Напряжение открытия полевого транзистора: Параметры MOSFET транзисторов.

Содержание

Полевые транзисторы

 

3.10. Полевые транзисторы

 

Полевые транзисторы, называемые также униполярными или канальными, в отличие от биполярных имеют большое входное сопротивление. Полевые транзисторы подразделяются на полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Полевые транзисторы с изолированным затвором в свою очередь подразделяются на транзисторы со встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом. Канал в полевых транзисторах может быть  n или p типа. Канал — это область полевого транзистора, через которую протекают основные носители заряда. Величина тока в канале управляется электрическим полем.  Транзисторы, как правило, имеют три вывода. Вывод, от которого в канал приходят основные носители заряда, называется истоком.  Вывод, к которому носители заряда приходят из канала, называется стоком. Вывод, на который подается управляющее напряжение относительно истока или стока, называется затвором. Название транзисторы получили вследствие особенностей работы. Полевыми транзисторы называют потому, что управление током в выходной цепи транзистора осуществляется электрическим полем во входной цепи. Канальными транзисторы называют потому, что ток в выходной цепи транзистора протекает через его канал. Униполярными транзисторы называют потому, что в работе транзистора принимают носители одной полярности. Условные обозначения полевых транзисторов приведены в начале этой главы. В условных обозначениях полевых транзисторов на принципиальных схемах стрелка направлена к каналу n-типа, или от канала p-типа. Индуцированный (наведенный электрическим полем) канал, обозначается пунктиром.

Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n-типа (рис. 3.40а). Знаком плюс показана повышенная концентрация носителей заряда. Области истока и стока делаются с повышенной проводимостью для того, чтобы уменьшить бесполезное падение напряжения на них. Повышенной проводимостью обладает и область затвора с целью увеличения запирающего слоя в сторону канала при увеличении управляющего напряжения. В таких транзисторах управляющее напряжение прикладывается к p-n переходу затвор-исток в обратном направлении.

Если увеличивать напряжение между затвором и истоком в указанной полярности, то запирающий слой p-n перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Сопротивление канала постоянному току увеличивается и ток стока становится меньше. Зависимость тока  стока  от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток называется

стокозатворной характеристикой  полевого транзистора. Стоковая характеристика полевого транзистора для схемы включения транзистора с общим истоком – это зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток.

Проставим полярность подключения источников напряжения во входной и выходной цепях полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n типа для схемы включения транзистора с общим истоком (рис.

3.41). Мы знаем определения выводов транзистора и то, что p-n переход затвор-исток смещается в обратном направлении. Следовательно, основные носители заряда электроны должны двигаться в соответствии с определением выводов транзистора от истока к стоку, т.е. снизу вверх. Чтобы электроны двигались в таком направлении необходимо в выходной цепи транзистора плюс источника питания подключить к стоку, минус к истоку. Для смещения p-n перехода затвор-исток в обратном направлении необходимо к затвору подключить минус источника, а к истоку плюс. Стокозатворная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n-типа для схемы включения транзистора с общим истоком приведена на рисунке 
3.42а
, а стоковые характеристики на рисунке 3.42б.

На рисунке 3.40 б схематично показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа. На затвор относительно истока такого транзистора можно подавать управляющее напряжение обеих полярностей. Семейство стоковых характеристик данного транзистора приведено на рисунке 3.43 б, а на рисунке 3.43 а – одна из его стокозатворных характеристик. При подаче на затвор относительно  истока положительного напряжения в канал будут приходить электроны из областей стока, истока и кристалла p-типа и ток в цепи сток-исток будет увеличиваться. Такой режим работы называют режимом обогащения носителей заряда  в канале. При подаче на затвор относительно истока отрицательного напряжения канал транзистора обедняется основными носителями заряда и ток стока уменьшается. Этот режим работы транзистора называется режимом обеднения.

Транзисторы характеризуют рядом параметров. Начальный ток стока — это ток стока при напряжении между затвором и истоком равном нулю и напряжении сток исток равном или превышающем напряжение насыщения. Напряжением насыщения называют напряжение сток-исток, начиная с которого ток стока практически не увеличивается при увеличении напряжения сток-исток при заданном напряжении затвор-исток.

Ток утечки затвора — это ток затвора между затвором и остальными выводами транзистора, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор-исток при разомкнутом выводе стока — это ток в цепи затвор-исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутом выводе стока. Напряжение отсечки полевого транзистора — это напряжение затвор-исток для транзисторов с управляющим p-n переходом и транзисторов с изолированным затвором со встроенным каналом, при котором ток стока достигает заданного значения, обычно 10 мкА.

Пороговое напряжение полевого транзистора — это напряжение затвор-исток для транзисторов с изолированным затвором с индуцированным каналом (рис. 3.40в), при котором ток стока достигает заданного значения (рис. 3.44), обычно 10мкА. При отсутствии напряжения между затвором и истоком ток в цепи сток-исток не протекает, т.к. один из p-n переходов оказывается включенным в обратном направлении. При определенном напряжении затвор-исток в области, прилежащей к затвору, наступает инверсия проводимости и в цепи сток-исток появляется ток.

К предельным параметрам полевых транзисторов относятся: максимальный ток стока; максимально допустимые напряжения между выводами сток-исток, затвор-исток, затвор-сток; максимально допустимая мощность рассеяния; максимальная и минимальная температура окружающей среды.

 

 

Простой тестер полевых транзисторов –приставка к мультиметру

Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n-переходом на затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки.  Начальный ток стока измеряется при нулевом напряжении смещения (Uз.и=0), т.е. при затворе накоротко замкнутым с истоком . Напряжение отсечки — это такое пороговое значение напряжения затвор-исток, по достижении которого ток через канал полевого транзистора уже не изменяется и практически равен нулю.

типовая ВАХ полевого транзистора

Эти параметры, точнее пределы их изменений, указываются в справочниках и даташитах.  И именно их рекомендуемые значения  для конкретного транзистора  указывают в описании многих радиолюбительских конструкций.  Но, несмотря на современные технологии производства, полевые транзисторы по прежнему  имеют довольно большой разброс характеристик   и зачастую требуют подбора по параметрам.

Популярные и широко распространённые нынче универсальные транзисторные тестеры (M-TEST  и т.п.) не позволяют это сделать, т.к. показывают только напряжение затвор/исток при определённом (указанном там же на экране) токе стока.

Определить основные  параметры полевых транзисторов с p-n-переходом на затворе, как n-канальных, так и p-канальных, поможет простой тестер, выполненный в виде приставки к высокоомному вольтметру (мультиметру). Он позволяет измерять с достаточной для радиолюбительской практики точностью начальный ток стока полевого транзистора и его напряжение отсечки. С его помощью  можно не только отсортировать имеющиеся и выбрать транзисторы с требуемыми характеристиками, но и подобрать пару одинаковых по параметрам транзисторов.

Как видим схема тестера чрезвычайна проста  и состоит всего из двух образцовых резисторов, кнопки и разъёмов подключения испытуемого транзистора, источника питания и  высокоомного вольтметра. в качестве которого удобно применить современный цифровой мультиметр с автоматическим переключением диапазонов измерения. Напряжение питания должно в 1.5-2 раза превышать ожидаемое напряжение отсечки, для распространённых типов транзисторов, как правило, напряжение отсечки не превышает 6-7В, поэтому вполне достаточно 9-12В.

В исходном положении кнопка отжата и вольтметр показывает напряжение отсечки. Строго говоря, мы измеряем напряжение автосмещения на резисторе 100 кОм, величина которого для распространённых типов транзисторов  может быть в переделах 1-7В, а  ток стока при этом будет в соответственно в пределах 10—70 мкА. Такое упрощение в любительской практике вполне допустимо и вот почему.

Измерение истинного значения напряжения отсечки (при полном перекрытии канала) произвести довольно трудно, так как при этом приходится иметь дело с чрезвычайно малыми токами стока, к тому же зависящими от сопротивления изоляции. Поэтому производители в  справочных данных на полевые транзисторы всегда указывают, при каком значении тока стока произведены измерения напряжения отсечки. У советских транзисторов , как правило, измерение напряжение отсечки производилось при токе стока 10 мкА. За рубежом не было единого стандарта и каждый производитель  делал по своему: BF245, 2SK241, 2SK544, 2N5457 напряжение отсечки указано  при токе 100 мкА,  а вот у  2N5458 – при токе 200 мкА, 2N5459 даже 400 мкА! Как видим, нет особого смысла сильно упираться в какое-то конкретное значение тока стока и усложнять схему.

При нажатой кнопке вольтметр показывает падение напряжения на образцовом резисторе R2=10 Ом  при протекании через него начального тока стока. Т.о. определяем начальный ток стока, который равен показаниям вольтметра, делённом на сопротивление R2=10 Ом, т.е. Iнач=Uизм/10. Тестер смонтирован на маленькой макетной плате.

Вид тестера — приставки

В качестве иллюстрации сказанного на фото показан пример испытаний транзистора BF410d при помощи M-TEST

Показания MTESTa

и реальное значения напряжения отсечки (3,2в) и начального тока стока (13.66 мА) того же транзистора BF410d, измеренные при помощи описываемого тестера.

Измерение напряжения отсечки

Измерение начального тока стока

Для тестирования маломощных полевых транзисторов  с  p-каналом (типа КП103, J175…J177) и т.п.)достаточно изменить полярность источника питания на противоположную

Беленецкий С.Э. US5MSQ                                              февраль 2020г.                                                                                           г.Киев

Таблица сравнения полевых транзисторов

Не смотря на планы купить отдельную повышающую плату для питания стола, решил все же заменить транзистор нагрева стола на Ramps. Вообще, поводом к этому стала переломленная нога предохранителя. Раз уж все равно разбирать бутерброд и паять, то почему бы не перепаять еще и транзистор? Но о самой работе и результатах расскажу позже.

Прежде чем что-то менять, надо сначала это что-то выбрать. Про замену транзистора написано много постов и не только тут, но вот беда — никто так и не соизволил (а если и сделал, то я этого не нашел) расписать более подробную инфу про транзисторы и их ключевые характеристики. Все сводится к ‘вот этот точно работает, ставь его’ и к мерилкам ‘экспертностью’ в комментах без раскрытия темы.

В этом посте хочу поделиться со всеми, кто в теме не шарит, но интересуется, нарытой мной информацией и материалами. Что-то найдено тут, что-то на других ресурсах, а что-то узнал от специалистов в местных магазинах радиотоваров.

Начнем с характеристик полевых транзисторов. Их так много, что с ходу в тему не влететь, черт ногу сломит, некоторые из них еще и меняются в температурных диапазонах, а что-то приведено в даташитах в виде графиков. Для нас же, важны следующие:

Максимальный ток Стока, ld (А) — это максимальный продолжительный ток, с которым может работать транзистор. Чем больше, тем лучше.

Напряжение Сток-Исток, Vdss (В) — максимальное напряжение, которое может проходить через транзистор. Этот момент зависит от того, каким напряжением питаете стол через Ramps. Если 24В, то транзистор на 25, чтобы с запасом. Этого хватит, сильно много не надо.

Пороговое напряжение открытия транзистора, Vgs(th) min/max (В) — напряжение, при котором транзистор начинает работать и пропускать ток. Чем меньше значение, тем лучше. В данной характеристике важным моментом является обозначение ‘(th)’, ибо есть похожая характеристика.

Максимальное напряжение Затвор-Исток, Vgs (В)

— напряжение полного раскрытия транзистора.

Сопротивление Сток-Исток Rds(Ом) — сопротивление при открытом канале. Чем оно меньше, тем лучше.

Теперь посмотрим как это все связано друг с другом и как работает. Ардуино подает на дроссель Vgs(th) и тем самым открывает ‘дверь’ транзистора. От степени открытия этой двери зависит текущий ток ld, который она может пропустить. Максимальный ток ld будет достигнут, когда значение напряжения на дросселе достигнет Vgs. Иллюстрируется это следующим графиком:

Тут можно видеть, что, чем выше напряжение Vgs, тем больше ток ld. Но реальность такова, что без дополнительных доработок у нас
Vgs
будет на уровне максимум 5В и ток будет соответствующий. Поэтому, чем больше максимальный ток транзистора, тем больше его мы можем получить себе в перспективе с наших 5В. Чем меньше Vgs(th), тем раньше мы начнем ток получать. А чем меньше Vgs, тем ближе мы будем к максимальному току транзистора с нашим напряжением в 5В. Сопротивление Rds так же должно быть минимальным, чем оно меньше, тем меньше наши потери тока на пути к столу и меньше нагрев транзистора.

Кроме сопротивления Rds есть еще одна связь с температурой транзистора. Греется он в работе. Чем больше открыт дроссель, чем больший ток он пропускает и чем дольше работает, тем сильнее разогревается сам. Соответственно, больший ток ld при меньшем напряжении на затворе Vgs позволяет, меньше, реже и на меньшее время открываться транзистору, быстрее нагревая стол и меньше нагреваясь самому. Утепление самого стола позволяет транзистору меньше напрягаться с его подогревом.

Мной были просмотрены местные темы про замену транзистора на рампсе и темы на других сайтах, в результате свел все в одну гуглотаблицу с расписанием указанных выше характеристик.

Электронный вариант таблицы с возможностью оставлять комментарии тут:

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1vytRAPAFucIo5Fq3LOEikMxhKLOYDs3fuzYW6Lwr1MY/edit?usp=sharing

Если будут еще варианты, пишите мне, дополню таблицу, так же пишите, на какие еще характеристики стоит обратить внимание при подборе транзистора для наших целей.

Подобрать транзистор по некоторым параметрам можно тут:

http://paratran.com/1ExtendedSearchFET.php

Тут можно почитать про их характеристики:

http://electricalschool.info/electronica/1696-parametry-polevykh-tranzistorov-chto.html

А тут найти даташит по названию:

http://www.radioradar.net/datasheet_search//index.html

Режимы работы и схемы включения полевых транзисторов

 

Анализируя возможность использования полевых транзисторов для усиления электрических сигналов мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводниках. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в канале тока не от истока к стоку, а наоборот — от стока к истоку и т.п.

В общем случае для полевого транзистора, так же как и для биполярного, возможны различные устойчивые состояния (режимы работы). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии находится канал, соединяющий исток и сток транзистора, а также направлением тока, протекающего в канале. В полевых транзисторах дополнительно принято классифицировать также режим воздействия затвора на канал (стимулирует или подавляет протекание тока в нем).

Ниже при описании режимов работы полевых транзисторов мы применим ту же терминологию, какая используется для биполярных транзисторов. Однако следует понимать, что в полевых транзисторах физические процессы протекают иначе и зачастую нельзя однозначно утверждать, что транзистор находится в таком-то режиме без некоторых уточнений. Например, в нашей транскрипции активный режим и режим насыщения могут существовать одновременно независимо друг от друга.

 

Активный режим — соответствует случаям, рассмотренным при анализе усилительных свойств полевых транзисторов. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Часто такой режим называюют основным, усилительным или нормальным (на усилительные свойства полевого транзистора также оказывает влияние состояние канала, а именно находится ли он в режиме насыщения — см. ниже). При рассмотрении полевых транзисторов мы практически всегда (за исключением ключевых схем) имеем дело с активным режимом, но здесь имеется одна тонкость, о которой также часто говорят как о режиме работы транзистора (или как о режиме работы затвора). В различных видах полевых транзисторов и при различных внешних напряжениях затвор может оказывать два вида воздействий на канал: в первом случае (например, в полевых транзисторах с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом при напряжениях на электродах, соответствующих рис. 2-1.5) он препятствует протеканию тока через канал, уменьшая число носителей зарядов, проходящих через него (такой режим называют режимом обеднения канала), во втором случае (например, в МДП-транзисторах с индуцированным каналом, включенных в соответствии с рис. 2-1.7) затвор, наоборот, стимулирует протекание тока через канал, увеличивая число носителей зарядов в потоке (режим обогащения канала). Часто просто говорят о режиме обеднения и режиме обогащения. Заметим, что МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут находиться в активном режиме только в случае режима обогащения канала, а для МДП-транзисторов со встроенным каналом это может быть и режим обогащения, и режим обеднения. В полевых транзисторах с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом попытка приложить прямое смещение на этот переход вызывает его открытие и протекание существенного тока в цепи затвора. Реальные процессы в транзисторе в этом случае сильно зависят от его конструкции, практически никогда не документируются и трудно предсказуемы. Поэтому говорить о режиме обогащения для полевых транзисторов с управляющим переходом не принято да и просто бессмысленно.

Инверсный режим — по процессам в канале противоположен активному режиму, т.е. поток носителей зарядов в канале протекает не от истока к стоку, а наоборот — от стока к истоку. Для инверсного режима требуется только изменение полярности напряжения на канале, полярность напряжения на затворе остается неизменной. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Обычно из-за конструктивных различий между областями стока и истока усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются хуже, чем в режиме активном. Впрочем, в некоторых видах МДП-транзисторов конструктивная ассиметрия минимальна, что приводит к симметричности выходных статических характеристик такого транзистора относительно изменения полярности напряжения сток—исток. Данный режим практически никогда не используется в усилительных схемах, но для аналоговых переключателей на полевых транзисторах он оказывается полезен. Однако здесь есть одна ловушка, в которую довольно легко попасть начинающему. Дело в том, что в большинстве МДП-транзисторов (особенно в мощных) производители соединяют подложку с истоком внутри корпуса прибора, что фактически означает, что в этих транзисторах между истоком и стоком имеется диод который не позволяет подавать на переход исток—сток инверсное напряжение, превышающее прямое падение напряжения на этом диоде, т.е. инверсный режим в таком транзисторе попросту невозможен. Вообще, в случае полевых транзисторов о режиме работы вспоминают гораздо реже, чем для биполярных. Дело здесь в том, что каждый конкретный тип полевого транзистора имеет конструкцию строго ориентированную на выполнение какой-то конкретной функции (усиление слабых сигналов, ключ и т.п.), все документируемые параметры транзистора в этом случае характеризуют его работу именно в основном режиме при выполнении предназначенной функции. Поэтому имеет смысл говорить просто о нормальном режиме работы, когда все соответствует документации, или о ненормальном, который в документации просто не предусмотрен (да и вряд ли кому-то понадобиться использовать его в схемах).

Режим насыщения — характеризует состояние не всего транзистора в целом, как это было для биполярных приборов, а только токопроводящего канала между истоком и стоком. Данный режим соответствует насыщению канала основными носителями зарядов. Такое явление как насыщение является одним из важнейших физических свойств полупроводников. Оказывается, что при приложении внешнего напряжения к полупроводниковому каналу, ток в нем линейно зависит от этого напряжения лишь до определенного предела (напряжение насыщения), а по достижении этого предела стабилизируется и остается практически неизменным вплоть до пробоя структуры. В приложении к полевым транзисторам это означает, что при превышении напряжением сток—исток некоторого порогового уровня оно перестает влиять на ток в цепи. Если для биполярных транзисторов режим насыщения означал полную потерю усилительных свойств, то для полевых это не так. Здесь наоборот, насыщение канала приводит к повышению коэффициента усиления и уменьшению нелинейных искажений. До достижения напряжением сток—исток уровня насыщения ток через канал линейно увеличивается с ростом напряжения (т.е. ведет себя так же, как и в обычном резисторе). Автору неизвестно какого-либо устоявшегося названия для такого состояния полевого транзистора (когда ток через канал идет, но канал ненасыщен), будем называть его режимом ненасыщенного канала (он находит применение в аналоговых ключах на полевых транзисторах). Режим насыщения канала обычно является нормальным при включении полевого транзистора в усилительные цепи, поэтому в дальнейшем при рассмотрении работы транзисторов в схемах мы не будем делать особого акцента на этом, подразумевая, что между стоком и истоком транзистора присутствует напряжение, достаточное для насыщения канала.

Режим отсечки — режим, в котором ток через канал полевого транзистора не протекает. Переход полевого транзистора в режим отсечки происходит по достижении напряжением на затворе определенного порога (напряжение отсечки). В полевых транзисторах с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом это имеет место при постепенном увеличении обратного смещения на перереходе, а в МДП-транзисторах со встроенным каналом при увеличении разности потенциалов между истоком и затвором при условии работы в режиме обеднения канала. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом режим отсечки имеет место при нулевой разности напряжений между истоком и затвором, а по достижении напряжения отсечки (или порогового напряжения) канал открывается. Поскольку выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, он используется в ключевых схемах и соответвует размыканию транзисторного ключа.

Помимо режима работы для эксплуатации полевых транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Так же как и для биполярных транзисторов, здесь различают три основных способа (рис. 2-1.8): схема с общим истоком (ОИ), схема с общим стоком (ОС) и схема с общим затвором (ОЗ).

 

Рис. 2-1.8. Схемы включения полевых транзисторов (направления токов соответствуют активному режиму работы)

 

Для полевых транзисторов полностью сохраняется понятие класса усиления в том же виде, в каком оно описано в подразделе Классы усиления для биполярных транзисторов. Отличие лишь в том, что критерием нахождения транзистора в режиме усиления здесь служит наличие потока зарядов через канал от истока к стоку.

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Полевые транзисторы. Характеристики. Основные типы.- Elektrolife

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

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

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

%d0%bd%d0%b0%d0%bf%d1%80%d1%8f%d0%b6%d0%b5%d0%bd%d0%b8%d0%b5%20%d0%be%d1%82%d1%81%d0%b5%d1%87%d0%ba%d0%b8%20%d0%bf%d0%be%d0%bb%d0%b5%d0%b2%d0%be%d0%b3%d0%be%20%d1%82%d1%80%d0%b0%d0%bd%d0%b7%d0%b8%d1%81%d1%82%d0%be%d1%80%d0%b0 — с русского на все языки

Все языкиАбхазскийАдыгейскийАфрикаансАйнский языкАканАлтайскийАрагонскийАрабскийАстурийскийАймараАзербайджанскийБашкирскийБагобоБелорусскийБолгарскийТибетскийБурятскийКаталанскийЧеченскийШорскийЧерокиШайенскогоКриЧешскийКрымскотатарскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧувашскийВаллийскийДатскийНемецкийДолганскийГреческийАнглийскийЭсперантоИспанскийЭстонскийБаскскийЭвенкийскийПерсидскийФинскийФарерскийФранцузскийИрландскийГэльскийГуараниКлингонскийЭльзасскийИвритХиндиХорватскийВерхнелужицкийГаитянскийВенгерскийАрмянскийИндонезийскийИнупиакИнгушскийИсландскийИтальянскийЯпонскийГрузинскийКарачаевскийЧеркесскийКазахскийКхмерскийКорейскийКумыкскийКурдскийКомиКиргизскийЛатинскийЛюксембургскийСефардскийЛингалаЛитовскийЛатышскийМаньчжурскийМикенскийМокшанскийМаориМарийскийМакедонскийКомиМонгольскийМалайскийМайяЭрзянскийНидерландскийНорвежскийНауатльОрокскийНогайскийОсетинскийОсманскийПенджабскийПалиПольскийПапьяментоДревнерусский языкПортугальскийКечуаКвеньяРумынский, МолдавскийАрумынскийРусскийСанскритСеверносаамскийЯкутскийСловацкийСловенскийАлбанскийСербскийШведскийСуахилиШумерскийСилезскийТофаларскийТаджикскийТайскийТуркменскийТагальскийТурецкийТатарскийТувинскийТвиУдмурдскийУйгурскийУкраинскийУрдуУрумскийУзбекскийВьетнамскийВепсскийВарайскийЮпийскийИдишЙорубаКитайский

 

Все языкиАнглийскийНемецкийНорвежскийКитайскийИвритФранцузскийУкраинскийИтальянскийПортугальскийВенгерскийТурецкийПольскийДатскийЛатинскийИспанскийСловенскийГреческийЛатышскийФинскийПерсидскийНидерландскийШведскийЯпонскийЭстонскийТаджикскийАрабскийКазахскийТатарскийЧеченскийКарачаевскийСловацкийБелорусскийЧешскийАрмянскийАзербайджанскийУзбекскийШорскийРусскийЭсперантоКрымскотатарскийСуахилиЛитовскийТайскийОсетинскийАдыгейскийЯкутскийАйнский языкЦерковнославянский (Старославянский)ИсландскийИндонезийскийАварскийМонгольскийИдишИнгушскийЭрзянскийКорейскийИжорскийМарийскийМокшанскийУдмурдскийВодскийВепсскийАлтайскийЧувашскийКумыкскийТуркменскийУйгурскийУрумскийЭвенкийскийБашкирскийБаскский

МОП-транзистор и источник питания 3 В

Вы получили пару очень хороших ответов о типичном поведении. Вот некоторые (возможно, tl; dr — но вы можете пропустить до нижней строки) точки.

Если вы заинтересованы в разработке чего-то, что гарантированно будет работать, вы также должны искать гарантированные числа. В качестве переключателя ваш интерес, вероятно, будет заключаться в том, какое напряжение необходимо для его включения (для данного определения «вкл.») И как низкое напряжение должно быть до того, как оно гарантированно будет отключено. Эти гарантии обычно указываются двумя разными способами. ВG S( т ч )ВгS(Tчас) это больше гарантия того, где он (в основном) «выключен», установленный на 250 мкА в случае вашего MOSFET, но где ВG S( т ч ) МA XВгS(Tчас)MAИксдается (поисковая система Digikey) это полезный прокси. Напряжение при которомрD S( О п )рDS(оN)указано, указывает, какое напряжение производитель проверяет при условии «включено» (может быть указано более одной точки). В случае CSD19501KCS он указан на 6 В и 10 В.

Графики являются лишь ориентировочными, тогда как ограничения на ВG S( т ч )ВгS(Tчас) а также рD S( О п )рDS(оN) (не типичные цифры) являются гарантиями (при определенных температурах).

Вы можете использовать графики для интерполяции и оценки того, какими могут быть пределы при других условиях, но в целом вы не должны зависеть от типичных чисел или типовых графиков (в одиночку).

Когда вы используете параметрические поисковые системы, один переключатель, который может помочь обнаружить MOSFET, подходящий для привода с более низким напряжением, — это «Логический уровень». ВG S( т ч )ВгS(Tчас) безусловно, может помочь вам указать таблицы данных для проверки напряжения, которое рD S( О п )рDS(оN)указано в. Поиск полевых МОП-транзисторов с очень низким рейтингомВВD SВВDS обычно дает детали, рассчитанные на низкое напряжение затвора.

К сожалению, противоположность последней точке также верна, редко можно найтиВВD SВВDSМОП-транзистор с «логическим уровнем» ворот. В таких случаях вам, возможно, придется генерировать более высокое напряжение затвора (10 В очень распространено для высоковольтных полевых МОП-транзисторов). рD S( О п )рDS(оN) высоковольтных МОП-транзисторов также хуже для высоких ВВD SВВDS (размер кристалла одинаковый), поэтому может потребоваться реальная стоимость установки спецификации для ВВD SВВDS намного выше, чем необходимо (в отличие от BJT, где нет такого сильного эффекта).

Я бросил быстрый взгляд и не увидел никаких полноприводных МОП-транзисторов на 80 В или выше с идентификаторами на 75 А или более, которые были бы надежно подходящими для привода на 3 В. У NXP есть ряд автомобильных моделей с 5-вольтовым приводом, но, тем не менее, они не доступны широко из разных источников, и они нацелены на автомобильный рынок 42 В, который кажется немного сомнительным (рынки могут быть непостоянными).

Итог: если вы не можете расслабиться идентификаторы и ВВD SВВDS рейтинги, я предлагаю повысить напряжение на затворе до 10 В.

5.1: Введение в полевые полевые транзисторы (JFET)

Транзистор — это линейное полупроводниковое устройство, которое регулирует ток с помощью электрического сигнала меньшей мощности. Транзисторы можно условно разделить на два основных подразделения: биполярных и полевых . В предыдущей главе мы изучали биполярные транзисторы, в которых небольшой ток используется для управления большим током. В этой главе мы познакомимся с общей концепцией полевого транзистора — устройства, использующего небольшое напряжение для управления током — а затем сосредоточимся на одном конкретном типе: полевом транзисторе junction .В следующей главе мы рассмотрим еще один тип полевых транзисторов — вариант с изолированным затвором .

Все полевые транзисторы — это униполярных , а не биполярных устройств. То есть основной ток через них состоит либо из электронов через полупроводник N-типа, либо из дырок через полупроводник P-типа. Это становится более очевидным при просмотре физической схемы устройства:

В соединительном полевом транзисторе или JFET управляемый ток проходит от истока к стоку или от стока к истоку, в зависимости от обстоятельств.Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Обратите внимание, что ток не должен проходить через PN-переход на своем пути между истоком и стоком: путь (называемый каналом ) представляет собой непрерывный блок из полупроводникового материала. На только что показанном изображении этот канал представляет собой полупроводник N-типа. Также выпускаются полевые транзисторы с каналом P-типа:

Как правило, полевые транзисторы с N-каналом используются чаще, чем с P-каналом. Причины этого связаны с малоизвестными деталями теории полупроводников, которые я не хотел бы обсуждать в этой главе.Как и в случае с биполярными транзисторами, я считаю, что лучший способ ввести использование полевых транзисторов — это избегать теории, когда это возможно, и вместо этого сосредоточиться на рабочих характеристиках. Единственное практическое различие между полевыми транзисторами с N- и P-каналом, о которых вам нужно позаботиться сейчас, — это смещение PN-перехода, образованного между материалом затвора и каналом.

В отсутствие напряжения между затвором и истоком канал представляет собой широко открытый путь для прохождения электронов. Однако, если между затвором и истоком подается напряжение такой полярности, что оно смещает в обратном направлении PN-переход, поток между соединениями истока и стока становится ограниченным или регулируемым, как это было для биполярных транзисторов с заданной величиной базового тока.Максимальное напряжение затвор-исток «отсекает» весь ток, протекающий через исток и сток, тем самым вынуждая полевой транзистор перейти в режим отсечки. Такое поведение происходит из-за того, что область обеднения PN-перехода расширяется под действием напряжения обратного смещения, в конечном итоге занимая всю ширину канала, если напряжение достаточно велико. Это действие можно сравнить с уменьшением потока жидкости через гибкий шланг путем его сжатия: при достаточном усилии шланг сжимается настолько, что полностью перекрывает поток.

Обратите внимание на то, что это рабочее поведение прямо противоположно биполярному переходному транзистору. Биполярные транзисторы — это нормально выключенных устройств : нет тока через базу, нет тока через коллектор или эмиттер. С другой стороны, полевые транзисторы представляют собой устройства , обычно подключенные: отсутствие напряжения, приложенного к затвору, обеспечивает максимальный ток через исток и сток. Также обратите внимание, что величина тока, допустимого через JFET, определяется сигналом напряжения , а не сигналом тока , как в случае биполярных транзисторов.Фактически, при обратном смещении PN-перехода затвор-исток должен быть почти нулевой ток через соединение затвора. По этой причине мы классифицируем JFET как устройство , управляемое напряжением, , а биполярный транзистор как устройство , управляемое током, .

Если PN-переход затвор-исток смещен в прямом направлении с небольшим напряжением, канал JFET «откроется» немного больше, чтобы пропустить большие токи. Однако PN-переход JFET не предназначен для обработки какого-либо значительного тока, поэтому не рекомендуется смещать переход в прямом направлении ни при каких обстоятельствах.

Это очень сжатый обзор работы JFET. В следующем разделе мы рассмотрим использование JFET в качестве переключающего устройства.

Что такое полевой транзистор (FET) | Типы

Биполярный переходной транзистор (BJT) — это устройство, управляемое током. Входной ток устройства контролирует выходной ток. С точки зрения эффективности этот тип транзистора потребляет относительно большое количество энергии из-за высокого тока, который преобразуется в тепло; таким образом, КПД невысокий.Существуют и другие типы транзисторов с более высокой энергоэффективностью. Это связано с их более высоким внутренним сопротивлением. Полевой транзистор (FET) — еще один тип транзистора, который благодаря своим преимуществам перед переходным транзистором широко используется в промышленных и бытовых электронных приборах.

Сопротивление цепей полевого транзистора намного больше, чем у их аналогов в BJT. Следовательно, ток намного ниже, что приводит к гораздо меньшему энергопотреблению в цепи, в которой используется транзистор этой категории.

Полевой транзистор (FET): Тип транзистора, все еще сделанный из полупроводниковых материалов, основанный на другой структуре и другом механизме работы, чем у переходного транзистора. Он имеет канал или проход, вокруг которого может развиваться электрическое поле и через который проходят электроны. Поток электронов можно контролировать, регулируя полярность и напряженность поля.

Основное отличие между полевым транзистором и переходным транзистором состоит в том, что полевой транзистор имеет только один P-N переход.Структура и процесс изготовления полевого транзистора отличаются от биполярного переходного транзистора.

В полевом транзисторе основной корпус может быть выполнен из материала N-типа или P-типа, в котором диффузный канал из материала противоположного типа. Если материал канала сделан из материала N, то продукт называется N-channel FET , а если канал сделан из полупроводника P-типа, FET называется P-channel FET .

Полевой транзистор — это транзистор , управляемый напряжением, , не похожий на BJT, который представляет собой устройство , управляемое током .Причина, по которой он называется полевым транзистором, заключается в том, что на ток через канал влияет электростатическое поле, сформированное вокруг канала. Сила этого поля может управлять потоком электрических носителей в канале.

Схема активной области полевого транзистора и его трех выводов показана на Рис. 1 . На практике транзистор очень мал, и все его элементы выполнены на корпусе, который сам является полупроводником и является частью элементов транзистора.

Рисунок 1 Схема активных частей полевого транзистора.

Названия трех элементов полевого транзистора отличаются от названий для BJT. Когда полевой транзистор проводит, электроны движутся по каналу. Одна сторона канала называется истоком (аналог эмиттера), а другая сторона называется стоком (аналог коллектора).

Канал физически окружен полупроводниковым материалом противоположного типа, который может влиять на протяженность (эффективный размер) канала, тем самым создавая меньшее или большее сопротивление потоку электронов.Это управляющее воздействие осуществляется воротами.

Размер канала (размер эффекта, а не физический размер) определяется напряжением, приложенным к затвору, а не током через затвор. Вот почему полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением.

Источник: (в полупроводниках) Один из трех выводов полевого транзистора, сравнимый с эмиттером в переходном транзисторе.

Сток: Один из трех выводов полевого транзистора (FET), аналог коллектора переходного транзистора.

Gate: Специальное соединение в некоторых полупроводниковых устройствах, которое при получении соответствующего сигнала (в виде напряжения или импульса) позволяет управлять устройством, в том числе включать и выключать его.

Существует много типов полевых транзисторов, и в некоторых (с симметричной геометрией канала) обозначение истока и стока определяется смещением.

В некоторых других случаях канал не имеет симметричной формы (структура меняется в процессе изготовления), и одна сторона канала обозначена как исток, а другая сторона — сток. На рисунке 2 показана схема структуры полевого транзистора.

По сравнению с транзистором с биполярным переходом исток, сток и затвор являются эквивалентами эмиттера, коллектора и базы соответственно. Кроме того, полевой транзистор с N-каналом является аналогом транзистора NPN, а полевой транзистор с каналом P соответствует транзистору PNP.

Физически полевые транзисторы похожи на биполярные транзисторы, и невозможно отличить один от другого простым взглядом. Обязательно обращайте внимание на именную бирку и паспорта производителя.

Помимо ряда различий между этими двумя категориями транзисторов, все, что можно сделать с помощью биполярных транзисторов, например усиление, также можно сделать с помощью полевых транзисторов.

В биполярных транзисторах есть общий эмиттер, общая база и общий коллекторный усилитель. Точно так же в полевых транзисторах у нас есть усилители с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно.

полевые транзисторы могут использоваться для усиления. По аналогии с BJT, можно использовать усилители с общим истоком, общим стоком и общим затвором.

Точно так же, как NPN-транзистор в равной степени применим к PNP-транзистору, все, что применимо к N-канальному полевому транзистору, верно и для P-канального полевого транзистора. Полярность напряжения смещения и рабочего напряжения, соответственно, противоположна друг другу для N-канальных и P-канальных полевых транзисторов. Далее мы рассматриваем полевой транзистор с N-каналом .

Рисунок 2 Схематическая структура полевого транзистора.

Типы полевых транзисторов (FET)

Полевые транзисторы изначально подразделяются на два типа: полевые транзисторы с переходным эффектом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Первая категория обозначается аббревиатурой JFET. второй категории известен как MOSFET из-за материала, используемого для его изоляции затвора, который представляет собой металлооксидный полупроводник. Таким образом, более распространенным названием второй категории является полевой транзистор металл-оксид-полупроводник.

Переходный полевой транзистор: Полевой транзистор одного типа (FET), затвор которого не изолирован. Те с изолированными воротами более продвинуты и распространены.

Полевой транзистор с изолированным затвором: Тип полевого транзистора с изолированным затвором, как у MOSFET.

Металл-оксид-полупроводник : Тип полупроводникового прибора, в котором оксид металла используется для изоляционных слоев.

Металл-оксид-полупроводник Полевой транзистор (MOSFET): Тип полевого транзистора, в котором оксид металла (например, SiO2) используется для изоляции затвора.

Эти два типа различаются по структуре, и есть разница в способах их функционирования.В JFET изоляция между затвором и каналом представляет собой PN-переход с обратным смещением. В MOSFET для этой цели используется слой оксида металла. Это схематично изображено на рисунке 2.

Помимо окончательной категоризации каждого типа на N-канал и P-канал, у полевых МОП-транзисторов есть подкатегории, как обсуждается ниже. На рисунке 3 показаны возможные категории полевых транзисторов.

Рисунок 3 Дерево различных семейств полевых транзисторов.

Как можно видеть, семейство JFET связано с истощением , тогда как семейство MOSFET связано с истощением и улучшением . Это (истощение и улучшение) — режимы работы каждой семьи; то есть механизм, в соответствии с которым каждая категория функционирует внутри. Они описаны ниже.

В области обеднения вокруг соединения P-N электроны, которые переместились в эту область, отклоняются и препятствуют проникновению других электронов через слой обеднения или прохождению через него.Вот что может случиться в канале полевого транзистора.

Предположим, что две стороны канала, образованного полупроводником N-типа, подключены к напряжению, как показано на Рис. 4 . Электроны притягиваются к положительной стороне (слева направо).

Материал канала — полупроводник, и он проявляет некоторое сопротивление, действуя как резистор. Рассмотрим три случая:

(1) нет напряжения на затворе,

(2) затвор подключен к отрицательному напряжению, а

(3) затвор подключен к положительное напряжение.

Рисунок 4 Истощение и усиление полевого транзистора.

Случай 1

Когда на затворе нет напряжения, в канале может течь ток из-за разницы напряжений между двумя сторонами канала и в зависимости от сопротивления канала.

Случай 2

Если теперь на затвор будет подано отрицательное напряжение, вокруг канала будет сформировано отрицательное поле, как показано на рисунке 4.Эффект этого поля заключается в отклонении электронов и уменьшении тока. Это случай, называемый истощением , потому что отрицательное поле истощает электроны в канале. Чем сильнее поле, тем меньше электронов проходит.

Случай 3

Когда затвор подключен к положительному напряжению, вокруг канала формируется положительное поле. Воздействие на электроны заключается в том, чтобы привлечь их и, как следствие, помочь им перемещаться по каналу.Это называется улучшением ; движение электронов усиливается.

В обоих случаях (истощение и усиление), чем сильнее поле, тем больше влияние на поток электронов. Как показано на рисунке 3, полевые транзисторы JFET работают только на основе истощения, но полевые МОП-транзисторы могут работать либо в режиме истощения, либо в режиме улучшения.

Улучшение: Один из двух методов управления потоком электронов в канале полевого транзистора (FET).

В полевом транзисторе, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током между истоком и стоком.

Junction Field Effect Transistor (JFET)

Хотя JFET и MOSFET являются полевыми транзисторами, они имеют разные символы на принципиальной схеме. Символы для JFET и сравнение с их аналогами в транзисторах с биполярным переходом показаны на Рис. 5 .

Рисунок 5 Обозначения для N-канальных и P-канальных полевых транзисторов.

Характеристики N-канального JFET

Для N-канального JFET напряжение стока должно быть более положительным, чем напряжение истока; то есть сток должен иметь более высокое напряжение по сравнению с истоком. Это аналог полярности для биполярного транзистора NPN, где переход коллектор-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении.

Затвор для этого типа полевого транзистора, тем не менее, должен быть отрицательным по отношению к истоку; то есть переход затвор-исток (материал P-типа в затворе и N-типа для канала) должен иметь обратное смещение.

Затвор должен иметь более низкое напряжение, чем источник. В лучшем случае для этого типа полевого транзистора затвор может быть закорочен на исток и иметь напряжение, равное напряжению истока.Напряжение затвора больше положительного, чем напряжение источника, вредно для полевого транзистора и может вывести его из строя.

Для P-канального JFET верно обратное. Обычно допустимые значения напряжения показаны на Рисунок 6 .

Для N-канального JFET затвор должен быть отрицательным по отношению к истоку.

Рисунок 6 Зависимость напряжения и смещения для JFET: (a) канал N и (b) канал P.

В N-канальном полевом транзисторе JFET, когда на затвор подается отрицательное напряжение, возникает большее сопротивление электрическому потоку исток-сток, как если бы канал сужался.Это происходит из-за роста области истощения, где встречаются материалы N-типа и P-типа.

Если отрицательное напряжение затвора достаточно высокое, канал полностью блокируется и ток падает до нуля. (Транзистор переходит в состояние отсечки.) В этом отношении наибольший ток истока соответствует случаю, когда затвор и исток имеют одинаковое напряжение.

Обратите внимание, что переход затвор-исток имеет обратное смещение. Следовательно, между источником и затвором нет тока.Следовательно, в отличие от BJT, ток истока и ток стока одинаковы.

Напряжение на затворе предназначено только для поддержания электростатического поля вокруг канала. Подобно BJT, различные напряжения и токи в полевом транзисторе обозначаются соответствующим им элементом. Они показаны на Рисунок 7 . {‘} $.Это значение положительно для положительного V DD . R G

Напряжение на S, однако, определяется значениями R S и I S . Правильное смещение затвор-исток можно получить, правильно выбрав R S .

Неправильная величина R S может сделать напряжение на S меньше, чем напряжение затвора (в N-канальном транзисторе), что может привести к отключению полевого транзистора; Итак, важно правильно выбрать R S .При работе с сигналами переменного тока, которые заставляют I S изменяться от минимального до максимального значения, транзистор может перейти в режим отсечки для некоторых значений IS.

Рисунок 8 Методы смещения для полевого транзистора: (a) фиксированное смещение , (b) самосмещение и (c) смещение делителя напряжения .

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET)

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) представляет собой полевой транзистор, затвор которого изолирован от основного корпуса транзистора слоем металлооксидного полупроводника (например, SiO 2 ).Этот слой очень тонкий, и по этой причине полевые МОП-транзисторы легко повреждаются, если они подвергаются воздействию напряжений, превышающих их номинальные значения.

Они также очень чувствительны к статическому электричеству, поэтому с ними необходимо обращаться осторожно и обеспечивать достаточную защиту от статического электричества, чтобы не повредить их.

Помимо изоляции затвора, еще одним отличием JFET от MOSFET является наличие канала . В то время как в JFET канал сделан из того же материала, что и исток и сток, MOSFET не имеет канала или имеет канал меньшего размера, сделанный из полупроводникового материала, который намного менее легирован, чем у истока и стока.

Как указывалось ранее, существует два типа полевых МОП-транзисторов в зависимости от механизма, с которым они работают: истощение и усиление .

Первый тип называется D-MOSFET. У него есть канал, и он может работать как в режиме истощения, так и в режиме улучшения (по этой причине иногда его называют DE-MOSFET).

второго типа , называемый E-MOSFET, может работать только в режиме улучшения. Рисунок 10 схематически показывает структурные различия между двумя типами.

Рисунок 10 Структурные различия между D-MOSFET и E-MOSFET.

E-MOSFET — это отключенное устройство, что означает, что когда на затвор не подается напряжение (V GS = 0), транзистор находится в режиме отсечки. Если затем на затвор подается положительное напряжение, между истоком и стоком возникает ток. Этим током можно управлять, изменяя напряжение затвора.

В D-MOSFET , однако, есть ток I DS между стоком и истоком, даже когда V GS = 0 (когда между стоком и истоком существует V DS ).Затем I DS можно понизить (работая в режиме истощения), подав отрицательное напряжение на затвор, или его можно увеличить (работая в режиме улучшения), подав положительное напряжение на затвор.

Символы для основных категорий полевых МОП-транзисторов показаны на рис. 11 . Есть и другие разновидности полевых МОП-транзисторов, но мы не рассматриваем их здесь.

Рисунок 11 Символы MOSFET.

МОП-транзистор имеет высокое входное сопротивление.Это несомненное преимущество перед BJT и JFET, поскольку подразумевает низкий входной ток и очень низкую рассеиваемую мощность.

Также он больше подходит для подключения к устройствам с высоким выходным сопротивлением. Другими преимуществами, которые сделали использование MOSFET более популярным, чем BJT, являются нечувствительность (1) к изменению температуры и (2) высокочастотная способность (быстрое переключение).

Разница между BJT и FET: работа и их характеристики

BJT и FET — это два разных типа транзисторов, также известные как активные полупроводниковые устройства.Аббревиатура BJT — Bipolar Junction Transistor, а FET — это полевой транзистор. BJTS и FETS доступны в различных пакетах в зависимости от рабочей частоты, тока, напряжения и номинальной мощности. Эти типы устройств позволяют лучше контролировать их работу. BJTS и полевые транзисторы могут использоваться в качестве переключателей и усилителей в электрических и электронных схемах. Основное различие между BJT и FET заключается в том, что в полевом транзисторе течет только основной заряд, тогда как в BJT текут как основные, так и неосновные носители заряда.


Разница между BJT и FET

Основное различие между BJT и FET обсуждается ниже, включая то, что такое BJT и FET, конструкция и работа BJT и FET.

Что такое BJT?

BJT — это один из типов транзисторов, в котором используются как основные, так и неосновные носители заряда. Эти полупроводниковые устройства доступны в двух типах, таких как PNP и NPN. Основная функция этого транзистора — усиление тока. Эти транзисторы можно использовать как переключатели и усилители.Применение BJT включает широкий спектр электронных устройств, таких как телевизоры, мобильные телефоны, компьютеры, радиопередатчики, усилители звука и промышленное управление.

Биполярный переходной транзистор

Конструкция BJT

Биполярный транзистор состоит из двух p-n-переходов. В зависимости от структуры BJT они подразделяются на два типа, такие как PNP и NPN. В NPN-транзисторе слаболегированный полупроводник P-типа помещен между двумя сильно легированными полупроводниками N-типа.Точно так же транзистор PNP формируется путем размещения полупроводника N-типа между полупроводниками P-типа. Конструкция BJT показана ниже. Выводы эмиттера и коллектора в приведенной ниже структуре называются полупроводниками n-типа и p-типа, которые обозначаются буквами «E» и «C». В то время как оставшийся вывод коллектора называется полупроводником p-типа и обозначается буквой «B».

Конструкция BJT

Когда высокое напряжение подключено в режиме обратного смещения как к клеммам базы, так и к клеммам коллектора.Это приводит к образованию зоны с высоким обеднением, которая образуется поперек соединения BE, с сильным электрическим полем, которое останавливает отверстия от B-терминала до C-терминала. Всякий раз, когда клеммы E и B подключаются с прямым смещением, поток электронов будет направлен от клеммы эмиттера к клемме базы.

В базовом выводе некоторые электроны рекомбинируют с дырками, но электрическое поле через переход B-C притягивает электроны. Большинство электронов в конечном итоге перетекают в клемму коллектора, создавая сильный ток.Поскольку протеканием сильного тока через вывод коллектора можно управлять с помощью небольшого тока через вывод эмиттера.

Если разность потенциалов на переходе BE не велика, электроны не могут попасть в клемму коллектора, поэтому ток через клемму коллектора не протекает. По этой причине в качестве переключателя также используется биполярный переходной транзистор. Переход PNP также работает по тому же принципу, но клемма базы сделана из материала N-типа, а большинство носителей заряда в транзисторе PNP представляют собой дырки.

Регионы БЮТ

BJT может работать в трех областях, таких как активная, отсечка и насыщение. Эти регионы обсуждаются ниже.

Транзистор включен в активной области, тогда ток коллектора является сравнительным и управляется током базы, как IC = βIC. Он сравнительно нечувствителен к VCE. В этом регионе он работает как усилитель.

Транзистор выключен в области отсечки, поэтому нет передачи между двумя выводами, такими как коллектор и эмиттер, поэтому IB = 0, поэтому IC = 0.

Транзистор включен в области насыщения, поэтому ток коллектора изменяется в меньшей степени из-за изменения тока базы. VCE небольшой, а ток коллектора в основном зависит от VCE, в отличие от активной области.

BJT Характеристики

Характеристики BJT включают следующее.

  • Сопротивление i / p BJT низкое, тогда как сопротивление o / p высокое.
  • BJT — это зашумленный компонент из-за наличия неосновных носителей заряда
  • BJT — биполярное устройство, потому что ток будет протекать через оба носителя заряда.
  • Теплоемкость BJT мала, потому что в противном случае ток оттока меняет на противоположный ток насыщения.
  • Допинг в выводе эмиттера максимальное, в то время как на базовом выводе низкий
  • Площадь коллекторного терминала в BJT большая по сравнению с FET

Типы BJT

Классификация BJT может быть сделана на основе их конструкции, например, PNP и NPN.

PNP транзистор

В транзисторе PNP между двумя полупроводниковыми слоями p-типа зажат только полупроводниковый слой n-типа.

NPN транзистор

В транзисторе NPN между двумя полупроводниковыми слоями N-типа зажат только полупроводниковый слой p-типа.

Что такое полевой транзистор?

Термин FET означает полевой транзистор, также его называют униполярным транзистором. Полевой транзистор — это один из типов транзисторов, в котором ток в прямом / обратном направлении регулируется электрическими полями. Основной тип полевого транзистора совершенно не похож на биполярный транзистор. Полевой транзистор состоит из трех выводов: истока, стока и затвора.Носителями заряда этого транзистора являются дырки или электроны, которые текут от вывода истока к выводу стока через активный канал. Этот поток носителей заряда можно контролировать с помощью напряжения, приложенного к клеммам истока и затвора.

Полевой транзистор

Конструкция полевого транзистора

Полевые транзисторы подразделяются на два типа, такие как JFET и MOSFET. Эти два транзистора имеют схожие принципы. Конструкция p-канального JFET показана ниже.В полевом транзисторе с p-каналом большая часть носителей заряда течет от истока к стоку. Клеммы истока и стока обозначены буквами S и D.

Конструкция полевого транзистора

Вывод затвора подключен в режиме обратного смещения к источнику напряжения, так что слой обеднения может быть сформирован в областях затвора и канала, по которым протекают заряды. Всякий раз, когда обратное напряжение на выводе затвора увеличивается, слой обеднения увеличивается. Таким образом, он может остановить поток тока от вывода истока к выводу стока.Таким образом, изменяя напряжение на выводе затвора, можно управлять потоком тока от вывода истока к выводу стока.

Области полевого транзистора

полевых транзисторов работали в трех областях, таких как область отсечки, активная и омическая область.

Транзистор будет выключен в области отсечки. Таким образом, нет проводимости между истоком и стоком, когда напряжение затвор-исток выше по сравнению с напряжением отсечки. (ID = 0 для VGS> VGS, выкл.)

Активная область также известна как область насыщенности.В этой области транзистор включен. Управление током стока может быть выполнено через VGS (напряжение затвор-исток) и сравнительно нечувствительно к VDS. Итак, в этой области транзистор работает как усилитель.

Итак, ID = IDSS = (1- VGS / VGS, off) 2

Транзистор активирован в омической области; однако он работает как видеомагнитофон (резистор, управляемый напряжением). Как только VDS становится низким по сравнению с активной областью, ток стока приблизительно сравним с напряжением исток-сток и регулируется через напряжение затвора.Итак, ID = IDSS

[2 (1- VGS / VGS, выкл.) (VDS / -VDS, выкл.) — (VDS / -VGS, выкл.) 2]

В этом регионе

RDS = VGS, выкл. / 2IDss (VGS- VGS, выкл) = 1 / г

Типы полевых транзисторов

Существует два основных типа переходных полевых транзисторов, как показано ниже.

JFET — Переходный полевой транзистор

IGBT — полевой транзистор с изолированным затвором, более известный как MOSFET — полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника)

Характеристики полевого транзистора

Характеристики полевого транзистора включают следующее.

  • Входное сопротивление полевого транзистора высокое, например 100 МОм
  • Когда полевой транзистор используется в качестве переключателя, он не имеет напряжения смещения
  • FET сравнительно защищен от излучения
  • FET — это устройство большинства операторов связи.
  • Это униполярный компонент, обеспечивающий высокую термостойкость
  • Он имеет низкий уровень шума и больше подходит для входных каскадов усилителей низкого уровня.
  • Обеспечивает высокую термическую стабильность по сравнению с BJT.

Разница между BJT и FET

Разница между BJT и FET представлена ​​в следующей табличной форме.

BJT

полевой транзистор

BJT обозначает биполярный переходной транзистор, поэтому это биполярный компонент FET обозначает полевой транзистор, поэтому это однопереходный транзистор
BJT имеет три клеммы, такие как база, эмиттер и коллектор FET имеет три клеммы, такие как сток, исток и затвор
Работа BJT в основном зависит как от носителей заряда, таких как большинство, так и меньшинства Работа полевого транзистора в основном зависит от основных носителей заряда — дырок или электронов
Входное сопротивление этого BJT находится в диапазоне от 1 кОм до 3 кОм, поэтому оно намного меньше Входное сопротивление полевого транзистора очень велико
BJT — устройство, управляемое током FET — устройство, управляемое напряжением
BJT имеет шум FET имеет меньше шума
Изменение частоты BJT влияет на его производительность Его частотная характеристика высокая
Зависит от температуры Повышенная термостойкость
Низкая стоимость Дорого
Размер BJT больше, чем у FET Размер полевого транзистора низкий
Имеет напряжение смещения Нет напряжения смещения
BJT прирост больше Коэффициент усиления полевого транзистора меньше
Его выходной импеданс высокий из-за высокого усиления Низкое выходное сопротивление из-за низкого усиления
По сравнению с выводом эмиттера, оба вывода BJT, такие как база и коллектор, более положительны.

Его вывод стока положительный, а вывод затвора отрицательный по сравнению с источником.
Его базовый вывод отрицательный по отношению к выводу эмиттера. Его вывод затвора более отрицательный по сравнению с выводом истока.
Имеет высокий коэффициент усиления по напряжению Имеет низкий коэффициент усиления по напряжению
Имеет меньшее усиление по току Имеет высокий коэффициент усиления по току
Время переключения BJT среднее Быстрое переключение полевого транзистора
Смещение BJT простое Смещение полевого транзистора затруднено
BJT использует меньшее количество тока полевые транзисторы используют меньшее напряжение
BJT подходят для слаботочных приложений. полевые транзисторы применимы для приложений низкого напряжения.
BJT потребляют большую мощность полевые транзисторы потребляют малую мощность
БЮТ имеют отрицательный температурный коэффициент БЮТ имеют положительный температурный коэффициент

Ключевое различие между BJT и FET

  • Транзисторы с биполярным переходом — это биполярные устройства, в этом транзисторе есть поток как основных, так и неосновных носителей заряда.
  • Полевые транзисторы являются униполярными устройствами, в этом транзисторе протекает только большинство носителей заряда.
  • Биполярные переходные транзисторы с управлением по току.
  • Полевые транзисторы управляются напряжением.
  • Во многих приложениях используются полевые транзисторы, а не биполярные переходные транзисторы.
  • Транзисторы с биполярным переходом
  • состоят из трех выводов: эмиттера, базы и коллектора. Эти клеммы обозначены буквами E, B и C.
  • Полевой транзистор состоит из трех выводов: истока, стока и затвора.Эти клеммы обозначаются буквами S, D и G.
  • Входное сопротивление полевых транзисторов выше по сравнению с транзисторами с биполярным переходом.
  • Производство полевых транзисторов может быть значительно меньше, чтобы сделать их более эффективными при проектировании коммерческих схем. В основном полевые транзисторы доступны в небольших размерах и занимают мало места на кристалле. Устройства меньшего размера удобнее и удобнее в использовании. Биполярные транзисторы больше, чем полевые транзисторы.
  • Полевые транзисторы
  • , в частности, полевые МОП-транзисторы, являются более дорогостоящими в разработке по сравнению с BJT.
  • Полевые транзисторы
  • более широко используются в различных приложениях, они могут изготавливаться небольшого размера и потреблять меньше энергии. BJT применимы в электронике для хобби, бытовой электронике и приносят большую прибыль.
  • Полевые транзисторы
  • обеспечивают ряд преимуществ для коммерческих устройств в крупных отраслях промышленности. Когда они используются в потребительских устройствах, они предпочтительнее из-за их размера, высокого импеданса i / p и других факторов.
  • Одна из крупнейших компаний-разработчиков микросхем, такая как Intel, использует полевые транзисторы для питания миллиардов устройств по всему миру.
  • BJT требуется небольшой ток для включения транзистора. Тепло, рассеиваемое при биполярном режиме, останавливает общее количество транзисторов, которые могут быть изготовлены на кристалле.
  • Когда клемма «G» полевого транзистора заряжена, больше не требуется тока для поддержания транзистора во включенном состоянии.
  • BJT отвечает за перегрев из-за отрицательного температурного коэффициента.
  • FET имеет температурный коэффициент + Ve для предотвращения перегрева.
  • BJT применимы для слаботочных приложений.
  • FETS применимы для приложений низкого напряжения.
  • Полевые транзисторы
  • имеют коэффициент усиления от низкого до среднего.
  • BJT имеют более высокую максимальную частоту и более высокую частоту среза.
Почему FET предпочтительнее BJT?
  • Полевые транзисторы обеспечивают высокий входной импеданс по сравнению с биполярными транзисторами. Коэффициент усиления полевых транзисторов меньше, чем у биполярных транзисторов.
  • FET генерирует меньше шума
  • Радиационный эффект полевого транзистора меньше.
  • Напряжение смещения полевого транзистора равно нулю при нулевом токе стока, поэтому он является отличным прерывателем сигнала.
  • Полевые транзисторы
  • более устойчивы к температуре.
  • Это чувствительные к напряжению устройства с высоким входным сопротивлением.
  • Входное сопротивление полевого транзистора выше, поэтому его предпочтительно использовать как ступень i / p для многокаскадного усилителя.
  • Полевой транзистор одного класса производит меньше шума
  • Изготовление полевого транзистора несложно
  • FET реагирует как регулируемый по напряжению переменный резистор на крошечные значения напряжения сток-исток.
  • Они нечувствительны к радиации.
  • Полевые транзисторы
  • рассеивают большую мощность, а также могут коммутировать большие токи.
Что быстрее BJT или FET?
  • Для управления светодиодами с низким энергопотреблением и тех же устройств от MCU (Micro Controllers Unit), BJT очень подходят, потому что BJT могут переключаться быстрее по сравнению с MOSFET из-за низкой емкости на управляющем контакте.
  • MOSFET используются в мощных приложениях; поскольку они могут переключаться быстрее, чем BJT.
  • В полевых МОП-транзисторах
  • используются небольшие катушки индуктивности в импульсных источниках питания для повышения эффективности.

Таким образом, это все о сравнении между BJT и FET, включая, что такое BJT и FET, конструкция BJT, конструкция FET, различия между BJT и FET. Оба транзистора, такие как BJT и FET, были разработаны с использованием различных полупроводниковых материалов, таких как P-тип, а также N-тип. Они используются в конструкции переключателей, усилителей, а также генераторов. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые вопросы относительно этой концепции или проектов электроники, пожалуйста, комментируйте в разделе комментариев ниже.Вот вам вопрос, каковы применения BJT и FET?

Фото:

уроков по электрическим схемам — Том III (Полупроводники)

уроков по электрическим схемам — Том III (Полупроводники) — Глава 5

*** НЕ ЗАВЕРШЕНА ***


Транзистор — это линейное полупроводниковое устройство, которое регулирует ток с помощью электрического сигнала меньшей мощности.Транзисторы можно условно разделить на два основных подразделения: биполярных и полевых . В предыдущей главе мы изучали биполярные транзисторы, которые используют небольшой ток для управления большим током. В этой главе мы познакомимся с общей концепцией полевого транзистора — устройства, использующего небольшое напряжение для управления током — а затем сосредоточимся на одном конкретном типе: полевом транзисторе с переходом . В следующей главе мы рассмотрим еще один тип полевого транзистора — вариант с изолированным затвором .

Все полевые транзисторы — это униполярных , а не биполярных устройств. То есть основной ток через них состоит либо из электронов через полупроводник N-типа, либо из дырок через полупроводник P-типа. Это становится более очевидным, если посмотреть на физическую схему устройства:

В соединительном полевом транзисторе, или JFET, управляемый ток проходит от истока к стоку или от стока к истоку, в зависимости от обстоятельств.Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Обратите внимание, что ток не должен проходить через PN-переход на своем пути между истоком и стоком: путь (называемый каналом ) представляет собой непрерывный блок из полупроводникового материала. На только что показанном изображении этот канал представляет собой полупроводник N-типа. Также выпускаются полевые транзисторы с каналом P-типа:

Как правило, JFET с N-каналом используются чаще, чем с P-каналом.Причины этого связаны с неясными деталями теории полупроводников, которые я бы предпочел не обсуждать в этой главе. Как и в случае с биполярными транзисторами, я считаю, что лучший способ ввести использование полевых транзисторов — это избегать теории, когда это возможно, и вместо этого сосредоточиться на рабочих характеристиках. Единственное практическое различие между полевыми транзисторами с N- и P-каналом, о которых вам нужно позаботиться сейчас, — это смещение PN-перехода, образованного между материалом затвора и каналом.

При отсутствии напряжения между затвором и истоком канал представляет собой широко открытый путь для прохождения электронов.Однако, если между затвором и истоком подается напряжение такой полярности, что оно смещает в обратном направлении PN-переход, поток между соединениями истока и стока становится ограниченным или регулируемым, как это было для биполярных транзисторов с заданной величиной базового тока. . Максимальное напряжение затвор-исток «отсекает» весь ток, протекающий через исток и сток, тем самым вынуждая полевой транзистор перейти в режим отсечки. Такое поведение происходит из-за того, что область обеднения PN-перехода расширяется под действием напряжения обратного смещения, в конечном итоге занимая всю ширину канала, если напряжение достаточно велико.Это действие можно сравнить с уменьшением потока жидкости через гибкий шланг путем его сжатия: при достаточном усилии шланг сжимается настолько, что полностью перекрывает поток.

Обратите внимание на то, что это рабочее поведение прямо противоположно биполярному переходному транзистору. Биполярные транзисторы — это нормально выключенных устройств : нет тока через базу, нет тока через коллектор или эмиттер. С другой стороны, полевые транзисторы представляют собой устройства , обычно подключенные: отсутствие напряжения, приложенного к затвору, обеспечивает максимальный ток через исток и сток.Также обратите внимание, что величина тока, допустимого через JFET, определяется сигналом напряжения , а не сигналом тока , как в случае с биполярными транзисторами. Фактически, при обратном смещении PN-перехода затвор-исток должен быть почти нулевой ток через соединение затвора. По этой причине мы классифицируем JFET как устройство , управляемое напряжением, , а биполярный транзистор как устройство , управляемое током, .

Если PN-переход затвор-исток смещен в прямом направлении с небольшим напряжением, канал JFET будет «открываться» немного больше, чтобы пропустить большие токи.Однако PN-переход JFET не предназначен для обработки какого-либо значительного тока, поэтому не рекомендуется смещать переход в прямом направлении ни при каких обстоятельствах.

Это очень сжатый обзор работы JFET. В следующем разделе мы рассмотрим использование JFET в качестве переключающего устройства.


Как и его биполярный кузен, полевой транзистор может использоваться в качестве переключателя включения / выключения, управляющего подачей электроэнергии на нагрузку.Начнем наше исследование JFET как переключателя с нашей знакомой схемы переключатель / лампа:

Помня, что управляемый ток в полевом транзисторе JFET протекает между истоком и стоком, мы заменяем соединения истока и стока полевого транзистора на два конца переключателя в приведенной выше схеме:

Если вы еще не заметили, соединения истока и стока на полевом транзисторе JFET выглядят идентично на условном обозначении.В отличие от транзистора с биполярным переходом, где эмиттер четко отделен от коллектора острием стрелки, линии истока и стока полевого транзистора проходят перпендикулярно полосе, представляющей канал полупроводника. Это не случайно, так как линии истока и стока полевого транзистора на практике часто взаимозаменяемы! Другими словами, полевые транзисторы JFET обычно способны обрабатывать ток в канале в любом направлении, от истока к стоку или от стока к истоку.

Теперь все, что нам нужно в схеме, — это способ контролировать проводимость полевого транзистора.Если между затвором и истоком приложено нулевое напряжение, канал полевого транзистора будет «открыт», пропуская полный ток к лампе. Чтобы выключить лампу, нам нужно будет подключить другой источник постоянного напряжения между затвором и истоком полевого транзистора следующим образом:

Замыкание этого переключателя приведет к «защемлению» канала JFET, заставляя его отключаться и выключая лампу:

Обратите внимание, что через ворота не проходит ток.Как PN-переход с обратным смещением, он препятствует прохождению через него любых электронов. Как устройство, управляемое напряжением, JFET требует незначительного входного тока. Это преимущество JFET перед биполярным транзистором: управляющий сигнал практически не требует мощности.

Повторное размыкание переключателя управления должно отключить обратное напряжение постоянного смещения от затвора, что позволит транзистору снова включиться. Во всяком случае, в идеале это работает так.На практике это может вообще не сработать:

Почему это? Почему канал JFET не открывается снова и не пропускает ток лампы, как это было раньше, без напряжения между затвором и истоком? Ответ заключается в работе перехода затвор-исток с обратным смещением. Область истощения внутри этого перехода действует как изолирующий барьер, отделяющий затвор от источника. Таким образом, он обладает определенной емкостью , способной сохранять потенциал электрического заряда.После того, как этот переход был принудительно смещен в обратном направлении посредством приложения внешнего напряжения, он будет иметь тенденцию удерживать это напряжение обратного смещения в качестве накопленного заряда даже после того, как источник этого напряжения был отключен. Чтобы снова включить полевой транзистор, необходимо сбросить накопленный заряд между затвором и истоком через резистор:

Номинал этого резистора не очень важен. Емкость перехода затвор-исток полевого транзистора очень мала, и поэтому даже довольно большой резистор утечки создает быструю постоянную времени RC, позволяя транзистору возобновлять проводимость с небольшой задержкой после размыкания переключателя.

Как и в случае с биполярным транзистором, не имеет значения, откуда и откуда исходит управляющее напряжение. Мы могли бы использовать солнечную батарею, термопару или любое другое устройство, генерирующее напряжение, для подачи напряжения, контролирующего проводимость полевого транзистора. Все, что требуется от источника напряжения для работы переключателя JFET, — это достаточного напряжения для обеспечения отсечки канала JFET. Этот уровень обычно находится в области нескольких вольт постоянного тока и называется напряжением отсечки или отсечкой .Точное напряжение отсечки для любого данного JFET зависит от его уникальной конструкции и не является универсальной величиной, например 0,7 В для напряжения перехода база-эмиттер кремниевого BJT.

  • ОБЗОР:
  • Полевые транзисторы регулируют ток между соединениями истока и стока с помощью напряжения, приложенного между затвором и истоком. В полевом транзисторе с переходом (JFET) есть PN переход между затвором и истоком, который обычно имеет обратное смещение для управления током исток-сток.
  • JFET — это нормально включенные (нормально насыщенные) устройства. Приложение напряжения обратного смещения между затвором и истоком заставляет обедненную область этого перехода расширяться, тем самым «зажимая» канал между истоком и стоком, через который проходит управляемый ток.
  • Может потребоваться установить «отводящий» резистор между затвором и истоком, чтобы разрядить накопленный заряд, накопленный на естественной емкости перехода при снятии управляющего напряжения.В противном случае может остаться заряд, чтобы JFET оставался в режиме отсечки даже после отключения источника напряжения.

Тестирование полевого транзистора с помощью мультиметра может показаться относительно простой задачей, поскольку у него есть только один PN-переход для тестирования: измеряется либо между затвором и истоком, либо между затвором и стоком.

Другое дело — проверка целостности канала сток-исток.Помните из предыдущего раздела, как накопленный заряд на емкости PN перехода затворного канала мог удерживать полевой транзистор в отключенном состоянии без приложения к нему внешнего напряжения? Это может произойти, даже если вы держите JFET в руке, чтобы проверить его! Следовательно, любое показание измерителя непрерывности через этот канал будет непредсказуемым, поскольку вы не обязательно знаете, накапливается ли заряд в соединении затвор-канал. Конечно, если вы заранее знаете, какие клеммы на устройстве являются затвором, истоком и стоком, вы можете подключить перемычку между затвором и истоком, чтобы устранить любой накопленный заряд, а затем без проблем приступить к проверке целостности цепи исток-сток.Однако, если не знает, какие терминалы какие, непредсказуемость соединения исток-сток может затруднить определение идентичности терминала.

Хорошая стратегия, которой следует придерживаться при тестировании JFET, — вставить контакты транзистора в антистатическую пену (материал, используемый для доставки и хранения статических электронных компонентов) непосредственно перед тестированием. Проводимость пены создает резистивное соединение между всеми выводами транзистора, когда он вставлен.Это соединение гарантирует, что все остаточное напряжение, возникающее на PN-переходе затворного канала, будет нейтрализовано, тем самым «открывая» канал для точного измерения целостности цепи исток-сток.

Поскольку канал JFET представляет собой единый непрерывный кусок полупроводникового материала, обычно нет разницы между выводами истока и стока. Проверка сопротивления от истока к стоку должна дать то же значение, что и проверка от стока к истоку.Это сопротивление должно быть относительно низким (максимум несколько сотен Ом), когда напряжение PN перехода затвор-исток равно нулю. При приложении напряжения обратного смещения между затвором и истоком обрыв канала должен быть очевиден по увеличенному показанию сопротивления на измерителе.


JFET, как и биполярные транзисторы, могут «дросселировать» ток в режиме между отсечкой и насыщением, который называется активным режимом .Чтобы лучше понять работу JFET, давайте настроим симуляцию SPICE, аналогичную той, которая использовалась для изучения основной функции биполярного транзистора:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 1
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 2 0,05
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Обратите внимание, что транзистор, обозначенный на схеме «Q 1 », представлен в списке соединений SPICE как j1.Хотя все типы транзисторов обычно упоминаются в схемах как «Q» -устройства — так же, как резисторы обозначаются буквой «R», а конденсаторы — буквой «C», SPICE необходимо указать, какой тип транзистора это. означает другое буквенное обозначение: q для биполярных переходных транзисторов и j для переходных полевых транзисторов.


Здесь управляющий сигнал представляет собой постоянное напряжение в 1 вольт, приложенное с отрицательной полярностью к затвору полевого транзистора и положительным полюсом к истоку полевого транзистора для обратного смещения PN перехода.В первом моделировании BJT в главе 4 для управляющего сигнала использовался источник постоянного тока 20 мкА, но помните, что JFET — это устройство с управляемым напряжением , а не устройство с регулируемым током, такое как биполярный переходной транзистор.

Как и BJT, JFET имеет тенденцию регулировать контролируемый ток на фиксированном уровне выше определенного напряжения источника питания, независимо от того, насколько высоко это напряжение может подняться. Конечно, это регулирование тока имеет ограничения в реальной жизни — ни один транзистор не может выдерживать бесконечное напряжение от источника питания — и при достаточном напряжении сток-исток транзистор «сломается», и ток стока будет увеличиваться.Но в нормальных рабочих пределах JFET поддерживает постоянный ток стока независимо от напряжения источника питания. Чтобы проверить это, мы запустим еще одно компьютерное моделирование, на этот раз доведя напряжение источника питания (V 1 ) до 50 вольт:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 1
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.постоянного тока v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Разумеется, ток стока остается стабильным на уровне 100 мкА (1.000E-04 ампер) независимо от того, насколько высоким было отрегулировано напряжение источника питания.

Поскольку входное напряжение контролирует сужение канала JFET, имеет смысл, что изменение этого напряжения должно быть единственным действием, способным изменить точку регулирования тока для JFET, точно так же, как изменение базового тока на BJT является единственным действием. возможность изменения регулирования тока коллектора.Давайте уменьшим входное напряжение с 1 до 0,5 вольт и посмотрим, что произойдет:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянный ток 0,5
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Как и ожидалось, ток стока теперь больше, чем был в предыдущем моделировании.При меньшем напряжении обратного смещения, приложенном к переходу затвор-исток, область обеднения не такая широкая, как была раньше, таким образом «открывая» канал для носителей заряда и увеличивая ток стока.

Однако обратите внимание на фактическое значение этого нового значения тока: 225 мкА (2,250E-04 ампер). Последнее моделирование показало ток стока 100 мкА, и это было при напряжении затвор-исток 1 вольт. Теперь, когда мы уменьшили управляющее напряжение в 2 раза (с 1 вольт до 0.5 вольт) ток стока увеличился, но не в той же пропорции 2: 1! Давайте еще раз уменьшим напряжение затвор-исток еще в два раза (до 0,25 В) и посмотрим, что произойдет:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока 0,25
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 njf
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

С напряжением затвор-исток, установленным на 0.25 вольт, вдвое меньше, чем было раньше, ток стока 306,3 мкА. Хотя это все еще увеличение по сравнению с 225 мкА по сравнению с предыдущим моделированием, оно не пропорционально изменению управляющего напряжения.

Чтобы лучше понять, что здесь происходит, мы должны запустить другой тип моделирования: тот, который поддерживает постоянное напряжение источника питания и вместо этого изменяет управляющий сигнал (напряжение). Когда такое моделирование выполнялось на BJT, результатом был прямолинейный график, показывающий, насколько линейна зависимость входного тока / выходного тока BJT.Давайте посмотрим, какие отношения демонстрирует JFET:

jfet моделирование
вин 0 1 постоянного тока
j1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока 25
.model mod1 njf
.dc vin 0 2 0,1
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Это моделирование непосредственно выявляет важную характеристику полевого транзистора с переходным эффектом: влияние напряжения затвора на ток стока нелинейно .Обратите внимание, как ток стока не уменьшается линейно при увеличении напряжения затвор-исток. В случае биполярного переходного транзистора ток коллектора был прямо пропорционален базовому току: выходной сигнал был пропорционален входному сигналу. Но не так с JFET! Управляющий сигнал (напряжение затвор-исток) все меньше и меньше влияет на ток стока по мере приближения к отсечке. В этом моделировании большая часть управляющего воздействия (75 процентов уменьшения тока стока — с 400 мкА до 100 мкА) происходит в пределах первого вольта напряжения затвор-исток (от 0 до 1 вольт), в то время как оставшиеся 25 процентов Для уменьшения тока стока требуется еще один вольт входного сигнала.Отсечка происходит при входном напряжении 2 В.

Линейность обычно важна для транзистора, потому что она позволяет ему точно усиливать форму волны, не искажая ее. Если транзистор имеет нелинейное усиление на входе / выходе, форма входного сигнала каким-либо образом будет искажена, что приведет к возникновению гармоник в выходном сигнале. Единственная временная линейность , а не важна в транзисторной схеме, когда она работает в крайних пределах отсечки и насыщения (включается и выключается как переключатель).

Характеристические кривые JFET демонстрируют то же поведение регулирования тока, что и BJT, а нелинейность между напряжением затвор-исток и током стока очевидна в непропорциональных вертикальных расстояниях между кривыми:

Чтобы лучше понять регулирующее ток поведение JFET, может быть полезно нарисовать модель, состоящую из более простых и распространенных компонентов, как мы это сделали для BJT:

В случае JFET это напряжение на диоде затвор-исток с обратным смещением, которое устанавливает точку регулирования тока для пары диодов постоянного тока.В модель включена пара противоположных диодов постоянного тока для обеспечения протекания тока в любом направлении между истоком и стоком, что стало возможным благодаря униполярной природе канала. При отсутствии PN-переходов для прохождения тока исток-сток отсутствует чувствительность к полярности в регулируемом токе. По этой причине полевые транзисторы JFET часто называют двусторонними устройствами.

Сравнение характеристических кривых полевого транзистора с кривыми для биполярного транзистора показывает заметное различие: линейная (прямая) часть области насыщения каждой кривой (негоризонтальная область) удивительно длинна по сравнению с соответствующими частями характеристических кривых биполярного транзистора:

JFET-транзистор в состоянии насыщения имеет тенденцию действовать очень похоже на простой резистор при измерении от стока к истоку.Как и у всех простых сопротивлений, его график тока / напряжения представляет собой прямую линию. По этой причине участок насыщения (негоризонтальный) характеристической кривой полевого транзистора иногда называют омической областью . В этом режиме работы, когда напряжения сток-исток недостаточно для доведения тока стока до регулируемой точки, ток стока прямо пропорционален напряжению сток-исток. В тщательно спроектированной схеме это явление можно использовать с пользой.Управляемый в этой области кривой JFET действует как управляемый напряжением резистор , а не как управляемый напряжением регулятор тока , и подходящая модель для транзистора отличается:

Здесь и только здесь модель транзистора с реостатом (переменным резистором) является точной. Однако следует помнить, что эта модель транзистора верна только для узкого диапазона его работы: когда он чрезвычайно насыщен (гораздо меньшее напряжение, приложенное между стоком и истоком, чем то, что необходимо для достижения полного регулируемого тока через сток ).Величина сопротивления (измеряется в Ом) между стоком и истоком в этом режиме контролируется тем, сколько напряжения обратного смещения приложено между затвором и истоком. Чем меньше напряжение затвор-исток, тем меньше сопротивление (более крутая линия на графике).

Поскольку полевые транзисторы являются регуляторами тока , управляемыми напряжением (по крайней мере, когда им разрешено работать в активном режиме, а не в режиме насыщения), их собственный коэффициент усиления не может быть выражен в виде безразмерного отношения, как в случае BJT.Другими словами, для JFET нет коэффициента β. Это верно для всех активных устройств, управляемых напряжением, включая другие типы полевых транзисторов и даже электронные лампы. Однако существует выражение от контролируемого тока (стока) до управляющего напряжения (затвор-исток), и оно называется крутизной . Его единица измерения — Siemens, такая же единица измерения проводимости (ранее известная как mho ).

Почему такой выбор единиц? Поскольку уравнение принимает общую форму тока (выходной сигнал), деленного на напряжение (входной сигнал).

К сожалению, значение крутизны для любого JFET не является стабильной величиной: оно значительно зависит от величины управляющего напряжения затвор-исток, приложенного к транзистору. Как мы видели в моделировании SPICE, ток стока не изменяется пропорционально изменениям напряжения затвор-исток. Чтобы рассчитать ток стока для любого заданного напряжения затвор-исток, можно использовать другое уравнение. При осмотре очевидно, что он нелинейный (обратите внимание на степень двойки), что отражает нелинейное поведение, которое мы уже испытали при моделировании:

  • ОБЗОР:
  • В своих активных режимах полевые транзисторы регулируют ток стока в соответствии с величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком, подобно тому, как BJT регулирует ток коллектора в соответствии с током базы.Математическое соотношение между током стока (выход) и напряжением затвор-исток (вход) называется крутизной и измеряется в единицах Сименс.
  • Отношение между напряжением затвор-исток (управляющее) и (управляемым) током стока является нелинейным: при уменьшении напряжения затвор-исток ток стока увеличивается экспоненциально. Другими словами, крутизна JFET не является постоянной во всем рабочем диапазоне.
  • В своих режимах насыщения полевые транзисторы JFET регулируют сопротивление сток-исток в соответствии с величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком.Другими словами, они действуют как резисторы, регулируемые напряжением.

*** В РАССМОТРЕНИИ ***


*** В РАССМОТРЕНИИ ***


*** В РАССМОТРЕНИИ ***


*** В РАССМОТРЕНИИ ***


*** В РАССМОТРЕНИИ ***


*** В РАССМОТРЕНИИ ***



Уроки в электрических цепях авторское право (C) 2000-2006 Тони Р.Kuphaldt, в соответствии с условиями Лицензии на научный дизайн.

Как работает JFET

  • Раздел 4.2 Как работает JFET.
  • • Операция ниже защемления.
  • • Операция выше защемления.
  • • Выходная характеристика полевого транзистора.
  • • Передаточная характеристика JFET.
  • • Видео JFET.

JFET — это транзистор с регулируемым напряжением.

JFET — это транзистор, управляемый напряжением, который имеет две различные области работы в зависимости от того, больше или меньше напряжение, приложенное к клеммам истока и стока, чем напряжение отсечки транзистора.

Напряжение выключения зажима

Значение Pinch-Off JFET относится к напряжению, приложенному между стоком и источником (с напряжением затвора равным нулю), при котором протекает максимальный ток.Работа с напряжением стока / истока ниже этого значения классифицируется как «омическая область», поскольку полевой транзистор JFET будет действовать скорее как резистор. Работа с напряжением истока стока выше Pinch Off известна как «область насыщения», поскольку JFET действует как насыщенный транзистор; то есть любое увеличение напряжения не вызывает относительного увеличения тока.

Операция ниже прижатия

Рис. 4.2.1 Работа полевого транзистора при отключении напряжения

В планарной конструкции N-канальный JFET, показанный на рис.4.2.1 канал N зажат между двумя областями P-типа (затвор и подложка), которые соединены вместе и имеют напряжение 0 В. Это формирует ворота. Канал типа N подключается к выводам истока и стока через более сильно легированные области типа N +. Сток подключен к плюсу, а исток к нулю вольт. Кремний типа N + имеет более низкое удельное сопротивление, чем кремний типа N. Это дает ему более низкое сопротивление, увеличивает проводимость и снижает эффект размещения стандартного кремния типа N рядом с алюминиевым соединителем, что, поскольку алюминий является трехвалентным материалом, имеющим три валентных электрона, а кремний имеет четыре, будет иметь тенденцию создавать нежелательные переход, аналогичный по действию PN-переходу в этой точке.

Затвор P-типа находится под напряжением 0 В и, следовательно, имеет отрицательное смещение по сравнению с каналом, который имеет градиент потенциала на нем, поскольку один конец подключен к 0 В (исток), а другой конец — к положительному напряжению (сток ). Следовательно, любая точка на канале (кроме крайнего конца рядом с выводом источника) должна быть более положительной, чем затвор. Поэтому два PN-перехода, сформированные между проводящим каналом N-типа и областями P-типа затвора / подложки, оба смещены в обратном направлении, и поэтому имеют обедненный слой, который простирается в канал, как показано на рис.4.2.1.

Форма обедненного слоя несимметрична, как видно из рис. 4.2.1. Обычно он толще к концу канала со стоком, потому что напряжение на стоке более положительное, чем на истоке, из-за градиента напряжения, который существует вдоль канала. Это вызывает больший потенциал на стыках ближе к сливу и, таким образом, утолщение обедненного слоя. Эффект становится более заметным, когда напряжение между стоком и истоком больше примерно 1 вольт или около того.

Операция выше «отщипывания»

Рис. 4.2.2 Работа полевого транзистора выше «защемления»

Когда между стоком и истоком подается напряжение (V DS ), течет ток, и кремниевый канал действует как обычный резистор (омическая область). Теперь, если V DS увеличивается (с VGS, удерживаемым при нулевом напряжении) до так называемого значения отсечки V P , ток стока I D также сначала увеличивается. Транзистор работает в «омической области», как показано на рис.4.2.1.

Однако по мере увеличения напряжения сток-исток V DS обедняющие слои на затворных переходах также становятся толще и, таким образом, сужаются канал N-типа, доступный для проводимости. Наступает момент (Pinch Off), где проводящий канал становится достаточно узким, чтобы нейтрализовать эффект увеличения тока с приложенным напряжением V DS , как показано на рис. 4.2.2. Выше этой точки (Pinch Off) наблюдается небольшое дальнейшее увеличение тока стока, и говорят, что транзистор работает в «области насыщения».

Однако, если JFET смещен с помощью напряжения V DS при выключенном напряжении (V P ), небольшое изменение V GS можно использовать для управления током через канал исток-сток от нулевого до максимального значения. (насыщенное) значение.

Характеристики полевого транзистора JFET

Рис. 4.2.3 Выходная характеристика полевого транзистора

Этот тип работы показан в довольно плоской верхней части с выходными характеристиками, показанными на рис. 4.2.3. Обратите внимание, что каждая кривая нарисована для определенного значения отрицательного напряжения между затвором и истоком, и что когда к затвору прикладывается достаточное обратное смещение (например, более -2,5 В, самое низкое значение на графике), ток стока прекращается. полностью.

В выходных характеристиках полевого транзистора, показанных на рис. 4.2.3, ток стока I D увеличивается линейно (как резистор) при значениях напряжения затвор / исток (V GS ) ниже отсечки (омическое сопротивление). Область), но выше V P (область насыщения) показывает очень небольшое изменение, а кривые почти горизонтальны при напряжениях, превышающих напряжение отсечки (V P ).Почти все ожидаемое увеличение тока из-за увеличения напряжения между источником и стоком (VDS) компенсируется сужением проводящего канала из-за роста слоев обеднения.

Рис. 4.2.4 Характеристики крутизны JFET

Характеристика проводимости для полевого транзистора JFET, которая показывает изменение тока стока (I D ) для данного изменения напряжения затвор-исток (V GS ), показана на рис. 4.2.4. Поскольку вход JFET (затвор) работает от напряжения, усиление транзистора нельзя назвать усилением по току, как в случае с биполярными транзисторами.Ток стока регулируется напряжением затвор-исток, поэтому на графике показаны миллиамперы на вольт (мА / В), а когда ток, деленный на напряжение (I / V), получается ПРОВОДИМОСТЬ (обратная величина сопротивления (V / I) Наклон этого графика (коэффициент усиления устройства) называется ПРЯМОЙ или ВЗАИМНОЙ ПРОПРОВОДИМОСТЬЮ и обозначается символом gm. Следовательно, чем выше значение gm, тем больше усиление.

Обратите внимание, что V GS всегда отображается как отрицательный; в действительности он может быть равен нулю или немного больше нуля, но затвор всегда более отрицательный, чем канал типа N между истоком и стоком.Также обратите внимание на то, что наклон кривой передаточной характеристики менее крутой, чем у характеристики взаимной проводимости для типичного биполярного транзистора (сравните Рис. 4.2.4 и Рис. 3.5.4 на странице «Коэффициент усиления биполярного транзистора»). Это означает, что JFET будет иметь меньшее усиление, чем у биполярного транзистора.

Этот недостаток компенсируется преимуществом чрезвычайно высокого входного сопротивления. Типичное входное сопротивление для полевого транзистора JFET составляет 1 x 10 10 Ом (10 000 МОм!) По сравнению с 2–3 кОм для биполярного устройства.

Это делает JFET идеальным для приложений, где схема или устройство, управляющее усилителем JFET, не может обеспечивать какой-либо заметный ток, примером является электретный микрофон, который использует полевой транзистор внутри микрофона для усиления крошечных изменений напряжения, возникающих на вибрирующем элементе диафрагмы.

Еще одна особенность полевого транзистора, которая делает его более подходящим для использования на очень высоких частотах, чем биполярные транзисторы, — это отсутствие переходов в проводящем канале полевого транзистора.В биполярном транзисторе два PN-перехода, образующие крошечные емкости, существуют между базой и эмиттером, а также базой и коллектором из-за PN-переходов. Эти емкости ограничивают характеристики на высоких частотах, поскольку они создают пути отрицательной обратной связи на высоких частотах. Поскольку JFET фактически представляет собой кремниевую пластину между Источником и Стоком, паразитные емкости, существующие в биполярных устройствах, отсутствуют, поэтому высокочастотные характеристики улучшаются, что делает JFET пригодными для использования даже на сотнях МГц.

Загрузите техническое описание типичного N-канального JFET с сайта On Semiconductor

Рис 4.2.5 Работа JFET

Начало страницы.>

Стабильная работа при низком напряжении Органические полевые транзисторы с верхним затвором на подложках из целлюлозных нанокристаллов

Лесная служба США
Уход за землей и служение людям

Министерство сельского хозяйства США


  1. Органические полевые транзисторы с верхним затвором для стабильной работы при низком напряжении на подложках из целлюлозных нанокристаллов

    Автор (ы): Cheng-Yin Wang; Канек Фуэнтес-Эрнандес; Джен-Чие Лю; Амир Диндар; Сангму Чой; Джеффри П.Youngblood; Роберт Дж. Мун ; Бернард Киппелен
    Дата: 2015
    Источник: ACS Applied Materials & Interfaces
    Серия публикаций: Научный журнал (JRNL)
    Станция: Лаборатория лесных продуктов
    PDF: Скачать публикацию (992,66 КБ)

    Описание Мы сообщаем о характеристиках и характеристиках органических полевых транзисторов с верхним затвором (OFET), содержащих двухслойный диэлектрик затвора из CYTOP / Al 2 O 3 и решение -обработанный полупроводниковый слой, изготовленный из смеси TIPS-пентацен: PTAA, изготовленный на пригодных для повторного использования подложках нанокристаллической целлюлозы-глицерина (CNC / глицерин).Эти OFET демонстрируют низкое рабочее напряжение, низкое пороговое напряжение, среднюю полевую подвижность 0,11 см 2 / (В · с), а также хорошую полку и стабильность работы в условиях окружающей среды. Для повышения эксплуатационной стабильности в окружающей среде пассивирующий слой из Al 2 O 3 выращивают путем осаждения атомных слоев (ALD) непосредственно на подложки с ЧПУ / глицерином. Этот слой защищает слой органического полупроводника от влаги и других химикатов, которые могут проникать сквозь подложку или диффундировать из нее.

    Примечания к публикации
    • Мы рекомендуем вам также распечатать эту страницу и прикрепить ее к распечатке статьи, чтобы сохранить полную информацию о цитировании.
    • Эта статья была написана и подготовлена ​​служащими правительства США в официальное время и поэтому находится в открытом доступе.

    Citation Ван, Чэн-Инь; Фуэнтес-Эрнандес, Канек; Лю, Джен-Цзе; Диндар, Амир; Чой, Сангму; Янгблад, Джеффри П .; Луна, Роберт Дж.; Киппелен, Бернар. 2015. Органические полевые транзисторы с верхним затвором и стабильным низковольтным режимом работы на целлюлозных нанокристаллических подложках. Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 7 (8): 4804-4808.

    Процитировано

    Ключевые слова Органический полевой транзистор, геометрия верхнего затвора, целлюлоза, низкое напряжение, стабильность окружающей среды

    Связанный поиск
    XML: Просмотр XML

Показать больше

Показать меньше

https: // www.fs.usda.gov/treesearch/pubs/49066

Руководство по схемам на полевых транзисторах — ОСНОВЫ полевого транзистора



Полевой транзистор, поскольку он ведет себя очень похоже на вакуумная лампа, открывает новые подходы к проектированию полупроводниковых схем. Некоторые схемы, в которых штатные транзисторы либо плохо работают, либо требуют специальные компоненты теперь работают эффективно и без модификации с полевые транзисторы.

Можно пожелать, чтобы на первом месте был полевой транзистор.Много транзисторов схемы тогда были бы намного проще, чем в настоящее время, и переход с ламп на транзисторы был бы менее болезненным, чем это было. Обычный транзистор, как более поздняя разработка, имел бы множество специализированных приложений.

Тем не менее, позднее появление полевого транзистора отвлекает мало от его полезности.

Теория полевого транзистора несколько отличается от теории обычного транзистор.Однако это можно представить простыми словами.

Очевидно, что разработчик схем работает с большей легкостью и прибыльностью. когда он поймет, как работает это новое полупроводниковое устройство. Эта секция представляет необходимую элементарную теорию, чтобы это понимание могло быть развитым.

ПОЛЕВЫЙ ЭФФЕКТ

Более века электрики время от времени задумывались над этой идеей. управления током в проводнике путем приложения электростатического поля через последнее.И, несомненно, многие из них пытались — безуспешно. Ведь рано или поздно каждый школьник с экспериментальным складом ума для установки резистора или отрезка изолированного провода между пластинами конденсатора, чтобы увидеть, повлияет ли приложенное к пластинам напряжение ток в резисторе или проводе. Но практического устройства не появилось из любых ранних экспериментов такого рода.

(А) Нулевое управляющее напряжение.

(B) Среднее управляющее напряжение.

(C) Высокое управляющее напряжение.


Рис. 1. Полевой эффект.

Электростатический контроль, к которому стремились эти экспериментаторы, уместно называется эффектом -поля. Это явление иллюстрирует рис.1. Здесь A и B — металлические пластины, параллельные друг другу и установленные вплотную друг к другу. к, но вне контакта с каким-то резистором (R1), который чувствителен электростатическому полю. Если напряжение подается на пластины через клеммы 1 и 2, поле между пластинами проникает через резистор.Источник питания, представленный батареей M1, пропускает ток через последовательно включенный чувствительный резистор (R1) и нагрузочный резистор (RL). Когда управляющее напряжение равно нулю (рис. 1А), поле между пластины, а сопротивление R1 — очень низкое значение. Следовательно, есть большой ток через нагрузку. Когда конечное управляющее напряжение впоследствии применяется к клеммам управления (1, 2), R1 изменится, и ток нагрузки. Таким образом, когда управляющее напряжение (аккумулятор М2) имеет некоторое среднее значение (рис.1B), R1 принимает несколько большее значение, чем раньше, и ток нагрузки снижается до среднего уровня. Аналогично, когда управляющее напряжение высокое (рис. 1C), R1 становится высоким и ток нагрузки снижается до низкого значения. Если управляющее напряжение очень высокое, R1 становится бесконечно, и ток нагрузки упадет до нуля. Таким образом, ток нагрузки модулируется управляющим напряжением. Другой способ думать о полевой эффект предполагает, что управляющее напряжение снижает чувствительность сопротивление.

Достоинством такого полевого устройства является его чувствительность к напряжению. персонаж. То есть в идеале от управляющего напряжения не поступает ток. источник, хотя контролируемый ток может быть значительным. Это тоже самое преимущество, предлагаемое вакуумной трубкой.

Однако, в отличие от трубки, полевое устройство не требует нагревателя.

Полевой транзистор — первый практический пример такого устройство.

ИСТОРИЯ FET

Первые искатели кристаллического триода потерпели неудачу. использовать электростатическое поле для модуляции тока в полупроводнике.Они надеялись таким образом имитировать вакуумную лампу, а их более поздние исследования, направленные на выяснение того, почему договоренность отказалась работать, привели к изобретение обычного транзистора.

То, что этот транзистор стал чрезвычайно полезным, уже история. Но его низкий входное сопротивление привело к (1) невозможности замены лампы в некоторых схемы, (2) потребность в обмотках с ответвлениями и понижающих трансформаторах, и (3) трудность для многих людей переключиться с лампы усилителя напряжения мышление к мышлению-усилителю-транзистору.

Несмотря на успех обычного транзистора, работа продолжалась. исходная линия. Соответственно, несколько экспериментальных полевых транзисторов появился в США и Европе в 1950-х годах. (Доктор Уильям Шокли, один из изобретателей первого транзистора, сообщил о некоторых его работы в этом направлении в статье «Униполярный полевой эффект. Транзистор »в ноябрьском 1952 г. I.R.E.) Модемный полевой транзистор (FET) является кульминацией этого продолженного расследования.

Полевой транзистор обеспечивает высокое входное сопротивление за счет электростатического контроль, к которому стремились оригинальные исследователи. Быть более совместимым с вакуумной лампой, чем обычный транзистор, полевой транзистор обещает со временем заменить лампу и обычный транзистор во многих схемах используется в электронном оборудовании.


Рис. 2. Принципиальная структура полевого транзистора. (A) N-канал. (В) П-канал.

КОНСТРУКЦИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ

Рис.2 показывает базовую структуру полевого транзистора; и пока это не актуальная конфигурация некоторых коммерческих моделей, достаточно точная в пояснительных целях. Сердце устройства — тонкая пластина или вафля. кремния (реже германия) с омическим (не выпрямляющим) контакт (A, B) на каждом конце. Сквозной электрический путь через этот бар называется каналом. Если кремний относится к типу N, как на рис. 1-2А, область P обрабатывается на каждой грани стержня таким образом, что .каждая такая область параллельна другой, и соединение (C, D) делается каждому. Эти области называются воротами. (В большинстве коммерческих Полевые транзисторы, затворы, если используются два, соединены между собой внутри и подключен к единственному выводу.) Законченный транзистор получает название N-канальный полевой транзистор (NFET). Если вместо этого кремний относится к типу P, как на рис. 1-2B, тогда затворы — это N областей, а транзистор называется P-канальным полевым транзистором (PFET).Когда напряжение постоянного тока применяется между A и B, носители тока (электроны в N-канале и отверстия в полевом транзисторе с P-каналом), протекающий через стержень, должен проходить через канал между двумя электродами затвора. Клемма анода (A) называется стоком, а катодный вывод (B) — истоком. В симметричном На полевом транзисторе любой вывод может быть истоком, а другой сток. В слив эквивалентен пластине трубки или коллектору штатного транзистор; источник эквивалентен катоду лампы или эмиттер из штатного транзистора; ворота эквивалентны контролю сетка лампы или база штатного транзистора.

Обозначения полевого транзистора см. На рис. 3. Чтобы подчеркнуть сходство с полевым транзистором в трубку и чтобы исключить новые термины, некоторые ранние исследователи назвали вентиль, сток и исток с сопоставимыми знакомыми названиями сетки, пластина и катод, но их пример не был принят.


Рис. 3. Обозначения полевых транзисторов.

Природа PN перехода заключается в наличии тонкого обедненного слоя. на стыке. Это регион, в котором нет доступного тока перевозчики.Слой обеднения для каждого перехода полевого транзистора показан на рис. 4 как область внутри пунктирных линий на затворных переходах. В слой истощения может быть углублен путем приложения обратного напряжения между затвор и исток, глубина которых увеличивается с увеличением напряжения. Такое увеличение в глубину сужается канал, через который носители тока должны pass, тем самым увеличивая сопротивление этого пути.


Рис. 4. Действие полевого транзистора (показан N-канал).

(A) Низкое напряжение затвора.

(B) Высокое напряжение затвора.

На рис. 4 показано действие полевого транзистора. Здесь обратное напряжение Vos приложено между ворота и источник. Второе напряжение, В нс, прикладывается между стоком и источник. Они эквивалентны напряжениям на сетке и пластине соответственно, трубки. Показан N-канальный блок; для P-канала поменяйте местами оба Vos и Vns, на рис. 1-4A неглубокие слои истощения являются результатом низкое напряжение затвора, и поэтому канал между ними широкий (позволяющий большое количество электронов (как через стержень), поэтому ток стока, В, высокий.

На рис. 4В напряжение затвора высокое, что усиливает истощение. слоев, заставляя их проникать дальше в планку, сужая канал и уменьшение тока стока. Когда напряжение затвора достигает критическое значение, называемое напряжением отсечки, обедненные слои встречаются, полностью отключив ток. Поскольку управляющее напряжение, Vos, обратное смещение затвора, любой ток затвора, потери чрезвычайно крошечные (порядка 0.1 наноампер). Это объясняет высокий вклад импеданс полевого транзистора и, следовательно, его поведение как управляемое напряжением устройство. Поскольку сопротивление кремниевого стержня изменяется поле напряжения затвора, полевой транзистор является настоящим полевым устройством.

Полевой транзистор называется униполярным из-за того, что он использует только один тип основных носителей тока (электроны в N-канальных полевых транзисторах, и отверстия в П-канале). Точно так же обычный транзистор называется биполярный, потому что он использует как основные, так и неосновные носители (электроны внутренние отверстия в NPN; внутренние отверстия, инжектированные электроны, в ПНП).


Рис. 5. Типичные рабочие характеристики полевого транзистора.

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ FET

Управляющее действие в полевом транзисторе аналогично действию в лампе. Проиллюстрировать На рис. 5 показано семейство кривых, полученных при изменении отношения сток-исток. напряжение, Vos, на различных уровнях напряжения затвор-исток, Vos, и отмечая ток стока, 10

Эти кривые напоминают кривые пентода. Обратите внимание, что лавина Пробой затвора будет достигнута, если Вос сделать достаточно высоким.

Указывается резкое увеличение тока стока в точке пробоя. пунктирным продолжением каждой кривой. Это напряжение пробоя уменьшается по мере увеличения Vos, поскольку Vos действует последовательно с VD, чтобы разбить соединение.


Рис. 6. Типичное применение (аудиоусилитель на полевых транзисторах).

Поскольку полевой транзистор представляет собой усилитель напряжения, его характеристики, как и у трубка может быть оценена с точки зрения крутизны. В FET вперед крутизна схемы с общим истоком (эквивалент заземленного катода схема трубки) — это отношение изменения тока стока к изменению в напряжении затвор-исток, которое его создает: где, d I »X 1000 gcs = d-V GS grs — прямая крутизна в µ.mhos, в это сток ток в миллиамперах, V Gs — напряжение затвор-исток в вольтах.

В зависимости от марки, типа и рабочего напряжения постоянного тока полевого транзистора крутизна колеблется от минимального значения 35 до максимального значения 50 000 мкм.

Полевой транзистор легко использовать в ламповых схемах. Рис.6, например, показан каскад усилителя звуковой частоты с общим источником. Этот эквивалентен ламповому усилителю с заземленным катодом.Следующий разделы этой книги посвящены описанию таких практических схемы.

НОМИНАЛЬНЫЕ СВЯЗИ

В своих технических паспортах производители полевых транзисторов указывают минимальные и максимальные значения. различных рабочих параметров. К ним относятся следующие, зависимые по марке и типу:

1. Прямая крутизна с общим источником (gc.). Отношение din к dV os — аналогично крутизне трубки (gm). Учитывая для указанного Vns, Vos, а f = 1 кГц.Диапазон: от 35 до 50 000 мкМлос.

2. Проводимость выхода с общим источником (вход закорочен) (g_oss). Взаимный выходного сопротивления сток-исток. Дано для указанных V нс, Vos и f = 1 кГц. Диапазон: от 1 до 600 мкм.

3. Входная емкость с общим источником (выходное короткое замыкание) (C_iss). Емкость между воротами и источником. Дано для указанных V ns, Vos и f = 1 кГц. Диапазон: от 2 до 65 пФ.

4. Общая обратная передаточная емкость (Crss).Дано для указанных Vns, Vos и f = 1 кГц. Диапазон: от 1,5 до 6 пФ.

5. Ток стока при нулевом напряжении затвора. (I_Dss), ток в сток-исток цепь (т. е. через канал), когда V_GS = 0. Дано для указанного Vns, диапазоны: Vns = 5 В: от 0,1 до 10 мА.

Vns = 8 В: от 5 до 25 мА. Vns = 10 В: от 0,03 до 0,6 мА. Vns = 15 В: от 0,2 до 20 мА. Vns = 20 В: от 0,4 до 7,5 мА. Vns = 35 В: от 80 до 250 мА.

6. Слейте ток отключения (I_D (oFF)).Ток утечки через канал, когда Vos настроен на выходную отсечку. Дано для указанных V нс и Vos, диапазон (для V нс 15 В): 0,05 н / с при Vos = 5 В, до 0,07 на при Вос = 10 в.

7. Напряжение затвор-сток (Von), также называемое напряжением сток-затвор. Максимум напряжение, которое может появиться между электродами затвора и стока. Диапазон: От 20 до 50 В при 25 ° C.

8. Обратный ток затвора (потеря). Также называется током отсечки затвора.В обратный ток в цепи затвор-исток. Дано для Vns = 0 и указанный V_GS. Дальность: Вос 15 в: 2 шт. Вос 20 в: от 10 до 0,5 па. V 0 8 30 v: от 0,1 до 30 н.д.

9. Напряжение пробоя затвор-исток (BVoss), напряжение, при котором затвор перекресток войдет в лавину. Дано для 1 0 = 1 µ.a и Vns = 0. Диапазон: От 20 до 50 при температуре 25 ° C.

10. Напряжение отсечки затвор-исток (VP). Напряжение затвор-исток при котором поле просто закрывает канал проводимости.Дано для In = 1 н.п., 10 н.п. или 1 мкА, а также заданное значение V нс (например, от 5 до 15 В). Диапазон: От 0,6 до 50 версии

11. Напряжение затвор-исток (Vos). Также называется напряжением исток-затвор. В максимальное напряжение, которое может появиться между электродами затвора и истока. Диапазон: от 20 до 50 В при 25 ° C.

12. Коэффициент шума (NF). Возникает внутренний шум. Учитывая, что Vos = 0, и заданное напряжение нс (например, 15 В) и частоту (например, 1 кГц, 200 Гц пропускная способность). Диапазон: 0.От 5 до 3 дБ.

13. Полное рассеивание устройства (P). Максимальная мощность, которая может быть безопасно рассеивается структурой полевого транзистора. Диапазон: от 200 мВт до 0,8 Вт на открытом воздухе при 25 ° С.

ТИПЫ полевых транзисторов

Уже отмечалось, что полевые транзисторы могут быть классифицированы как N-канал или P-канал в зависимости от того, N-тип или P-тип полу В канале используется проводящий материал. Альтернативная терминология — NFET. и PFET.

В дополнение к этим двум основным типам, новый полевой транзистор использует металлический затвор, который изолирован от полупроводника тонким оксидом фильм.Это устройство, которое обеспечивает чрезвычайно высокий входной импеданс, потому что близких к нулю потерь, а также дает хорошие характеристики r-f, известен четыре названия: IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором), MOS (металл-оксид-полупроводник), MOS FET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) и MOST (транзистор металл-оксид-полупроводник). Обозначение этого полевого транзистора дано на рис. 3С.

Еще одна разработка — тетрод FET. В этом блоке есть два терминалы ворот («передние ворота» и «задние ворота») и его обозначение приведено на рис.3D. Тетрод, который действует как переменный зажим FET, обеспечивает высокое соотношение g_fs / C_gss и, как следствие, превосходное производительность в качестве усилителя радиочастоты.

[ Примечание: Это руководство основано на Sams «FET Схемы », опубликовано в 1961 г.]

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *