Hoe is een FET een spanningsgestuurd apparaat?
Een FET (Field-Effect Transistor) is een type transistor waarbij de stroom tussen de twee terminals (de drain en de source) wordt gecontroleerd door de spanning die wordt aangelegd op de gate-terminal. Dit maakt de FET een spanningsgestuurd apparaat, in tegenstelling tot een BJT (Bipolar Junction Transistor), dat wordt bestuurd door stroom. Het belangrijkste werkprincipe van de FET is het gebruik van een elektrisch veld, gegenereerd door de spanning op de gate, om de geleidbaarheid van het kanaal tussen de drain en de source te moduleren.
Structuur van een FET
Een FET bestaat uit drie hoofddelen: de gate (G), de drain (D) en de source (S). De gate is gescheiden van het actieve kanaal door een dunne isolerende laag, meestal een oxide. Het kanaal zelf kan van twee typen zijn, afhankelijk van het type FET: een n-type kanaal (voor N-Kanaal MOSFET) of een p-type kanaal (voor P-Kanaal MOSFET). De drain en de source zijn de twee uiteinden van het kanaal, en de gate is de terminal die de doorlaatstroom tussen deze twee controleert.
Wanneer een spanning (VGS) wordt aangelegd op de gate ten opzichte van de source, wordt een elektrisch veld gegenereerd dat de geleidbaarheid van het kanaal beïnvloedt. Dit veld bepaalt of er een geleidend pad is tussen de drain en de source. Dit is het fundamentele principe achter de werking van een FET als spanningsgestuurd apparaat.
Werking van een FET
In een n-kanaal FET bijvoorbeeld, wanneer een positieve spanning wordt aangelegd op de gate (ten opzichte van de source), trekken de vrije elektronen naar het kanaal toe en creëren zo een geleidend pad tussen de drain en de source. Dit maakt het mogelijk voor een elektrische stroom om van de drain naar de source te stromen. Hoe hoger de spanning VGS, hoe groter het aantal elektronen in het kanaal, en dus hoe groter de stroom die kan stromen van de drain naar de source.
Als de spanning op de gate echter lager is dan een bepaalde drempelwaarde, de zogenaamde drempelspanning (Vth), dan is het kanaal niet voldoende geleidbaar en zal er geen stroom van de drain naar de source vloeien. Dit betekent dat de FET ‘uit’ staat en de stroom wordt geblokkeerd. Wanneer VGS de drempelspanning overschrijdt, gaat de FET naar de ‘aan’ staat, en kan er een stroom van de drain naar de source vloeien, die wordt gecontroleerd door de spanning op de gate.
De Spanningstoepassing op de Gate
De spanning op de gate van de FET speelt een cruciale rol bij het bepalen van de hoeveelheid stroom die door het kanaal stroomt. Dit maakt de FET een spanningsgestuurd apparaat. In tegenstelling tot een BJT, waar de stroom op de basis de stroom tussen de collector en de emitter regelt, bepaalt bij een FET de spanning op de gate de stroming tussen de drain en de source.
Het elektrisch veld dat wordt gegenereerd door de spanning op de gate beïnvloedt de dichtheid van de dragers in het kanaal. Wanneer de spanning groot genoeg is, wordt een kanaal gecreëerd dat de stroom tussen de drain en de source toestaat. Het type kanaal (n-type of p-type) is afhankelijk van de aard van de spanning die op de gate wordt toegepast.
FET Modus van Bediening
Afhankelijk van de spanning op de gate en de drain kan de FET in verschillende werkmodi opereren, zoals:
- Cut-off modus: Wanneer de spanning op de gate (VGS) lager is dan de drempelspanning (Vth), is er geen geleidend kanaal tussen de drain en de source, en stroomt er geen stroom (FET is uit).
- Lineaire modus (of triode modus): Wanneer de spanning op de gate hoger is dan de drempelspanning en de spanning tussen de drain en de source (VDS) laag is, gedraagt de FET zich als een lineaire weerstand en wordt hij vaak gebruikt voor schakelfuncties.
- Saturatie modus: In de saturatie modus, wanneer VDS groot genoeg is, gedraagt de FET zich als een constante stroombron en wordt hij vaak gebruikt voor signaalversterking.
In deze verschillende modi wordt de stroom tussen de drain en de source beïnvloed door de spanning op de gate. Het is dus de spanning op de gate die bepaalt of het kanaal geleidend is en hoeveel stroom er kan vloeien.
Voordelen van een Spanningsgestuurd Apparaat
De belangrijkste voordelen van een FET ten opzichte van andere transistors, zoals de BJT, zijn het lage energieverbruik en de hoge ingangsimpendantie. Omdat de FET wordt bestuurd door een spanning in plaats van een stroom, heeft hij vrijwel geen stroom nodig om de werking te regelen. Dit betekent dat FETs bijzonder geschikt zijn voor gebruik in energiezuinige toepassingen.
Een ander voordeel van de FET is de hoge ingangsimpendantie. Dit betekent dat de FET geen significante hoeveelheid stroom uit de ingang kan trekken, wat het ideaal maakt voor toepassingen waar de ingangssignalen niet willen worden beïnvloed door de belasting. Het maakt de FET ook geschikt voor het versterken van kleine signalen in elektronica.
Samenvattend, een FET is een spanningsgestuurd apparaat dat zijn werking regelt via de spanning op de gate-terminal. Deze spanning creëert een elektrisch veld dat de geleiding van het kanaal tussen de drain en de source beïnvloedt, waardoor de stroom tussen de drain en de source wordt gecontroleerd. Dit maakt de FET uiterst geschikt voor toepassingen in schakelingen waarbij precisie en energie-efficiëntie van cruciaal belang zijn, zoals in versterkers en digitale schakelingen.