3. Транзистор за въздействието на полето (JFET)

Транзистор за свързване на полето (JFET)

MOSFET има редица предимства пред преходния транзистор (JFET). По-специално, входното съпротивление на MOSFET е по-високо от това на JFET. Поради тази причина MOSFET се избира в полза на JFET за повечето приложения. Въпреки това, JFET все още се използва в ограничени ситуации, особено за аналогови приложения.

Видяхме, че повишаването на MOSFETs изисква не-нула напрежение порта да образуват канал за проводимост. Никакъв ток на мнозинството носител не може да тече между източника и изтичането без това приложено напрежение. За разлика от това, JFET контролира проводимостта на ток с мнозинство носител в съществуващ канал между два омични контакта. Той прави това чрез промяна на еквивалентния капацитет на устройството.

Въпреки че се доближаваме до JFET, без да използваме резултатите, получени по-рано за MOSFET, ще видим много прилики в работата на двата типа устройства. Тези прилики са обобщени в раздел 6: „Сравнение на MOSFET с JFET“.

Схема за физическата структура на JFET е показана на фигура 13. Подобно на BJT, JFET е три терминално устройство. Тя има само един pn връзката между портата и канала, а не две като в BJT (въпреки че изглежда, че има две pn съединения, показани на фигура 13, те са свързани паралелно чрез окабеляване на терминалите на портата. По този начин те могат да се разглеждат като едно съединение).

- n-канал JFET, показан на фигура 14 (a), е конструиран с помощта на лента от nматериал тип с две p- материали, разпръснати в лентата, по една от всяка страна. Най- p-канал JFET има ивица pматериал тип с две nМатериали от вида се разпространяват в лентата, както е показано на фигура 13 (b). Фигура 13 също показва символите на веригата.

За да получите представа за работата на JFET, нека свържем n-канал JFET към външна верига, както е показано на фигура 14 (a). Положително захранващо напрежение, V_DD, се прилага към канала (това е аналогично на V_CC захранващо напрежение за BJT) и източникът е прикрепен към обща (земя). Захранващо напрежение, V_GG, се прилага към портата (това е аналогично на V_BB за BJT).

Фигура 13-Физична структура на JFET

V_DD осигурява напрежение на източник на източник, v_DS, което причинява изтичащ ток, i_D, да тече от изтичане към източник. Тъй като възел-източник кръстовище е обратната-пристрастни, нула порта текущите резултати. Ток на изтичане, i_D, който е равен на източника на ток, съществува в канала, заобиколен от pтип врата. Напрежението от вход към източник, v_GS, което е равно на, създава a изчерпване в канала, който намалява ширината на канала. Това от своя страна увеличава съпротивлението между източник и източник.

Фигура 14 - n-канален JFET, свързан към външна схема

Смятаме, JFET операция с v_GS = 0, както е показано на фигура 14 (b). Ток на изтичане, i_D, През n-канал от изтичане към източник причинява спад на напрежението по канала, с по-висок потенциал при изхода на дренажния вход. Това положително напрежение при изтичане на изходната врата обратно-отклонява pn свързва и създава зона на изчерпване, както е показано от тъмната зона на фигура 14 (b). Когато се увеличим v_DS, изтичащ ток, i_D, също се увеличава, както е показано на фигура 15.

Това действие води до по-голяма площ на изчерпване и увеличена съпротива на канала между източник и източник. Като v_DS по-нататък се достига точка, където зоната за изчерпване прекъсва целия канал на ръба на оттичане и токът на източване достига точката на насищане. Ако увеличим v_DS отвъд тази точка, i_D остава относително постоянна. Стойността на наситения изтичащ ток с V_GS = 0 е важен параметър. Това е ток на насищане на източник-източник, I_DSS, Намерихме, че е така KV_T² за режим на изчерпване MOSFET. Както може да се види от фигура 15, нараства v_DS извън този така наречен канал щипка изключване точка (-V_P, I_DSS) причинява много слабо увеличение на. \ t i_DИ i_D-v_DS характеристичната крива става почти плоска (т.е. i_D остава относително постоянна v_DS се увеличава). Спомнете си това V_T (сега е определен V_P) е отрицателен за n-канално устройство. Работата отвъд точката на изключване (в зоната на насищане) се получава, когато напрежението на изтичане, V_DS, е по-голямо от -V_P (вижте Фигура 15). Като пример, да речем V_P = -4V, това означава, че изтичащото напрежение, v_DS, трябва да бъде по-голямо или равно на - (- 4V), за да може JFET да остане в областта на насищане (нормална работа).

Това описание показва, че JFET е устройство с изчерпан тип. Очакваме неговите характеристики да бъдат подобни на тези на изчерпване MOSFETs. Въпреки това има едно важно изключение: Докато е възможно да се управлява MOSFET с изчерпване на типа в режим на подобрение (чрез прилагане на положителен v_GS ако устройството е n-канал) това не е практично в устройството от типа JFET. На практика максималният v_GS е ограничена до приблизително 0.3V след pn-за връзка с този малък напред напрежение остава по същество прекъсване.

Фигура 15 –– i_D в сравнение с v_DS характеристика за n-канал JFET (V_GS = 0V)

3.1 JFET Вариация на напрежението Gate-To-Source

В предишния раздел разработихме i_D-v_DS характеристична крива с V_GS = 0. В този раздел считаме, че пълното i_D-v_DS характеристики за различни стойности на. \ t v_GS, Отбележете, че в случая на BJT, характеристичните криви (i_C-v_CE) имат i_B като параметър. FET е устройство с контролирано напрежение, където v_GS контролира. Фигура 16 показва i_D-v_DS характеристични криви за двете n-канал и p-канал JFET.

Фигура 16-i_D-v_DS характеристични криви за JFET

С увеличаване (v_GS е по-негативен за n-канал и по-положителен за a p-канал) се образува изчерпващата област и се постига притискане при по-ниски стойности на i_D, Следователно за n-канал JFET на фигура 16 (a), максималната i_D намалява от I_DSS as v_GS е по-негативно. ако v_GS се намалява допълнително (по-негативно), стойността на v_GS след което се достига i_D ще бъде нула, независимо от стойността на v_DS, Тази стойност на v_GS е наречен V_{GS (OFF)} или захранващо напрежение (V_p). Стойността на V_p е отрицателен за n-канал JFET и положителен за a p-канал JFET. V_p може да се сравни с V_T за режим на изчерпване MOSFET.

Характеристики за трансфер на 3.2 JFET

Трансферната характеристика е графика на тока на изтичане, i_D, като функция на напрежението на изтичане към източник, v_DSс v_GS равен на набор от постоянни напрежения (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V на фигура 16 (а)). Трансферната характеристика е почти независима от стойността на v_DS след като JFET достигне пинч-оф, i_D остава относително постоянна за увеличаване на стойностите на v_DS, Това може да се види от i_D-v_DS криви на фигура 16, където всяка крива става приблизително плоска за стойностите на v_DS>V_p.

На фигура 17 показваме характеристиките на трансфера и i_D-v_DS характеристики за n-канал JFET. Зачертаваме ги с една обща i_D ос, за да покаже как да се получи едно от другото. Характеристиките на прехвърляне могат да се получат от разширение на i_D-v_DS криви, както е показано от пунктираните линии на Фигура 17. Най-полезният метод за определяне на трансферната характеристика в областта на насищане е със следната връзка (уравнението на Шокли):

(16)

Следователно трябва само да знаем I_DSS намлява V_p за да се определи цялата характеристика. Информационните листове на производителите често дават тези два параметъра, така че трансферната характеристика може да бъде изградена. V_p в спецификационния лист на производителя е показан като V_{GS (OFF)}, Отбележи, че i_D насища, (т.е. става постоянен) като v_DS надвишава напрежението, необходимо за канала, за да се изтръгне. Това може да бъде изразено като уравнение за v_{DS, седна} за всеки крива, както следва:

(17)

As v_GS става по-отрицателен, притискането става при по-ниски стойности v_DS и токът на насищане става по-малък. Полезната област за линейна работа е над пинч-оф и под напрежението на разрушаване. В този регион, i_D е наситена и нейната стойност зависи от v_GSсъгласно уравнение (16) или характеристиката на прехвърляне.

Фигура 17 - Криви на характеристиките на трансфера на JFET

Прехвърлянето и i_D-v_DS характеристичните криви за JFET, които са показани на фигура 17, се различават от съответните криви за BJT. Кривите BJT могат да бъдат представени като равномерно разпределени за еднакви стъпки в основния ток поради линейната връзка между i_C намлява i_B, JFET и MOSFET нямат ток, аналогичен на базов ток, защото токовете на портата са нула. Затова сме принудени да покажем семейството криви i_D срещу v_DSи връзките са много нелинейни.

Втората разлика се отнася до размера и формата на омичната област на характеристичните криви. Припомнете си, че при използването на BJTs избягваме нелинейната работа, като избягваме по-ниските 5% от стойностите на v_CE (т.е. регион на насищане), Виждаме, че ширината на омичния регион за JFET е функция на напрежението порта-към-източник. Омичната област е доста линейна, докато коляното се появи близо до щипка. Този регион се нарича омичен регион защото когато транзисторът се използва в този регион, той се държи като омичен резистор, чиято стойност се определя от стойността на v_GS. С намаляването на величината на напрежението от порта към източника, ширината на омичната област се увеличава. От фигура 17 отбелязваме също, че напрежението на пробив е функция на напрежението от порта към източника. Всъщност, за да получим разумно линейно усилване на сигнала, трябва да използваме само относително малък сегмент от тези криви - зоната на линейна работа е в активната област.

As v_DS увеличава от нула, точка на прекъсване възниква на всяка крива, след която изтичане на ток се увеличава много малко v_DS продължава да нараства. При тази стойност на напрежението на изтичане към източник се появява прищипване. Стойностите за прищипване са обозначени на фигура 17 и са свързани с пунктирна крива, която разделя омичната област от активната област. Като v_DS продължава да се увеличава отвъд пинч-оф, достига се точка, където напрежението между източник и източник става толкова голямо, че счупване на лавина се случва. (Това явление се среща и в диоди и в BJTs). В точката на повреда, i_D рязко се увеличава с незначително увеличение v_DS, Това счупване се случва в края на изтичането на връзката на портата. Следователно, когато напрежението на дренажната врата, v_DG, надвишава напрежението на разрушаване (BV_GDS за pn кръстовище), настъпва лавина [за v_GS = 0 V]. На този етап i_D-v_DS Характеристиката показва характерната форма, показана в дясната част на фигура 17.

Регионът между напрежението на притискане и лавинния пробив се нарича активна област, област на усилвател, регион на насищане или отсечка. Омичната област (преди pinch-off) обикновено се нарича триодна област, но понякога се нарича област, контролирана от напрежение. JFET се управлява в омичен регион, когато се желае променлив резистор и при превключване на приложения.

Напрежението в разбиването е функция на v_GS както и v_DS, Тъй като величината на напрежението между портата и източника се увеличава (по-негативно за n-канал и по-позитивен за p-канал), напрежението на прекъсване намалява (виж Фигура 17). с v_GS = V_p, изтичане на ток е нула (с изключение на малък ток на изтичане), и с v_GS = 0, изтичащият поток се насища на стойност,

(18)

I_DSS е ток на насищане от източник към източник.

Между пинч-оф и разрушаване, изтичащият ток е наситен и не се променя значително в зависимост от v_DS, След като JFET премине работната точка на щипка, стойността на i_D може да се получи от характеристичните криви или от уравнението

(19)

По-точна версия на това уравнение (като се вземе предвид лекия наклон на характеристичните криви) е както следва:

(20)

λ е аналогичен на λ за MOSFETs и за 1 /V_A за BJTs. От λ е малък, предполагаме това , Това оправдава пропускането на втория фактор в уравнението и използването на апроксимацията за отклоняване и голям анализ на сигнала.

Ток на насищане от източник към източник, I_DSS, е функция на температурата. Въздействието на температурата върху V_p не са големи. Въпреки това, I_DSS намалява с нарастване на температурата, като намалението е толкова, колкото 25% за 100^o повишаване на температурата. Дори по-големи вариации настъпват V_p намлява I_DSS поради малки промени в производствения процес. Това може да се види като прегледате Приложението за 2N3822, където е максимумът I_DSS е 10 mA и минимумът е 2 mA.

Токовете и напреженията в този раздел са представени за n-канал JFET. Стойностите за a p-канал JFET е обратното на тези, дадени за nканален.

3.3 JFET Малък сигнален модел

JFET модел с малък сигнал може да бъде получен, следвайки същите процедури, използвани за MOSFET. Моделът се основава на връзката на уравнението (20). Ако вземем предвид само ac компонент на напрежения и токове, имаме

(21)

Параметрите в уравнението (21) са дадени от частичните производни,

(22)

Полученият модел е показан на фигура 18. Имайте предвид, че моделът е идентичен с предишния модел MOSFET, с изключение на стойностите на g_m намлява r_o се изчисляват, като се използват различни формули. Всъщност формулите са идентични, ако V_p се заменя V_T.

Фигура 18 - JFET модел с малък сигнал за променлив ток

За да проектирате JFET усилвател, Q-точка за dc ток на отклонение може да се определи или графично, или като се използва анализ на веригата, като се приеме режим на изключване на транзистора. Най- dc ток на отклонение в точката Q трябва да се намира между 30% и 70% от I_DSS, Това локализира Q-точката в най-линейната област на характеристичните криви.

Връзката между i_D намлява v_GS може да бъде нанесена на безразмерна графика (т.е. нормализирана крива), както е показано на фигура 20.

Вертикалната ос на тази графика е i_D/I_DSS и хоризонталната ос е v_GS/V_p, Наклонът на кривата е g_m.

Разумна процедура за локализиране на стойността в покой в близост до центъра на линейната работна област е да се избере и. Забележете от фигура 6.20, че това е близо до средната точка на кривата. След това избираме. Това дава широк диапазон от стойности за v_ds които пазят транзистора в режим на изключване.

Фигура 20 -i_D/I_DSS в сравнение с v_GS/V_p

Можем да намерим трансконтрактивността в Q-точката или от наклона на кривата на фигура 20, или с помощта на уравнение (22). Ако използваме тази процедура, параметърът за проводимост се дава от,

(23)

Не забравяйте, че тази стойност на g_m зависи от предположението, че I_D е половин I_DSS намлява V_GS . 0.3V_p, Тези стойности обикновено представляват добра отправна точка за задаване на стойности на покой за JFET.

ПРЕДИШЕН - 2. Металооксиден полупроводник FET (MOSFET)

NEXT-4. Конфигурации на FET усилватели и отклонение