Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Возвращаемся к рубрике, посвященной целиком и полностью электронике и смежным тематикам. И вот дошли руки, наконец-то, до описания процессов, происходящих в таком устройстве, как полевой транзистор. Идем по проверенной схеме – докапываемся до всех нюансов принципа работы, а затем добьем тему практическим примером. Первое невозможно без разбора устройства полевого транзистора, а второе – без рассмотрения его основных характеристик. По такому плану и действуем. Стоит оговориться, что про транзисторы можно говорить до бесконечности, в статье же основной акцент будет именно на протекающих в нем физических процессах, то есть на принципе его функционирования.

Но прежде всего разветвим данную тему на две отдельные части:

• Полевой транзистор с управляющим p-n переходом (JFET — Junction Field-Effect Transistor).
• Полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET — Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).

Конкретно сегодня речь пойдет о первом типе устройств, второй же аналогичным образом разберем во второй части, на которую я помещу потом здесь же ссылку.

Первым делом – классическое сравнение с биполярными товарищами. Итак, в биполярном транзисторе сила проходящего через него тока регулируется управляющим током. Это уже многократно обсудили, так что отдельно не останавливаюсь. В полевом же транзисторе, напротив, сила тока регулируется внешним электрическим полем. То есть, по сути, приложенным напряжением.

В творческом порыве решил визуализировать данное отличие следующим образом )

Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом (JFET).

Каждый из озвученных типов транзисторов делится еще на две подгруппы:

• с N-каналом
• с P-каналом

Мы сосредоточимся на первом варианте, суть процессов полностью идентична, различна лишь полярность подключаемых источников напряжений.

Итак, устройство JFET-транзистора с N-каналом:

Подложку зачастую соединяют с истоком еще на этапе производства транзистора, поэтому на схемах обычно присутствуют только три вывода.

Отметим сразу эти три электрода полевого транзистора: сток, исток и затвор. Собственно, наблюдаем две области P-типа, а между ними в наличии область N-типа, к концам которой подключены два оставшихся электрода – сток и исток. И вся эта область N-типа как раз и образует N-канал.

Вспоминаем об основных характеристиках областей разного типа в целом:

• В области P-типа основными носителями заряда являются дырки, концентрация же электронов мала. Электроны здесь – неосновные носители.
• Полностью противоположна ситуация в областях N-типа. В этом случае электроны как раз-таки являются основными носителями заряда, а концентрация дырок мала.

В непосредственной близости от стока и истока на схеме помечены отдельные области «N+». Это все та же область N-типа, но сильно легированная. Что означает еще более высокую концентрацию электронов в ней.

Из схемы также можно сделать вывод о том, что для полевого транзистора с управляющим p-n переходом исток и сток по своей сути идентичны, то есть в схему его можно включить двумя способами, меняя, соответственно, исток и сток местами. Таким образом, для данного класса элементов обозначения стока и истока, по большому счету, условны.

Разобравшись со структурой и устройством, переходим к самому интересному – к протекающим внутри процессам. Из чего уже будет понятно, как все это работает.

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

За отправную точку возьмем нашу схему, но дополненную носителями заряда:

Подключаем источники напряжения следующим образом, в виде наглядной иллюстрации:

В данном случае напряжение между затвором и истоком равно 0 (U_{ЗИ} = 0). Отлично, при таких раскладах транзистор ведет себя просто как проводник, то есть протеканию тока от стока к истоку не препятствует.

Проанализируем подробнее: подключенный источник питания приводит к появлению электрического поля E, которое направлено от стока к истоку. Само собой это поле начинает воздействовать на частицы – дырки начинают перемещаться в направлении этого поля, электроны – в противоположном. Это, в свою очередь, приводит к появлению тока, который по направлению противоположен направлению перемещения электронов. Все четко следует одно из другого 👍

Ситуация изменится с повышением U_{СИ}. Области P-типа в местах контакта с N-каналом образуют p-n переходы. И с увеличением напряжения между стоком и истоком возле этих переходов возникают области, обедненные носителями заряда. Что, в свою очередь, идентично «сужению» канала:

Таким образом, с одной стороны, рост напряжения U_{СИ} должен приводить к росту тока, то есть к более активному перемещению носителей заряда. Но в то же время сужение канала приводит к обратному эффекту – носителям сложнее преодолевать узкую зону, соответственно, ток уменьшается. И в итоге имеем фактически стабилизацию тока.

Данное состояние полевого транзистора называется режимом насыщения, а напряжение U_{СИ}, которое соответствует переходу в этот режим – напряжением насыщения сток-исток:

Резюмируем:

• При U_{ЗИ} равном 0 и напряжении сток-исток меньше U_{СИ \medspace нас} зависимость I_{СИ} от U_{СИ} плюс-минус близка к линейной.
• При U_{ЗИ} равном 0 и напряжении U_{СИ} > U_{СИ \medspace нас} имеем кардинально иную картину – ток между стоком и истоком практически перестает увеличиваться. Транзистор в режиме насыщения.

С этим разобрались, рассмотрим процессы, протекающие при подаче отрицательного напряжения между затвором и истоком (U_{ЗИ} < 0). Собственно, эффект тут в определенном смысле аналогичный – канал будет сужаться еще сильнее. При определенном значении U_{ЗИ} канал сузится настолько, что протекание тока полностью прекратится:

Это пороговое значение называется напряжением отсечки, U_{ЗИ \medspace отс}. Графическая интерпретация в виде зависимости тока сток-исток от напряжения между затвором и истоком:

Видим ровно то, что мы и обсудили. С изменением напряжения между затвором и истоком происходит сужение канала, что эквивалентно уменьшению тока. При значении равном U_{ЗИ \medspace отс} протекание тока прекращается.

Давайте рассмотрим поведение JFET-транзистора при разных значениях U_{ЗИ}:

Что тут стоит отметить… Во-первых, как мы и обсудили, чем меньше значение U_{ЗИ}, тем больше сужается канал, что влечет за собой уменьшение тока. Соответственно, кривые пролегают все «ниже» друг относительно друга. И во вполне определенный момент (когда U_{ЗИ} = U_{ЗИ \medspace отс}) ток исчезает.

Во-вторых, обратите внимание, что напряжение насыщения сток-исток — не фиксированная величина. Это значение будет разным для разных U_{ЗИ}. При U_{ЗИ} = U_{ЗИ \medspace 0} транзистор перейдет в режим насыщения при U_{СИ} = U_{СИ \medspace нас \medspace 0}. По такой же логике, напряжению затвор-исток U_{ЗИ \medspace 2} соответствует переход в режим насыщения при U_{СИ} = U_{СИ \medspace нас \medspace 2}.

Для транзистора с P-каналом идея такая же, отличаются только полярности подаваемых напряжений.

В общем-то, в этом и кроется суть принципа работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом. И это подтверждает указанное в самом начале статьи отличие от биполярных собратьев – сила тока (I_{СИ}) регулируется напряжением между затвором и истоком (U_{ЗИ}).

Для закрепления и надежной фиксации данных аспектов проведем практические тесты, к которым и переходим.

Практический пример.

Итак, на принципиальных схемах полевой транзистор с управляющим p-n переходом бывает представлен следующим образом:

Для теста возьму первый попавшийся, а именно J112, вот даташит на него, в котором можно найти всю необходимую информацию. Например, зависимость, обсуждению которой мы посвятили столько времени:

Обозначения англоязычные, но, естественно, это погоды не делает.

Кроме того, первым делом при выборе транзистора будет не лишним выяснить предельно допустимые значения напряжений и токов, чтобы не превысить их и не вывести элемент из строя.

Я буду моделировать схему в Proteus, поностальгирую заодно по старым временам, когда активно его использовал. Но речь не об этом, а о том, что значения скорее всего не будут прямо в точности совпадать с приведенными в документации – это нормально. Тем не менее полученные при симуляции величины должны быть близки к аналогичным из даташита.

Схема будет такая, как в первой части статьи:

То есть — полевой транзистор, амперметр, источник питания, тогда:

• U_{ЗИ} = 0 \medspace В
• U_{СИ} же поставим 0. 4 В

Из документации видим, что ток должен быть около 6 мА, получаем на практике:

I_{СИ}= 5.07 \medspace мА, нормально, все ожидаемо и подтверждает рассмотренные теоретические аспекты.

Теперь реализуем схему из второй части статьи, добавив источник напряжения между затвором и истоком. Пусть будет так:

• U_{ЗИ} = -0.6 \medspace В
• U_{СИ} = 0.4 \medspace В

На основе физических процессов в JFET-транзисторе ожидаем увидеть меньшее значение тока, так как при таком же напряжении сток-исток U_{ЗИ} стал меньше относительно первого эксперимента:

Именно это и получили:

Уменьшим еще U_{ЗИ} до -0.8 В:

Опять все логично, и добавить нечего к этому.

Есть такое ощущение, что уже при U_{СИ} = 0.4 \medspace В транзистор в данном случае находится в режиме насыщения. Попробуем увеличить U_{СИ} до 1.4 В:

Так и есть, ток не изменился. Значит попробуем уменьшить, почему нет. U_{ЗИ} остается -0.8 В, U_{СИ} выставляем равным 0.1 В:

Ток ожидаемо уменьшился. Если вернуться к теоретическому графику, то осознаем, что при U_{СИ} = 0.1 \medspace В мы находимся в линейной области, а при U_{СИ} = 0.4 \medspace В уже в области насыщения:

На этом я и заканчиваю сегодняшний пост, прошлись по теории, подтвердили на практике, чего еще желать… До скорого 🤝

Мощные полевые транзисторы-принцип работы, применение

Существует два главных основополагающих типа полевых (униполярных, управляемых напряжением) транзисторов, являющихся активными полупроводниковыми элементами, обладающими высокой мощностью – это n-канальные иp-канальные.

Первые из них применяются более часто и отличаются наибольшим диапазоном токов и напряжений. Кроме этих моделей производятся полевые транзисторы, управляемые сигналом логического уровня, они обладают ограничением по току и защелкой по напряжению.

Определение полевого транзистора

Транзистор полевого типа считается полупроводниковым прибором, в конструкции которого регулировка осуществляется измерением проводимости проводящего канала, благодаря использованию поперечного электрического поля.

Другими словами, он является источником тока, который управляется Uз-и. От параметра напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала. Помимо p–n – канальных транзисторов существует их разновидность с затвором из металла, который изолирован от канала кремниевым диэлектриком. Это МДП-транзисторы (металл – диэлектрик, (окисел) – проводник). Транзисторы с использованием окисела называются МОП-транзисторы.

Параметры, характеризующие полевой транзистор

1. Ширина канала – расстояние между p-n-переходами W.
2. Напряжение отсечки — напряжение на затворе при исчезновении каналов.
3. Напряжение насыщения – с него начинается формирование пологой части ВАХ.
4. Стоко-затворная ВАХ (вольт-амперная характеристика).

Рис. №1. Стоко-затворная ВАХ n-канального транзистора с

I_c= I_cmax (I – Uзи / U₀)² , здесь I_cmax стока.

5. Крутизна определяется по формуле S = dI_c / dUзи(мА/В),что является следствием увеличенияU рабочего стока, при этом крутизна полевого транзистора становится меньше.
6. Внутреннее сопротивление транзистора (дифференциальное сопротивление) r_cсоставляет в пологой части характеристики несколько МОм.
7. Лавинный пробой p-n-переходов возможен после повышения напряжения области стока и истока, что считается причиной ограничения применения полевого транзистора относительноUc.
8. Коэффициент усиления относительно напряжения µ_u= sr_спри уменьшении величины тока стока коэффициент µ_uповышается.
9. Инерционность полевого транзистора обуславливается временем,отводимым на заряд барьерной емкости переходов затвора.
10. Полевой транзистор обладает граничной частотой для улучшения своих качественных частотных свойств.

Проводимость транзистора

Существует две разновидности проводимости – электронная и дырочная, это означает, что в основе работы лежит использование электронов и дырок. Транзистор с электронной проводимостью относится к n-канальным устройствам, p-канальные транзисторы обладают дырочной проводимостью.

Отличие полевых униполярных транзисторов от биполярных заключается в наличии значительно высокого значения величины входного сопротивления. Потребление электроэнергии полевыми транзисторами отличается значительной экономией.

Небольшие габаритные размеры МОП-транзисторах позволяет занимать очень малую площадь в конструкции интегральной схемы, в противоположность биполярным аналогам. Благодаря этому достигается значительно уплотненная компоновка элементов в интегральных схемах. Технология производства интегральной схемы на МОП-транзисторах затрачивает намного меньшее количество операций, чем технология производства ИС с применением биполярного транзистора.

Структура полевого транзистора

Основополагающий принцип работы, на котором осуществляется действие полевого транзистора с использованием управляющего p-n-перехода основывается на изменении проводимости канала, которая возможна благодаря изменению поперечного сечения.

Сток и исток включают напряжение полярности, при котором главные носители заряда (ими являются электроны в канале n-типа) движутся от истока к стоку. В свою очередь, между затвором и истоком включается отрицательное напряжение, управляющее запиранием p – n–переходом.

Рис. №2. Структуры (а) полевых транзисторов с управляющим p—n-перехода и (б) структура транзистора с изолированным затвором.

При большем значении напряжения расширяется запирающий активный слой и канал становится уже. С уменьшением поперечного размера канала происходит увеличение сопротивления и уменьшение величины тока между стоком и истоком. Это действие позволяет управлять протеканием тока. При невысоком значении напряжения затвор  — исток происходит перекрытие канала запирающим слоем, что снижает проводимость канала. Ширина канала варьируется от нулевого значения  до отрицательных величин, иначе говоря, p-n-переходы затвора сдвигаются в обратном направлении, сопротивление увеличивается.

Напряжение на затворе после исчезновения канала и смыкании  p-n-перехода, определяется, как напряжение отсечки U

0– это величина считается одной из основополагающих для всех  разновидностей полевых транзисторов.

Рис. №3. Структура полевого транзистора. Канал, расположенный между электродами стоком и истоком сформирован из слабообогащенного полупроводника n-типа.

 

Сфера использования полевых транзисторов

Полевой транзистор является устройством, рассчитанным на большую мощность, характерным в конструкции регуляторов, конвертеров, драйверов, электродвигателей, реле и мощных биполярных транзисторов. Они применяются в конструкции зарядных устройств, автоэлектроники, устройствах управления температурным режимом, широкополосных и малошумящих усилителях в схемах зарядочувствительных предусилителей и прочее.  Для полевых транзисторов характерно наличие высокого входного сопротивления.

Управление полевым транзистором производится непосредственно от микросхемы, без применения добавочных усиливающих каскадов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

FET Transistor — Типы и работа

Fet Transistor означает полевой транзистор. Полевой транзистор (FET) — это тип транзистора, который управляет потоком тока в полупроводнике с помощью электрического поля.

Полевые транзисторы представляют собой трехвыводные устройства с истоком, затвором и стоком. Приложение напряжения к затвору, которое изменяет проводимость между стоком и истоком, управляет протеканием тока в полевых транзисторах.

(Изображение скоро будет загружено)

Первый патент на полевые транзисторы был получен Джулиасом Эдгаром в 1926 году. С тех пор произошло много изменений. Другой патент был подан Оскаром Хейлом в 1934 году. Затвор, который используется в полевых транзисторах, был создан в Bell Labs Уильямом Шокли. За прошедшие годы в полевых транзисторах было сделано много других достижений.

Работа полевого транзистора

Полевой транзистор представляет собой устройство, работающее от напряжения, в котором приложенное напряжение используется для управления протекающим током. Он также известен под названием униполярный транзистор, так как он работает по типу с одной несущей. Входное сопротивление высокое во всех формах и типах полевых транзисторов. Проводимость всегда регулируется с помощью приложенного напряжения с вывода полевого транзистора. Кроме того, плотность заряда носителей влияет на проводимость.

Полевой транзистор представляет собой устройство, состоящее из трех основных компонентов: истока, стока и затвора. Исток — это один из выводов полевого транзистора, через который на планку поступает большинство носителей. Слив — это второй терминал, через который проходит большинство перевозчиков. Gate имеет два терминала, которые внутренне связаны друг с другом.

Поскольку затвор полевого транзистора смещен в обратном направлении, ток затвора практически равен нулю. Подача стока подключена к терминалу истока, ведущему к потоку электронов, который обеспечивает необходимые носители.

FET-транзистор — Типы и принципы его работы

Существует еще одно подразделение FET-транзисторов. В одном из типов ток потребляется в основном основными носителями и поэтому называется устройствами с основными носителями заряда. Существуют также устройства с неосновными носителями заряда, в которых протекание тока в основном связано с неосновными носителями.

Две клеммы, исток и затвор имеют потенциал между ними, который, в свою очередь, имеет проводимость канала как функцию от него. Три клеммы, то есть исток, сток и затвор, есть у каждого полевого транзистора. Функция терминала затвора аналогична затвору в реальной жизни, поскольку затвор может открываться и закрываться, а также может разрешать прохождение электронов или полностью их останавливать.

FETS классифицируются как:

1. Эффект поля соединения Транзистор (JFET)

2. Металл оксид полупроводник Полевой эффект Транзистор (JFET)

1. Джак -эффект Полевый эффект Транзистор Транзистор (JFET)

9003 представляет собой разновидность полевого транзистора, который можно использовать для электрического управления переключателем. Между истоками и выводами стока электрическая энергия проходит по активному каналу.

Канал нагружен и электрический ток отключен подачей обратного напряжения смещения на вывод затвора.

Принцип работы:

Работа этих JFET основана на каналах, которые формируются между терминалами. Можно использовать либо канал n-типа, либо канал p-типа. Он называется n-канальным JFET, потому что у него есть канал n-типа, и он называется p-канальным JFET, потому что у него есть канал p-типа.

Полевые транзисторы изготавливаются так же, как транзисторы N-P-N и P-N-P изготавливаются из BJT (транзистора с биполярным переходом). Эти JFET имеют канал, который может быть n- или p-типа.

• Он классифицируется как n-канальный JFET или p-канальный JFET в зависимости от канала.

• Клемма источника подключается к положительной стороне n-канального JFET.

• В этом n-канальном полевом транзисторе вывод стока имеет наибольший потенциал по сравнению с затвором.

• Соединение, создаваемое выводами стока и затвора, имеет обратное смещение. В результате область истощения вокруг стока шире, чем у истока.

• Большинство носителей заряда, которые представляют собой электроны, текут от конечного стока к истоку.

• По мере роста потенциала на стоке увеличивается поток носителей, а вместе с ним увеличивается и ток.

• Однако при повышении напряжения на стоке и истоке до определенного уровня ток прекращается.

• JFET хорошо известен своей способностью управлять током посредством подачи входного напряжения. У этого транзистора входное сопротивление максимально.

• На клемме затвора нет текущих данных, когда полевой транзистор JFET находится в оптимальном режиме.

Так работает n-канальный JFET. Только изменение полярности источников питания заставляет полевой транзистор работать как p-канальный JFET.

2. Металлооксид-полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор)

МОП-транзисторы работают путем подачи напряжения на каналы, которые уже существуют или формируются. Полевые МОП-транзисторы делятся на два типа в зависимости от режимов работы:

• Истощение

• Расширение

В режиме расширения напряжение затвора индуцирует канал, тогда как в режиме истощения MOSFET работает за счет существующего канала.

Существует два типа моделей истощения MOSFET: n-типа и p-типа. Единственная разница заключается в нанесении субстрата. Формирование зоны обеднения обусловлено концентрацией носителей, предпочитаемой большинством. На проводимость влияет ширина истощения.

Канал формируется в расширенном режиме, когда напряжение, подаваемое на вывод затвора, превышает пороговое напряжение. Это может быть n-тип для подложки P-типа и p-тип для подложки N-типа. Режим улучшения классифицируется как улучшенный MOSFET N-типа или улучшенный MOSFET P-типа в зависимости от формирования канала. МОП-транзисторы типа расширения используются чаще, чем транзисторы типа истощения.

Разница между FET и MOSFET

Основное различие между двумя основными типами FET транзисторов — JFET и MOSFET — заключается в том, что JFET (Junction Field Effect Transistor) представляет собой полупроводниковое транзистор) представляет собой полупроводниковый прибор с четырьмя выводами. JFET может работать только в режиме истощения. В то время как MOSFET может работать как в режиме улучшения, так и в режиме истощения. Входное сопротивление выше у MOSFET, что делает их более резистивными. По сравнению с ценой MOSFET дороже, чем JFET.

Из-за высокого входного импеданса полевые транзисторы обычно используются в качестве входных усилителей в электронных вольтметрах, осциллографах и других измерительных устройствах. Они также занимают мало места, что делает их более эффективными для других устройств.

Заключение

В статье рассматриваются некоторые важные и ключевые характеристики полевых транзисторов. Эти фундаментальные знания можно в дальнейшем использовать для понимания других концепций, связанных с электричеством и током. Определение полевого транзистора, типы полевых транзисторов и то, как он регулирует схемы, являются ключевыми моментами этой статьи.

404: Страница не найдена

Страница, которую вы пытались открыть по этому адресу, похоже, не существует. Обычно это результат плохой или устаревшей ссылки. Мы приносим свои извинения за доставленные неудобства.

Что я могу сделать сейчас?

Если вы впервые посещаете TechTarget, добро пожаловать! Извините за обстоятельства, при которых мы встречаемся. Вот куда вы можете пойти отсюда:

Поиск

• Пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы сообщить, что эта страница отсутствует, или используйте поле выше, чтобы продолжить поиск
• Наша страница «О нас» содержит дополнительную информацию о сайте, на котором вы находитесь, WhatIs. com.
• Посетите нашу домашнюю страницу и просмотрите наши технические темы

Поиск по категории

ПоискСеть

• беспроводная ячеистая сеть (WMN)

  Беспроводная ячеистая сеть (WMN) — это ячеистая сеть, созданная путем соединения узлов беспроводной точки доступа (WAP), установленных в …

• Wi-Fi 7

  Wi-Fi 7 — это ожидаемый стандарт 802.11be, разрабатываемый IEEE.

• сетевая безопасность

  Сетевая безопасность охватывает все шаги, предпринятые для защиты целостности компьютерной сети и данных в ней.

ПоискБезопасность

• Что такое модель безопасности с нулевым доверием?

  Модель безопасности с нулевым доверием — это подход к кибербезопасности, который по умолчанию запрещает доступ к цифровым ресурсам предприятия и …

• RAT (троянец удаленного доступа)

  RAT (троян удаленного доступа) — это вредоносное ПО, которое злоумышленник использует для получения полных административных привилегий и удаленного управления целью . ..

• атака на цепочку поставок

  Атака на цепочку поставок — это тип кибератаки, нацеленной на организации путем сосредоточения внимания на более слабых звеньях в организации …

ПоискCIO

• Пользовательский опыт

  Дизайн взаимодействия с пользователем (UX) — это процесс и практика, используемые для разработки и внедрения продукта, который будет обеспечивать положительные и …

• соблюдение конфиденциальности

  Соблюдение конфиденциальности — это соблюдение компанией установленных правил защиты личной информации, спецификаций или …

• контингент рабочей силы

  Временная рабочая сила — это трудовой резерв, члены которого нанимаются организацией по запросу.

SearchHRSoftware

• Поиск талантов

  Привлечение талантов — это стратегический процесс, который работодатели используют для анализа своих долгосрочных потребностей в талантах в контексте бизнеса . ..

• удержание сотрудников

  Удержание сотрудников — организационная цель сохранения продуктивных и талантливых работников и снижения текучести кадров за счет стимулирования …

• гибридная рабочая модель

  Гибридная рабочая модель — это структура рабочей силы, включающая сотрудников, работающих удаленно, и тех, кто работает на месте, в офисе компании…

SearchCustomerExperience

• CRM (управление взаимоотношениями с клиентами) аналитика

  Аналитика CRM (управление взаимоотношениями с клиентами) включает в себя все программные средства, которые анализируют данные о клиентах и ​​представляют…

• разговорный маркетинг

  Диалоговый маркетинг — это маркетинг, который вовлекает клиентов посредством диалога.

• цифровой маркетинг

  Цифровой маркетинг — это общий термин для любых усилий компании по установлению связи с клиентами с помощью электронных технологий.