Veld (unipolair) transistor is een apparaat dat drie uitgangen heeft en wordt bestuurd door de toegepaste stuurelektrode (gate) aan de poort.poortspanning wordt aangelegd op de controle-elektrode (gate). De te regelen stroom loopt door de bron-drain kring.
Het idee voor een dergelijke triode ontstond ongeveer 100 jaar geleden, maar het duurde tot het midden van de vorige eeuw voordat de praktische uitvoering kon worden benaderd. In de jaren vijftig werd het concept van de veldeffecttransistor ontwikkeld, en in 1960 werd het eerste werkende exemplaar geproduceerd. Om de voor- en nadelen van dit type triode te begrijpen, is het noodzakelijk de constructie ervan te begrijpen.
Inhoud
Ontwerp van veldeffecttransistors
Unipolaire transistors vallen uiteen in twee grote klassen op basis van ontwerp- en fabricagetechnologie. Hoewel de besturingsprincipes vergelijkbaar zijn, hebben zij ontwerpkenmerken die bepalend zijn voor hun prestaties.
Unipolaire triodes met p-n junctie
De structuur van zo'n veldeffecttransistor is vergelijkbaar met die van een conventionele halfgeleiderdiode en, in tegenstelling tot zijn bipolaire neef, slechts één junctie bevat. Een p-n-overgangstransistor bestaat uit een wafer van één type geleider (b.v. n), en een ingebedde regio van een ander type halfgeleider (in dit geval p).
De n-laag vormt een kanaal waardoor stroom vloeit tussen de pennen van de bron en de drain. De poortklem is verbonden met de p-regio. Indien op de poort een spanning wordt gezet die de overgang in tegengestelde richting verschuift, wordt het overgangsgebied groter, de kanaaldoorsnede daarentegen kleiner en de weerstand groter. Door de gatespanning te regelen, kan de stroom in het kanaal worden geregeld. De transistor kan ook worden gemaakt met een p-type kanaal, in welk geval de poort wordt gevormd door een n-halfgeleider.
Een kenmerk van dit ontwerp is de zeer grote ingangsweerstand van de transistor. De poortstroom wordt bepaald door de weerstand van de teruggeschakelde junctie, en ligt in het bereik van eenheden of tientallen nanamperes bij gelijkstroom. Bij wisselstroom wordt de ingangsweerstand bepaald door de junctiecapaciteit.
Versterkingstrappen die met deze transistors zijn gebouwd, maken het door hun hoge ingangsimpedantie gemakkelijker om de ingangsapparaten op elkaar af te stemmen. Bovendien recombineren unipolaire triodes geen ladingsdragers, waardoor de ruis bij lage frequenties wordt verminderd.
Bij afwezigheid van bias-spanning is de kanaalbreedte het grootst en de stroom door het kanaal het grootst. Wanneer de spanning wordt verhoogd, kan een toestand worden bereikt waarin het kanaal volledig wordt uitgeschakeld. Deze spanning wordt de uitschakelspanning (Uots) genoemd.
De afvoerstroom van een veldeffecttransistor is afhankelijk van zowel de spanning tussen gate en source als de drain-source spanning. Als de poortspanning vast is, neemt de stroom aanvankelijk bijna lineair toe met toenemende Uci (ab-plot). Wanneer de verzadiging wordt bereikt, veroorzaakt een verdere toename van de spanning vrijwel geen toename van de drainstroom (sectie bb). Naarmate het niveau van de gate locking voltage toeneemt, treedt verzadiging op bij lagere waarden van I-stock.
De figuur toont de familie-afhankelijkheid van de drainstroom van de spanning tussen bron en drain voor verschillende waarden van de gate-spanning. Het is duidelijk dat met Uci boven de verzadigingsspanning, de drainstroom bijna uitsluitend afhankelijk is van de gatespanning.
Dit wordt geïllustreerd door de overdrachtskarakteristiek van een unipolaire transistor. Naarmate de negatieve poortspanning toeneemt, neemt de drainstroom bijna lineair af tot nul wanneer de poortspanning het spanningsniveau van de cut-off bereikt.
Unipolaire triodes met geïsoleerde gate
Een andere variant van een veldeffecttransistor is het ontwerp met een geïsoleerde poort. Deze triodes worden TDP transistors genoemd TIR (metaal-diëlektrisch-semiconductor) transistors, buitenlandse benaming MOSFET. Het was vroeger gebruikelijk om het MOS (metaal-oxide-semiconductor).
Het substraat is gemaakt van een geleider van een bepaald geleidbaarheidstype (in dit geval n), het kanaal wordt gevormd door een halfgeleider van een ander geleidbaarheidstype (in dit geval p). De poort is van het substraat gescheiden door een dunne diëlektrische (oxide) laag, en kan het kanaal alleen beïnvloeden door het elektrisch veld dat ontstaat. Als de poortspanning negatief is, dwingt het opgewekte veld de elektronen uit het kanaalgebied, de laag raakt uitgeput en de weerstand neemt toe. Omgekeerd geldt voor p-kanaaltransistors dat het aanleggen van een positieve spanning de weerstand verhoogt en de stroom verlaagt.
Een ander kenmerk van een transistor met geïsoleerde poort is de positieve sectie van de overdrachtskarakteristiek (negatief voor een p-kanaaltriode). Dit betekent dat een positieve polariteitspanning van een bepaalde waarde ook op de gate kan worden gezet, waardoor de drainstroom zal toenemen. De familie van uitgangskarakteristieken verschilt niet fundamenteel van die van een p-n junctie triode.
De diëlektrische laag tussen de gate en het substraat is zeer dun, zodat vroeg geproduceerde TIR-transistoren (zoals in eigen land gemaakte KP350) waren extreem gevoelig voor statische elektriciteit. Hoge spanningen doorboorden de dunne film, waardoor de transistor onbruikbaar werd. In moderne triodes zijn constructieve maatregelen genomen ter bescherming tegen overspanning, zodat voorzorgsmaatregelen tegen statische elektriciteit vrijwel overbodig zijn.
Een andere variant van een geïsoleerde gate unipolaire triode is de inductieve kanaaltransistor. Er is geen inductiekanaal en er zal geen stroom vloeien van de bron naar de drain als er geen spanning op de gate staat. Als een positieve spanning op de poort wordt gezet, zal het veld dat daardoor ontstaat elektronen uit de n-zone van het substraat "trekken" en een kanaal creëren in het gebied dichtbij het oppervlak waar stroom kan vloeien. Hieruit blijkt duidelijk dat een dergelijke transistor, afhankelijk van het type kanaal, wordt aangestuurd door een spanning van slechts één polariteit. Dit blijkt ook uit de doorlaatkarakteristiek.
Er zijn ook dubbele poorttransistors. Zij verschillen van conventionele transistors doordat zij twee gelijke poorten hebben, die elk door een afzonderlijk signaal kunnen worden aangestuurd, maar waarvan het effect op het kanaal wordt samengeteld. Zo'n triode kan worden voorgesteld als twee gewone transistors die in serie zijn geschakeld.
Veld Effect Transistor schema's
Het toepassingsgebied van veldeffecttransistoren is hetzelfde als dat van zoals voor bipolaire transistors .. Zij worden hoofdzakelijk gebruikt als versterkerelementen. Bipolaire triodes worden gebruikt in versterkertrappen met drie hoofdschakelingen:
- gemeenschappelijke verzamelaar (emitter repeater);
- gemeenschappelijke basis;
- gemeenschappelijke emitter.
Veldeffecttransistoren zijn op soortgelijke wijze aangesloten.
Gemeenschappelijk afvoercircuit
Common-drain circuit (bron-koppelaar), vergelijkbaar met een emitter-repeater op een bipolaire triode, levert geen spanningsversterking, maar wel stroomversterking.
Een voordeel van deze schakeling is de hoge ingangsimpedantie, wat in sommige gevallen een nadeel is - de trap wordt gevoelig voor elektromagnetische interferentie. Indien nodig, kan Rin worden verminderd door een weerstand R3 op te nemen.
Schakeling met gemeenschappelijke poort
Deze schakeling is vergelijkbaar met een bipolaire transistor met gemeenschappelijke basis. Deze schakeling geeft een goede spanningsversterking, maar geen stroomversterking. Net als het gewone basisontwerp, wordt het niet vaak gebruikt.
Gemeenschappelijk broncircuit
De meest voorkomende opstelling is de gemeenschappelijke bronaansluiting van veld-effect triodes. De versterking hangt af van de verhouding tussen de weerstand Rc en de weerstand in het afvoerkanaal (kan een extra weerstand in het afvoerkanaal worden geplaatst om de versterking aan te passen) en hangt ook af van de helling van de transistorkarakteristiek.
Transistors met veldeffect worden ook gebruikt als gestuurde weerstanden. Daartoe wordt het werkpunt binnen het leidinggedeelte gekozen. Op basis van dit principe kan een geregelde spanningsdeler worden gerealiseerd.
En op een triode met dubbele poort in deze modus, kunt u, bijvoorbeeld, een mixer voor ontvangstapparatuur implementeren - op één poort het ontvangen signaal, en op de andere - het het signaal van de heterodyne.
Als we de theorie aanvaarden dat de geschiedenis zich in een spiraal ontwikkelt, kunnen we een patroon zien in de ontwikkeling van de elektronica. Van spanningsgestuurde buizen is de technologie overgeschakeld op bipolaire transistoren, die stroom nodig hebben om ze te sturen. De spiraal is rond - er is nu een overheersing van unipolaire triodes die, net als de lampen, geen stroomverbruik in de regelcircuits vereisen. We zullen zien waar de cyclische curve ons nu zal brengen. Voorlopig is er nog geen alternatief voor veld-effect transistors in zicht.
Verwante artikelen:
