Что такое полевой транзистор?
Полевой транзистор — это ключевой полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении электрическим током с помощью электрического поля. В отличие от своего "собрата", биполярного транзистора, где ток создается носителями заряда обоих знаков (электронами и дырками), в полевом (или униполярном) транзисторе ток формируется носителями только одного типа — либо электронами, либо дырками. По своим характеристикам и принципу управления этот прибор часто сравнивают с электронной лампой-триодом, что делает его уникальным элементом в электронике.
Устройство и основные элементы
Конструктивно полевой транзистор состоит из нескольких ключевых областей: затвора (управляющего электрода), истока (источника носителей заряда), стока (приемника носителей) и канала, по которому течет ток. Между затвором и каналом находится область пространственного заряда или диэлектрический слой. Работу прибора характеризуют такие параметры, как напряжение на затворе, напряжение смещения, напряжение отсечки и, конечно, ток стока.
История изобретения и развития
Интересно, что теоретическая основа и первый патент на полевой транзистор появились задолго до биполярного. В 1930 году ученый Юлиус Лилиенфельд, опираясь на фундаментальные знания об электрических зарядах и движении электронов, предложил концепцию прибора, управляемого полем. Однако практическая реализация стала возможной лишь с развитием технологии полупроводников в 1960-х годах, когда в качестве основного материала стал широко применяться кремний. Прорыв совершили американские инженеры М. Аталла и Д. Кант, наладившие серийное производство транзисторов на основе структуры кремний-диоксид кремния. В истории есть и курьезный эпизод: советский физик Р. С. Нахмансон примерно в то же время подал заявку на аналогичный патент, но она была отклонена из-за путаницы между электрическим и магнитным полем в экспертизе.
Классификация и механизм действия
Полевые транзисторы делятся на две основные группы, различающиеся по физической структуре и способу управления.
1. Транзисторы с управляющим p-n-переходом (JFET)
В этих приборах затвор электрически изолирован от канала обратносмещенным p-n-переходом. Управление током осуществляется путем изменения ширины этого перехода и, соответственно, сечения проводящего канала. По своему функциональному принципу такой транзистор очень похож на вакуумный триод: исток аналогичен катоду, затвор — сетке, а сток — аноду. Важное преимущество — отсутствие необходимости в подогреве катода, в отличие от лампы.
2. Транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)
В этой группе затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика (обычно оксида кремния). Такая структура «металл-диэлектрик-полупроводник» дала название МДП-транзисторам. Они, в свою очередь, подразделяются на два типа:
- Со встроенным каналом: проводящий канал (инверсный слой) существует между истоком и стоком даже при нулевом напряжении на затворе.
- С индуцированным каналом: проводящий канал отсутствует и возникает только при приложении к затвору определенного порогового напряжения нужной полярности, после чего появляется ток стока.
Область применения
Благодаря высокому входному сопротивлению, низкому уровню шумов и эффективности, полевые транзисторы нашли широчайшее применение в современной электронике. Они являются основными компонентами для усиления слабых электрических сигналов в аудио- и радиоаппаратуре, используются в цифровых микросхемах (логических элементах, процессорах, памяти) и силовой электронике.