Feldeffekttransistor: Typ und Bezeichnung, Vor- und Nachteile, Funktionsprinzip für Dummys

In der Elektronik und Funktechnik werden sehr häufig Halbleiterbauelemente verwendet, zu denen auch Transistoren gehören. Feldeffekttransistoren (FETs) verbrauchen deutlich weniger elektrische Energie, weshalb sie in verschiedenen Geräten mit geringer Leistung verwendet werden. Darüber hinaus gibt es Modelle, die mit hohen Strömen bei geringem Verbrauch der Versorgungsspannung (U) arbeiten.

Allgemeine Information

FET oder FET ist ein Halbleiterbauelement, das, wenn sich die Steuerung U ändert, I (Strom) regelt. Diese Art von Transistor wird auch als unipolar bezeichnet. Er erschien später als der übliche Transistor (bipolar), aber mit dem Wachstum der Technologie wurde er aufgrund seines geringen Stromverbrauchs bei digitalen Geräten weit verbreitet. Das Wichtigste der Unterschied liegt in der Regelmethode I. Beim bipolaren erfolgt die I-Regelung mit Hilfe der Steuerung I und im Feld - mit der U (Abbildung 1).

Abbildung 1 - Der Unterschied zwischen Feld und bipolarem T.

Der PT hat keinen I-Regler und hat eine hohe Eingangsimpedanz (R), die mehrere hundert GΩ (GigaOhm) oder TOM (TerraOhm) erreicht. Um den Umfang des PT herauszufinden, müssen Sie ihn sorgfältig studieren. Die Ladungsträger sind Elektronen oder Löcher, während die bipolare Ladung Elektronen und Löcher sind.

Klassifizierung und Gerät

PTs sind von mehreren Typen, haben unterschiedliche Eigenschaften und Geräte. Sie sind in 2 Typen unterteilt:

1. Mit Steuerung pn - Übergang (JFET).
2. Isoliertes Gate (MOSFET).

Darüber hinaus verfügt jeder Typ über N- und P-Kanäle. Bei einem PT mit N-Kanal sind die Ladungsträger Elektronen und bei einem P-Kanal Löcher. Das Funktionsprinzip für P und N ist ähnlich, der einzige Unterschied besteht darin, dass U mit einer anderen Polarität als Steuerung zugeführt wird.

Das JFET PT-Gerät (Abbildung 2) ist einfach. Bereich N bildet einen Kanal zwischen Bereichen P. An den Enden des Kanals N, die konventionell als Drain (C) und Source (I) bezeichnet werden, sind Elektroden angeschlossen, da alles vom Anschlussschema abhängt. Das Gate (Z) ist ein Elektrodentyp, der gebildet wird, wenn die Halbleiter P kurzgeschlossen werden. Dies liegt an der elektrischen Verbindung bei Kontakt mit U. In der Nähe von C und I gibt es einen Bereich erhöhter Konzentration oder Dotierung von (N +)-Elektronen, was zu einer Verbesserung der Kanalleitfähigkeit führt. Das Vorhandensein der Dotierungszone verringert die Bildung von parasitären pn – -Übergängen, die bei der Zugabe von Aluminium gebildet werden, signifikant.

Abbildung 2 - Schematische Vorrichtung des JFET-Typs PT.

MOFSET heißt MOS oder MDP und wird auch in Typen unterteilt - mit eingebauten und induzierten Kanälen. Jeder dieser Typen hat Modelle mit P- und N-Kanälen. Der Feldeffekttransistor, dessen Bezeichnung in Bild 3 dargestellt ist, hat manchmal 4 Zuleitungen.

Abbildung 3 - Bezeichnung des MOS-Transistors.

Das Gerät ist recht einfach und wird in Abbildung 4 gezeigt. Bei einem FET mit N-Kanal weist das Substrat (mit SiO2 beschichtet) eine P-Leitfähigkeit auf. Durch die dielektrische Schicht werden Drain- und Sourceelektroden aus den dotierten Zonen sowie ein Ausgang geführt, der mit der Source kurzgeschlossen ist. Die Gateschicht befindet sich über dem Dielektrikum.

Abbildung 4 - Typisches PT-Gerät mit einem induzierten Kanal.

So funktioniert JFET

JFET arbeitet in 2 Modi. Diese Eigenschaft ist darauf zurückzuführen, dass die Spannung der positiven und negativen Komponenten an das Gate angelegt wird (Abb. 5). Bei Anschluss von U> 0 an Drain und Masse an Source muss das Gate mit Masse verbunden werden (Uzi = 0). Während einer allmählichen Zunahme von U zwischen C und I (Uis) ist der PT ein gewöhnlicher Leiter. Bei niedrigen Werten von Uis ist die Kanalbreite maximal.

Bei hohen Werten von Uis fließen große Stromwerte zwischen Source und Drain durch den Kanal (Iis). Dieser Zustand wird als ohmscher Bereich (OO) bezeichnet. In einem N-Typ-Halbleiter, nämlich in den p-n-Übergangszonen, tritt eine Abnahme der Konzentration freier Elektronen auf. Das asymmetrische Wachstum der Schicht der Abnahme der Konzentration freier Elektronen wird als Verarmungsschicht bezeichnet. Die Überwucherung erfolgt von der Seite des angeschlossenen Netzteils. Bei einer Zunahme von Uis kommt es zu einer starken Verengung des Kanals, wodurch Iis unbedeutend anwächst. Der Betrieb des PT in diesem Modus wird Sättigung genannt.

Abbildung 5 - Schema des JFET-Betriebs (Uzi = 0).

Wenn am Gate ein niedriges negatives U zugeführt wird, tritt eine starke Verengung des Kanals und eine Abnahme von Iis auf. Bei einer Abnahme von U wird der Kanal geschlossen und der PT arbeitet im Cutoff-Modus, und U, bei dem die Versorgung von Iis stoppt, wird als Cutoff-Spannung (Uotc) bezeichnet. Abbildung 6 zeigt eine grafische Darstellung des Betriebs des PT bei Uzi <0:

Abbildung 6 - Grafische Darstellung des Funktionsprinzips eines Feldeffekttransistors vom Typ JFET.

Im Sättigungsmodus wird das Signal verstärkt (Abb. 7), da mit unwesentlichen Änderungen in Uis es gibt eine signifikante Änderung in If:

Abbildung 7 – Beispiel für einen S-JFET.

Dieser Parameter ist die Verstärkung des JFET und wird als Gate-Steigung (S) bezeichnet. Die Maßeinheit ist mA / V (MeilenAmp / Volt).

Merkmale der MOFSET-Arbeit

Wenn U zwischen den Elektroden C und And beliebiger Polarität an MOFSET mit einem induzierten N-Kanal angeschlossen ist, ist der Strom nicht fließt, da zwischen der legitimen Schicht eine Schicht mit der Leitfähigkeit P liegt, die nicht überträgt Elektronen. Das Funktionsprinzip mit dem P-Kanal-Kanal ist das gleiche, es ist nur erforderlich, negatives U zu liefern. Wird an das Gate ein positives Uz angelegt, so entsteht ein elektrisches Feld, das Löcher aus der P-Zone in Richtung Substrat drückt (Abb. 8).

Unter dem Gate beginnt die Konzentration freier Ladungsträger abzunehmen, und an ihre Stelle treten Elektronen, die von der positiven Ladung des Gates angezogen werden. Wenn Uzi den Schwellenwert erreicht, ist die Elektronenkonzentration viel höher als die Lochkonzentration. Dadurch wird zwischen C und I ein Kanal mit N-Leitfähigkeit gebildet, durch den Iis fließt. Daraus kann geschlossen werden, dass die Abhängigkeit von Ic von Uz direkt proportional ist: Mit einer Zunahme von U dehnt sich der Kanal aus und Ic nimmt zu. Dieser Prozess ist einer der PT-Modi - Anreicherung.

Abbildung 8 - Illustration des Betriebs eines PT mit einem induzierten Kanal (Typ N).

Die I - V-Kennlinie eines FET mit isoliertem Gate ist ungefähr die gleiche wie bei einer Steuerverbindung (Abb. 9). Der Bereich, in dem Iis direkt proportional zum Wachstum von Uis wächst, ist der ohmsche Bereich (Sättigung). Der Bereich bei der maximalen Kanalerweiterung, in dem Ic nicht wächst, ist ein aktiver Bereich.

Beim Überschreiten des Schwellwertes U bricht der pn-Übergang durch und der PT ist ein gewöhnlicher Leiter. In diesem Fall fällt die Funkkomponente aus.

Abbildung 9 - I - V-Kennlinie eines PT mit isoliertem Gate.

Der Unterschied zwischen FETs mit eingebauten und induzierten Kanälen ist das Vorhandensein eines leitenden Kanals zwischen C und I. Wenn Sie U unterschiedlicher Polarität an einen PT mit eingebautem Kanal zwischen Drain und Source anschließen und verlassen wird das Gate eingeschaltet (Uzi = 0), dann fließt Iis durch den Kanal (der Fluss der freien Ladungsträger ist Elektronen). Wenn U < 0 mit dem Gate verbunden ist, entsteht ein elektrisches Feld, das Elektronen in Richtung des Substrats drückt. Die Konzentration freier Ladungsträger nimmt ab, und der Widerstand nimmt zu, daher nimmt Ic - ab. Dieser Zustand ist der Verarmungsmodus.

Wenn U> 0 mit dem Gate verbunden ist, entsteht ein elektromagnetisches Feld, das Elektronen von Drain, Source und Substrat anzieht. Infolgedessen dehnt sich der Kanal aus und seine Leitfähigkeit nimmt zu, und Iis nimmt zu. Der PT beginnt im Anreicherungsmodus zu arbeiten. Die Strom-Spannungs-Kennlinie (VAC) ist in Abbildung 10 dargestellt.

Abbildung 10 - I - V-Kennlinie eines PT mit eingebautem Kanal.

Trotz ihrer Vielseitigkeit haben PTs Vor- und Nachteile. Diese Nachteile ergeben sich aus dem Gerät, der Ausführungsweise und der I-V-Charakteristik der Geräte.

Vorteile und Nachteile

Vor- und Nachteile sind konventionelle Konzepte aus dem Vergleich von Feldeffekt- und Bipolartransistoren. Eine der Eigenschaften des PT ist ein Rin mit hohem Widerstand. Darüber hinaus liegt sein Wert für MOFSET um mehrere Größenordnungen über dem von JFET. FETs verbrauchen praktisch keinen Strom von der zu verstärkenden Signalquelle.

Zum Beispiel, wenn Sie eine gewöhnliche Schaltung nehmen, die ein Signal basierend auf einem Mikrocontroller-Mikrocontroller erzeugt. Diese Schaltung steuert den Betrieb des Elektromotors, weist jedoch einen geringen Stromwert auf, der hierfür nicht ausreicht. In diesem Fall wird ein Verstärker benötigt, der wenig I verbraucht und am Ausgang einen hohen Strom erzeugt. In einem solchen Verstärker sollte ein JFET verwendet werden, der einen hohen Rin hat. JFET hat eine niedrige U-Verstärkung. Beim Aufbau eines Verstärkers auf Basis von JFET (1 Stk.) beträgt die maximale Verstärkung etwa 20, wenn ein bipolarer Verstärker verwendet wird - mehrere Hundert.

Hochwertige Verstärker verwenden beide Arten von Transistoren. Mit Hilfe des FET erfolgt die Verstärkung in I, und dann wird mit Hilfe eines Bipolaren das Signal in U verstärkt. PTs haben jedoch gegenüber bipolaren eine Reihe von Vorteilen. Diese Vorteile sind wie folgt:

1. Hoher Rin, aufgrund dessen ein minimaler Verbrauch von I und U gegeben ist.
2. Hoher Gewinn an I.
3. Betriebssicherheit und Störfestigkeit: Bei fehlendem I-Fluss durch das Gate, wodurch die Gate-Steuerschaltung von Drain und Source isoliert ist.
4. Hohe Übergangsgeschwindigkeit von einem Zustand in einen anderen, was die Verwendung von PT bei hohen Frequenzen ermöglicht.

Darüber hinaus haben FETs trotz ihrer weit verbreiteten Verwendung mehrere Nachteile, die es nicht ermöglichen, Bipolartransistoren vollständig vom Markt zu verdrängen. Zu den Nachteilen zählen folgende:

1. Erhöhter Abfall in U.
2. Zerstörungstemperatur des Gerätes.
3. Verbraucht mehr Energie bei hohen Frequenzen.
4. Die Entstehung eines parasitären Bipolartransistors (PBT).
5. Empfindlich gegenüber statischer Elektrizität.

Der erhöhte Abfall von U tritt aufgrund des hohen R zwischen Drain und Source während des offenen Zustands auf. Der PT wird zerstört, wenn die Temperatur 150 Grad Celsius überschreitet, und der bipolare - 200. Der PT hat nur bei niedrigen Frequenzen einen geringen Stromverbrauch. Oberhalb von 1,6 GHz steigt der Stromverbrauch exponentiell an. Auf dieser Grundlage wachsen die Frequenzen von Mikroprozessoren nicht mehr und der Schwerpunkt liegt auf der Herstellung von Maschinen mit einer großen Anzahl von Kernen.

Wenn ein leistungsstarker PT verwendet wird, bildet sich in seiner Struktur ein PBT, beim Öffnen versagt der PT. Um dieses Problem zu lösen, wird das Substrat mit I kurzgeschlossen. Dies löst das Problem jedoch nicht vollständig, da ein Sprung in U zum Öffnen des PBT und zum Ausfall des PT sowie der damit verbundenen Teileketten führen kann.

Ein wesentlicher Nachteil von PTs ist ihre Empfindlichkeit gegenüber statischer Elektrizität. Dieser Nachteil ergibt sich aus den Konstruktionsmerkmalen des PT. Die dielektrische (isolierende) Schicht ist dünn und wird sehr leicht durch statische Elektrizität zerstört, die Hunderte oder Tausende von Volt erreichen kann. Um Ausfälle zu vermeiden, wenn es statischer Elektrizität ausgesetzt wird, wird das Substrat geerdet und mit der Quelle kurzgeschlossen. Außerdem befindet sich bei einigen FET-Typen eine Diode zwischen Drain und Source. Bei der Arbeit mit integrierten Mikroschaltungen an PTs sollten antistatische Maßnahmen verwendet werden: spezielle Armbänder und Transport in antistatischen Vakuumverpackungen.

Anschlusspläne

Der PT ist in etwa wie ein gewöhnlicher angeschlossen, weist jedoch einige Besonderheiten auf. Es gibt 3 Schemata zum Einschalten von Feldeffekttransistoren: mit gemeinsamer Source (OI), Drain (OS) und Gate (OZ). Am häufigsten wird ein Verbindungsschema mit einer OI verwendet (Abbildung 1). Diese Verbindung ermöglicht eine erhebliche Leistungsverstärkung. Die OI-Verbindung wird jedoch in Niederfrequenzverstärkern verwendet und weist auch eine hohe Eingangskapazitätscharakteristik auf.

Schema 1 - Einschalten mit OI.

Beim Einschalten mit dem Betriebssystem (Schema 2) wird eine Kaskade mit einem Follower erhalten, die als Quelle bezeichnet wird. Der Vorteil ist die geringe Eingangskapazität. Es wird zur Herstellung von Pufferteilungskaskaden (zB piezoelektrischer Sensor) verwendet.

Schema 2 - Verbindung mit dem Betriebssystem.

Bei Verbindung mit OZ (Schema 3) gibt es keine signifikante Stromverstärkung, die Leistungsverstärkung ist geringer als bei Verbindung mit OI und OS. Mit dieser Verbindungsart kann jedoch der Miller-Effekt vollständig vermieden werden. Mit dieser Funktion können Sie die maximale Verstärkungsfrequenz (Mikrowellenverstärkung) erhöhen.

Schema 3 - Einschalten mit OZ.

Daher werden PTs im Bereich der Informationstechnologie weit verbreitet verwendet. Bipolartransistoren konnten Bipolartransistoren jedoch nicht vom Markt für Funkkomponenten verdrängen. Dies liegt vor allem an den Unzulänglichkeiten des PT, die im Funktionsprinzip und in den Konstruktionsmerkmalen liegen. Der Hauptnachteil ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber statischen Elektrizitätsfeldern.