1. Введение: суть полевых транзисторов и их значение
Полевые транзисторы (Field‑Effect Transistor, FET) — полупроводниковые приборы, в которых ток создаётся основными носителями заряда (электронами или дырками), а управляется электрическим полем, приложенным к управляющему электроду (затвору).
Ключевые отличия от биполярных транзисторов (BJT):
- управление напряжением (а не током);
- очень высокое входное сопротивление (МОм–ГОм);
- низкий уровень шумов;
- меньшая зависимость от температуры;
- отсутствие накопления неосновных носителей → лучшее быстродействие в ключевых режимах.
Основные типы:
- JFET (Junction FET) — с управляющим p‑n‑переходом;
- MOSFET (Metal‑Oxide‑Semiconductor FET) — с изолированным затвором.
2. Устройство и принцип действия
2.1. JFET (транзистор с управляющим p‑n‑переходом)
Структура:
- канал n‑типа (или p‑типа);
- исток (Source, S) и сток (Drain, D) — контакты к каналу;
- затвор (Gate, G) — p‑n‑переход, смещённый в обратном направлении.
Принцип работы:
- При нулевом напряжении на затворе канал открыт, ток стока ID определяется напряжением UDS.
- При отрицательном UGS (для n‑канала) обедненная зона p‑n‑перехода расширяется, сужая канал.
- При UGS=Uотс канал перекрывается → ID→0 (режим отсечки).
Особенности:
- только обедняемый канал (нет режима обогащения);
- высокое входное сопротивление (из‑за обратного смещения p‑n‑перехода);
- симметричность исток/сток (в простейших структурах).
2 prepared. MOSFET (транзистор с изолированным затвором)
Структура:
- подложка (P или N);
- исток и сток (сильно легированные области);
- тонкий слой диэлектрика (SiO₂);
- металлический (или поликремниевый) затвор.
Типы по проводимости канала:
- обогащаемый (индуцированный) канал — канал появляется при UGS>Uпор;
- исходный (встроенный) канал — канал существует при UGS=0.
Типы по типу носителей:
- N‑канал (электроны);
- P‑канал (дырки).
Принцип работы (на примере N‑канального обогащаемого MOSFET):
- При UGS<Uпор канал отсутствует → ID≈0.
- При UGS>Uпор под затвором индуцируется инверсный слой (канал n‑типа).
- При UDS>0 через канал течёт ток стока ID.
Особенности MOSFET:
- возможность обогащения и обеднения канала;
- сверхвысокое входное сопротивление (изоляция затвора);
- разнообразие структур (V‑MOS, DMOS, LDMOS для силовых применений).
3. Сравнение JFET и MOSFET
| Параметр | JFET | MOSFET |
|---|---|---|
| Управление | Обратным напряжением на p‑n‑переходе | Электрическим полем через диэлектрик |
| Входное сопротивление | 10<sup>8</sup>–10<sup>12</sup> Ом | 10<sup>12</sup>–10<sup>15</sup> Ом |
| Пороговое напряжение | Нет чёткого порога (плавное перекрытие) | Есть Uпор (чёткая граница) |
| Тип канала | Только обедненный | Обогащаемый или обедненный |
| Симметрия S/D | Да (в простых структурах) | Обычно нет |
| Чувствительность к статике | Средняя | Высокая (пробой диэлектрика) |
| Температурная стабильность | Хорошая | Зависит от технологии |
| Применение | Малошумящие усилители, аналоговые ключи | Цифровая логика, силовые ключи, аналоговые схемы |
4. Режимы работы полевых транзисторов
4.1. Усилительный режим (активный режим)
Цель: линейное усиление сигнала по напряжению/току.
Условия (для N‑канальных):
- UGS>Uпор (для MOSFET) или UGS в рабочей зоне (для JFET);
- UDS достаточно для насыщения тока ID.
Характеристики:
- Крутизна передаточной характеристики S=ΔUGSΔID [А/В] — основной параметр усиления;
- Выходное сопротивление rDS — сопротивление канала в насыщении;
- Коэффициент усиления по напряжению KU≈S⋅rDS.
Схемы включения:
- с общим истоком (ОИ) — максимальное усиление;
- с общим затвором (ОЗ) — низкое входное сопротивление, высокая полоса;
- с общим стоком (ОС, истоковый повторитель) — единичное усиление, высокое входное/низкое выходное сопротивление.
4.2. Ключевой режим (переключение)
Цель: быстрое переключение между состояниями «включено» (ID макс.) и «выключено» (ID≈0).
Этапы переключения:
- Отсечка (UGS<Uпор для MOSFET или UGS≈Uотс для JFET) → ID≈0.
- Линейная область (при промежуточных UGS) → ID растёт с UDS.
- Насыщение (полно открытое состояние) → ID максимизирован, UDS минимально.
Ключевые параметры для ключей:
- Сопротивление в открытом состоянии RDS(on) — чем меньше, тем лучше КПД;
- Время включения/выключения — определяется ёмкостями затвора и нагрузкой;
- Заряд затвора QG — влияет на мощность управления;
- Пробивное напряжение UDSS — максимальное напряжение сток‑исток.
Применение ключей:
- импульсные источники питания (DC/DC, AC/DC);
- драйверы двигателей;
- коммутаторы сигналов;
- логические элементы (в КМОП‑логике).
5. Основные характеристики и параметры
5.1. Статические параметры
- Пороговое напряжение Uпор (для MOSFET) — минимальное UGS, при котором появляется канал.
- Напряжение отсечки Uотс (для JFET) — UGS, при котором ID→0.
- Максимальный ток стока IDмакс — предельный ток без перегрева.
- Максимальное напряжение UDSS — пробивное напряжение сток‑исток.
- Сопротивление канала RDS(on) (для MOSFET в открытом состоянии).
- Крутизна S [А/В] — мера усилительных свойств.
5.2. Динамические параметры
- Входная ёмкость CGS — ёмкость затвор‑исток.
- Проходная ёмкость CGD — затравочно‑сток (критична для быстродействия).
- Выходная ёмкость CDS — сток‑исток.
- Время включения tвкл и время выключения tвыкл.
- Заряд затвора QG [нКл] — заряд, необходимый для переключения.
5.3. Температурные зависимости
- Uпор MOSFET снижается с ростом температуры → риск саморазогрева;
- RDS(on) растёт с температурой →
