Для чего нужны полевые транзисторы? Его устройство и принцип работы.

Что такое полевой транзистор?

Полевой транзистор (Field-Effect Transistor, FET) — это полупроводниковый прибор, используемый для управления током в электрических схемах. Он состоит из трех контактов — источника, стока и затвора, и двух типов полупроводниковых материалов — p-типа и n-типа, разделенных зоной перехода.

Устройство

Конструкция полевого транзистора может отличаться в зависимости от типа прибора, но основные элементы остаются неизменными. Давайте рассмотрим более подробно устройство двух наиболее распространенных типов полевых транзисторов — MOSFET и JFET.

МОС-транзистор (MOSFET)

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) — это полевой транзистор с тонким слоем металлического окисла на полупроводнике. MOSFET состоит из трех областей — источника (Source), стока (Drain) и затвора (Gate), и тонкого слоя изолятора между затвором и полупроводником. Материал источника и стока обычно имеет тип проводимости n-типа или p-типа, а материал затвора — металл.

Внешние контакты (источник и сток) подключены к полупроводнику и покрыты металлической маской. Затвор представляет собой металлическую пластину, которая находится над тонким слоем изолятора. Этот слой изолятора состоит из оксида кремния, который выступает в качестве диэлектрика.

Приложение напряжения к затвору приводит к созданию электрического поля в слое изолятора. Это поле влияет на количество носителей заряда в канале между источником и стоком, что в свою очередь влияет на ток, протекающий между источником и стоком. Если напряжение на затворе положительное, то поле уменьшается, и канал между источником и стоком сужается, что препятствует потоку тока между источником и стоком. Если напряжение на затворе отрицательное, то поле увеличивается, и канал расширяется, что позволяет току протекать между источником и стоком.

JFET-транзистор

JFET (Junction Field-Effect Transistor) — это полевой транзистор, который имеет полупроводниковый канал между источником и стоком, и два p-n перехода. JFET состоит из трех областей — источника (Source), стока (Drain) и затвора.

Приборы с типом проводимости n-канала имеют материал канала, который является n-типом проводимости, а затвор источника — p-типом. В случае p-канала, материал канала является p-типом проводимости, а затвор источника — n-типом.

В случае JFET, область между источником и стоком называется каналом. Он может быть создан из одного материала полупроводника, называемого интрузионным слоем, который внедряется в кристалл другого материала полупроводника.

Затвор JFET является p-n переходом, который расположен вблизи канала. Затвор источника соединен с затвором через резистор источника, образуя схему, называемую обратной связью. Это позволяет управлять напряжением на затворе и, следовательно, током между источником и стоком.

Приложение напряжения к затвору приводит к изменению ширины обедненного слоя, что приводит к изменению сопротивления канала. Это, в свою очередь, приводит к изменению тока между источником и стоком.

Вывод

Таким образом, как MOSFET, так и JFET, используют эффект поля, чтобы контролировать ток между источником и стоком. Однако они работают по-разному и имеют различные свойства и применения в электронике.

Типы подключения полевого транзистора

Полевые транзисторы могут быть подключены в различных режимах, каждый из которых обеспечивает уникальные свойства и применения. Рассмотрим некоторые из них:

Схема с общим источником (Common Source, CS)

В этой схеме затвор подключен к источнику напряжения, а сток подключен к нагрузке, а источник к земле или к отрицательному полюсу источника питания. Эта схема используется в усилителях напряжения, так как обеспечивает высокое входное сопротивление и низкий коэффициент усиления тока.

Схема с общим затвором (Common Gate, CG)

В этой схеме источник подключен к источнику напряжения, а затвор подключен к входному сигналу. Нагрузка подключена между стоком и источником. Эта схема используется в усилителях тока, так как обеспечивает высокий коэффициент усиления тока, но имеет низкое входное сопротивление.

Схема с общим стоком (Common Drain, CD)

В этой схеме затвор подключен к входному сигналу, а источник подключен к источнику напряжения. Нагрузка подключена между затвором и стоком. Эта схема обеспечивает высокий коэффициент усиления напряжения и высокое входное сопротивление, что делает ее подходящей для использования в усилителях напряжения с высоким коэффициентом усиления.

Это только некоторые из возможных схем подключения FET. Конкретная схема подключения будет зависеть от конкретных потребностей электрической схемы и типа FET, используемого в ней.

Преимущества и недостатки

Полевые транзисторы (FET) имеют свои преимущества и недостатки по сравнению с другими типами транзисторов, такими как биполярные транзисторы (BJT).

Преимущества

1. Высокое входное сопротивление: FET имеют очень высокое входное сопротивление, что означает, что они практически не потребляют тока входного сигнала. Это позволяет использовать FET в высокоомных усилителях, таких как усилители микроволновых сигналов.
2. Низкий уровень шума: из-за высокого входного сопротивления FET имеют низкий уровень шума, что делает их идеальными для использования в усилителях слабых сигналов.
3. Хорошая линейность: FET могут обеспечивать линейную характеристику усиления, что делает их идеальными для использования в усилителях, которые не должны искажать входной сигнал.
4. Малая емкость переключения: FET имеют низкую емкость переключения, что позволяет им быстро переключаться в высокочастотных приложениях.

Недостатки

1. Низкий коэффициент усиления тока: FET имеют меньший коэффициент усиления тока, чем биполярные транзисторы. Это означает, что они не так эффективно усиливают сигналы с низким уровнем.
2. Чувствительность к температуре: FET имеют более высокую температурную чувствительность, чем биполярные транзисторы, что может привести к изменению их параметров в разных условиях.
3. Ограниченный диапазон рабочего напряжения: FET имеют ограниченный диапазон рабочего напряжения, что может привести к их повреждению, если напряжение в схеме превышает их максимальное значение.
4. Сложность изготовления: изготовление FET сложнее, чем изготовление биполярных транзисторов, что может сделать их более дорогими.

Сфера применения

Полевые транзисторы (FET) имеют широкий спектр применения в различных областях, включая:

1. Усилители: FET используются в усилителях, чтобы усилить слабые сигналы. Они часто используются в радио- и телевизионных приемниках, аудиоусилителях, усилителях сигналов датчиков и других устройствах, где необходимо усиление слабых сигналов.
2. Вычислительная техника: FET используются в микропроцессорах, микроконтроллерах, логических элементах и других устройствах вычислительной техники.
3. Энергетика: FET используются в устройствах для преобразования энергии, таких как источники питания, солнечные батареи, электродвигатели и другие устройства.
4. Коммуникации: FET используются в радио- и телекоммуникационных устройствах, таких как передатчики, приемники, усилители, модуляторы и демодуляторы.
5. Медицинская техника: FET используются в медицинских приборах, таких как ЭКГ, ЭЭГ и других устройствах для мониторинга и диагностики состояния пациента.
6. Автомобильная промышленность: FET используются в электронных системах автомобилей, таких как системы зажигания, управления двигателем и др.

В целом, полевые транзисторы являются важными элементами в электронных устройствах и используются во многих областях науки и техники.

Заключение

В заключение, полевые транзисторы (FET) — это важные элементы электроники, которые имеют ряд преимуществ перед биполярными транзисторами. Они обладают высокой входной импедансом, малой потребляемой мощностью и высокой скоростью работы, что делает их идеальным выбором для использования в многих устройствах, от усилителей и приемников до микропроцессоров и солнечных батарей. Однако, у FET есть и свои недостатки, включая высокую чувствительность к статическому электричеству и небольшую линейность при больших амплитудах сигнала. Несмотря на это, FET все еще являются очень важными компонентами в современной электронике и используются во многих промышленных и научных областях.