Польовий транзистор-це електронний пристрій, який відіграє важливу роль у сучасній електроніці. Він являє собою напівпровідниковий елемент, основний принцип роботи якого полягає в управлінні потоком електронів і дірок. На відміну від біполярних транзисторів, в польовому транзисторі основну роль відіграють електричні поля, а не електричний струм.
Основою польового транзистора є канал, який служить для передачі електронів і дірок. Канал має три зони-витік, стік і затвор. Витік являє собою джерело електронів, а стік – місце, куди електрони направляються. Затвор же управляє протіканням електронів в каналі шляхом створення електричного поля.
Коли на затвор польового транзистора подається напруга, на канал впливає електричне поле, яке перешкоджає або полегшує пересування електронів. Умовно можна сказати, що позитивне напруга на затворі відсуває електрони від каналу, тим самим зменшуючи його провідність, а негативна напруга робить електрони більш доступними для переміщення і збільшує провідність каналу.
Історія винаходу польового транзистора
Ідея створення польового транзистора прийшла в голову Шаудеру під час його досліджень в області напівпровідникової фізики. У той час його були відомі два інших типи транзисторів: тріод і біполярний транзистор. Однак, Шаудер вирішив розробити новий тип транзистора, який був би істотно компактніше і енергоефективніше, ніж існуючі аналоги.
У 1928 році Шаудер отримав патент на польовий транзистор і представив його на постерній сесії в Берлінському технічному інституті. Він продемонстрував можливості нового пристрою і пояснив його принцип роботи.
Однак, в той час польовий транзистор не отримав широкого визнання і не став промисловим стандартом через технічні обмеження і високої складності виробництва. Більшість компаній та інженерів вважали за краще використовувати більш прості та доступні аналоги.
Однак ідея польового транзистора не була забута. У 1960-х роках американський інженер Джон Бардіни (John Bardeen), працюючи в лабораторії Bell Labs, знову повернувся до дослідження польових транзисторів.
Бардіні в 1963 році запропонував новий дизайн польового транзистора, названий "модель MOS", який став ефективним і дешевим аналогом існуючих транзисторів.
За свої розробки Джон Бардіни, Леон Купер і Роберт Шоклі отримали Нобелівську премію з фізики в 1972 році. Польові транзистори на основі технології MOS стали широко використовуватися в багатьох областях електроніки, таких як комп'ютери, телевізори та мобільні пристрої.
Структура польового транзистора
Польовий транзистор (ПТ) являє собою напівпровідниковий пристрій, який має три шари: витік (source), стік (drain) і затвор (gate). Він відноситься до пристроїв з польовим ефектом, тобто властивості цього транзистора засновані на впливі електричного поля на електричний струм.
Джерело і стік утворюють два p-n переходи, а затвор утворений металевим шаром, розміщеним між двома областями p-n переходів. Джерело і стік утворюють двонаправлений діод, тоді як затвор керує провідністю між джерелом і стоком.
Коли напруга подається на затвор, утворюється електричне поле, яке змінює ширину області p-N переходів між джерелом і стоком. Це поле визначає рівень провідності транзистора, тобто. впливає на його електричні властивості.
Структура польового транзистора дозволяє йому працювати в трьох режимах: підсилює, відсічення і насичення. У режимі посилення, коли затвору подається достатня напруга, польовий транзистор виступає як підсилювач сигналу, передаючи його від витоку до стоку. У режимі відсічення, коли на затвор не подається напруга, ПТ припиняє передачу сигналу. У режимі насичення, коли на затвор подається велика напруга, ПТ працює як комутаційний пристрій, включаючи і припиняючи передачу сигналу.
Принцип роботи польового транзистора через контрольовану область
Принцип роботи польового транзистора заснований на використанні контрольованої області, званої затвором. Затвор управляє струмом, що протікає через транзистор, шляхом зміни напруги на ньому.
Структура польового транзистора включає три області: джерело, стік і затвор. Між витоком і стоком проходить канал, утворений підкладкою, на якій знаходяться pn-переходи. Затвор розташовується над каналом і відділений від нього тонким діелектриком.
Коли на затвор подається напруга, утворюється електричне поле в затворі, яке проникає через діелектрик і формує електричне поле в каналі. Це поле, викривляючи pn-переходи в каналі, змінює його електричні властивості і контролює струм, що протікає через нього.
Поляризація затвора польового транзистора визначає стан транзистора. Коли затвор знаходиться в відключеному стані, поле в каналі мінімальне і транзистор знаходиться в стані "закрито". В цьому випадку струм через транзистор не протікає.
При подачі позитивної напруги на затвор електричне поле збільшується, що призводить до розширення і поглиблення каналу. Цей стан називається "відкриття"або " насичення". У цьому стані сигнал або струм можуть проходити через транзистор без істотних обмежень.
Таким чином, польовий транзистор дозволяє здійснювати управління струмом в каналі за допомогою зміни напруги на затворі. Це робить його незамінним елементом схем посилення і комутації в цифрових і аналогових пристроях.
Принцип роботи польового транзистора через висновок зворотного зв'язку
У польових транзисторах зі зворотним зв'язком використовується конфігурація з" керуючим "і" робочим " електродами. Керуючий електрод, який називається затвором, використовується для управління електричним полем у напівпровідниковому каналі, через який протікає струм. В результаті зміни напруги на затворі, змінюється електричне поле в каналі, що впливає на величину і напрямок струму.
Зворотний зв'язок дозволяє стабілізувати роботу польового транзистора і підтримувати необхідні характеристики, такі як посилення і лінійність. Застосування зворотного зв'язку також дозволяє підвищити точність і стабільність роботи транзистора в різних умовах.
Для реалізації зворотного зв'язку в польовому транзисторі можуть використовуватися різні схеми і компоненти. Наприклад, резистори, конденсатори та операційні підсилювачі можуть бути задіяні для формування ланцюгів зворотного зв'язку. Ці компоненти дозволяють контролювати параметри транзистора в залежності від необхідних характеристик роботи пристрою.
Важливо відзначити, що зворотний зв'язок в польових транзисторах має на увазі передачу сигналу від виходу до входу управління і назад. Це дозволяє створювати ефект посилення і контролювати роботу транзистора в певному діапазоні значень. Комбінація зворотного зв'язку і спеціальних елементів дозволяє досягти бажаних характеристик і поведінки польового транзистора.
Польовий транзистор в складі електричних схем
Польовий транзистор є керованим електронним пристроєм, заснованим на принципі управління електричним струмом шляхом зміни напруги на вході. Він має три основних висновки: витік (Source), стік (Drain) і затвор (Gate).
Принцип роботи польового транзистора заснований на самоорганізації носіїв негативного (електронного) заряду в Польовій області, яка утворюється між витоком і стоком в результаті подачі напруги на затвор. Управління струмом здійснюється зміною ширини і глибини польової області.
Польовий транзистор може працювати в двох основних режимах: режимі посилення і режимі перемикання. У режимі посилення транзистор підсилює вхідний сигнал і передає його на вихід, перетворюючи його в сигнал з більшою амплітудою або потужністю. У режимі перемикання він може пропускати або блокувати струм в залежності від керуючої напруги.
Польові транзистори мають багато різних типів і конфігурацій, які визначають їх основні характеристики і області застосування. Найбільш поширеними типами є МОП-транзистори (метал-оксид-польовий транзистор) і ДМОС-транзистори (двополярний метал-оксид-польовий транзистор).
Польові транзистори широко використовуються в багатьох пристроях, включаючи підсилювачі, фільтри, Стабілізатори, модулятори та демодулятори, Джерела живлення, комп'ютери та телефони. Завдяки своїм унікальним властивостям, вони дозволяють значно підвищити ефективність і продуктивність електронних систем.
Типи польових транзисторів і їх застосування
Польові транзистори (FET) можна розділити на різні типи залежно від їх структури та власних характеристик. Деякі з найбільш поширених типів польових транзисторів, що використовуються в різних областях:
- Металоканальний польовий транзистор (MOSFET): MOSFET є одним з найпоширеніших типів польових транзисторів. Цей транзистор складається з металевого затвора, оксиду та напівпровідникового матеріалу. Він широко використовується в електроніці і має високу ефективність і надійність.
- Польовий транзистор з ізольованим затвором (IGFET): IGFET, також відомий як MOSFET зі структурою ізольованого затвора, має високий коефіцієнт посилення та широкий спектр застосування. Він володіє низьким енергоспоживанням і застосовується в мікросхемах та інших електронних пристроях.
- Польовий транзистор на базі напівпровідника (JFET): JFET має просту структуру і використовується як високочастотний Підсилювач, модулятор і демодулятор. Він володіє високим коефіцієнтом посилення і потужністю, і широко застосовується в телекомунікаціях і радіоелектроніці.
- Підсилювач із зворотним зв'язком поля (FET): FET із зворотним зв'язком поля використовується для посилення сигналів змінного струму. Він широко застосовується в різних пристроях посилення, включаючи аудіопідсилювачі, радіопередавачі і телевізійні приймачі.
Кожен тип польового транзистора має своє особливе застосування і характеристики, що дозволяє застосовувати їх в широкому спектрі електронних пристроїв і систем. Вони в значній мірі сприяють розвитку сучасних технологій і повсякденного життя, забезпечуючи високу ефективність і надійність в роботі.
Основні переваги використання польових транзисторів
1. Висока швидкість комутації: Польовий транзистор забезпечує швидке перемикання сигналу, що дозволяє використовувати його в високошвидкісних пристроях. Це особливо корисно в сферах, де потрібна миттєва реакція на зміни вхідного сигналу, таких як радіозв'язок і швидкодіюча обчислювальна техніка.
2. Низьке споживання енергії: Польові транзистори характеризуються низьким рівнем споживання енергії, що робить їх ідеальним вибором для бездротових пристроїв і портативної електроніки. Вони мають здатність швидко перемикатися між станами і ефективно використовувати енергію, що продовжує термін служби батарейних пристроїв.
3. Висока надійність і довговічність: Польові транзистори зазвичай мають менше рухомих і зносостійких частин, в порівнянні з іншими типами транзисторів, що робить їх більш надійними і довговічними. Вони можуть витримувати високі температури, вологість і механічні дії без серйозних наслідків для їх роботи.
4. Широкий діапазон робочих напруг: Польові транзистори можуть працювати при різних робочих напругах, що робить їх універсальним рішенням для безлічі схем. Вони доступні в різних варіантах потужності, які дозволяють вибрати найбільш підходящий варіант для конкретного додатка.
Всі перераховані вище переваги роблять польові транзистори незамінними елементами в сучасній електроніці. Вони широко використовуються в таких областях, як телекомунікації, Автоматизація, енергетика, медицина та інших, забезпечуючи високу продуктивність, енергоефективність і надійність пристроїв.