Top.Mail.Ru

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 )

Разница между биполярным и полевым транзистором.

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:

Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

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:

JFET транзистор.

Подключаем источники напряжения следующим образом, в виде наглядной иллюстрации:

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

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:

Принцип работы JFET транзистора.

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:

Характеристики полевого транзистора.

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:

Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

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

Зависимость от напряжения затвор-исток.

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}:

Область насыщения полевого транзистора.

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:

Обозначение полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.

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:

Характеристики транзистора.

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:

Пример схемы.

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:

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом. Пример.

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:

Зависимость от напряжения сток-исток.

Именно это и получили:

Пример включения.

Уменьшим еще U_{ЗИ} до -0.8 В:

Полевой транзистор. Пример.

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:

Пример 5.

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

JFET транзистор. Пример.

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:

Насыщение.

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

Подписаться
Уведомление о
guest
0 комментариев
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x