3. Τρανζίστορ επιδράσεων πεδίου (JFET)

Τρανζίστορ επιδράσεων πεδίου σύνδεσης (JFET)

Το MOSFET έχει ένα αριθμό πλεονεκτημάτων έναντι του τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος (JFET). Συγκεκριμένα, η αντίσταση εισόδου του MOSFET είναι υψηλότερη από αυτή του JFET. Για το λόγο αυτό, το MOSFET επιλέγεται υπέρ του JFET για τις περισσότερες εφαρμογές. Παρόλα αυτά, το JFET χρησιμοποιείται ακόμα σε περιορισμένες περιπτώσεις, ειδικά για αναλογικές εφαρμογές.

Έχουμε δει ότι τα ενισχυτικά MOSFETs απαιτούν τάση μη-μηδενικής πύλης για να σχηματίσουν ένα κανάλι για αγωγιμότητα. Δεν υπάρχει ρεύμα πλειοψηφίας-μεταφορέα μεταξύ της πηγής και της αποχέτευσης χωρίς αυτή την εφαρμοζόμενη τάση πύλης. Σε αντίθεση, το JFET ελέγχει την αγωγιμότητα του ρεύματος πλειοψηφίας-φορέα σε ένα υπάρχον κανάλι μεταξύ δύο ωμικών επαφών. Αυτό επιτυγχάνεται μεταβάλλοντας την αντίστοιχη χωρητικότητα της συσκευής.

Αν και προσεγγίζουμε τα JFET χωρίς να χρησιμοποιούμε τα αποτελέσματα που προέκυψαν νωρίτερα για MOSFET, θα δούμε πολλές ομοιότητες στη λειτουργία των δύο τύπων συσκευών. Αυτές οι ομοιότητες συνοψίζονται στην Ενότητα 6: «Σύγκριση του MOSFET με το JFET».

Ένα σχήμα για τη φυσική δομή του JFET φαίνεται στο σχήμα 13. Όπως το BJT, το JFET είναι μια συσκευή τριών τερματικών. Έχει βασικά μόνο ένα pn διασταύρωση μεταξύ της πύλης και του καναλιού αντί δύο όπως στο BJT (αν και φαίνεται να υπάρχουν δύο pn διασταυρώσεις που φαίνονται στο σχήμα 13, αυτές συνδέονται παράλληλα με καλωδίωση των ακροδεκτών της πύλης από κοινού. Μπορούν έτσι να αντιμετωπίζονται ως μια ενιαία διασταύρωση).

Η nJFET καναλιού, που φαίνεται στο σχήμα 14 (a), κατασκευάζεται με λωρίδα από nτύπου με δύο pτα οποία διαχέονται στη λωρίδα, ένα σε κάθε πλευρά. ο pJFET καναλιού έχει μια λωρίδα από pτύπου με δύο nτύπου που διαχέονται στη λωρίδα, όπως φαίνεται στο σχήμα 13 (b). Στο σχήμα 13 εμφανίζονται επίσης τα σύμβολα κυκλώματος.

Για να πάρετε μια εικόνα για τη λειτουργία του JFET, ας συνδεθούμε n- JFET καναλιού σε ένα εξωτερικό κύκλωμα όπως φαίνεται στο σχήμα 14 (a). Μια θετική τάση τροφοδοσίας, V_DD, εφαρμόζεται στην αποστράγγιση (αυτό είναι ανάλογο με το V_CC τάση τροφοδοσίας για ένα BJT) και η πηγή είναι συνδεδεμένη με κοινή (επίγεια). Μια τάση τροφοδοσίας πύλης, V_GG, εφαρμόζεται στην πύλη (αυτό είναι ανάλογο με το V_BB για το BJT).

Εικόνα 13-Φυσική δομή του JFET

V_DD παρέχει μια τάση πηγής αποστράγγισης, v_DS, που προκαλεί ρεύμα αποστράγγισης, i_D, να ρέει από την αποστράγγιση στην πηγή. Εφόσον η διασταύρωση πύλης-πηγής είναι αντίστροφα προκαθορισμένη, προκύπτει μηδενικό ρεύμα πύλης. Το ρεύμα αποστράγγισης, i_D, το οποίο είναι ίσο με το ρεύμα πηγής, υπάρχει στο κανάλι που περιβάλλεται από το p-πύρηνα. Η τάση πύλης προς πηγή, v_GS, το οποίο ισούται με, δημιουργεί ένα περιοχή εξάντλησης στο κανάλι που μειώνει το πλάτος του καναλιού. Αυτό, με τη σειρά του, αυξάνει την αντίσταση μεταξύ της αποχέτευσης και της πηγής.

Εικόνα 14 - JFET κανάλι n συνδεδεμένο σε εξωτερικά κυκλώματα

Θεωρούμε τη λειτουργία JFET με v_GS = 0, όπως φαίνεται στο σχήμα 14 (b). Το ρεύμα αποστράγγισης, i_D, Μέσω της nαπό την αποστράγγιση στην πηγή προκαλεί πτώση τάσης κατά μήκος του καναλιού, με το υψηλότερο δυναμικό στη διακλάδωση αποστράγγισης-πύλης. Αυτή η θετική τάση στην διακλάδωση αποστράγγισης-πύλης αντιστρέφει την pn και δημιουργεί μια περιοχή εξάντλησης, όπως φαίνεται από τη σκοτεινή σκιασμένη περιοχή στο σχήμα 14 (b). Όταν μεγαλώνουμε v_DS, το ρεύμα αποστράγγισης, i_D, επίσης αυξάνεται, όπως φαίνεται στο σχήμα 15.

Αυτή η ενέργεια έχει ως αποτέλεσμα μια μεγαλύτερη περιοχή εξάντλησης και μια αυξημένη αντίσταση καναλιού μεταξύ της αποχέτευσης και της πηγής. Οπως και v_DS αυξάνεται περαιτέρω, σημειώνεται ένα σημείο όπου η περιοχή εξάντλησης αποκόπτει ολόκληρο το κανάλι στην άκρη αποστράγγισης και το ρεύμα αποστράγγισης φτάνει στο σημείο κορεσμού του. Αν αυξήσουμε v_DS πέρα από αυτό το σημείο, i_D παραμένει σχετικά σταθερή. Η τιμή του κορεσμένου ρεύματος αποστράγγισης με V_GS = 0 είναι μια σημαντική παράμετρος. Είναι το πηγή κορεσμού πηγής αποστράγγισης, I_DSS. Το βρήκαμε KV_T² για τη λειτουργία εξάντλησης MOSFET. Όπως φαίνεται από το σχήμα 15, αυξάνεται v_DS πέρα από αυτό το λεγόμενο κανάλι αποκοπή σημείο (-V_P, I_DSS) προκαλεί πολύ μικρή αύξηση i_D, και το i_D-v_DS η χαρακτηριστική καμπύλη γίνεται σχεδόν επίπεδη (δηλ. i_D παραμένει σχετικά σταθερή ως v_DS αυξάνεται περαιτέρω). Θυμηθείτε αυτό V_T (που έχει οριστεί τώρα V_P) είναι αρνητική για ένα n-η συσκευή καναλιού. Η λειτουργία πέρα από το σημείο αποκοπής (στην περιοχή κορεσμού) επιτυγχάνεται όταν η τάση αποστράγγισης, V_DS, είναι μεγαλύτερο από -V_P (βλέπε Εικόνα 15). Για παράδειγμα, ας πούμε V_P = -4V, αυτό σημαίνει ότι η τάση αποστράγγισης, v_DS, πρέπει να είναι μεγαλύτερο ή ίσο με - (- 4V) ώστε η JFET να παραμείνει στην περιοχή κορεσμού (κανονική λειτουργία).

Αυτή η περιγραφή υποδεικνύει ότι το JFET είναι μια συσκευή τύπου εξάντλησης. Αναμένουμε ότι τα χαρακτηριστικά του είναι παρόμοια με εκείνα των MOSFETs εξάντλησης. Ωστόσο, υπάρχει μια σημαντική εξαίρεση: Παρόλο που είναι δυνατή η λειτουργία ενός MOSFET τύπου εξάντλησης στη λειτουργία βελτίωσης (εφαρμόζοντας ένα θετικό v_GS αν είναι η συσκευή n-κανάλι) αυτό δεν είναι πρακτικό στη συσκευή τύπου JFET. Στην πράξη, το μέγιστο v_GS περιορίζεται σε περίπου 0.3V από το pn-αποκοπή παραμένει ουσιαστικά αποκοπή με αυτή τη μικρή τάση προς τα εμπρός.

Σχήμα 15 - i_D έναντι v_DS χαρακτηριστικό για n-η καναλιού JFET (V_GS = 0V)

Παραλλαγή τάσης 3.1 JFET πύλης προς πηγή

Στην προηγούμενη ενότητα αναπτύξαμε το i_D-v_DS χαρακτηριστική καμπύλη με V_GS = 0. Σε αυτή την ενότητα, θεωρούμε την πλήρη i_D-v_DS χαρακτηριστικά για διάφορες τιμές του v_GS. Σημειώστε ότι στην περίπτωση του BJT, οι χαρακτηριστικές καμπύλες (i_C-v_CE) έχουν i_B ως παράμετρο. Το FET είναι μια συσκευή ελεγχόμενη από τάση όπου v_GS ο έλεγχος. Το σχήμα 16 δείχνει το i_D-v_DS χαρακτηριστικές καμπύλες και για το n- κανάλι και p-η καναλιού JFET.

Σχήμα 16-i_D-v_DS χαρακτηριστικές καμπύλες για το JFET

Όσο αυξάνεται (v_GS είναι πιο αρνητικό για ένα n-καναλικό και πιο θετικό για ένα p- κανάλι) σχηματίζεται η περιοχή εξάντλησης και επιτυγχάνεται η αποκοπή για χαμηλότερες τιμές i_D. Ως εκ τούτου για το n-Κανάλι JFET του Σχήματος 16 (a), το μέγιστο i_D μειώνει από I_DSS as v_GS γίνεται πιο αρνητική. Αν v_GS μειώνεται περαιτέρω (περισσότερο αρνητική), μια τιμή του v_GS μετά από αυτό i_D θα είναι μηδέν ανεξάρτητα από την τιμή του v_DS. Αυτή η τιμή του v_GS λέγεται V_{GS (OFF)}, ή τάση αποκοπής (V_p). Η αξία του V_p είναι αρνητικό για ένα nJFET καναλιού και θετικό για α p-η καναλιού JFET. V_p μπορεί να συγκριθεί με V_T για τη λειτουργία εξάντλησης MOSFET.

Χαρακτηριστικά μεταφοράς 3.2 JFET

Το χαρακτηριστικό μεταφοράς είναι μια γραφική παράσταση του ρεύματος αποστράγγισης, i_D, ως συνάρτηση της τάσης αποστράγγισης προς πηγή, v_DS, με v_GS ίσο με ένα σύνολο σταθερών τάσεων (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V στο σχήμα 16 (a)). Το χαρακτηριστικό μεταφοράς είναι σχεδόν ανεξάρτητο από την τιμή του v_DS αφού μετά την επίτευξη του JFET, i_D παραμένει σχετικά σταθερή για την αύξηση των τιμών v_DS. Αυτό μπορεί να φανεί από το i_D-v_DS καμπύλες του Σχήματος 16, όπου κάθε καμπύλη γίνεται περίπου επίπεδη για τιμές των v_DS>V_p.

Στο σχήμα 17, εμφανίζουμε τα χαρακτηριστικά μεταφοράς και το i_D-v_DS χαρακτηριστικά για ένα n-η καναλιού JFET. Σχεδιάζουμε αυτά με μια κοινή i_D άξονα για να δείτε πώς μπορείτε να αποκτήσετε το ένα από το άλλο. Τα χαρακτηριστικά μεταφοράς μπορούν να ληφθούν από την επέκταση του i_D-v_DS καμπύλες όπως φαίνεται από τις διακεκομμένες γραμμές στο σχήμα 17. Η πιο χρήσιμη μέθοδος προσδιορισμού του χαρακτηριστικού μεταφοράς στην περιοχή κορεσμού είναι με την ακόλουθη σχέση (η εξίσωση Shockley):

(16)

Ως εκ τούτου, πρέπει να ξέρουμε μόνο I_DSS και V_p για τον προσδιορισμό ολόκληρου του χαρακτηριστικού. Τα φύλλα δεδομένων των κατασκευαστών δίνουν συχνά αυτές τις δύο παραμέτρους, έτσι ώστε το χαρακτηριστικό μεταφοράς να μπορεί να κατασκευαστεί. V_p στο φύλλο προδιαγραφών του κατασκευαστή εμφανίζεται ως V_{GS (OFF)}. Σημειώστε ότι i_D κορεσμένα, (δηλαδή, γίνονται σταθερά) ως v_DS υπερβαίνει την τάση που απαιτείται για το τράβηγμα του καναλιού. Αυτό μπορεί να εκφραστεί ως εξίσωση για v_{DS, sat} for κάθε καμπύλη, ως εξής:

(17)

As v_GS γίνεται πιο αρνητική, η αποκοπή εμφανίζεται σε χαμηλότερες τιμές v_DS και το ρεύμα κορεσμού γίνεται μικρότερο. Η χρήσιμη περιοχή για γραμμική λειτουργία είναι μεγαλύτερη από την τάση διάσπασης και κάτω από την τάση διάσπασης. Στην περιοχή αυτή, i_D είναι κορεσμένη και η αξία της εξαρτάται από v_GS, σύμφωνα με την Εξίσωση (16) ή το χαρακτηριστικό μεταφοράς.

Χαρακτηριστικά καμπύλες χαρακτηριστικών μεταφοράς 17 - JFET

Η μεταφορά και i_D-v_DS οι χαρακτηριστικές καμπύλες για το JFET, οι οποίες φαίνονται στο σχήμα 17, διαφέρουν από τις αντίστοιχες καμπύλες για ένα BJT. Οι καμπύλες BJT μπορούν να αναπαρασταθούν ως ομοιόμορφα διαχωρισμένες για ομοιόμορφες βαθμίδες στο ρεύμα βάσης λόγω της γραμμικής σχέσης μεταξύ i_C και i_B. Το JFET και το MOSFET δεν έχουν ρεύμα ανάλογο με το ρεύμα βάσης, επειδή τα ρεύματα πύλης είναι μηδενικά. Επομένως, είμαστε αναγκασμένοι να δείξουμε την οικογένεια των καμπυλών i_D έναντι v_DS, και οι σχέσεις είναι πολύ μη γραμμικές.

Η δεύτερη διαφορά σχετίζεται με το μέγεθος και το σχήμα της ωμικής περιοχής των χαρακτηριστικών καμπυλών. Υπενθυμίζουμε ότι κατά τη χρήση των BJT αποφεύγουμε τη μη γραμμική λειτουργία αποφεύγοντας το χαμηλότερο 5% των τιμών του v_CE (δηλαδή, το περιοχή κορεσμού). Βλέπουμε ότι το πλάτος της ωμικής περιοχής για το JFET είναι συνάρτηση της τάσης πύλης-πηγής. Η περιοχή του ωμικού σώματος είναι αρκετά γραμμική έως ότου το γόνατο να συμβεί κοντά στην αποκοπή. Αυτή η περιοχή ονομάζεται ωμική περιοχή επειδή όταν χρησιμοποιείται το τρανζίστορ σε αυτή την περιοχή, συμπεριφέρεται σαν μια ωμική αντίσταση της οποίας η τιμή καθορίζεται από την τιμή του v_GS. Καθώς μειώνεται το μέγεθος της τάσης πύλης προς πηγή, αυξάνεται το πλάτος της ωμικής περιοχής. Σημειώνουμε επίσης από το Σχήμα 17 ότι η τάση διακοπής είναι συνάρτηση της τάσης πύλης προς πηγή. Στην πραγματικότητα, για να έχουμε εύλογα γραμμική ενίσχυση σήματος, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε μόνο ένα σχετικά μικρό τμήμα αυτών των καμπυλών - η περιοχή γραμμικής λειτουργίας βρίσκεται στην ενεργή περιοχή.

As v_DS αυξάνεται από μηδέν, εμφανίζεται ένα σημείο θραύσης σε κάθε καμπύλη πέρα από το οποίο το ρεύμα αποστράγγισης αυξάνεται πολύ λίγο v_DS συνεχίζει να αυξάνεται. Σε αυτήν την τιμή της τάσης αποστράγγισης προς πηγή, εμφανίζεται το τσίμπημα. Οι τιμές αποκοπής σημειώνονται στο σχήμα 17 και συνδέονται με μια διακεκομμένη καμπύλη που χωρίζει την ωμική περιοχή από την ενεργή περιοχή. Οπως και v_DS συνεχίζει να αυξάνεται πέρα από την αποκοπή, φτάνει ένα σημείο όπου η τάση μεταξύ αποστράγγισης και πηγής γίνεται τόσο μεγάλη ώστε καταστροφή χιονοστιβάδας λαμβάνει χώρα. (Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει επίσης σε διόδους και σε BJTs). Στο σημείο κατανομής, i_D αυξάνεται απότομα με αμελητέα αύξηση v_DS. Αυτή η βλάβη εμφανίζεται στο άκρο αποστράγγισης της διακλάδωσης του καναλιού πύλης. Ως εκ τούτου, όταν η τάση πύλης αποστράγγισης, v_DG, υπερβαίνει την τάση διάσπασης (BV_GDS των pn διασταύρωση), η χιονοστιβάδα εμφανίζεται [για v_GS = 0 V]. Σε αυτό το σημείο, το i_D-v_DS χαρακτηριστικό παρουσιάζει το ιδιόμορφο σχήμα που φαίνεται στο δεξιό τμήμα του Σχήματος 17.

Η περιοχή μεταξύ της τάσης απόσβεσης και της χιονοστιβάδας ονομάζεται ενεργή περιοχή, περιοχή λειτουργίας ενισχυτή, περιοχή κορεσμού, ή αποκοπής περιοχής. Η ωμική περιοχή (πριν από την αφαίρεση) ονομάζεται συνήθως τριόδου, αλλά μερικές φορές ονομάζεται ελεγχόμενη από τάση περιοχή. Το JFET λειτουργεί στην ωμική περιοχή τόσο όταν επιθυμείται ένας μεταβλητός αντιστάτης όσο και στις εφαρμογές μεταγωγής.

Η τάση διάσπασης είναι συνάρτηση του v_GS καθώς και v_DS. Καθώς το μέγεθος της τάσης μεταξύ πύλης και πηγής αυξάνεται (περισσότερο αρνητικό για το n-καναλικό και πιο θετικό για p-καναλιού), μειώνεται η τάση διάσπασης (βλ. Σχήμα 17). Με v_GS = V_p, το ρεύμα αποστράγγισης είναι μηδέν (εκτός από ένα μικρό ρεύμα διαρροής) και με v_GS = 0, το ρεύμα αποστράγγισης κορεσμένο σε μια τιμή,

(18)

I_DSS είναι το ρεύμα κορεσμού αποχέτευσης προς πηγή.

Μεταξύ της αποκοπής και της αποτυχίας, το ρεύμα αποστράγγισης είναι κορεσμένο και δεν μεταβάλλεται αισθητά ως συνάρτηση του v_DS. Αφού ο JFET περάσει από το σημείο χειρισμού, η τιμή του i_D μπορεί να ληφθεί από τις χαρακτηριστικές καμπύλες ή από την εξίσωση

(19)

Μια ακριβέστερη εκδοχή αυτής της εξίσωσης (λαμβάνοντας υπόψη την μικρή κλίση των χαρακτηριστικών καμπυλών) έχει ως εξής:

(20)

λ είναι ανάλογο με το λ για τα MOSFET και για το 1 /V_A για BJTs. Από λ είναι μικρό, το υποθέτουμε αυτό . Αυτό δικαιολογεί την παράλειψη του δεύτερου παράγοντα στην εξίσωση και τη χρήση της προσέγγισης για την πόλωση και την ανάλυση μεγάλου σήματος.

Το ρεύμα κορεσμού αποχέτευσης προς πηγή, I_DSS, είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα της θερμοκρασίας επάνω V_p δεν είναι μεγάλες. Ωστόσο, I_DSS μειώνεται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, ενώ η μείωση είναι όσο το 25% για ένα 100^o αύξηση της θερμοκρασίας. Ακόμη και μεγαλύτερες παραλλαγές εμφανίζονται στο V_p και I_DSS λόγω μικρών αποκλίσεων στη διαδικασία κατασκευής. Αυτό μπορεί να φανεί βλέποντας το Παράρτημα για το 2N3822 όπου είναι το μέγιστο I_DSS είναι 10 mA και το ελάχιστο είναι 2 mA.

Τα ρεύματα και οι τάσεις σε αυτό το τμήμα παρουσιάζονται για ένα n-η καναλιού JFET. Οι τιμές για ένα p-Κανάλι JFET είναι το αντίστροφο αυτών που δίνονται για το n-Κανάλι.

Μοντέλο 3.3 JFET Small-Signal ac

Ένα μοντέλο μικρού σήματος JFET μπορεί να προκύψει ακολουθώντας τις ίδιες διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για το MOSFET. Το μοντέλο βασίζεται στη σχέση της εξίσωσης (20). Εάν εξετάσουμε μόνο το ac συνιστώσα των τάσεων και των ρευμάτων, έχουμε

(21)

Οι παράμετροι στην Εξίσωση (21) δίνονται από τα μερικά παράγωγα,

(22)

Το προκύπτον μοντέλο παρουσιάζεται στο σχήμα 18. Σημειώστε ότι το μοντέλο είναι πανομοιότυπο με το προηγούμενο μοντέλο MOSFET, εκτός από τις τιμές των g_m και r_o υπολογίζονται χρησιμοποιώντας διαφορετικούς τύπους. Στην πραγματικότητα οι τύποι είναι ίδιοι αν V_p αντικαθίσταται V_T.

Εικόνα 18 - Μοντέλο μικρού σήματος JFET

Για να σχεδιάσετε έναν ενισχυτή JFET, το σημείο Q για το dc το ρεύμα μεροληψίας μπορεί να προσδιοριστεί είτε γραφικά, είτε χρησιμοποιώντας την ανάλυση κυκλώματος, υποθέτοντας ότι ο τρανζίστορ είναι ενεργοποιημένος. ο dc το ρεύμα πόλωσης στο σημείο Q θα πρέπει να βρίσκεται μεταξύ των τιμών 30% και 70% I_DSS. Αυτό εντοπίζει το σημείο Q στην πιο γραμμική περιοχή των χαρακτηριστικών καμπυλών.

Η σχέση μεταξύ i_D και v_GS μπορεί να γραφεί σε γραφική παράσταση χωρίς διαστάσεις (δηλαδή κανονικοποιημένη καμπύλη) όπως φαίνεται στο σχήμα 20.

Ο κάθετος άξονας αυτού του γραφήματος είναι i_D/I_DSS και ο οριζόντιος άξονας είναι v_GS/V_p. Η κλίση της καμπύλης είναι g_m.

Μια λογική διαδικασία για τον εντοπισμό της τιμής ηρεμίας κοντά στο κέντρο της γραμμικής περιοχής λειτουργίας είναι η επιλογή και. Σημειώστε από το Σχήμα 6.20 ότι αυτό είναι κοντά στο μέσο σημείο της καμπύλης. Στη συνέχεια, επιλέγουμε. Αυτό δίνει ένα ευρύ φάσμα τιμών για v_ds που κρατούν το τρανζίστορ στη λειτουργία τσιμπήματος.

Σχήμα 20 -i_D/I_DSS έναντι v_GS/V_p

Μπορούμε να βρούμε το transconductance στο σημείο Q είτε από την κλίση της καμπύλης του Figure 20 είτε με τη χρήση της εξίσωσης (22). Εάν χρησιμοποιήσουμε αυτή τη διαδικασία, η παράμετρος μετασχηματισμού δίνεται από,

(23)

Θυμηθείτε ότι αυτή η τιμή του g_m εξαρτάται από την υπόθεση ότι I_D ορίζεται στο μισό I_DSS και V_GS . 0.3V_p. Αυτές οι τιμές αντιπροσωπεύουν συνήθως ένα καλό σημείο εκκίνησης για τον καθορισμό των τιμών ηρεμίας για το JFET.

ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΟ- 2. Ημιαγωγός FET μεταλλικού οξειδίου (MOSFET)

NEXT- 4. Ρυθμίσεις ενισχυτή FET και πόλωση