3. Junction Field-effect Transistor (JFET)
STRØM - 3. Junction Field-effect Transistor (JFET)
TIDLIGERE - 2. Metal-oxid halvleder FET (MOSFET)
Junction Field-effect Transistor (JFET)
MOSFET har en række fordele i forhold til krydsfelt-effekt transistoren (JFET). MOSFET's inputresistens er især højere end JFET's. Af denne grund vælges MOSFET til fordel for JFET til de fleste applikationer. Ikke desto mindre anvendes JFET stadig i begrænsede situationer, især til analoge applikationer.
Vi har set, at ekstraudstyr MOSFET kræver en ikke-nul gate spænding til dannelse af en kanal til ledning. Ingen flertalsbærerstrøm kan strømme mellem kilden og afløbet uden denne anvendte gate spænding. I modsætning hertil styrer JFET konduktansen af majoritetsbærerstrømmen i en eksisterende kanal mellem to ohmiske kontakter. Det gør det ved at variere den tilsvarende kapacitans af enheden.
Selvom vi nærmer os JFET'er uden at bruge de resultater, der er afledt tidligere til MOSFET'er, vil vi se mange ligheder i driften af de to typer enheder. Disse ligheder er opsummeret i afsnit 6: "Sammenligning af MOSFET til JFET".
En skematisk for JFETs fysiske struktur er vist i figur 13. Ligesom BJT er JFET en tre terminal enhed. Den har stort set kun en pn kryds mellem porten og kanalen i stedet for to som i BJT (selv om der synes at være to pn krydsninger vist i figur 13, disse er forbundet parallelt ved at forbinde portterminalerne sammen. De kan således behandles som et enkelt kryds).
nkanalen JFET, vist i figur 14 (a), er konstrueret ved anvendelse af en strimmel af n-type materiale med to p-type materialer diffunderet i strimlen, en på hver side. Det p-kanalen JFET har en strimmel af p-type materiale med to n-type materialer diffunderet i strimlen, som vist i figur 13 (b). Figur 13 viser også kredsløbssymbolerne.
For at få indsigt i driften af JFET, lad os forbinde n-kanal JFET til et eksternt kredsløb som vist i figur 14 (a). En positiv forsyningsspænding, VDD, anvendes til afløbet (dette er analogt med VCC forsyningsspænding for en BJT) og kilden er knyttet til fælles (jord). En gate forsyningsspænding, VGG, anvendes til porten (dette er analogt med VBB for BJT).
Figur 13-Fysisk struktur af JFET
VDD tilvejebringer en spænding med spændingskilde, vDS, der forårsager en afløbsstrøm, iD, at strømme fra dræn til kilde. Da gate-kildeforbindelsen er omvendt forspændt, resulterer nulportstrøm. Drænstrømmen, iD, som er lig med kildestrømmen, findes i kanalen omgivet af p-type gate. Gate-to-source spændingen, vGS, som er lig med, skaber en udtømningsområde i kanalen som reducerer kanalbredden. Dette øger igen modstanden mellem afløb og kilde.
Figur 14 - n-kanal JFET forbundet til eksternt kredsløb
Vi overvejer JFET operation med vGS = 0, som vist i figur 14 (b). Drænstrømmen, iDGennem n-kanalen fra dræning til kilde forårsager et spændingsfald langs kanalen med det højere potentiale ved afløbsforbindelsen. Denne positive spænding ved afløbsforbindelsen reverserer forspændingen pn kryds og producerer et udtømningsområde, som det mørke skyggede område viser i figur 14 (b). Når vi stiger vDS, afløbsstrømmen, iD, øges også, som vist i figur 15.
Denne handling resulterer i et større udtømningsområde og en øget kanalmodstand mellem dræning og kilde. Som vDS øges yderligere, nås et punkt, hvor udtømningsområdet afskærer hele kanalen ved afløbskanten, og afløbsstrømmen når sit mætningssted. Hvis vi øger vDS ud over dette punkt, iD forbliver relativt konstant. Værdien af den mættede afløbsstrøm med VGS = 0 er en vigtig parameter. Det er drain-source-mætningsstrøm, IDSS. Vi fandt det at være KVT2 for udtømningstilstanden MOSFET. Som det fremgår af figur 15, øges vDS ud over denne såkaldte kanal pinch-off punkt (-VP, IDSS) forårsager en meget lille stigning i iD, og iD-vDS karakteristisk kurve bliver næsten flad (dvs. iD forbliver forholdsvis konstant som vDS øges yderligere). Husk det VT (nu udpeget VP) er negativ for en nkanalen enhed. Drift ud over afklemningspunktet (i mætningsområdet) opnås, når drænspændingen, VDS, er større end -VP (se figur 15). Som et eksempel, lad os sige VP = -4V, det betyder, at drænspændingen, vDS, skal være større end eller lig med - (- 4V) for at JFET skal forblive i mætningsområdet (normal drift).
Denne beskrivelse angiver, at JFET er en enhed med udtømningstype. Vi forventer, at dets egenskaber svarer til de af MOSFETs udtømning. Der er dog en vigtig undtagelse: Mens det er muligt at anvende en MOSFET-udtømningstype i forstærkningstilstanden (ved at anvende en positiv vGS hvis enheden er n-kanalen) dette er ikke praktisk i JFET-typen. I praksis er det maksimale vGS er begrænset til ca. 0.3V siden pn-forbindelsen forbliver i det væsentlige afskåret med denne lille fremspænding.
Figur 15 - iD versus vDS karakteristisk for n-kanalen JFET (VGS = 0V)
3.1 JFET Gate-To-Source Spændingsvariation
I det foregående afsnit udviklede vi iD-vDS karakteristisk kurve med VGS = 0. I dette afsnit betragter vi det komplette iD-vDS karakteristika for forskellige værdier af vGS. Bemærk at i tilfælde af BJT er de karakteristiske kurver (iC-vCE) har iB som parameter. FET er en spændingsstyret enhed hvor vGS gør det kontrollerende. Figur 16 viser iD-vDS karakteristiske kurver for begge n-kanalen og p-kanalen JFET.
Figur 16-iD-vDS karakteristiske kurver for JFET
Efterhånden som det stiger 
(vGS er mere negativ for en n-kanalen og mere positiv for a p-kanalen) udtømningsområdet dannes, og klipning opnås for lavere værdier af iD. Derfor for n-kanalen JFET i figur 16 (a), maksimumet iD reducerer fra IDSS as vGS gøres mere negativ. Hvis vGS er yderligere reduceret (mere negativ), en værdi på vGS nås, hvorefter iD vil være nul uanset værdien af vDS. Denne værdi af vGS Hedder VGS (OFF) eller spændingsspænding (Vp). Værdien af Vp er negativ for en n-kanalen JFET og positiv for a p-kanalen JFET. Vp kan sammenlignes med VT for udtømningstilstanden MOSFET.
3.2 JFET Transfer Egenskaber
Overførselskarakteristikken er et plot af drænstrømmen, iD, som en funktion af dræn til kilde spænding, vDS, med vGS svarende til et sæt konstante spændinger (vGS = -3V, -2, -1V, 0V i figur 16 (a)). Overførselskarakteristikken er næsten uafhængig af værdien af vDS siden efter JFET når pinch-off, iD forbliver forholdsvis konstant for stigende værdier af vDS. Dette kan ses fra iD-vDS kurver i figur 16, hvor hver kurve bliver omtrent flad for værdier af vDS>Vp.
I figur 17 viser vi overføringsegenskaberne og iD-vDS karakteristika for en n-kanalen JFET. Vi plotte disse med en fælles iD akse for at vise, hvordan man får den ene fra den anden. Overførselsegenskaberne kan hentes fra en forlængelse af iD-vDS kurver som vist med de stiplede linjer i figur 17. Den mest nyttige metode til bestemmelse af overførselskarakteristikken i mætningsområdet er med følgende forhold (Shockley-ligningen):
(16)
Derfor behøver vi kun at vide IDSS , Vp for at bestemme hele karakteristikken. Producentens datablade giver ofte disse to parametre, så overførselskarakteristikken kan konstrueres. Vp i producentens specifikationsark vises som VGS (OFF). Bemærk, at iD mættede, (dvs. bliver konstant) som vDS overstiger den spænding, der er nødvendig for at kanalen klipper ud. Dette kan udtrykkes som en ligning for vDS, sad forum hver kurve, som følger:
(17)
As vGS bliver mere negativ, forekommer klemningen ved lavere værdier af vDS og mætningsstrømmen bliver mindre. Den anvendelige region for lineær drift er over knivspids og under nedbrydningsspændingen. I denne region, iD er mættet og dets værdi afhænger af vGS, ifølge ligning (16) eller overførselskarakteristikken.
Figur 17 - JFET overføringsegenskaber kurver
Overførslen og iD-vDS karakteristiske kurver for JFET, som er vist i figur 17, afviger fra de tilsvarende kurver for en BJT. BJT-kurverne kan repræsenteres som jævnt fordelt for ensartede trin i basisstrøm på grund af det lineære forhold mellem iC , iB. JFET og MOSFET har ingen strøm analog med en basestrøm, fordi portstrømmene er nul. Derfor er vi tvunget til at vise kurvens familie iD vs vDS, og relationerne er meget ikke-lineære.
Den anden forskel vedrører størrelsen og formen af den ohmiske region af de karakteristiske kurver. Husk at ved at bruge BJT'er undgår vi ikke-lineær drift ved at undgå den lavere 5% af værdierne af vCE (dvs. mætning region). Vi ser at bredden af den ohmiske region for JFET er en funktion af gate-to-source spændingen. Det ohmske område er ret lineært, indtil knæet opstår tæt på knivspidsen. Denne region hedder ohmiske region fordi når transistoren anvendes i denne region, opfører den sig som en ohmisk modstand, hvis værdi bestemmes af værdien af vGS. Når størrelsen af gate-til-source-spændingen falder, øges bredden af det ohmske område. Vi bemærker også fra figur 17, at nedbrydningsspændingen er en funktion af gate-til-kildespændingen. For at opnå en rimelig lineær signalforstærkning skal vi faktisk kun bruge et relativt lille segment af disse kurver - området for lineær drift er i det aktive område.
As vDS stiger fra nul, forekommer der et brudpunkt på hver kurve, ud over hvilken drænstrømmen øges meget lidt som vDS fortsætter med at stige. Ved denne værdi af dræning til kilde spænding opstår knivspidsen. Pinch-off værdierne er mærket i figur 17 og er forbundet med en stiplet kurve, der adskiller det ohmiske område fra det aktive område. Som vDS fortsætter med at stige ud over knivspidsen, nås et punkt, hvor spændingen mellem afløb og kilde bliver så stor som lavine opsplitning opstår. (Dette fænomen forekommer også i dioder og i BJT'er). Ved nedbrudspunktet, iD stiger kraftigt med en ubetydelig stigning i vDS. Denne sammenbrud finder sted ved afløbsenden af gate-kanalforbindelsen. Derfor, når dræn-spændingen, vDG, overstiger opdelingsspændingen (BVGDS for pn kryds) forekommer lavine [for vGS = 0 V]. På dette tidspunkt er iD-vDS karakteristisk udviser den ejendommelige form vist på højre side af figur 17.
Regionen mellem nivelleringsspændingen og lavinafbrydelsen hedder aktiv region, forstærkeroperationsområde, mætningsområde eller knivspidsområde. Den ohmiske region (før knivspids) kaldes normalt triode region, men det kaldes nogle gange spændingsstyrede område. JFET'en betjenes i den ohmiske region, både når der ønskes en variabel modstand og i skifteapplikationer.
Afbrydelsespændingen er en funktion af vGS såvel som vDS. Da størrelsen af spændingen mellem gate og kilde er forøget (mere negativ for n-kanalen og mere positiv til p-kanalen), nedbrydes spændingen (se figur 17). Med vGS = Vp, afløbsstrømmen er nul (undtagen en lille lækstrøm) og med vGS = 0, drænet strømmen mættes til en værdi,
(18)
IDSS er mætning dræning til kilde strøm.
Mellem klemning og nedbrydning er afløbsstrømmen mættet og ændrer sig ikke markant som en funktion af vDS. Efter at JFET har afbrudt driftspunktet, er værdien af iD kan fås fra de karakteristiske kurver eller fra ligningen
(19)
En mere præcis version af denne ligning (under hensyntagen til den lille hældning af karakteristiske kurver) er som følger:
(20)
λ er analog med λ for MOSFET'er og til 1 /VA for BJTs. Siden λ er lille, vi antager det 
. Dette begrunder at udelade den anden faktor i ligningen og anvende tilnærmelsen til forspænding og stor signalanalyse.
Mætningen af drain-to-source strømmen, IDSS, er en funktion af temperaturen. Virkningerne af temperaturen på Vp er ikke store. Imidlertid, IDSS falder efterhånden som temperaturen stiger, faldet er så meget som 25% for en 100o stigning i temperaturen. Endnu større variationer forekommer i Vp , IDSS på grund af små variationer i fremstillingsprocessen. Dette kan ses ved at se i tillægget til 2N3822 hvor maksimumet IDSS er 10 mA og minimum er 2 mA.
Strømmene og spændingerne i dette afsnit præsenteres for en n-kanalen JFET. Værdierne for a p-kanalen JFET er omvendt af dem, der er givet til n-kanal.
3.3 JFET Small Signal AC Model
En JFET-små-signalmodel kan udledes efter de samme procedurer, der anvendes til MOSFET. Modellen er baseret på forholdet mellem ligning (20). Hvis vi kun overvejer ac komponent af spændinger og strømme, vi har
(21)
Parametrene i ligning (21) er givet af de partielle derivater,
(22)
Den resulterende model er vist i figur 18. Bemærk at modellen er identisk med den tidligere MOSFET-model, bortset fra at værdierne for gm , ro beregnes ved anvendelse af forskellige formler. Faktisk er formlerne identiske, hvis Vp er erstattet VT.
Figur 18 - JFET AC-model med lille signal
For at designe en JFET forstærker, Q-punktet for dc forspændingsstrøm kan bestemmes enten grafisk eller ved brug af kredsløbsanalyse under forudsætning af afklemningstilstand for transistoren. Det dc bias nuværende ved Q-punktet skal ligge mellem 30% og 70% af IDSS. Dette lokaliserer Q-punktet i den mest lineære region af karakteristiske kurver.
Forholdet imellem iD , vGS kan tegnes på en dimensionsløs graf (dvs. en normaliseret kurve) som vist i figur 20.
Den vertikale akse i denne graf er iD/IDSS og den vandrette akse er vGS/Vp. Kurvens hældning er gm.
En rimelig procedure til at lokalisere den hvilende værdi nær midten af det lineære driftsområde er at vælge og. Bemærk fra figur 6.20, at dette er nær kurvens midtpunkt. Dernæst vælger vi. Dette giver en bred vifte af værdier for vds som holder transistoren i klemmefunktionen.
Figur 20 -iD/IDSS versus vGS/Vp
Vi kan finde transconductancen ved Q-punktet enten fra kurvens hældning i figur 20 eller ved at bruge ligning (22). Hvis vi bruger denne procedure, er transconductance parameteren givet af,
(23)
Husk at denne værdi af gm afhænger af den antagelse, at ID er sat til halvdelen IDSS , VGS . 0.3Vp. Disse værdier repræsenterer normalt et godt udgangspunkt for at indstille de hvile værdier for JFET.