Jak FET jest urządzeniem sterowanym napięciem?
FET (Field-Effect Transistor), czyli tranzystor polowego efektu, jest rodzajem tranzystora, w którym przepływ prądu pomiędzy dwoma terminalami – drenem (D) i źródłem (S) – jest kontrolowany przez napięcie przyłożone do terminala bramki (G). To sprawia, że FET jest urządzeniem sterowanym napięciem, w przeciwieństwie do tranzystora BJT (Bipolar Junction Transistor), który jest sterowany prądem. Główna zasada działania FET opiera się na tym, że napięcie przyłożone do bramki tworzy pole elektryczne, które modulując przewodność kanału między drenem a źródłem, kontroluje przepływ prądu.
Budowa FET
FET składa się z trzech głównych elementów: bramki (G), drenu (D) i źródła (S). Bramkę oddziela od aktywnego kanału cienka warstwa izolacyjna, zwykle tlenek. Kanał może być typu n (dla N-Kanałowego MOSFET) lub typu p (dla P-Kanałowego MOSFET). Dren i źródło stanowią końce kanału, a bramka jest terminalem, który kontroluje przepływ prądu między tymi dwoma punktami.
Kiedy napięcie (VGS) jest przyłożone do bramki względem źródła, wytwarza się pole elektryczne, które wpływa na przewodność kanału. Napięcie to decyduje, czy kanał między drenem a źródłem jest przewodzący, a tym samym pozwala na przepływ prądu. Tak działa podstawowa zasada działania FET jako urządzenia sterowanego napięciem.
Jak działa FET?
W przypadku tranzystora MOSFET typu n, kiedy dodatnie napięcie jest przyłożone do bramki względem źródła, przyciąga to elektrony do kanału, co prowadzi do utworzenia przewodzącego ścieżki pomiędzy drenem a źródłem. W ten sposób możliwy jest przepływ prądu z drenu do źródła. Im wyższe napięcie VGS, tym więcej elektronów w kanale, co zwiększa przewodność i pozwala na przepływ większego prądu.
Jeżeli napięcie przyłożone do bramki jest mniejsze od tzw. napięcia progowego (Vth), kanał nie będzie wystarczająco przewodzący, co uniemożliwi przepływ prądu. FET w tym przypadku przechodzi w stan wyłączony. Gdy napięcie VGS przekroczy wartość progową, FET staje się włączony i umożliwia przepływ prądu pomiędzy drenem a źródłem, którego wartość zależy od napięcia bramki.
Kontrola przewodzenia kanału za pomocą napięcia bramki
Przewodność kanału FET jest w pełni kontrolowana przez napięcie przyłożone do bramki. W przeciwieństwie do tranzystora BJT, gdzie to prąd na bazie decyduje o przepływie prądu między kolektorem a emiterem, w FET decyduje napięcie na bramce. W efekcie FET jest urządzeniem sterowanym napięciem, które może działać w różnych trybach zależnie od wartości napięcia przyłożonego do bramki.
Rodzaje trybów pracy FET
W zależności od napięcia na bramce oraz napięcia między drenem a źródłem, FET może pracować w kilku różnych trybach:
- Tryb wyłączenia (cut-off): Kiedy napięcie na bramce (VGS) jest mniejsze niż napięcie progowe (Vth), kanał jest nieprzewodzący, a przepływ prądu pomiędzy drenem a źródłem jest zablokowany. FET jest wówczas w stanie wyłączonym.
- Tryb liniowy (lub tryb triody): Gdy napięcie na bramce (VGS) jest wyższe niż napięcie progowe, a napięcie między drenem a źródłem (VDS) jest niskie, FET działa jak opornik, w którym prąd jest liniowo zależny od napięcia VDS.
- Tryb nasycenia: W trybie nasycenia, gdy napięcie VDS jest wystarczająco wysokie, FET działa jak źródło prądu, w którym prąd zależy głównie od napięcia VGS. Ten tryb jest używany w aplikacjach wzmacniaczy i innych, gdzie konieczne jest precyzyjne kontrolowanie przepływu prądu.
Zalety FET jako urządzenia sterowanego napięciem
Jedną z głównych zalet FET w porównaniu do innych tranzystorów, jak BJT, jest niski pobór mocy przy sterowaniu oraz wysoka impedancja wejściowa. Ponieważ FET jest sterowany napięciem, a nie prądem, do jego działania potrzebne jest minimalne natężenie prądu, co czyni go bardzo efektywnym energetycznie. FET jest także bardziej odporny na szumy i zakłócenia niż BJT, co czyni go idealnym do zastosowań w elektronice precyzyjnej i w systemach, które wymagają niskiego zużycia energii.
Inną korzyścią jest wysoka impedancja wejściowa. Oznacza to, że FET praktycznie nie pobiera prądu z wejścia, co sprawia, że sygnały wejściowe nie są obciążane przez tranzystor. W rezultacie FET jest idealnym rozwiązaniem do zastosowań, w których istotne jest zachowanie integralności sygnałów, takich jak w wzmacniaczach sygnałów niskiego poziomu.
Podsumowując, FET jest urządzeniem sterowanym napięciem, w którym napięcie na bramce kontroluje przewodność kanału między drenem a źródłem. Dzięki temu FET działa w różnych trybach pracy, takich jak tryb wyłączenia, tryb liniowy oraz tryb nasycenia, w zależności od wartości napięć przyłożonych do bramki i drenu. Jako urządzenie sterowane napięciem, FET oferuje korzyści w postaci niskiego poboru prądu, wysokiej impedancji wejściowej i większej odporności na zakłócenia w porównaniu do tranzystorów BJT.