TL:DR Полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом в большинстве — маломощные устройства, применяемые для усиления малых сигналов. Основное полезное свойство — огромное входное сопротивление и невысокий собственный шум (по сравнению с биполярными транзисторами).
Мы разберёмся с основными свойствами этих транзисторов, рассмотрим схему усилительного каскада, сделаем усилитель и проведём простой опыт, демонстрирующий влияние электрического поля на ток через прибор. Уровень материала рассчитан на новичков.
История появления
Занятно, что идея полевого транзистора с управляющим переходом появилась раньше, чем биполярного транзистора. В 1930-х годах физик Юлий Лилиенфельд придумал ряд устройств, подобных полевым транзисторам. Однако материаловедение и технологии тех времён не позволяли изготовить их.
В 1940-х годах исследователи Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Шокли пытались создать полевой транзистор, но потерпели неудачи в своих многочисленных попытках. В ходе анализа причин неудач они открыли точечно-контактный транзистор. В 1953-м был создан работающий JFET (это английское сокращённое название от junction-gate field-effect transistor).
Устройство
Рассмотрим транзистор с n-каналом, в котором носителями заряда протекающего тока являются электроны. Полевые транзисторы с управляющим переходом — трёхэлектродные устройства.
Электрод, в который втекает электрический ток, называется стоком; электрод, из которого вытекает ток, называется истоком; электрод, который присоединён к области p-проводимости, называется затвором.
Вас, наверное, как и меня, немного разозлит путаница, вызванная тем, что ток в транзистор втекает через сток, а вытекает через исток. Полагаю, что именование электродов производилось из соображений реального направления движения носителей заряда в металлах и полупроводниках — электронов, движущихся в противоположную сторону от условно принятого направления тока.
Физическое воплощение кристалла JFET можно упрощённо представить в виде бруска кремния с n-проводимостью, к которому с торцов присоединены сток и исток, а сбоку — затвор в виде участка с p-типом проводимости. Канал ограничивается зоной p–n-перехода, которой можно управлять, как бы «пережимать» поток электронов расширяющейся областью, обеднённой зарядами.
Управляющий p–n-переход «затвор–канал» представляет собой полупроводниковый кремниевый диод, который рассчитан на работу в обратно смещённом режиме, как бы «поперёк» канала; для этого на затвор подаётся отрицательный потенциал относительно истока.
Кратко о p-n-переходе
Давайте тезисно повторим физический смысл работы полупроводниковых приборов и поведение p-n-перехода в обыкновенном кремниевом диоде.
Чистый кремний является довольно плохим проводником, так как в нём в нормальных условиях мало свободных электронов — носителей заряда. Путём исследований были найдены вещества, способные встраиваться в кристалл кремния, двух типов: доноры и акцепторы электронов. Доноры привносят дополнительные свободные электроны, делая кремний похожим на металл (в которых много свободных электронов). Получается полупроводник n-типа (negative). Акцепторы, благодаря строению своего атома, привносят свободную орбиталь, на которую может перепрыгнуть электрон с соседнего атома кремния. Такую ячейку для электрона называют «дыркой», или квазичастицей с положительным зарядом. Так получается полупроводник p-типа (positive). Интуитивно понятно, что свободным электронам n-области проще двигаться, чем электронам из p-области, которым приходится отрываться и встраиваться в атомы для движения, из-за чего n-канальные полевые транзисторы имеют лучшие характеристики и чаще применяются в силовой электронике.
Хорошей аналогией дырок в макромире являются пузыри воздуха, всплывающие в толще воды. Их можно представить как газ, движущийся вверх, так и воду, сливающуюся вниз между пузырями газа. Дырки не просто так называют «квазичастицами»: они движутся в толще полупроводника p-типа благодаря движению электронов.
На границе кремния p- и n-типов электроны из n-области, где их много, благодаря эффекту диффузии переходят в область p-типа и там встраиваются в вакантные орбитали (рекомбинируют с дырками).
Электроны уходят в p-область и остаются в ней, унося с собой отрицательный заряд. Внутри p–n-перехода образуется пространственный заряд обратной полярности, препятствующий дальнейшей диффузии электронов.
Кстати, эта разность потенциалов внутри кристалла и есть те самые заветные ≈ 0,6 вольт, которые необходимо подать на базу биполярного транзистора или на кремниевый диод для открытия.
Что будет, если подключить диод областью p типом проводимости (анодом) к отрицательному полюсу источника питания, а областью с n типом проводимости (катодом) к положительному? Электрическое поле приложенное к кристаллу оттянет свободные электроны n-области дальше от p-n-перехода. Обеднённая зона расширится. При увеличении обратного напряжения она становится ещё шире. Именно этот эффект лежит в основе запирания канала транзистора.
Если вы хотите освежить в памяти знания о p-n переходе, или узнать больше. Советую замечательную лекцию Павла Виктора.
Вопреки представлению на упрощённых рисунках, исток и сток в реальных моделях транзисторов не являются электрически симметричными электродами. Физическое устройство современных транзисторов сложнее. К примеру, форма канала и затвора может напоминать трёхмерную поверхность в виде гребёнки. На фотографии представлен вскрытый транзистор КП303, на котором виден кристалл, припаянный к металлическому электроду, и два золотых проводника. Чёрная субстанция — стеклянный изолятор.
Также стоит пояснить, почему на схеме изображается скошенная граница обеднённой зарядами области. Это происходит по причине того, что канал имеет собственное электрическое сопротивление, на котором падает напряжение источника питания. Вот как это выглядит на эквивалентной схеме. Чем выше разность потенциалов, тем шире расходятся границы обеднённой зоны.
Применение
Как правило, JFET используются для создания входных каскадов усилителей переменного и постоянного тока, от которых требуются малые шумы и высокое входное сопротивление. Например, входные каскады операционных усилителей, буферы для фотоприёмников, усилители биопотенциалов, усилители для ph-метрии и пр.
JFET применяется в качестве буфера внутри капсюлей электретных микрофонов. Колеблющаяся заряженная мембрана микрофона — источник маломощного сигнала с огромным внутренним сопротивлением (по сути, это воздушный разрыв цепи, и система скорее является конденсатором).
Кстати, если вы найдёте испорченный электретный капсюль, то он может стать донором полевого транзистора. Берегите пальцы при вскрытии корпуса!
Во времена развития полупроводниковых СВ\ДВ приёмников полевые транзисторы подключали к колебательному контуру напрямую, такой каскад не шунтировал контур и не ухудшал селективность приёмника.
Полезные качества
Высокое входное сопротивление. Входной ток мизерный, обусловлен током утечки закрытого p-n перехода.
Меньший шум в сравнении с биполярным транзистором, так как нет рекомбинации электронно-дырочных пар. Ток осуществляется только единственным видом зарядов: электронов или квазичастиц — дырок. Полевые транзисторы иногда называют униполярными.
Устойчив к статическому электричеству (в отличие от собратьев с изолированным затвором, которые могут необратимо повреждаться даже от заряда накопленного на теле человека).
Можно подобрать режим работы, при котором каскад становится малочувствительным к изменению температуры.
Fun fact: n-канальные полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом похожи на твердотельные аналоги радиоламп. У обоих есть поток электронов, управляемый электрическим полем. Похожие графики электрических характеристик.
Недостатки
Относительно небольшое усиление с одного транзистора. У JFET малая крутизна передаточной характеристики. Если говорить простыми словами, это значит, что изменение входного сигнала не приводит к существенному изменению выходного тока.
Разброс тока покоя. Этот параметр отличается у транзисторов даже из одной партии. Происходит это по технологическим причинам. Правда, тут следует сказать, что промышленности удаётся создавать полевые транзисторы с идентичными характеристиками, которые выращиваются в непосредственной близости на одной подложке. Такие согласованные пары могут быть использованы как основа дифференциального каскада. Также существуют микросхемы операционных усилителей с входами на JFET-транзисторах. Например, TL072.
Входная характеристика
Входная характеристика JFET показывает зависимость протекающего по каналу тока от подаваемого на затвор напряжения.
Первое отличие от входной характеристики биполярного транзистора — расположение кривой в области отрицательных значений. Ток, протекающий по пути сток-исток, управляется отрицательным напряжением затвор-исток. Там, где график пересекает ось напряжения, находится значение тока покоя.
Напряжение на затворе, при котором ток перестаёт протекать через канал транзистора, называется напряжением отсечки. У маломощных JFET Uотс. — единицы вольт.
Обратите внимание: график немного заходит в область положительных значений напряжения; этот «хвостик» продолжается примерно до половины вольта, и эта величина — объёмный заряд, образующийся внутри p–n-перехода. Некоторые схемы допускают использование JFET без смещения (например, внутри капсюлей электретных микрофонов, где вывод затвора подсоединён к мембране). Но надёжное и верное схемотехническое решение — отрицательное смещение на затворе.
Выходные характеристики
Графики семейства выходных характеристик показывают значение тока через канал транзистора при изменении напряжения между стоком и истоком при фиксированном напряжении на затворе относительно истока.
Как это понять по-простому? JFET, как и биполярный транзистор, выполняют роль управляемых стабилизаторов тока в некоторых ограниченных условиях, в которых их стараются удерживать для хорошей работы усилительного каскада. Ещё их называют рабочей точкой — подробнее я писал вот тут.
На диаграмме видна область, в которой транзистор проявляет свойства резистора, ток через него растёт пропорционально напряжению, при этом есть возможность управлять сопротивлением. Об использовании JFET в качестве управляемого сопротивления отлично рассказано в статье.
Область с горизонтальным расположением кривых называется областью насыщения, в этой зоне электрических параметров транзистор работает как управляемый напряжением источник (стабилизатор) тока. Кстати, важно упомянуть, что это не ошибка. У биполярных транзисторов насыщением называется режим работы, при котором напряжение коллекто-эмиттер минимально. А участок горизонтально расположенных передаточных кривых называется активной областью.
Это может казаться очень сложным и запутанным, но я уверяю, вы обязательно с этим разберётесь, если посвятите время изучению интерактивных стендов, ссылки на которые будут чуть ниже. Я сам всего этого пугался и сторонился, пока не понял что дело в банальной практике и привычке, после чего картина проясняется :)
Смещение затвора
Чтобы понять, как работает смещение по постоянному току, рассмотрим схему, состоящую из транзистора и одного резистора, присоединённого к истоку. Затвор транзистора подключён к отрицательной шине питания.
Представим, что мы взяли вольтметр и подключили чёрный (земляной) щуп к истоку, а красный — к отрицательной шине питания, туда же, куда подключён затвор. То есть мы измеряем потенциал затвора относительно истока.
Тут нужно оговориться о важном моменте для понимания работы каскадов на полевых транзисторах с управляющим переходом. Для управления транзистором имеет значение потенциал затвора относительно истока, а не относительно «земли» схемы.
Настоятельно рекомендую поиграться со схемой в интерактивном стенде (справа от схемы есть ползунки, изменяющие значение сопротивления истокового резистора и напряжения питания).
JFET как генератор тока
Если вы попробовали изменять параметры схемы со стенда выше, то заметили одну особенность: график тока с какого-то момента плавно загибается и ложится на горизонтальную «полочку», стабилизируя ток — область работы, на которую не влияет напряжение питания.
Используя эту особенность из полевых транзисторов, получают достаточно хорошие генераторы тока. Этот термин подразумевает то, что узел схемы способен устойчиво стабилизировать пропускаемый через него ток, а не является независимым источником тока.
Существуют заводские двухвыводные стабилизаторы тока, отобранные по значению тока , представляющие собой JFET с соединёнными внутри корпуса истоком и затвором. В радиолюбительской практике, чтобы сделать генератор тока, придётся подбирать транзистор и номинал резистора.
Простой наглядный опыт
Это самая простая самоделка из возможных, для которой потребуется только мультиметр в режиме измерения килоом и полевой транзистор. Я использовал КП303 во всех опытах и схемах. Подключите к клеммам выводы истока и стока — и готово; полярность даже не обязательно соблюдать.
Мультиметр лучше брать стрелочный и, по возможности, с подвижной рамкой — в идеале автомобильный тестер времён СССР М57: у него молниеносная реакция, и опыты получаются крайне занятные. Я сидел по полчаса, залипая, наблюдая, как электризуются различные материалы.
Буфер-повторитель
Из-за небольшой крутизны и сложностей линеаризации обычно JFET применяют как входной буфер, дающий усиление сигнала по мощности без усиления по напряжению (коэффициент усиления по напряжению меньше единицы). Такой каскад называют истоковым повторителем; выглядит он вот так:
Подробнее о принципе работы повторителя на биполярном транзисторе я писал вот тут. Если кратко, основное назначение каскада в согласовании источника сигнала с высоким внутренним сопротивлением (например, головка звукоснимателя проигрывателя пластинок или гитарный датчик) и последующих каскадов на биполярных транзисторах, которые имеют не очень высокое входное сопротивление и требуют большей мощности для управления.
Такой повторитель можно собрать для электрогитары, разместив все детали внутри корпуса вместе с батареей питания, и получится нечто вроде умощнителя выхода, позволяющего подключаться в линейный вход.
Важно сказать, что на сегодняшний день создавать усилители из отдельных транзисторов — это скорее хобби и дело от большой любви к электронике. Если вам нужен стабильный, качественный и повторяемый результат, то используйте современные операционные усилители и надёжные схемотехнические решения. Описываемая в статье самоделка пригодится для экспериментов и обучения.
Индикатор поля
Потратил вечер на самоделку, получился чувствительный индикатор, который реагирует на электризованный свитер с трёх метров.
Принцип работы прост: JFET и нагрузочный резистор образуют делитель напряжения, в средней точке которого (на стоке) потенциал при открытом канале составляет несколько десятков милливольт, то есть находится на подпороговом уровне открытия биполярного транзистора. Когда канал закрывается, потенциал точки становится почти равным полному напряжению питания. Это происходит потому, что нижнее плечо резистивного делителя (канал JFET) приобретает огромное сопротивление по сравнению с первоначальным. Ток устремляется через резистор в базу биполярного транзистора NPN-структуры и открывает его. Через коллектор начинает проходить ток, и светодиод загорается. Резистор в цепи светодиода поставлен для страховки, чтобы ограничить максимальный ток.
Я использовал в опыте транзисторы КП303 (полевой) и неизвестный NPN-транзистор без маркировки из коробки с хламом. Можно использовать любой маломощный, например КТ315.
В качестве источника питания я использовал «банку» от одноразовой парилки с напряжением около 3,8 В. Если будете собирать схему, учтите, что она имеет высокую чувствительность и ловит все наводки от электросети, блоков питания, компьютера, монитора и т. п. У меня не получилось её отладить при питании от лабораторного блока питания с сетевым трансформатором. Только при питании от аккумулятора удалось добиться правильной работы.
Как я уже говорил, схема реагирует на сетевые наводки и электромагнитные помехи и светодиод постоянно горит (точнее мерцает с частотой 25 герц) вблизи сетевой проводки. Я нашёл место в спальне в оконном проёме и подвесил схему на нитке. На затвор припаял тонкую проволоку длиной примерно 30 сантиметров. В моих условиях она реагировала только на постоянное электрическое поле, возникающее при электризации одежды, при движении одеялом, иногда от перемещения по комнате.
Эта схема, спрятанная внутри какого-то декора, может стать занятной поделкой или частью арт-проекта, который имеет электрическую сенсорную способность, реагируя на изменения поля вокруг себя. Причём схема срабатывает не только на отрицательный заряд, но и на положительный — меняется характер реакции. При приближении отрицательно заряженного предмета транзистор закрывается, и светодиод начинает гореть, а если предмет заряжен положительно, то при поднесении схема не реагирует — светодиод загорается при отдалении (попробуйте объяснить сами, почему так происходит :)
Напутствие
Я хочу вам напомнить о том, что аналоговая электроника и процессы внутри полупроводниковых приборов — это сложная и очень обширная область знаний. Особенно непросто разобраться, если у вас нет специального образования (как у меня). Но тем не менее, если вы разбираетесь и создаёте устройства, вы занимаетесь хорошим делом. Если не получается разобраться, отложите на время и сделайте повторный заход: мне потребовалось много лет, чтобы понять основные закономерности, и были моменты отчаяния…
Надеюсь, я кого-то вдохновил на занятия электроникой и подпитал энтузиазм.
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
