Fet транзистор что это

Fet транзистор что это

FET

(Field Effect Transistor)

Полевой транзистор (ПТ)

Полупроводниковый прибор, в котором ток основных носителей, протекающих через канал, управляется электрическим полем. Основа такого транзистора — созданный в полупроводнике и снабжённый двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью n — или p — типа. Сопротивлением канала управляет третий электрод — затвор, соединённый с его средней частью p — n переходом. В связи с тем, что управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением (аналогично электровакуумным приборам) и входные токи ПТ чрезвычайно малы, параметры и характеристики полевых транзисторов существенно отличаются от характеристик биполярных транзисторов. ПТ обладают рядом преимуществ по сравнению с биполярными: высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление; высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей); почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая проходная ёмкость (т.к. усилительные свойства ПТ обусловлены переносом основных носителей заряда, верхняя граница эффективного усиления мощных ПТ выше, чем у биполярных, и применение ключевых усилителей на ПТ при тех же напряжениях питания возможно на частотах около 400 мГц, в то время как на биполярных транзисторах разработка ключевых генераторов частотой выше 100 мГц является весьма сложной задачей); квадратичность вольтамперной характеристики (аналогична триоду); высокая температурная стабильность; малый уровень шумов.

Устройство полевого транзистора

Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. — М. . В.В.Арсланов . 2009 .

• полевой транзистор
• волоконная оптика

Смотреть что такое «FET» в других словарях:

• Fet — Blason de Fet Localisation de Fet dans le Akershus … Wikipédia en Français
• Fet — Fet, v. t. [OE. fetten, feten, AS. fetian; akin to AS. f[ae]t a journey, and to E. foot; cf. G. fassen to seize. [root] 77. See , and cf. .] To fetch. [Obs.] [1913 Webster] And from the other fifty soon the prisoner fet. Spenser.… … The Collaborative International Dictionary of English
• FET — can mean: *Falkirk Environment Trust *Family Effectiveness Training *Fast Expression Templates *Federation of Environmental Technologists *FET, a Mazda piston engine *Field effect transistor in electronics *Flaming Eternity *Free Evolutionary… … Wikipedia
• FET — Saltar a navegación, búsqueda FET puede referirse a: Falange Española Tradicionalista y de las JONS, el nombre del partido único de la España franquista; Field effect transistor, transistor de efecto campo en inglés. Obtenido de FET Categoría:… … Wikipedia Español
• fet´id|ly — fet|id «FEHT ihd, FEE tihd», adjective. smelling very bad; stinking. SYNONYM(S): malodorous, noisome. Also, foetid. ╂[< Latin foetidus < foetēre to smell] –fet´id|ly, adverb. –fet´id|ness, noun … Useful english dictionary
• fet|id — «FEHT ihd, FEE tihd», adjective. smelling very bad; stinking. SYNONYM(S): malodorous, noisome. Also, foetid. ╂[< Latin foetidus < foetēre to smell] –fet´id|ly, adverb. –fet´id|ness, noun … Useful english dictionary
• Fet — Fet, p. p. of . Fetched. [Obs.] Chaucer. [1913 Webster] … The Collaborative International Dictionary of English
• Fet — Fet, n. [Cf. feat, F. fait, and It. fett? slice, G. fetzen rag, Icel. fat garment.] A piece. [Obs.] Dryton. [1913 Webster] … The Collaborative International Dictionary of English
• FET — steht für: Fachgesellschaft für Ernährungstherapie und Prävention Feldeffekttransistor in der Elektronik aus radioaktivem Fluor 18 hergestelltes Fluorethyltyrosin, ein Tracer für die Positronen Emissions Tomographie (PET) in der Nuklearmedizin… … Deutsch Wikipedia
• fet — fȅt [b] (II)[/b] m DEFINICIJA tisk. podebljani, masni tisak; bold ETIMOLOGIJA vidi fet [b] (I)[/b] … Hrvatski jezični portal
• fet|tu|ci|ne — fet|tuc|cine or fet|tu|ci|ne «FEHT uh CHEE nee», noun. 1. Italian noodles, made in strips or ribbons; flat, thin noodles. 2. a dish of such noodles, prepared with butter, cheese, and sometimes cream. ╂[< Italian fettuccine, plural of… … Useful english dictionary

MOSFET транзисторы

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n – переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).

Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел – полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO₂).

Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик – полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов – IRFZ44N.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

• Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.
• Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.
• Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO₂). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом (+) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO₂). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись «Power MOSFET» или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому – напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.

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 g_m 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

FET: (F)дружелюбный (E)эффективный (T)транзистор

Работая со схемой, управляющей приличной силой тока, вы зачастую сталкиваетесь с полевыми транзисторами (FET, Field-Effect Transistor). Независимо от того, хотите ли вы управлять парой мощных светодиодов, двигателем или включать/отключать USB-устройство, в схеме обычно присутствует полевой транзистор, выполняющий часть ответственной работы. Вы можете не знать, как именно он функционирует, как его использовать и какие нюансы при этом учитывать — поэтому начнём с основ.

Ниже представлена простая схема полевого транзистора, которая позволяет включать питание для, скажем, USB-порта, в некотором смысле подобно клапану, прерывающему подачу тока. В этой схеме используется P-FET — для включения питания мы открываем затвор транзистора путём притягивания сигнала GATE к земле, а для выключения закрываем его, возвращая GATE к верхнему уровню, на котором резистор удерживает затвор по умолчанию. Если вы хотите контролировать положение затвора с помощью микроконтроллера 3,3 В, который неспособен обрабатывать на своих выводах напряжение на стороне питания (high side), то можете добавить секцию NPN-транзисторов, как показано на схеме — таким образом вы инвертируете логику, приведя её к более интуитивной форме «высокий = вкл., низкий = выкл.» и уже не будете рисковать интерфейсом ввода-вывода.

Эта схема называется переключателем на стороне питания — она позволяет по желанию активировать подачу питания на устройство через полевой транзистор. Чаще всего она используется именно для этих транзисторов, и если вам интересно побольше узнать о переключателях на стороне питания, то очень рекомендую прекрасную статью Learn and build a high side switch от нашего друга Била Херда, в которой он простым и доступным языком рассказывает об их основах. Для этой статьи вы можете использовать в качестве ориентира приведённую схему, демонстрирующую типичное использование полевых транзисторов в электроцепи.

▍ Немного общей теории

Существуют разные виды полевых транзисторов — MOSFET, JFET и пара десятков менее популярных. Говоря о полевых транзисторах, люди обычно подразумевают MOSFET, и мы в этой статье рассмотрим тоже именно их — прочие разновидности не столь востребованы в среде хакинга электроники, да и с JFET я, честно говоря, не особо знакома. Тем не менее все они являются полевыми транзисторами и родственниками ещё одной разновидности — биполярных транзисторов (BJT, Bipolar Junction Transistor) — достаточно популярными, поэтому обычно мы просто называем их NPN- или PNP-транзисторами. И хотя все они попадают под одно определение транзистора, говоря «транзистор», люди обычно подразумевают биполярные, а говоря «полевой», имеют ввиду MOSFET.

Можете представить себе полевой транзистор как управляемый вами резистор, сопротивление которого может опускаться вплоть до уровня одного Ома (открыт) или подниматься до бесконечно высокого значения (закрыт). Открытие полевого транзистора происходит путём зарядки/разрядки его затвора — в простейшей форме можете представить затвор в виде конденсатора. Говоря в целом, полевые транзисторы действуют подобно резистору, используя встроенный конденсатор для управления своим сопротивлением.

Это делает их уникальными и прекрасно подходящими для таких вещей, как переключение линий питания. При управлении линией питания устройства с помощью биполярных транзисторов, ввиду их принципа действия возникает неизбежная просадка напряжения как минимум на 0,3 В. Это приводит к затратам части мощности на нагрев и исключает возможность применения таких транзисторов в цифровых устройствах, где уровень подаваемого напряжения играет важную роль. А вот применяемый в том же контексте MOSFET представит собой просто встроенное сопротивление ниже одного Ома — эффективно и удобно. Это основная причина, по которой полевые транзисторы используются для переключения питания, поэтому вы их встретите во всевозможных устройствах.

Следующий момент. полевой транзистор не переходит мгновенно из состояния «полностью открыт» в «полностью закрыт» — как и у биполярных, которые мы все знаем и любим, у него есть и промежуточные состояния, когда сопротивление не опускается до минимального уровня, но и не поднимается до бесконечно высокого значения в соответствии с вашей схемой (закрыт) — полевой транзистор оказывается частично открыт или, иными словами, находится в своей линейной области. Привести транзистор в такое состояние можно путём подачи напряжения, слегка недостаточного для полноценного открытия его затвора. Эту особенность можно использовать при сборке усилителей, для обеспечения электронной нагрузки или получения драйвера постоянного тока для светодиодов. Однако в целях переключения питания попадания полевого транзистора в линейную область нужно избегать — высокое сопротивление означает высокие потери и потребность в рассеивании генерируемого тепла.

Конструкция полевых транзисторов подразумевает наличие внутри так называемого паразитного диода. Исключить его никак нельзя — он есть всегда. Единственный вариант — это учитывать его присутствие при разводке схемы. Если диод нежелателен, избежать его воздействия можно путём размещения двух полевых транзисторов спиной к спине. Именно так работают цепи защиты литий-ионных батарей — они должны защищать батарею от переразряда, перекрывая исходящий ток, а также от перезаряда, перекрывая входящий, и одним из способов реализации этого является их установка диодами друг к другу. Если взглянуть на систему управления литий-ионными батареями с повышенным током, то мы неизбежно найдём там два полевых транзистора, подключенных именно таким образом, а может даже две серии транзисторов, установленных параллельно.

Как же конкретно работает такой транзистор на физическом уровне без подобных упрощений? Вот видео от Томаса Швенке, посвящённое конкретно этому виду транзисторов, а вот ещё одно от EEVblog, где рассматриваются и биполярные, и полевые разновидности. В сети также есть бесчисленное множество обучающих материалов и примеров вроде этой красивой GIF-анимации из Wikipedia. Так что фактически разбираться во всём этом вам не обязательно, но дополнительное понимание порой может оказаться весьма кстати, да и вообще это просто интересно!

▍ Открытие затвора

Чтобы открыть полевой транзистор, необходимо подать на затвор напряжение, превышающее порог Vgs, но не значение Vgs(max). Оба этих параметра указаны в спецификации. Имейте в виду — Vgs в спецификации (и в подборщиках деталей в онлайн-магазинах) зачастую указываются для некоего приемлемого значения сопротивления, но не для минимального его показателя, который может достичь транзистор. Так что вам нужно будет ознакомиться с приведённым в документации графиком зависимости Vgs от сопротивления. Далее, в аббревиатуре Vgs буква G означает затвор, S — исток. Третий же контакт является стоком. Когда затвор открывается, ток начинает течь от истока к стоку. Естественно, управляющее затвором напряжение также должно подаваться относительно истока.

Как и в случае NPN- и PNP-транзисторов, существуют модели N-FET и P-FET. N-FET подобны NPN-модификации — для открытия на контакте затвора должно присутствовать более высокое напряжение, чем на контакте истока. При этом P-FET подобны PNP-транзисторам — для открытия напряжение контакта затвора должно быть ниже напряжения контакта истока, естественно, превышая Vgs. В спецификациях к P-FET значение Vgs представлено отрицательным числом, например -1,7 В. Как вы могли заметить, проще всего использовать P-FET для переключения на стороне питания, а N-FET для переключения на стороне земли (low side) — до тех пор, пока Vgs будет ниже напряжения шины питания, вам не придётся выходить из диапазона напряжений, доступных в рамках вашей схемы.

Итак, при подключении полевого транзистора не забывайте о паразитном диоде — если использовать такой транзистор для переключения и подключить его неверно, перепутав исток и сток, то ваше устройство будет всегда запитываться через паразитный диод, вне зависимости от того, открыт затвор транзистора или нет. С другой стороны, этой проблемы можно избежать, ознакомившись с указанной в спецификации распиновкой, а при проектировании схемы значок полевого транзистора зачастую будет содержать в себе символ паразитного диода — или как минимум стрелку, отходящую от того же контакта.

Что касается различия в именовании, то запомнить его легко — при реализации переключения на стороне питания с помощью P-FET или на стороне земли с помощью N-FET вы подключаете источник питания к контакту истока, которым в случае P-FET выступает плюсовая шина, а в случае N-FET — минусовая. Даже если полевой транзистор вам нужен для других целей, эта мнемоника станет напоминанием, от какого и к какому контакту подключается паразитный диод. P-FET — положительный исток ( p ositive), N-FET — отрицательный ( n egative).

Расположить полевой транзистор в цепи можно по-разному. Если вы переключаете шину питания 3,3 В, и напряжение вашего микроконтроллера равно 3,3 В, то вы также можете управлять таким транзистором непосредственно через интерфейс ввода-вывода. Несмотря на то, что зарядку затвора этих транзисторов не всегда можно реализовать через этот интерфейс, при небольших масштабах ёмкость затвора не составит для него особой нагрузки, так что в любительских проектах это хороший упрощённый приём. Для большего успокоения можете последовательно добавить между интерфейсом ввода-вывода и затвором резистор, скажем, на 100 Ом. Нередко управление N-FET транзисторами при переключении на стороне земли реализуется через контакты ввода-вывода точно так же, как в случае с NPN-транзисторами.

Вычисление делителя напряжения для удержания Vgs ниже напряжения истока

Тем не менее, если ваши уровни напряжения не совпадают, например, вы управляете нагрузкой 12 В с помощью P-FET и интерфейса ввода-вывода, то есть более популярный способ, который отражён в первом примере схемы. Он заключается в использовании другого полевого или биполярного транзистора для подтягивания затвора в одном направлении, и резистора — для подтягивания в другом. Если вам нужно сохранить Vgs в определённом диапазоне, просто добавьте между затвором и управляющим транзистором ещё один резистор, чтобы получить делитель напряжения.

Это очень эффективный способ, но не безупречный. Затвор — это конденсатор, поэтому его зарядка или разрядка через резистор займёт больше времени, чем проделывание противоположного действия с помощью транзистора, так что при движении в управляемом резистором направлении затвор будет дольше находиться в линейной области. Это небольшая проблема при эпизодическом включении/отключении нагрузок, но доставит неприятности, если вы решите реализовать ШИМ с повышенной частотой — скажем, при управлении светодиодами или скоростью вращения двигателя, когда индуктивность мотора ещё больше всё усложняет.

Именно здесь на выручку приходят FET-драйверы, представляющие собой небольшую микросхему, внутри которой есть стадия push-pull, помогающая управлять затвором строго, вне зависимости от ёмкости, а также поддерживать Vgs в рамках приемлемого диапазона. В целом вам нужно подключить управляющий интерфейс ввода-вывода к одной стороне микросхемы, затвор полевого транзистора к другой, следовать спецификации драйвера, и всё будет в порядке.

▍ Установка границ

Естественно, у полевых транзисторов есть свои ограничения и нюансы — существует множество их вариаций в корпусах SOT23, которые все выглядят одинаково, но лишь некоторые из них сдюжат, когда вам потребуется реализовать управление несколькими метрами светодиодной ленты. Самыми важными параметрами являются максимальная сила тока и напряжение между истоком и стоком — они определяют допустимую нагрузку, которой можно управлять с помощью полевого транзистора. Если она будет составлять 12 В/3 А, то мудрым решением будет выбрать транзисторы 20 В/4 А Vds/Ids, а если речь идёт о 3,3 В/1 А, то обычно подойдёт транзистор 12 В/3 А.

Паразитный диод может оказаться очень кстати, например, в случае переключения индуктивных нагрузок, так как будет рассеивать часть обратного электромагнитного поля, которое может получить транзистор. Хотя особо на него не полагайтесь. Если вам нужен диод, то лучше будет просто добавить дополнительный параллельно.

Нашли хорошие недорогие полевые транзисторы или, возможно, обнаружили неплохие у себя в закромах, но они слегка недотягивают по силе тока? Обрадую вас — зачастую можно установить похожие транзисторы параллельно, чтобы увеличить максимально проводимый ими ток. В отличие от диодов, большинство полевых транзисторов имеют положительный термальный коэффициент — чем больше тока через них протекает, тем сильнее они нагреваются. При этом также растёт сопротивление, в результате чего параллельно подключенные транзисторы выравнивают показатели друг друга, даже если их параметры не совпадают. В таком случае вам уже не потребуется использовать отдельные управляющие схемы — просто запараллельте транзисторы, соединив все три контакта, и это сработает.

Контакт затвора здесь окажется наиболее уязвимым — к примеру, он весьма восприимчив к электростатике, и в некоторых транзисторах даже есть специальные диоды защиты, подключенные между затвором и истоком. В отличие от биполярных транзисторов, которым требуется постоянно протекающий ток, здесь достаточно лишь один раз зарядить затвор, и он будет оставаться открытым достаточно долго. При этом требуется настолько небольшой заряд, что зачастую можно заряжать затвор буквально прикосновением пальца, если ничто его не притягивает в одном из направлений. Видите резистор R1 на самой первой схеме? Он удерживает затвор разряжённым, а транзистор закрытым до тех пор, пока тот не будет намеренно открыт — без этого резистора транзистор сам бы не закрывался, оказываясь восприимчивым к различным шумам. Если вы не используете драйвер затвора, то между ним и истоком вам обязательно потребуется резистор.

Защита затвора от статических разрядов

Кроме того, обычно порог максимального Vgs намного ниже порога Vds — к примеру, для транзистора 30 В Vds несвойственно работать при максимальном Vgs 12 В или около того. Превысьте эту величину, и транзистор наверняка откажет. Предположим, вы переключаете 20 В с помощью подобного P-FET в обычной конфигурации переключения на стороне питания и получаете хороший Rds (сопротивление сток-исток) при -6 В — вам нужно будет удерживать затвор примерно на 12 В. Опять же, проще всего это будет реализовать с помощью делителя напряжения, и резистор для подтягивания затвора прекрасно в эту картину впишется.

Отказ полевого транзистора обычно происходит в виде короткого замыкания — это весьма плохо, если вы полагаетесь на него в каком-то критическом месте. Но есть здесь и положительный момент, а именно то, что отказавший транзистор обнаружить довольно легко. В некоторых продуктах, таких как паяльники Pinecil, используются два последовательных полевых транзистора, обеспечивающих дополнительную защиту от подобных случаев. И оно понятно — вашим клиентам вряд ли понравится, если жало их паяльника будет нагреваться неконтролируемым образом. Тем не менее разработчики других продуктов используют по одному полевому транзистору и не заморачиваются — в целом отказы происходят редко.

К слову о Pinecil. В нём используется нетипичная управляющая схема — там присутствует NPN-транзистор, но его база управляется через конденсатор, чтобы пропускать только переменную составляющую управляющего сигнала. В результате, если основной микроконтроллер повиснет, и управляющий контакт ввода-вывода застрянет на высоком уровне, транзистор не останется активен.

▍ До скорой встречи

Хотите побольше узнать о полевых транзисторах? В сети есть уйма информации. К примеру, вот прекрасная заметка от Texas Instruments (ссылка может не работать, — прим. пер.). Здесь на Hackaday мы также рассматривали эти транзисторы в нескольких контекстах — логика КМОП, переключение высокого напряжения, поставка деталей, и общее знакомство. Вдобавок к этому выходило вводное руководство.

Естественно, об этих транзисторах можно рассказать ещё много интересного. В следующий раз мы перейдём от фрагментов схем к реальным случаям использования. Я хочу показать вам несколько крутых примеров, в которых такие транзисторы используются, возможно, менее традиционными способами; начиная со схем мягкого запуска и защиты от обратной полярности до смещения уровней, есть много задач, которые полевой транзистор может решать на вашей плате. Ах да, в продолжении я также приведу рекомендации по номерам деталей, дам советы по их выбору и поделюсь полезной информацией, которая может пригодиться вам для лучшего понимания темы.