Содержание
- Что представляет собой полевой транзистор
- Для чего нужен полевой транзистор
- Принципы работы полевых транзисторов в электронных схемах упрощенная информация
- Режимы работы полевого транзистора
- Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?
- Как проверить полевой транзистор мультиметром и специальным тестером
- Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами
- Коротко о главном
Полупроводниковые приборы (ПП) имеют своим назначением преобразовывать электрические параметры тока, напряжения, мощности. Обширный класс устройств объединяет принцип работы. В основе лежит использование свойств материалов, из которых они создаются. Полупроводники отличает подверженность влиянию внешних факторов: температуры, давления, облучения и других воздействий.
Далее будет рассмотрено, как работает полевой транзистор (ПТ), представляющий собой один из таких приборов. Также опишем виды, для чего и где он применяется.
Полевые транзисторы: схема
Что представляет собой полевой транзистор
Данный элемент электрической схемы, который производят из полупроводниковых материалов, выполняет функцию ключа. Устройство полностью управляемое, что достигается создаваемым напряжением поля. В биполярных транзисторах для регулирования параметров и характеристик используется ток. В практическом смысле это главное отличие двух типов ПП устройств. Понять, что такое полевой транзистор, поможет его конструкция и принцип работы.
Ток в полупроводниках образуется благодаря направленному движению электронов или дырок. Последние обладают абсолютно таким же по значению, но положительным зарядом, оставляемым ушедшей из межатомной связи отрицательной элементарной частицей. В ПТ процесс осуществляется лишь одним типом носителей. Каким именно, предопределяется разновидностью канала: n или p. Поэтому полевой транзистор называют также униполярным (Unipolar, от латинского слова «unis» или один). Два типа проводимости отличаются механизмом.
ПТ разделяют на:
- Устройства с управляющим p-n-переходом.
- Транзисторы с изолированным затвором.
Структура полевого транзистора с изолированным затвором
В конструкции присутствует 3 (редко – 4) вывода:
- Исток, из которого начинают перемещаться носители заряда. В биполярном транзисторе (БТ) данную роль выполняет эмиттер.
- Сток принимает потоки, аналогичен коллектору в БТ.
- Затвор – управляющий электрод. При приложении к нему напряжения относительно истока создается электрическое поле с соответствующей типу канала полярностью. В лампах аналогией выступает сетка, а в БТ – база.
Обе разновидности ПТ бывают n- и p-канальными, причем к затвору первого прикладывают «+» управляющее напряжение, что открывает ключ, ко второму – отрицательное относительно истока.
Для чего нужен полевой транзистор
Рассматриваемый прибор широко распространен как в более старой схемотехнике, так и в современной. ПТ потребляет гораздо меньше энергии по сравнению с БТ. Причина этого – управлении полем, а не током. Напряжение определенной величины прикладывается к затвору. Данное свойство актуально для ждущих, следящих устройств, реализующих спящий режим и малое потребление. Полевые транзисторы успешно используются в производстве пультов управления для телевизоров, наручных часов. Так КМОП-структуры позволяют приборам функционировать годами на небольших батарейках или аккумуляторах.
Устройства разных видов
В современных радио устройствах ПТ является эффективной заменой биполярного транзистора. Появляется возможность увеличивать частоту несущего сигнала передатчиков при обеспечении стойкости к помехам. Низкое сопротивление в открытом состоянии подходит для создания усилителей мощности звука.
Принципы работы полевых транзисторов в электронных схемах: упрощенная информация
В каскаде усиления сигнала ПТ расположен одним из трех основных способов.
Это схемы включения полевых транзисторов с общим:
- истоком (ОИ);
- стоком (ОС);
- затвором (ОЗ).
На практике чаще применяется первый вариант, что дает значительное усиление по мощности. Но подобный каскад получается низкочастотным из-за связанных с большой и увеличивающейся емкостью эффектов. При втором способе получается истоковый повторитель со средним значением усиления мощности. Преимущество в виде низкой входной паразитной емкости нашло применение в построении буферных разделительных каскадов. Третья схема используется в работе с СВЧ.
Путь протекания тока через транзисторы
Устройство полевого транзистора, выполняющего роль ключа, сравнивают с рукояткой водопроводного крана. Имеется возможность не только перекрывать поток, но и регулировать силу напора до тонкой струи. Между стоком и истоком ПТ прилагается основное напряжение с постоянным значением. Данная область именуется каналом, выполненным в виде полупроводника со структурой:
- n-типа, в которой преобладающими зарядами являются электроны;
- p-типа, где наблюдается излишнее количество положительных дырок.
Полевой транзистор всегда представляет собой управляемый полупроводник. Нагрузка пропускается в одну сторону при блокировании противоположного движения зарядов. Ток через переход направляется от стока к истоку по аналогии с водой в кране. Затвор открывает и закрывает этот «вентиль». А также регулирует поток электрических зарядов по силе. Как могут работать полевые транзисторы в подобных режимах, объясняет общеизвестный по школьной программе закон Ома. А именно, I=U/R, где I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление среды канала, управляющее нагрузкой.
На область между стоком и истоком воздействует потенциал извне. Иначе выражаясь, к затвору прилагается меняющая сопротивление внутреннего полупроводникового перехода энергия электрического поля. Оказывается влияние на величину тока в выходной цепи.
Видео описание
О принципах работы прибора – в этом видео:
Схемы различного включения полевых транзисторов и их тип заранее предусматривают «сценарий» функционирования. Это реализуется тремя способами по аналогии с БП, но различным будет управление. В биполярном транзисторе его осуществляет ток базы, а в ПТ — заряд затвора.
Режимы работы полевого транзистора
Полевые транзисторы, подобно биполярным, способны работать в разных устойчивых состояниях, называемых режимами работы. Эти режимы характеризуются различными параметрами канала между истоком и стоком, а также направлением тока, протекающего через него. Ключевым отличием является то, как затвор влияет на полупроводник: он может либо подавлять, либо стимулировать ток в канале.
Интересный эффект возникает при подаче определенного напряжения на электроды прибора для усиления электрических сигналов. В полупроводниках запускаются процессы, позволяющие току течь в непривычном направлении – от стока к истоку. Этот феномен, наблюдаемый в полевых транзисторах, демонстрирует многообразие явлений, происходящих в полупроводниковых материалах.
Видео описание
Об устройстве полевых транзисторов – в следующем видео:
Выделяют следующие режимы:
- Активный или основной, по максимуму реализующий усилительные свойства. Относительно канала важно: пребывает и он в состоянии насыщения. Затвор в различных видах ПТ препятствует протеканию через него тока, уменьшая количество носителей (обеднение), или увеличивает поток (обогащение). Процессы зависят от конструкции.
- Инверсный, противоположный активному режиму. Поток носителей идет наоборот, от стока к истоку. Для установления нужно лишь сменить полярность напряжения в канале. ПТ сможет производить усиление с несколько худшими свойствами, преобразовывать малые сигналы, быть полезным в аналоговых переключателях.
- Насыщение. Достаточное количество основных носителей касается лишь проводящего канала, а не всего ПТ. В таком режиме свойствами полупроводника обеспечивается зависимость тока от внешнего напряжения только до конкретного предела. Затем характеристика становится неизменной, то есть – стабилизируется. Становится возможным повышение коэффициента усиления при существенном устранении нелинейных искажений.
- Работа с отсечкой. При достижении на затворе порогового напряжения наступает период прекращения протекания тока через канал. Транзисторный ключ размыкается.
Кроме режима работы при эксплуатации важен способ включения прибора в каскад: ОИ, ОС или ОЗ. Классы усиления в ПТ определяются в таком же виде, как для БТ.
Видео описание
Об использовании прибора в качестве нижнего ключа рассказано в видеоролике:
Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?
Основные виды ПТ различаются конструкцией. Современные униполярные приборы обладают уникальными свойствами. Включение их в схемы позволяет достигать теоретического максимума получаемых характеристик. Структура и технология изготовления предопределяет следующую классификацию.
ПТ с управляющим переходом. Различают подвиды:
- полевые транзисторы Шоттки (MESFET);
- с управляющим гетеропереходом.
ПТ с изолированным затвором, то есть — МОП или МДП (MOSFET, MOS). Существуют две разновидности, отличающиеся каналом:
- индуцированным, возникающим лишь при воздействии электрического поля;
- встроенным, внедренным в подложку.
Исходными материалами при производстве являются кремний, арсенид галлия и некоторые другие. Существует множество технологий и конструктивных вариантов изготовления. Различными могут быть корпусы, габариты, параметры большой или малой мощности. Важным качеством выступает чувствительность к статическому электричеству, требующая дополнительных мер предосторожности при пайке и эксплуатации. Особенно это свойственно МДП типу (металл-диэлектрик-полупроводник). МОП расшифровывается как металл-оксид-полупроводник. Во многих случаях диэлектриком является двуокись кремния, тогда применяют второе наименование.
Полевой транзистор Шоттки
Как проверить полевой транзистор мультиметром и специальным тестером
Современная промышленность выпускает для подобных целей специальные приборы. Можно узнать точные параметры не только ПТ, но и тиристоров, симисторов, иных компонентов схем. Доступная стоимость обеспечила популярность тестеров. Для проверки нужно лишь установить выводы полупроводника в гнезда и нажать кнопку. Дисплей отобразит полученный результат.
Цифровой мультиметр или аналоговый тестер со стрелкой тоже выполняет такие операции. Сначала определяют конструкцию ПТ и его характеристики, указанные заводской маркировкой. Затем устанавливается режим прозвонки. Красный щуп, для примера, соответствует плюсу, черный – минусу. Первым этапом проверяют исправность сток-истоковой цепи. Вторым – делают анализ выходной цепи при подаче напряжения. Красный щуп располагают на стоке, черный ставят на исток. При исправности падение напряжения будет от 400 до 600 милливольт для перехода p-n полярности. Затем нужно поменять местами щупы. Очень большое сопротивление отобразится на экране, как 0L.
Прозвонка транзистора мультиметром
При втором режиме черный щуп оставляют на истоке, а красный переносят на затвор. С мультиметра пойдет положительный потенциал. Транзистор откроется, а на дисплее будет 0L. При перестановке красного щупа на сток получим данные об открытии: изменение показаний на единицы или десятки. Наиболее достоверным окажется применение двух мультиметров для разных этапов. В аналоговых приборах понадобится режим измерения сопротивлений.
Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами
Работа с транзисторами, особенно с МОП-структурами, требует особой аккуратности из-за их чувствительности к статическому электричеству. Накопление заряда, даже на уровне 50-100 Вольт, на теле человека или измерительных приборах, может привести к повреждению МОП-транзистора. Для сравнения, транзисторы с p-n переходом выдерживают до 250 Вольт.
Чтобы избежать негативных последствий, перед работой с такими чувствительными компонентами необходимо снять статическое электричество. Это можно сделать, прикоснувшись к заземленному предмету, например, к батарее, или надев антистатический браслет.
Видео описание
О видах транзисторов узнайте из видео:
Коротко о главном
Развитие технологий позволило устранить все связанные с ПТ проблемы, мешающие их широкому применению. Ранее эти приборы отличались уязвимостью к воздействиям, нестабильностью параметров. Было трудно проектировать схемы. Но сегодня полевые транзисторы получают приоритет к использованию по сравнению с биполярным типом. В некоторых областях электроники ПТ полностью преобладают.