3. Transistor d’efecte de camp de connexió (JFET)

Transistor d’efecte de camp de connexió (JFET)

El MOSFET té diversos avantatges sobre el transistor d’efecte de camp de la unió (JFET). Cal destacar que la resistència d’entrada del MOSFET és superior a la del JFET. Per aquest motiu, el MOSFET es selecciona a favor del JFET per a la majoria de les aplicacions. No obstant això, el JFET segueix sent utilitzat en situacions limitades, especialment per a aplicacions analògiques.

Hem vist que els MOSFET de millora requereixen una tensió diferent de zero per formar un canal de conducció. Cap corrent del portador majoritari no pot fluir entre la font i el desguàs sense aquesta tensió de porta aplicada. Per contra, el JFET controla la conductància del corrent majoritari del portador en un canal existent entre dos contactes ohmics. Això ho fa variant la capacitat equivalent del dispositiu.

Tot i que ens apropem als JFET sense utilitzar els resultats obtinguts anteriorment per als MOSFET, veurem moltes similituds en el funcionament dels dos tipus de dispositius. Aquestes similituds es resumeixen a la secció 6: "Comparació de MOSFET amb JFET".

A la figura 13 es mostra un esquema de l’estructura física del JFET. Igual que el BJT, el JFET és un dispositiu de tres terminals. Bàsicament només té una pn unió entre la porta i el canal en lloc de dos com a BJT (encara que sembla que hi ha dos pn les unions mostrades a la figura 13, aquestes es connecten en paral·lel connectant els terminals de la porta juntes. Per tant, es poden tractar com una única unió).

El n-Canal JFET, que es mostra a la figura 14 (a), es construeix utilitzant una tira de n-Escriu el material amb dos p- Tipus de materials difosos a la cinta, un a cada costat. El p-canal JFET té una tira de p-Escriu el material amb dos n- Tipus de materials difosos a la cinta, com es mostra a la figura 13 (b). La figura 13 també mostra els símbols del circuit.

Per obtenir informació sobre el funcionament de la JFET, connecteu-nos el n-canal JFET a un circuit extern com es mostra a la figura 14 (a). Una tensió de subministrament positiva, VDD, s'aplica al drenatge (això és anàleg al VCC tensió d’alimentació per a un BJT) i l’origen s’adjunta al terreny comú. Una tensió d'alimentació de la porta, VGG, s’aplica a la porta (això és anàleg a) VBB per al BJT).

Estructura física de JFET

Figura 13-Estructura física de JFET

VDD proporciona un voltatge de la font de drenatge, vDS, que provoca un corrent de drenatge, iD, per passar del desguàs a la font. Atès que la unió de la porta-font és polaritzada inversament, els resultats actuals de porta zero. El corrent de drenatge, iD, que és igual al corrent de font, existeix al canal envoltat de p-Port de tipus. El voltatge de la porta a la font, vGS, que és igual a, crea un regió d'esgotament al canal que redueix l’amplada del canal. Això, al seu torn, augmenta la resistència entre el drenatge i la font.

n-canal JFET

Figura 14: JFET de canal n connectat a circuits externs

Considerem l’operació de JFET amb vGS = 0, com es mostra a la figura 14 (b). El corrent de drenatge, iD, A través de l' n-el canal del desguàs a la font provoca una caiguda de tensió al llarg del canal, amb el major potencial a la unió de drenatge. Aquesta tensió positiva a la unió de drenatge de la porta desvia la polarització pn unió i produeix una regió d'esgotament, tal com mostra la zona fosca a la figura 14 (b). Quan augmentem vDS, el corrent de drenatge, iD, també augmenta, com es mostra a la figura 15.

Aquesta acció resulta en una regió d'esgotament més gran i una major resistència al canal entre el drenatge i la font. Com vDS s’incrementa encara més, s’arriba a un punt on la regió d’esgotament talla el canal sencer a la vora de drenatge i el corrent de drenatge arriba al seu punt de saturació. Si augmentem vDS més enllà d'aquest punt, iD roman relativament constant. El valor del corrent de drenatge saturat amb VGS = 0 és un paràmetre important. Això és el corrent de saturació de la font de drenatge, IDSS. Ho hem trobat KVT2 per al mode de desgast MOSFET. Com es pot veure a la figura 15, augmentant vDS més enllà d’aquest canal anomenat pinch-off punt (-VP, IDSS) produeix un lleuger augment de iD, I el iD-vDS la corba característica es torna gairebé plana (és a dir, iD roman relativament constant com vDS augmenta encara més). Recordeu-ho VT (ara designat VP) és negatiu per a un n- dispositiu de canal. L’operació més enllà del punt d’arrossegament (a la regió de saturació) s’obté quan la tensió de drenatge, VDS, és més gran que -VP (vegeu la figura 15). Com a exemple, diguem VP = -4V, això vol dir que la tensió de drenatge, vDS, ha de ser superior o igual a - (- 4V) perquè el JFET es mantingui a la regió de saturació (operació normal).

Aquesta descripció indica que el JFET és un dispositiu de tipus esgotament. Esperem que les seves característiques siguin similars a les dels MOSFET d’esgotament. No obstant això, hi ha una excepció important: si bé és possible operar un MOSFET de tipus esgotament en el mode de millora (aplicant un valor positiu) vGS si el dispositiu és n-channel) això no és pràctic en el dispositiu tipus JFET. A la pràctica, el màxim vGS es limita a aproximadament 0.3V des de la pnLa unió continua essent essencialment tallada amb aquesta petita tensió cap endavant.

Figura 15 –– iD davant vDS característic de n-canal JFET (VGS = 0V)

3.1 JFET Gate-to-Source Voltation Variation

A la secció anterior vam desenvolupar el document iD-vDS corba característica amb VGS = 0. En aquesta secció, considerem el complet iD-vDS característiques per a diversos valors de vGS. Tingueu en compte que, en el cas del BJT, les corbes característiques (iC-vCE) tenir iB com a paràmetre. El FET és un dispositiu controlat per voltatge on vGS fa el control. La figura 16 mostra la imatge iD-vDS corbes característiques per als dos n-canal i p-canal JFET.

Figura 16-iD-vDS corbes característiques per a JFET

A mesura que augmenta  (vGS és més negatiu per a un n-canal i més positiu per a p-canal) es forma la regió d'esgotament i s'aconsegueix un pessic per a valors inferiors de iD. Per tant, per al n-canal JFET de la figura 16 (a), el màxim iD es redueix de IDSS as vGS es fa més negativa. Si vGS es redueix encara més (més negatiu), un valor de vGS s’aconsegueix després d’ella iD serà zero independentment del valor de vDS. Aquest valor de vGS es diu VGS (OFF), O tensió de pessic (Vp). El valor de Vp és negatiu per a un n-canal JFET i positiu per a p-canal JFET. Vp es pot comparar amb VT per al mode de desgast MOSFET.

Característiques de transferència 3.2 JFET

La característica de transferència és una trama del corrent de drenatge, iD, com a funció del voltatge de drenatge a font, vDS, Amb vGS igual a un conjunt de tensions constants (vGS = -3V, -2, -1V, 0V a la figura 16 (a)). La característica de transferència és gairebé independent del valor de vDS ja que després que el JFET arribi a un pinch-off, iD roman relativament constant per augmentar els valors de vDS. Això es pot veure a partir del iD-vDS corbes de la figura 16, on cada corba es fa aproximadament plana per als valors de vDS>Vp.

A la figura 17, mostrem les característiques de la transferència i la iD-vDS característiques d’un n-canal JFET. Els dibuixem amb un tema comú iD eix per mostrar com obtenir un de l’altre. Les característiques de transferència es poden obtenir a partir d’una extensió del iD-vDS corbes tal com es mostren a les línies discontínues de la figura 17. El mètode més útil per determinar la característica de transferència a la regió de saturació és la següent relació (equació de Shockley):


(16)

Per tant, només hem de saber IDSS i Vp per determinar tota la característica. Les fitxes de dades dels fabricants solen donar aquests dos paràmetres, de manera que es pot construir la característica de transferència. Vp al full d’especificacions del fabricant es mostra com VGS (OFF). Tingues en compte que iD satura, (és a dir, es converteix en constant) com vDS excedeix la tensió necessària perquè el canal es pugui pessigar. Això es pot expressar com a equació de vDS, assegut for cada corba, de la següent manera:


(17)

As vGS es torna més negatiu, el pinch-off es produeix a valors inferiors de vDS i la intensitat de saturació es redueix. La regió útil per a l'operació lineal es troba per sobre de la tensió de desglossament i per sota. En aquesta regió, iD està saturat i el seu valor depèn de vGS, segons l’equació (16) o la característica de transferència.

Figura 17 - Corbes de característiques de transferència de JFET

La transferència i iD-vDS les corbes característiques de la JFET, que es mostren a la figura 17, difereixen de les corbes corresponents per a un BJT. Les corbes BJT es poden representar com espaiades uniformement per a passos uniformes en la base de la base a causa de la relació lineal entre iC i iB. El JFET i el MOSFET no tenen un corrent anàleg a un corrent base perquè els corrents de la porta són nuls. Per tant, estem obligats a mostrar la família de corbes iD vs vDS, i les relacions són molt poc lineals.

La segona diferència es refereix a la mida i la forma de la regió ohmica de les corbes característiques. Recordem que en utilitzar BJTs, evitem l’operació no lineal evitant el percentatge 5 inferior dels valors de vCE (és a dir, el regió de saturació). Veiem que l’amplada de la regió ohmica del JFET és una funció de la tensió entre la porta i la font. La regió ohmica és bastant lineal fins que el genoll es produeix a prop de pessigar. Aquesta regió es diu la regió ohmica perquè quan s'utilitza el transistor en aquesta regió, es comporta com una resistència ohmica el valor del qual es determina pel valor de vGS. A mesura que disminueix la magnitud del voltatge de la porta a la font, l'amplada de la regió òhmica augmenta. També observem a la figura 17 que la tensió de ruptura és una funció de la tensió de porta a font. De fet, per obtenir una amplificació del senyal raonablement lineal, hem d’utilitzar només un segment relativament petit d’aquestes corbes: l’àrea d’operació lineal es troba a la regió activa.

As vDS augmenta des de zero, es produeix un punt de ruptura en cada corba més enllà de la qual el corrent de drenatge augmenta molt poc com vDS continua augmentant. Amb aquest valor de tensió de drenatge a font, es produeix un pinch-off. Els valors de pessigar es marquen a la figura 17 i estan connectats amb una corba discontínua que separa la regió ohmica de la regió activa. Com vDS continua augmentant més enllà del pessic, s'arriba a un punt on la tensió entre el drenatge i la font esdevé tan gran que avaria de allaus es produeix. (Aquest fenomen també es produeix en díodes i en BJTs). Al punt d’avaluació, iD augmenta bruscament amb un augment insignificant de vDS. Aquest desglossament es produeix a l’extrem de drenatge de la unió del canal de porta. Per tant, quan la tensió de drenatge de la porta, vDG, supera la tensió de desglossament (BVGDS per al pn cruïlla), es produeix una allau [per vGS = 0 V]. En aquest punt, el iD-vDS la característica mostra la forma peculiar que es mostra a la part dreta de la figura 17.

La regió entre la tensió de pessigar i la ruptura d'allaus es denomina la regió activa, regió operativa de l’amplificador, regió de saturació, O regió de pessic. La regió ohmica (abans del pinch-off) normalment s'anomena la regió de triode, però de vegades es diu el regió controlada per voltatge. El JFET és operat a la regió ohmica tant quan es vol una resistència variable com en aplicacions de commutació.

La tensió de ruptura és una funció de vGS així com vDS. A mesura que augmenta la magnitud de la tensió entre la porta i la font (més negativa per a n-canal i més positiu per a p-canal), la tensió de descompte disminueix (vegeu la figura 17). Amb vGS = Vp, el corrent de drenatge és zero (excepte per a una petita corrent de fuga) i amb vGS = 0, el corrent de drenatge satura amb un valor,


(18)

IDSS és el saturació corrent drenatge-font.

Entre pinch-off i breakdown, el corrent de drenatge està saturat i no canvia sensiblement en funció de vDS. Després de la JFET passa el punt d’operació de pessigar, el valor de iD es pot obtenir a partir de les corbes característiques o de l’equació


(19)

Una versió més precisa d’aquesta equació (tenint en compte la lleugera inclinació de les corbes característiques) és la següent:


(20)

λ és anàleg a la λ per a MOSFET i 1 /VA per a BJTs. Des de λ és petit, suposem que  . Això justifica ometre el segon factor de l’equació i utilitzar l’aproximació per a la polarització i l’anàlisi de senyals grans.

El corrent de saturació de drenatge a font, IDSS, és una funció de la temperatura. Els efectes de la temperatura sobre Vp no són grans. Malgrat això, IDSS disminueix a mesura que augmenta la temperatura, la disminució és fins a 25% per a 100o augment de temperatura. Fins i tot es produeixen variacions més grans Vp i IDSS a causa de petites variacions en el procés de fabricació. Això es pot veure visualitzant l’apèndix del 2N3822 on el màxim IDSS és 10 mA i el mínim és 2 mA.

Els corrents i tensions d’aquesta secció es presenten per a un n-canal JFET. Els valors d’un p-Channel JFET és el contrari dels donats per a la n-canal.

3.3 JFET Model de senyal ac petita

Es pot derivar un model de senyal petita JFET seguint els mateixos procediments utilitzats per al MOSFET. El model es basa en la relació d’equacions (20). Si considerem només el ac component de les tensions i corrents, tenim


(21)

Els paràmetres de l’equació (21) són donats per les derivades parcials,


(22)

El model resultant es mostra a la figura 18. Tingueu en compte que el model és idèntic al model MOSFET derivat anteriorment, excepte que els valors de gm i ro es calculen amb diferents fórmules. En realitat, les fórmules són idèntiques si Vp és substituït per VT.

Figura 18: model de corrent altern de senyal JFET

Per dissenyar un amplificador JFET, el punt Q del dc El corrent de biaix es pot determinar gràficament o mitjançant l’anàlisi de circuits suposant el mode de pessigar per al transistor. El dc el corrent de biaix al punt Q hauria d'estar entre X% i 30% de IDSS. Això situa el punt Q a la regió més lineal de les corbes característiques.

La relació entre iD i vGS es pot representar en un gràfic adimensional (és a dir, una corba normalitzada) com es mostra a la figura 20.

L’eix vertical d’aquest gràfic és iD/IDSS i l’eix horitzontal és vGS/Vp. El pendent de la corba és gm.

Un procediment raonable per localitzar el valor en repòs prop del centre de la regió operativa lineal és seleccionar i. Tingueu en compte a la figura 6.20 que és a prop del punt mig de la corba. A continuació, seleccionem. Això proporciona una àmplia gamma de valors per a vds que mantenen el transistor en mode de pessigar.

Figura 20 -iD/IDSS davant vGS/Vp

Es pot trobar la transconductància en el punt Q ja sigui des de la inclinació de la corba de la figura 20 o bé utilitzant l’equació (22). Si utilitzem aquest procediment, el paràmetre de transconductància es dóna per,


(23)

Recordeu que aquest valor de gm depèn de la suposició que ID es fixa a la meitat IDSS i VGS . 0.3Vp. Aquests valors normalment representen un bon punt de partida per establir els valors de reposició del JFET.