя вы обнаружите значительные различия между BJT и JFET, на самом деле существует несколько характеристик соответствия, о которых будет сказано в следующих обсуждениях. Основное различие между этими устройствами заключается в том, что BJT - это устройство с управлением по току, как показано на рис. 5.1a, а JFET-транзистор - это устройство, управляемое напряжением, как показано на рис. 5.1b.

Проще говоря, ток I_Cна рис. 5.1а является непосредственной функцией уровня I_B. Для полевого транзистора ток I является функцией напряжения V_GSподается во входную цепь, как показано на рис. 5.1b.

В обоих случаях ток выходной цепи будет регулироваться параметром входной цепи. В одной ситуации уровень тока, а в другой - приложенное напряжение.

Так же, как npn и pnp для биполярных транзисторов, вы найдете n-канальные и p-канальные полевые транзисторы. Но вы должны помнить, что BJT-транзистор - это биполярное устройство, приставка bi- указывает, что уровень проводимости является функцией двух носителей заряда, электронов и дырок.

С другой стороны, полевой транзистор - это униполярное устройство это зависит исключительно от электронной (n-канал) или дырочной (p-канал) проводимости.

Фразу «полевой эффект» можно объяснить так: все мы знаем о способности постоянного магнита притягивать металлические опилки к магниту без какого-либо физического контакта. Совершенно аналогичным образом внутри полевого транзистора электрическое поле создается существующими зарядами, которые влияют на проводимость выходной цепи, не имея прямого контакта между управляющими и контролируемыми величинами. Вероятно, одной из наиболее важных особенностей полевого транзистора является его высокое входное сопротивление.

В диапазоне от 1 до многих сотен МОм он значительно превосходит обычные диапазоны входного сопротивления конфигураций BJT, что является чрезвычайно важным атрибутом при разработке моделей линейных усилителей переменного тока.

Однако BJT более чувствителен к изменениям входного сигнала. Это означает, что изменение выходного тока обычно значительно больше для BJT, чем для полевых транзисторов при той же величине изменения их входных напряжений.

Из-за этого стандартное усиление переменного напряжения для усилителей BJT может быть намного выше по сравнению с полевыми транзисторами.

Вообще говоря, полевые транзисторы значительно более термически устойчивы, чем биполярные транзисторы, а также часто имеют меньшие размеры по сравнению с биполярными транзисторами, что делает их особенно подходящими для встраивания в качестве интегральных схем (I_C)чипсы.

С другой стороны, структурные характеристики некоторых полевых транзисторов могут позволить им быть более чувствительными к физическим контактам, чем биполярные транзисторы.

Больше взаимоотношений BJT / JFET

• Для BJT V_БЫТЬ= 0,7 В - важный фактор для начала анализа его конфигурации.
• Аналогично параметр I_грамм= 0 А обычно первое, что учитывается при анализе схемы JFET.
• Для конфигурации BJT я_Bчасто является первым фактором, который необходимо определить.
• Аналогично, для JFET это обычно V_GS.

В этой статье мы сосредоточимся на JFET или переходных полевых транзисторах, в следующей статье мы обсудим полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник или MOS-FET.

КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ JFET

Как мы узнали ранее, JFET имеет 3 вывода. Один из них управляет током между двумя другими.

Так же, как BJT, в JFET-транзисторах n-канальное устройство используется более заметно, чем его аналоги с p-каналом, поскольку n устройств обычно более эффективны и удобны для пользователя по сравнению с p-устройством.

На следующем рисунке мы можем увидеть базовую структуру или конструкцию n-канального JFET. Мы видим, что композиция n-типа образует главный канал через слои p-типа.

Верхняя часть канала n-типа соединена омическим контактом с клеммой, называемой стоком (D), а нижняя часть того же канала также подключена через омический контакт к другой клемме, называемой истоком (S).

Пара материалов p-типа соединена вместе с выводом, называемым затвором (G). По сути, мы обнаруживаем, что выводы стока и истока присоединены к концам канала n-типа. Вывод затвора соединен с парой материала с р-каналом.

Когда к полевому транзистору не приложено напряжение, его два p-n перехода не имеют условий смещения. В этой ситуации на каждом переходе существует обедненная область, как показано на приведенном выше рисунке, которая очень похожа на p-n-область диода без смещения.

Водная аналогия

Работу и управление JFET можно понять с помощью следующей аналогии с водой.

Здесь давление воды можно сравнить с величиной приложенного напряжения от стока к истоку.

Течение воды можно сравнить с потоком электронов. Горловина крана имитирует вывод источника JFET, а верхняя часть крана, куда нагнетается вода, изображает сток JFET.

Ручка ответвителя действует как затвор JFET. С помощью входного потенциала он контролирует поток электронов (заряд) от стока к источнику, точно так же, как ручка крана управляет потоком воды на отверстии для рта.

Из структуры JFET мы можем видеть, что контакты стока и истока находятся на противоположных концах n-канала, и поскольку термин основан на потоке электронов, мы можем написать:

V_GS= 0 V, V_DSНекоторая положительная ценность

На Рис. 5.4 мы можем видеть положительное напряжение V_DSприменяется по n-каналу. Вывод затвора напрямую соединяется с источником для создания условия V_GS= 0 В. Это позволяет клеммам затвора и истока иметь одинаковый потенциал и приводит к обеднению нижнего конца каждого p-материала, как мы видим на первой диаграмме выше, с условием отсутствия смещения.

Как только напряжение V_DD( = V_DS), электроны притягиваются к выводу стока, создавая обычный поток тока ID, как показано на рис. 5.4.

Направление потока заряда показывает, что ток стока и истока равны по величине (I_D= Я_S). В соответствии с условиями, изображенными на рис. 5.4, поток заряда выглядит совершенно неограниченным и зависит только от сопротивления n-канала между стоком и истоком.

Вы можете заметить, что область истощения больше в верхней части обоих материалов p-типа. Эта разница в размере области идеально поясняется рис. 5.5. Давайте представим, что в n-канале имеется однородное сопротивление, которое можно разделить на участки, указанные на рис. 5.5.

Текущий я_Dможет создавать диапазоны напряжения через канал, как показано на том же рисунке. В результате верхняя область материала p-типа будет иметь обратное смещение на уровне около 1,5 В, а нижняя область будет просто смещена в обратном направлении на 0,5 В.

Точка, в которой p-n-переход имеет обратное смещение по всему каналу, вызывает ток затвора с нулевым током, как показано на том же рисунке. Эта характеристика, которая приводит к I_грамм= 0 A - важная характеристика полевого транзистора.

Поскольку V_DSпотенциал увеличивается от 0 до нескольких вольт, ток увеличивается по закону Ома и график I_Dстрока 5_DSможет выглядеть так, как показано на рис. 5.6.

Сравнительная прямолинейность построения показывает, что для областей низких значений V_DS, сопротивление в основном равномерное. Поскольку V_DSподнимается и приближается к уровню, известному как VP на рис. 5.6, области истощения расширяются, как показано на рис. 5.4.

Это приводит к очевидному уменьшению ширины канала. Уменьшение пути проводимости приводит к увеличению сопротивления, что приводит к появлению кривой на рис. 5.6.

Чем горизонтальнее становится кривая, тем выше сопротивление, указывая на то, что сопротивление приближается к «бесконечным» омам в горизонтальной области. Когда V_DSувеличивается до такой степени, что может показаться, что две области истощения могут «соприкасаться», как показано на рис. 5.7, приводит к возникновению ситуации, известной как отсечение.

Сумма, на которую V_DSразвивается такая ситуация, называется отщипнуть напряжение и обозначается буквой V_пкак показано на рис. 5.6. В общем, слово отсечение вводит в заблуждение, потому что оно подразумевает ток I_D«отщипывается» и падает до 0 А. Как показано на рис. 5.6, в данном случае это вряд ли выглядит очевидным. я_Dсохраняет уровень насыщения, обозначенный как I_DSSна рис. 5.6.

Правда в том, что очень маленький канал продолжает существовать, с потоком значительно высокой концентрации.

Точка, в которой ID не выпадает в отщипнуть и сохраняет уровень насыщения, как показано на рис. 5.6, подтверждается следующими доказательствами:

Отсутствие тока стока исключает возможность различных уровней потенциала через материал n-канала для определения изменяющейся величины обратного смещения вдоль p-n перехода. Конечным результатом является потеря распределения областей истощения, которая вызвала отщипнуть начать с.

По мере увеличения V_DSвыше V_побласть тесного контакта, где две области обеднения будут встречаться друг с другом, увеличивается в длине вдоль канала. Однако уровень идентификатора по-прежнему практически не меняется.

Таким образом, момент V_DSвыше V_п, JFET приобретает характеристики источника тока.

Как показано на рис. 5.8, ток в полевом транзисторе JFET определяется при I_D= Я_DSS, а напряжение V_DSвыше ВП устанавливается подключенной нагрузкой.

Выбор обозначения IDSS основан на том факте, что это ток от стока к источнику, имеющий короткозамкнутую перемычку между затвором и источником.

Дальнейшее исследование дает нам следующую оценку:

я_DSSявляется самым высоким током стока для полевого транзистора и устанавливается условиями V_GS= 0 В и V_DS> | ВП |.

Обратите внимание, что на Рис. 5.6 V_GSсоставляет 0 В для всего участка кривой. В следующих разделах мы узнаем, как атрибуты Рис. 5.6 влияют на уровень V._GSразнообразен.

V_GS <0V

Напряжение, приложенное к затвору и источнику, обозначается как VGS, который отвечает за управление операциями JFET.

Если мы возьмем пример БЮТ, так же как кривые I_Cпротив V_ЭТОопределены для различных уровней I_B, аналогично кривые I_Dпротив V_DSдля различных уровней V_GSможет быть создан для аналога JFET.

Для этого клемма затвора устанавливается на постоянный более низкий потенциал ниже уровня потенциала источника.

Ссылаясь на рисунок 5.9 ниже, на клеммы затвор / исток подается -1В для уменьшения напряжения V_DSуровень.

Цель отрицательного потенциального смещения V_GSзаключается в развитии областей истощения, напоминающих ситуацию V_GS= 0, но при значительно уменьшенном V_DS.

Это приводит к тому, что вентиль достигает точки насыщения с более низкими уровнями V_DSкак показано на рис. 5.10 (V_GS= -1V).

Соответствующий уровень насыщения для I_Dможно обнаружить, что они уменьшаются и на самом деле просто продолжают уменьшаться, как V_GSделается более негативным.

На рис. 5.10 отчетливо видно, как напряжение отсечки продолжает падать, принимая параболическую форму как V_GSстановится все больше и больше негатива.

Наконец, когда V_GS= -V_п, он становится достаточно отрицательным, чтобы установить уровень насыщения, который в конечном итоге составляет 0 мА. На этом уровне JFET полностью «выключен».

Уровень V_GSчто заставляет меня_Dдля достижения 0 мА характеризуется В_GS= V_п, при этом V_п- отрицательное напряжение для n-канальных устройств и положительное напряжение для p-канальных полевых транзисторов.

Обычно вы можете найти большинство таблиц данных JFET, показывающих отщипнуть напряжение указано как В_{GS (выкл.)}вместо V_п.

Область с правой стороны локуса отсечки на приведенном выше рисунке - это место, традиционно используемое в линейных усилителях для достижения сигнала без искажений. Этот регион обычно называют область постоянного тока, насыщения или линейного усиления.

Резистор, управляемый напряжением

Область, которая находится слева от локуса отщипывания на том же рисунке, называется омическая область или область сопротивления, управляемого напряжением.

В этой области устройство может фактически работать как переменный резистор (например, в приложении автоматической регулировки усиления), с его сопротивлением, контролируемым посредством приложенного потенциала затвор / исток.

Вы можете видеть, что наклон каждой из кривых, который также означает сопротивление сток / исток JFET для V_DS показывается функцией приложенного V_GSпотенциал.

По мере того, как мы повышаем VGS с отрицательным потенциалом, наклон каждой кривой становится все более и более горизонтальным, демонстрируя пропорционально возрастающие уровни сопротивления.

Мы можем получить хорошее начальное приближение к уровню сопротивления по отношению к напряжению VGS с помощью следующего уравнения.

p-канал JFET рабочий

Внутренняя компоновка и конструкция p-канального JFET в точности идентичны n-канальному аналогу, за исключением того, что области материалов p- и n-типа поменяны местами, как показано ниже:

Направление тока также можно рассматривать как обратное, наряду с фактической полярностью напряжения VGS и VDS. В случае p-канального JFET канал будет ограничен в ответ на увеличение положительного потенциала на затворе / истоке.

Обозначения с двойным индексом для V_DSвызовет отрицательное напряжение для V_DS, как показано на характеристиках рис. 5.12. Здесь ты можешь найти меня_DSSпри 6 мА, а напряжение отсечки при V_GS= + 6В.

Пожалуйста, не запутайтесь из-за наличия у вас знака минус для буквы V_DS. Это просто указывает на то, что источник имеет более высокий потенциал, чем сток.

Вы можете видеть, что кривые для высоких значений V_DSуровни резко повышаются до значений, которые кажутся неограниченными. Указанный подъем, который является вертикальным, символизирует аварийную ситуацию, что означает, что ток через канальное устройство полностью контролируется внешней схемой в этот момент времени.

Хотя это не очевидно на рис. 5.10 для n-канального устройства, это возможно при достаточно высоком напряжении.

Эту область можно исключить, если V_{DS (макс.)}указано в техническом описании устройства, и устройство настроено таким образом, что фактическое значение V_DSзначение ниже, чем это отмеченное значение для любого V_GS.