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 🤝
