Записки программиста
Полевые транзисторы делятся на полевые МОП-транзисторы (MOSFET) и полевые транзисторы с управляющим PN-переходом (JFET). Первые нам хорошо знакомы. Смотри шпаргалку по MOSFET’ам и примеры их использования далее по ссылкам. А вот JFET мы до сих пор не применяли. Давайте же это исправим.
Как и МОП-транзисторы, JFET имеют три терминала — затвор (gate), исток (source) и сток (drain), а также управляются напряжением на затворе. JFET являются depletion mode транзисторами. Бывают N-канальными и P-канальными, но последние вам почти наверняка не встретятся. Напомню, что MOSFET’ы в большинстве случаев являются enhancement mode и в равной степени встречаются как N-канальные, так и P-канальные.
Устройство JFET наглядно проиллюстрировано в книге «Learning the Art of Electronics» за авторством Thomas Hayes:
Ток между стоком и истоком (Id) является функцией от напряжения между затвором и истоком (Vgs). Когда это напряжение равно нулю, транзистор открыт и пропускает через себя максимально возможный ток Idss. Напряжение может быть чуть больше нуля, но не более 0.6 В. По мере уменьшения напряжения ток уменьшается, и становится равным нулю при достижении напряжения отсечки Vp (pinch-off voltage). Vp также обозначается как Vgs(off). Примите во внимание, что на картинке показан идеальный график. В реальности он сильно зависит от конкретного экземпляра транзистора, температуры, и прочих факторов.
В целом, все очень похоже на то, как работают МОП-транзисторы. Пусть вас не пугает отрицательное управляющее напряжение. Оно лишь означает, что на истоке транзистора нужно обеспечить большее напряжение, чем на затворе. Приведенный график при этом как бы сдвигается вправо. Важное отличие JFET от MOSFET заключается в отсутствии паразитного диода между истоком и стоком. То есть, это практически идеальный резистор управляемый напряжением.
JFET имеют много практических применений. Чаще всего они используются в составе интегральных схем, например, операционных усилителей с полевым входом, таких, как TL081/TL082. Радиолюбители делают на JFET генераторы и усилители. Генераторы на JFET склонны обладать большей температурной стабильностью, а усилители — меньшим коэффициентом шума, чем аналогичные схемы на биполярных транзисторах. Еще при помощи JFET можно сделать смеситель, АРУ, коммутировать ВЧ и НЧ сигналы. Конкретные схемы в большом количестве приводятся в книге «Experimental Methods in RF Design».
Из неприятностей, связанных с JFET, хочется отметить большую стоимость по сравнению с биполярными транзисторами, а также склонность конкретных компонентов исчезать. Так, в EMRFD практически во всех схемах используется транзистор J310. Сегодня он все еще доступен, но только как компонент для поверхностного монтажа MMBFJ310. Другие примеры некогда популярных, а ныне исчезнувших JFET — 2N3819 и MPF102. Существующие схемы приходится адаптировать под доступные компоненты.
В качестве близкого аналога J310 в моем регионе на момент написания статьи был доступен транзистор J111. J310 имеет Idss от 24 до 60 мА. Для J111 заявлен Idss не менее 20 мА. Vgs(off) составляет -2..-6.5 В для J310 против -3..-10 В для транзистора J111.
Чтобы окончательно убедиться, что J111 может быть использован в качестве замены J310, было решено опробовать его в схеме LC-генератора:
Схема адаптирована из EMRFD, Fig. 4.14, но аналогичные схемы встречались мне и в других источниках. Для начала было решено смоделировать ее в LTspice. Модель можно скачать здесь.
JFET в LTspice почему-то называется «nfj». Генератор не стартует, если только явно не добавить немного шума в модель источника питания. Для этого нужно воспользоваться компонентом под названием Arbitrary behavioral voltage source. Его можно найти под именем «bv».
По работе схемы все должно быть более-менее понятно. R2 обеспечивает положительное напряжение на истоке, L1 блокирует путь ВЧ сигналу в землю. C2-C3 обеспечивают обратную связь и фазовый сдвиг. L2 и С4 являются основными резонирующими элементами. D1 заботится о том, чтобы напряжение на затворе не превысило 0.6 В. С генератора небольшая часть сигнала идет через C5 на буфер.
Схема прекрасно работает не только в модели, но и на практике. Она выдает сигнал с частотой около 4.9 МГц и уровнем 5.6 dBm. Следует отметить, что сигнал богат гармониками. Ему не помешает ФНЧ. Схеме можно найти много применений. Если заменить C4 на КПЕ или варикапы, получаем ГПД. Или можно заменить L2 на вариометр. Также при помощи варикапов схему можно превратить в частотный модулятор.
Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.
Полевой транзистор. Часть 1. Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET
Полевой транзистор – транзистор, в котором сила проходящего через него тока регулируется внешним электрическим полем, т.е напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током.
Поскольку у полевого транзистора нет управляющего тока, то у него очень высокое входное сопротивление, достигающее сотен ГигаОм и даже ТерраОм (против сотен КилоОм у биполярного транзистора).
Еще полевые транзисторы иногда называют униполярными, поскольку носителями электрического заряда в нем выступают только электроны или только дырки. В работе же биполярного транзистора, как следует из названия, участвует одновременно два типа носителей заряда – электроны и дырки.
Классификация полевых транзисторов
Полевые транзисторы (FET: Field-Effect-Transistors) разделяются на два типа – полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET: Junction-FET) и полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET: Metal-Oxid-Semiconductor-FET).
Каждый из типов может быть как с N–каналом, так и с P-каналом. У транзисторов с N-каналом в роли носителей электрического заряда выступают электроны. У транзисторов с P-каналом – дырки. В этой статье речь пойдет о полевом транзисторе с управляющим PN-переходом JFET c N-каналом. Принцип работы транзистора P-типа аналогичен, только меняется полярность источников напряжения.
Устройство полевого транзистора JFET с N-каналом
Как показано на рисунке ниже, область полупроводника N-типа формирует канал между зонами P-типа. Электроды, подключаемые к концам N-канала, называются сток и исток. Полупроводники P-типа электрически соединяются между собой (закорачиваются), и представляют собой один электрод – затвор.
Вблизи стока и истока находятся области повышенного легирования N+. T. e. зоны с повышенной концентрацией электронов. Это улучшает проводимость канала. Кроме этого, наличие областей N+ ослабляет эффект появления паразитических PN-переходов в случае присоединения проводников из трехвалентного алюминия.
Имена электродов сток и исток носят условный характер. Если взять отдельный полевой транзистор, не подключенный к какой-либо схеме, то не будет иметь значения какая ножка корпуса сток, а какая исток. Имя электрода будет зависеть от его расположения в электрической цепи.
Работа полевого транзистора JFET с N-каналом
1. Напряжение на затворе Uзи = 0
Подключим источник положительного напряжения к стоку, землю к истоку. Затвор также подсоединим к земле (Uзи = 0). Начнем постепенно повышать напряжение на стоке Uси. Пока Uси низкое, ширина канала максимальна. В таком состоянии полевой транзистор ведет себя как обычный проводник. Чем больше напряжение между стоком и истоком Uси, тем больше ток через канал между стоком и истоком Iси. Это состояние еще называют омическая область.
При повышении Uси, в полупроводнике N-типа в зонах PN-перехода постепенно снижается количество свободных электронов – появляется обедненный слой. Этот слой растет несимметрично – больше со стороны стока, поскольку туда подключен источник напряжения. В результате канал сужается настолько, что при дальнейшем повышении Uси, Iси будет расти очень незначительно. Это состояние называют режим насыщения.
2. Напряжение на затворе Uзи < 0
Когда транзистор находится в режиме насыщения, канал относительно узкий. Достаточно подать небольшое отрицательное напряжение на затвор Uзи, для того чтобы еще сильнее сузить канал и значительно уменьшить ток Iси (для транзистора с P-каналом на затвор подается положительное напряжение ). Если продолжить понижать Uзи, канал будет сужаться, пока полностью не закроется, и ток Iси не прекратится. Значение Uзи, при котором ток Iси останавливается, называется напряжение отсечки (Uотс).
Для усиления сигнала полевой транзистор JFET используют в режиме насыщения, так как в этом состоянии вследствие небольших изменений Uзи сильно меняется Iси. Параметр усилительной способности JFET – это крутизна стоко-затворной характеристики (Mutual Transconductance). Обозначается gm или S, и измеряется в mA/V (милиАмпер/Вольт).
Преимущества и недостатки полевого транзистора JFET
Высокое входное сопротивление
Одно из важнейших свойств полевых транзисторов, как уже упоминалось выше, это очень высокое входное сопротивление Rвх (Rin). Причем у полевых транзисторов с изолированным затвором MOSFET, Rin в среднем еще на несколько порядков выше, чем у JFET. Благодаря этому, полевые транзисторы практически не потребляют ток у источников сигнала, который надо усилить.
Например, цифровая схема микроконтроллера генерирует сигнал, управляющий работой электромотора. Такого рода схема обычно располагает очень малым током на выходе, что явно недостаточно для двигателя. Здесь потребуется усилитель, потребляющий крайне мало тока на входе, и выдающий на выходе сигнал такой же формы и частоты как на выходе у микроконтроллера, только уже с большим выходным током. Здесь как раз и подойдет усилитель, основанный на JFET транзисторе с высоким входным сопротивлением.
Низкий коэффициент усиления по напряжению
Значительным недостатком JFET по сравнению с биполярным транзистором является очень низкий коэффициент усиления по напряжению. Если построить усилитель на основе одного прибора JFET, можно добиться Vout/Vin в лучшем случае около 20. При аналогичном использовании биполярного транзистора с высокой β (коэффициент усиления биполярного транзистора – ток коллектора/ток базы) можно достигнуть Vout/Vin в несколько сотен.
Поэтому для качественных усилителей нередко используются совместно оба типа транзисторов. Например, благодаря очень высокому Rin полевого транзистора, добиваются большого усиления сигнала по току. А уже потом, с помощью биполярного транзистора усиливают сигнал по напряжению.
О других преимуществах и недостатках полевых транзисторов, вы можете почитать здесь
Введение в полевые транзисторы (JFET)
Транзистор представляет собой линейное полупроводниковое устройство, которое управляет током с помощью электрического сигнала меньшей мощности. Транзисторы можно грубо сгруппировать в два основных типа: биполярные и полевые. В предыдущей главе мы изучили биполярные транзисторы, которые используют малый ток для управления большим током. В данной главе мы введем основное понятие полевого транзистора (устройства, использующего малое напряжение для управления током), а затем сосредоточимся на одном конкретном типе: полевой транзистор с управляющим PN переходом. В следующей главе мы рассмотрим еще один тип полевых транзисторов, полевой транзистор с изолированным затвором.
Все полевые транзисторы являются однополярными, а не биполярными устройствами. То есть основной ток через них состоит из электронов в полупроводнике N-типа или из дырок в полупроводнике P-типа. Это становится более очевидным, если посмотреть на физическую структуру устройства:
В полевом транзисторе с управляющим PN-переходом (JFET) управляемый ток проходит от истока к стоку или от стока к истоку в зависимости от полярности. Управляющее напряжение подается между затвором и истоком. Обратите внимание, что ток не должен проходить через PN-переход на своем пути между истоком и стоком: путь (называемый каналом) является непрерывным блоком полупроводникового материала. На показанном изображении этот канал является полупроводником N-типа. Также производятся полевые транзисторы с каналом P-типа:
Как правило, N-канальные полевые транзисторы используются чаще, чем P-канальные. Причины этого связаны с некоторыми деталями в теории полупроводников, которые я бы предпочел не обсуждать в этой главе. Как и в случае с биполярными транзисторами, я считаю, что лучший способ первоначального изучения полевых транзисторов – избегать теории, когда это возможно, и сосредоточиться вместо этого на рабочих характеристиках. Единственное практическое различие между N- и P-канальными полевыми транзисторами, которое вам необходимо сейчас знать, – это смещение PN-перехода, образованного между материалом затвора и каналом.
При отсутствии напряжения между затвором и истоком канал представляет собой широко открытый путь для потока электронов. Однако, если между затвором и истоком приложено напряжение такой полярности, что PN-переход смещен в обратном направлении, поток между истоком и стоком начинает ограничиваться или регулироваться, так же как это было и с биполярными транзисторами при установке тока базы. Максимальное напряжение затвор-исток «передавливает» весь ток от истока к стоку, тем самым заставляя полевой транзистор работать в режиме отсечки. Это поведение связано с тем, что область истощения PN-перехода расширяется под воздействием напряжения обратного смещения, в конечном счете занимая всю ширину канала, если напряжение достаточно велико. Это воздействие можно сравнить с уменьшением потока жидкости через гибкий шланг при его сжимании: при применении достаточной силы шланг будет пережат достаточно, чтобы полностью блокировать поток.
Обратите внимание на то, как это поведение полностью противоположно биполярному транзистору. Биполярные транзисторы являются нормально выключенными устройствами: если нет тока через базу, то нет тока через коллектор или эмиттер. Полевые транзисторы, наоборот, являются нормально включенными устройствами: отсутствие напряжения, приложенного к затвору, допускает протекание максимального тока между истоком и стоком. Кроме того, обратите внимание, что величина тока через полевой транзистор определяется сигнальным напряжением, а не сигнальным током, как у биполярных транзисторов. Фактически, когда PN-переход затвор-исток смещен в обратном направлении, ток через затвор должен быть близок к нулю. По этой причине мы классифицируем полевой транзистор как устройство, управляемое напряжением, а биполярный транзистор как устройство, управляемое током.
Если PN-переход затвор-исток смещен небольшим напряжением в прямом направлении, канал полевого транзистора «открывается» немного больше, чтобы пропустить больший ток. Тем не менее, PN-переход полевого транзистора не предназначен для обработки какой-либо существенной величины тока, и поэтому ни при каких обстоятельствах не рекомендуется использовать прямое смещение перехода.
Это очень сжатый обзор работы полевого транзистора. В следующем разделе мы рассмотрим использование полевого транзистора в качестве коммутационного устройства.
Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом.
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_ = 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_ . 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_ 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_ , которое соответствует переходу в этот режим – напряжением насыщения сток-исток:
- При U_ равном 0 и напряжении сток-исток меньше U_ зависимость I_ от U_ плюс-минус близка к линейной.
- При U_ равном 0 и напряжении U_ > U_ 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_ < 0 ). Собственно, эффект тут в определенном смысле аналогичный – канал будет сужаться еще сильнее. При определенном значении U_канал сузится настолько, что протекание тока полностью прекратится:
Это пороговое значение называется напряжением отсечки, U_ . 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_ протекание тока прекращается.
Давайте рассмотрим поведение JFET-транзистора при разных значениях U_ :
Что тут стоит отметить… Во-первых, как мы и обсудили, чем меньше значение U_ , 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_ = U_ ) ток исчезает.
Во-вторых, обратите внимание, что напряжение насыщения сток-исток — не фиксированная величина. Это значение будет разным для разных U_ . При U_ = U_ транзистор перейдет в режим насыщения при U_ = U_ . По такой же логике, напряжению затвор-исток U_ соответствует переход в режим насыщения при U_ = U_ .
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_ ) регулируется напряжением между затвором и истоком ( U_ ).
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_ = 0 \medspace В
- U_ же поставим 0.4 В
Из документации видим, что ток должен быть около 6 мА, получаем на практике:
I_= 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_ = -0.6 \medspace В
- U_ = 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_ стал меньше относительно первого эксперимента:
Именно это и получили:
Уменьшим еще U_ до -0.8 В:
Опять все логично, и добавить нечего к этому.
Есть такое ощущение, что уже при U_ = 0.4 \medspace В транзистор в данном случае находится в режиме насыщения. Попробуем увеличить U_ до 1.4 В:
Так и есть, ток не изменился. Значит попробуем уменьшить, почему нет. U_ остается -0.8 В, U_ выставляем равным 0.1 В:
Ток ожидаемо уменьшился. Если вернуться к теоретическому графику, то осознаем, что при U_ = 0.1 \medspace В мы находимся в линейной области, а при U_ = 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 ��
