Электроника:Полупроводники/Полевые транзисторы/Полевой транзистор (JFET) как переключатель

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Полевой транзистор (JFET) как переключатель

Как и его биполярный кузен, полевой транзистор может использоваться как переключатель между состояниями «Вкл.»/«Выкл.», управляющего подачей электроэнергии на нагрузку. Начнём наше исследование коммутирующих способностей с нашей знакомой схемы переключатель/лампочка:

Рис. 1. Простейшая схема переключатель/лампочка/батарея.

Как мы прекрасно помним, управляемый ток в полевом транзисторе JFET проходит между истоком и стоком. Поэтому вместо обоих концов переключателя используем выводы истока и стока полевого транзистора:

Рис. 2. Вместо переключателя введём в схему полевой транзистор.

Возможно, вы обратили внимание, что выводы истока и стока у JFET на схеме выглядят идентично. В отличие от транзистора с биполярным переходом, где эмиттер чётко отличен от коллектора (с помощью стрелки), линии истока и стока полевого транзистора проходят перпендикулярно полосе, представляющей канал полупроводника. Это неспроста, поскольку линии истока и стока полевого транзистора на практике часто взаимозаменяемы! Другими словами, полевые транзисторы JFET обычно способны обрабатывать ток в канале в любом направлении, хоть от истока к стоку, хоть от стока к истоку.

Разомкнутый переключатель (для подачи напряжения на JFET)

Теперь все, что нам осталось – это обеспечить контроль проводимости полевого транзистора. Если между затвором и истоком приложено нулевое напряжение, канал полевого транзистора будет «открыт», пропуская весь ток к лампе. Чтобы выключить лампу, нужно подключить другой источник постоянного напряжения между затвором и истоком в полевом транзисторе:

Рис. 3. Если не подавать напряжение на JFET, транзистор будет вести себя как замкнутый переключатель.

Замкнутый переключатель (для подачи напряжения на JFET)

Замыкание этого переключателя (в результате чего на JFET подаётся ненулевое напряжение) «сдавит» канал полевого транзистора, тем самым заставив его отключиться, заодно выключив и лампочку:

Рис. 4. При подаче напряжения на JFET, транзистор будет вести себя как разомкнутый переключатель.

Обратите внимание – через затвор больше не проходит ток. Как P-N-переход с обратным смещением, он препятствует прохождению тока через него. Как устройство, управляемое напряжением, JFET требует незначительного входного тока. Это преимущество JFET по сравнению с биполярным транзистором: управляющий сигнал может быть маломощным. Повторное размыкание переключателя управления отключит обратное напряжение постоянного смещения от затвора, что позволит транзистору снова включиться. Во всяком случае, в идеале так задумано. На практике это, кстати, может вообще не сработать:

Рис. 5. Снова перестали подавать напряжение на JFET. Вроде как он должен снова действовать как замкнутый переключатель, но… лампочка не включилась.

Что происходит? Почему канал JFET не открывается снова и не пропускает ток лампы, как это было раньше, при отсутствии напряжения между затвором и истоком? Ответ кроется в работе перехода затвор/исток с обратным смещением. Область обеднения внутри этого перехода действует как изолирующий барьер, отделяющий затвор от истока. Таким образом, он обладает определённой ёмкостью, способной сохранять потенциал электрического заряда. После того, как этот переход был принудительно смещён в обратном направлении посредством приложения внешнего напряжения, он будет склонен удерживать это напряжение обратного смещения в качестве накопленного заряда даже после того, как источник этого напряжения отключён. Чтобы снова включить полевой транзистор, необходимо сбросить накопленный заряд между затвором и истоком посредством резистора:

Резисторное «кровопускание»

Рис. 6. С помощью резистора избавляемся от накопленного заряда.

Номинал резистора не важен. Ёмкость перехода затвор/исток полевого транзистора очень мала, и поэтому даже довольно мощный разрядный резистор создаёт быструю постоянную времени RC-цепи, позволяя транзистору возобновлять проводимость с некоторой задержкой после размыкания переключателя.

Как и с биполярным транзистором, не имеет значения, откуда и куда исходит управляющее напряжение. Можно взять солнечную панель, термопару или любое другое устройство, подающее напряжение, контролирующего проводимость полевого транзистора. Всё, что требуется от источника напряжения (для того, чтобы JFET работал как коммутатор) – это, чтобы напряжение было достаточным для обеспечения отсечки канала в JFET. Это, как правило, в районе нескольких вольт постоянного тока, и называется напряжением срабатывания или напряжением отсечки. Точное напряжение отсечки для любого JFET зависит от его уникальной конструкции и не является универсальной цифрой. Это как 0,7 В для напряжения перехода база/эмиттер кремниевого BJT (а у германиевых биполярных транзисторов другое значение).

Итог

• Полевые транзисторы регулируют ток между выводами истока и стока с помощью напряжения, приложенного между затвором и истоком. В переходном полевом транзисторе (JFET) существует P-N-переход между затвором и истоком, который обычно имеет обратное смещение для управления током исток/сток.
• JFET – это обычно включённые (нормально насыщенные) устройства. Приложение напряжения обратного смещения между затвором и истоком вызывает расширение обеднённой области этого перехода, тем самым «сдавливая» канал между истоком и стоком, через который проходит управляемый ток.
• Может возникнуть необходимость в установке «отводящего» резистора между затвором и истоком для обеспечения разрядки заряда, накопленного на переходе (являющимся эдакой естественной ёмкостью) при снятии управляющего напряжения. В противном случае заряд может остаться, из-за чего JFET продолжает пребывать в режиме отсечки даже после отключения источника напряжения.