Feld (unipolar) Transistor ist ein Bauelement mit drei Ausgängen, das durch die angelegte Steuerelektrode (Gate) am Gate gesteuert wird.TorSpannung an die Steuerelektrode (Gate) angelegt wird. Der zu steuernde Strom fließt durch die Source-Drain-Schaltung.
Die Idee für eine solche Triode entstand vor etwa 100 Jahren, aber erst Mitte des letzten Jahrhunderts konnte sie in die Praxis umgesetzt werden. In den 1950er Jahren wurde das Konzept des Feldeffekttransistors entwickelt, und 1960 wurde das erste funktionierende Exemplar hergestellt. Um die Vor- und Nachteile dieser Art von Trioden zu verstehen, muss man ihren Aufbau kennen.
Inhalt
Entwurf von Feldeffekttransistoren
Unipolare Transistoren lassen sich in zwei große Klassen einteilen, die auf Design und Herstellungstechnologie basieren. Die Kontrollprinzipien sind zwar ähnlich, aber ihre Leistung wird durch verschiedene Konstruktionsmerkmale bestimmt.
Unipolare Trioden mit p-n-Übergang
Die Struktur eines solchen Feldeffekttransistors ähnelt der eines herkömmlichen Halbleiterdiode und enthält im Gegensatz zu seinem bipolaren Cousin nur einen Übergang. Ein Transistor mit p-n-Übergang besteht aus einem Plättchen mit einem Leiter (z. B. n) und einem eingebetteten Bereich mit einem anderen Halbleiter (in diesem Fall p).
Die n-Schicht bildet einen Kanal, durch den Strom zwischen den Stiften der Source und der Drain fließt. Der Gate-Anschluss ist mit dem p-Bereich verbunden. Legt man an das Gate eine Spannung an, die den Übergang in die entgegengesetzte Richtung verschiebt, so vergrößert sich der Übergangsbereich, der Kanalquerschnitt hingegen verengt sich, und sein Widerstand steigt. Durch die Steuerung der Gate-Spannung kann der Strom im Kanal kontrolliert werden. Der Transistor kann auch mit einem p-Typ-Kanal hergestellt werden, wobei das Gate aus einem n-Halbleiter besteht.
Ein Merkmal dieser Konstruktion ist der sehr große Eingangswiderstand des Transistors. Der Gatestrom wird durch den Widerstand des rückgeschalteten Übergangs bestimmt und liegt bei Gleichstrom in der Größenordnung von einigen Nanampere. Bei Wechselstrom ist der Eingangswiderstand durch die Sperrschichtkapazität gegeben.
Verstärkungsstufen, die mit diesen Transistoren gebaut werden, erleichtern aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz die Anpassung der Eingangsgeräte. Außerdem rekombinieren unipolare Trioden keine Ladungsträger, was das Rauschen bei niedrigen Frequenzen reduziert.
Bei fehlender Vorspannung ist die Kanalbreite am größten und der Strom durch den Kanal am höchsten. Wenn die Spannung erhöht wird, kann ein Zustand erreicht werden, in dem der Kanal vollständig abgeschaltet ist. Diese Spannung wird als Abschaltspannung (Uots) bezeichnet.
Der Drainstrom eines Feldeffekttransistors hängt sowohl von der Spannung zwischen Gate und Source als auch von der Drain-Source-Spannung ab. Bei fester Gate-Spannung steigt der Strom mit zunehmendem Uci zunächst fast linear an (ab-Diagramm). Beim Eintritt in die Sättigung bewirkt eine weitere Erhöhung der Spannung praktisch keinen Anstieg des Drainstroms (Abschnitt bb). Mit zunehmender Höhe der Gate-Locking-Spannung tritt die Sättigung bei niedrigeren I-Werten ein.
Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit des Drainstroms von der Spannung zwischen Source und Drain für verschiedene Werte der Gate-Spannung. Es ist klar, dass bei Uci oberhalb der Sättigungsspannung der Drainstrom fast ausschließlich von der Gate-Spannung abhängt.
Dies wird anhand der Übertragungskennlinie eines unipolaren Transistors veranschaulicht. Mit zunehmender negativer Gate-Spannung nimmt der Drain-Strom fast linear ab, bis er Null erreicht, wenn die Gate-Spannung das Niveau der Abschaltspannung erreicht.
Unipolare Trioden mit isoliertem Gate
Eine weitere Variante eines Feldeffekttransistors ist die Ausführung mit isoliertem Gate. Diese Trioden werden als TDP-Transistoren bezeichnet. TIR (Metall-Dielektrikum-Halbleiter-)Transistoren, ausländische Bezeichnung MOSFET. Früher war es üblich, sie als MOS (Metall-Oxid-Halbleiter).
Das Substrat besteht aus einem Leiter eines bestimmten Leitfähigkeitstyps (in diesem Fall n), der Kanal wird durch einen Halbleiter eines anderen Leitfähigkeitstyps (in diesem Fall p) gebildet. Das Gate ist durch eine dünne dielektrische (Oxid-)Schicht vom Substrat getrennt und kann den Kanal nur durch das erzeugte elektrische Feld beeinflussen. Ist die Gate-Spannung negativ, drängt das erzeugte Feld die Elektronen aus dem Kanalbereich heraus, die Schicht wird verarmt und ihr Widerstand steigt. Umgekehrt erhöht sich bei p-Kanal-Transistoren durch das Anlegen einer positiven Spannung der Widerstand und verringert sich der Strom.
Ein weiteres Merkmal eines Transistors mit isoliertem Gate ist der positive Teil der Übertragungskennlinie (negativ bei einer p-Kanal-Triode). Das bedeutet, dass eine Spannung mit einer bestimmten positiven Polarität auch an das Gate angelegt werden kann, wodurch der Drainstrom erhöht wird. Die Familie der Ausgangscharakteristika unterscheidet sich nicht grundlegend von der einer p-n-Übergangstriode.
Die dielektrische Schicht zwischen dem Gate und dem Substrat ist sehr dünn, so dass frühe MPTs (wie im Inland hergestellte KP350) waren extrem empfindlich gegenüber statischer Elektrizität. Hohe Spannungen durchschlugen die dünne Schicht und machten den Transistor funktionsunfähig. Bei modernen Trioden wurden konstruktive Maßnahmen zum Schutz vor Überspannungen getroffen, so dass Vorkehrungen gegen statische Aufladung praktisch überflüssig sind.
Eine weitere Variante einer unipolaren Triode mit isoliertem Gate ist der induktive Kanaltransistor. Es gibt keinen induktiven Kanal und es fließt kein Strom von der Source zum Drain, wenn am Gate keine Spannung anliegt. Wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird, zieht" das dadurch erzeugte Feld Elektronen aus der n-Zone des Substrats und schafft einen Kanal im oberflächennahen Bereich, durch den Strom fließt. Daraus ist ersichtlich, dass ein solcher Transistor, je nach Art des Kanals, nur von einer Spannung einer einzigen Polarität gesteuert wird. Dies zeigt sich auch an der Durchlaufeigenschaft.
Es gibt auch Doppel-Gate-Transistoren. Sie unterscheiden sich von herkömmlichen Transistoren dadurch, dass sie zwei gleiche Gates haben, die jeweils von einem separaten Signal gesteuert werden können, deren Wirkung auf den Kanal jedoch summiert wird. Eine solche Triode kann als zwei gewöhnliche Transistoren dargestellt werden, die in Reihe geschaltet sind.
Schaltpläne für Feldeffekttransistoren
Der Anwendungsbereich von Feldeffekttransistoren ist der gleiche wie bei wie bei bipolaren Transistoren .. Sie werden hauptsächlich als Verstärkerelemente verwendet. Bipolare Trioden werden in Verstärkerstufen mit drei Hauptschaltungen verwendet:
- gemeinsamen Kollektor (Emitter-Repeater);
- gemeinsame Basis;
- gemeinsamen Emitter.
Feldeffekttransistoren werden auf ähnliche Weise angeschlossen.
Gemeinsame Drain-Schaltung
Common-drain-Schaltung (Quell-Koppler), ähnlich einem Emitterverstärker an einer bipolaren Triode, bietet keine Spannungsverstärkung, wohl aber eine Stromverstärkung.
Ein Vorteil dieser Schaltung ist ihre hohe Eingangsimpedanz, was in manchen Fällen ein Nachteil ist - die Stufe wird anfällig für elektromagnetische Störungen. Falls erforderlich, kann Rin durch Einfügen eines Widerstands R3 reduziert werden.
Schaltung mit gemeinsamem Gate
Diese Schaltung ähnelt einem Bipolartransistor mit gemeinsamer Basis. Diese Schaltung bietet eine gute Spannungsverstärkung, aber keine Stromverstärkung. Ähnlich wie bei der gemeinsamen Basisausführung wird sie nicht häufig verwendet.
Gemeinsame Quellenschaltung
Die häufigste Anordnung ist der gemeinsame Source-Anschluss von Feldeffekt-Trioden. Seine Verstärkung hängt vom Verhältnis zwischen dem Widerstand Rc und dem Widerstand im Drain-Kreis ab (ein zusätzlicher Widerstand kann in den Drain-Schaltkreis eingefügt werden, um die Verstärkung einzustellen) und hängt auch von der Steigung der Transistorkennlinie ab.
Feldeffekttransistoren werden auch als gesteuerte Widerstände verwendet. Dazu wird der Arbeitspunkt innerhalb des Streckenabschnitts gewählt. Basierend auf diesem Prinzip kann ein gesteuerter Spannungsteiler realisiert werden.
Und auf einem Doppel-Tor Triode in diesem Modus, können Sie implementieren, zum Beispiel, ein Mischer für den Empfang von Geräten - auf einem Tor das empfangene Signal, und auf der anderen - die das Signal des Überlagerungsempfängers.
Wenn wir die Theorie akzeptieren, dass sich die Geschichte in einer Spirale entwickelt, können wir ein Muster in der Entwicklung der Elektronik erkennen. Von spannungsgesteuerten Röhren ist die Technologie zu bipolaren Transistoren übergegangen, die zur Steuerung Strom benötigen. Die Spirale hat sich geschlossen - heute dominieren unipolare Trioden, die wie die Lampen keine Leistungsaufnahme in den Steuerschaltungen benötigen. Es wird sich zeigen, wohin die zyklische Kurve uns als nächstes führen wird. Eine Alternative zu Feldeffekttransistoren ist noch nicht in Sicht.
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