3. Junction Field-effect Transistor (JFET)
PRAEGU - 3. ristmiku väljatransistor (JFET)
EELMINE - 2. Metalloksiidi pooljuht FET (MOSFET)
Junction Field-effect Transistor (JFET)
MOSFET-il on ristmiku-välistransistori (JFET) ees mitmeid eeliseid. MOSFETi sisendresistentsus on kõrgem kui JFET-i sisendresistents. Seetõttu valitakse MOSFET enamiku rakenduste jaoks JFETi kasuks. Sellegipoolest kasutatakse JFET-i piiratud olukordades, eriti analoograkendustes.
Oleme näinud, et MOSFET-i täiustused nõuavad juhtivuse kanali moodustamiseks nullivälist pinge. Ilma selle paisupinge kasutamata ei saa allika ja äravoolu vahel voolata enamuse kandja voolu. Seevastu kontrollib JFET enamuse kandja voolu juhtivust olemasolevas kanalis kahe ohmilise kontakti vahel. See toimub seadme ekvivalentse mahtuvuse muutmise teel.
Ehkki läheneme JFET-idele ilma varem MOSFET-ide jaoks saadud tulemusi kasutamata, näeme seda tüüpi seadmete töös palju sarnasusi. Need sarnasused on kokku võetud 6. jaos: „MOSFET-i võrdlus JFET-iga”.
Joonisel 13 on kujutatud JFETi füüsilise struktuuri skeem. Nagu BJT, on JFET kolm terminali seadet. See on põhimõtteliselt ainult üks pn ristmik värava ja kanali vahel, mitte kaks nagu BJT-s (kuigi paistab olevat kaks pn joonisel 13 näidatud ristmikud on ühendatud paralleelselt, ühendades värava terminalid kokku. Neid saab seega käsitleda ühe ristmikuna).
. n-kanaliline JFET, mis on näidatud joonisel 14 (a), on valmistatud n-tüüpi materjal kahe p- ribadesse hajutatud tüüpi materjalid, üks kummalgi küljel. The p-kanalil on JFET-i ribad p-tüüpi materjal kahe n- ribadesse hajutatud tüüpi materjalid, nagu on näidatud joonisel 13 (b). Joonis 13 näitab ka ahela sümboleid.
JFETi toimimise tutvustamiseks ühendage n- kanali JFET välisele lülitusele, nagu näidatud joonisel 14 (a). Positiivne toitepinge, VDD, rakendatakse äravoolule (see on analoogne. \ t VCC BJT toitepinge) ja allikas on ühine (maandus). Värava toitepinge, VGG, rakendatakse väravale (see on analoogne VBB BJT jaoks).
Joonis 13 - JFETi füüsiline struktuur
VDD annab äravooluallika pinge, vDS, mis põhjustab äravoolu, iD, voolama äravoolust allikani. Kuna värava allikate ristmik on vastupidine, on null-värava praegused tulemused. Vooluvool, iD, mis on võrdne allikavooluga, eksisteerib kanaliga, mida ümbritseb p- tüüpi värav. Voolu ja allika pinge, vGS, mis on võrdne, loob a ammendumispiirkonnas kanalis, mis vähendab kanali laiust. See omakorda suurendab äravoolu äravoolu ja allika vahel.
Joonis 14 - n-kanaliga JFET, mis on ühendatud välise vooluahelaga
Leiame JFETi operatsiooni vGS = 0, nagu on näidatud joonisel 14 (b). Vooluvool, iD, kaudu n-kanal alates äravoolust allikani põhjustab pinge langust mööda kanalit, kusjuures suurem potentsiaal on äravoolu-värava ristmikul. See positiivne pinge äravoolu-värava ristmikul on kallutatud pn ristmikul ja tekitab ammendumispiirkonna, nagu on näidatud joonisel 14 (b) esitatud tumedas varjutatud piirkonnas. Kui me suurendame vDS, äravoolu vool, iD, samuti suureneb, nagu on näidatud joonisel 15.
Selle tulemusena tekib suurem tühjenemise piirkond ja suurenenud kanaliresistentsus äravoolu ja allika vahel. Nagu vDS veelgi suureneb, saavutatakse punkt, kus tühjenemise piirkond katkestab kogu kanali äravoolu serva ja äravoolu voolab oma küllastumispunkti. Kui me suurendame vDS pärast seda punkti, iD jääb suhteliselt konstantseks. Küllastunud äravoolu voolu väärtus VGS = 0 on oluline parameeter. See on äravooluallika küllastusvool, IDSS. Me leidsime, et see on KVT2 tühjenemise režiimi jaoks MOSFET. Nagu näha jooniselt 15, suureneb vDS kaugemale sellest nn kanalist pigistatakse punkt (-VP, IDSS) põhjustab väga väikese tõusu iDJa iD-vDS iseloomulik kõver muutub peaaegu tasaseks (st iD jääb suhteliselt konstantseks kui vDS suureneb veelgi). Meenuta seda VT (nüüd määratud VP) on negatiivne n-kanaliline seade. Töötamine väljapoole pingutuspunkti (küllastumispiirkonnas) saavutatakse, kui äravoolu pinge, VDS, on suurem kui -VP (vt joonist 15). Näiteks ütleme VP = -4V, see tähendab, et äravoolu pinge, vDS, peab olema suurem või võrdne - (- 4V), et JFET jääks küllastumispiirkonda (normaalsesse tööpiirkonda).
See kirjeldus näitab, et JFET on tühjenemise tüüpi seade. Eeldame, et selle omadused on sarnased MOSFET-i ammendumise omadega. Siiski on oluline erand: kuigi täiustamisrežiimis on võimalik kasutada tühjenemise tüüpi MOSFET-i (rakendades positiivset vGS kui seade on n-kanaliga) ei ole see JFET-tüüpi seadmes praktiline. Praktikas maksimaalne vGS on alates 0.3V-st piiratud pn-liitmik jääb selle väikese etteantud pingega põhimõtteliselt piirituks.
Joonis 15 –– iD versus vDS iseloomulik n-kanaliline JFET (VGS = 0V)
3.1 JFET Gate-To-Source pinge variatsioon
Eelmises osas arendasime välja iD-vDS iseloomulik kõver VGS = 0. Selles osas käsitleme täielikku iD-vDS erinevate väärtuste omadused vGS. Pange tähele, et BJT puhul on iseloomulikud kõverad (iC-vCE) on iB parameetrina. FET on pingega juhitav seade, kus vGS kontrollib. Joonis 16 näitab iD-vDS iseloomulikud kõverad nii n-kanal ja p-kanaliline JFET.
Joonis 16-iD-vDS JFETile iseloomulikud kõverad
Suurenedes 
(vGS on negatiivsem n-kanal ja positiivsem a p-kanaliga) on moodustunud ammendumispiirkond ja saavutatakse madalamate väärtuste jaoks nihutamine iD. Seega njoonise 16 (a) kanali JFET, maksimaalne iD vähendab IDSS as vGS muutub negatiivsemaks. Kui vGS väheneb veelgi (negatiivsem), väärtuseks vGS saavutatakse pärast seda iD on null sõltumata selle väärtusest vDS. See väärtus on vGS kutsutakse VGS (OFF)või pingevaba pinge (Vp). Väärtus Vp on negatiivne n-kanaliline JFET ja positiivne a jaoks p-kanaliline JFET. Vp saab võrrelda VT tühjenemise režiimi jaoks MOSFET.
3.2 JFET ülekande karakteristikud
Ülekande karakteristik on äravooluvoolu graafik, iD, mis sõltub äravoolu-allika pingest, vDSKoos vGS võrdne konstantsete pingete kogumiga (vGS = -3V, -2, -1V, 0V joonisel 16 (a)). Ülekande karakteristik on peaaegu sõltumatu väärtusest vDS kuna pärast JFET-i jõudmist iD jääb suhteliselt konstantseks vDS. Seda on võimalik näha iD-vDS joonise 16 kõverad, kus iga kõver muutub väärtuste jaoks ligikaudu võrdseks vDS>Vp.
Joonisel 17 näitame edastusomadusi ja iD-vDS omadused n-kanaliline JFET. Me joonistame need ühiselt iD telg, et näidata, kuidas teisest saada. Ülekande karakteristikud on võimalik saada iD-vDS kõverad, nagu on näidatud katkendjoonega joonisel 17. Kõige kasulikum meetod ülekandekarakteristiku määramiseks küllastuspiirkonnas on järgmise seosega (Shockley võrrand):
(16)
Seega peame ainult teadma IDSS ja Vp kogu tunnuse määramiseks. Tootjate andmelehed annavad sageli need kaks parameetrit, nii et ülekandekarakteristiku saab koostada. Vp tootja spetsifikatsioonilehel on näidatud järgmiselt VGS (OFF). Pange tähele, et iD küllastub (st muutub konstantseks) kui vDS ületab pinge, mis on vajalik kanali purunemiseks. Seda võib väljendada kui võrrandit vDS, ist eest iga kõver on järgmine:
(17)
As vGS muutub negatiivsemaks, siis toimub nihkumine madalamate väärtuste juures vDS ja küllastusvool muutub väiksemaks. Lineaarse töötamise kasulik piirkond on ülestõusmise ja purunemispinge all. Selles piirkonnas iD on küllastunud ja selle väärtus sõltub vGS, vastavalt võrrandile (16) või ülekande karakteristikule.
Joonis 17 - JFET ülekande karakteristikute kõverad
Ülekanne ja iD-vDS Joonisel 17 näidatud JFET-i iseloomulikud kõverad erinevad BJT vastavatest kõveratest. BJT kõverad võivad olla esindatud ühtlaselt vaheseina põhivoolu jaoks, kuna nende vahel on lineaarne suhe iC ja iB. JFETil ja MOSFETil ei ole voolu, mis on analoogne baasvooluga, sest väravavool on null. Seetõttu oleme sunnitud näitama kõverate perekonda iD vs vDSja suhted on väga mittelineaarsed.
Teine erinevus on iseloomulike kõverate ohmilise piirkonna suurus ja kuju. Tuletame meelde, et BJT-de kasutamisel väldime mittelineaarset toimimist, vältides madalamat 5% väärtust vCE (st küllastuse piirkond). Me näeme, et JFETi ohmilise piirkonna laius on värava ja allika pinge funktsioon. Ohmiline piirkond on üsna lineaarne, kuni põlv esineb lähedale. Seda piirkonda nimetatakse ohmiline piirkond sest kui transistorit selles piirkonnas kasutatakse, käitub see nagu ohmiline takisti, mille väärtuse määrab väärtus vGS. Kui värava ja allika vahelise pinge suurus väheneb, suureneb oomilise piirkonna laius. Samuti märgime jooniselt 17, et purunemispinge on värava-allika pinge funktsioon. Tegelikult peame mõistlikult lineaarse signaali võimenduse saamiseks kasutama nende kõverate ainult suhteliselt väikest segmenti - lineaarse tööpiirkond on aktiivses piirkonnas.
As vDS tõuseb nullist, igal kõveral esineb murdepunkt, mille järel suureneb äravoolu vool väga vähe vDS kasvab jätkuvalt. Selle äravoolu-allika pinge väärtuse korral toimub nihkumine. Lõhustuvad väärtused märgistatakse joonisel 17 ja on ühendatud kriipsukõveraga, mis eraldab ohmilise piirkonna aktiivsest piirkonnast. Nagu vDS suureneb ka pärast väljatõrjumist, jõuab punkt, kus äravoolu ja allika vaheline pinge muutub nii suureks laviini jaotus toimub. (See nähtus esineb ka dioodidel ja BJT-des). Jaotuspunktis iD kasvab järsult, kusjuures kasv on märkimisväärselt suurenenud. \ t vDS. See purunemine toimub värava kanali ristmiku äravoolu otsas. Seega, kui äravoolu värav vDG, ületab pinget (BVGDS jaoks pn ristmikul), esineb laviin vGS = 0 V]. Sel hetkel iD-vDS Iseloomulik joonisel on kujutatud joonise 17 parempoolses osas näidatud omapärane kuju.
Pingutuspinge ja laviini jaotuse vahelist piirkonda nimetatakse aktiivne piirkond, võimendi tööpiirkond, küllastuspiirkondvõi vahelduv piirkond. Ohmilist piirkonda (enne pinch-off) nimetatakse tavaliselt triode piirkond, kuid seda nimetatakse mõnikord ka pinge kontrollitud piirkond. JFET töötab ohmilises piirkonnas nii muutuva takisti kui ka rakenduste vahetamise korral.
Jaotuspinge on funktsioon vGS samuti vDS. Kuna värava ja allika vaheline pinge suureneb (negatiivsem n-kanal ja positiivsem p-kanaliga), väheneb jaotuspinge (vt joonis 17). Koos vGS = Vp, on tühjendusvool null (välja arvatud väike lekkevool) ja vGS = 0, äravooluvool küllastub väärtuses,
(18)
IDSS on küllastuse äravooluallikas.
Lõhkemise ja purunemise vahele on äravoolu vool küllastatud ja see ei muutu märgatavalt funktsioonina vDS. Pärast seda, kui JFET läbib väljatõmbe-tööpunkti, siis väärtus iD võib saada iseloomulikest kõveratest või võrrandist
(19)
Selle võrrandi täpsem versioon (võttes arvesse iseloomulike kõverate kerget kallet) on järgmine:
(20)
λ on analoogne λ MOSFETidele ja 1ile /VA BJTde jaoks. Alates sellest ajast λ on väike, eeldame seda 
. See õigustab teise teguri väljajätmist võrrandist ja ligiläheduse kasutamist kallutamise ja suure signaali analüüsi jaoks.
Küllastuse äravooluallikas, IDSS, on temperatuuri funktsioon. Temperatuuri mõju Vp ei ole suured. Kuid, IDSS väheneb, kui temperatuur tõuseb, 25i puhul on langus sama suur kui 100%o temperatuuri tõus. Veelgi suuremad erinevused esinevad Vp ja IDSS tootmisprotsessi väikeste erinevuste tõttu. Seda saab näha 2N3822i lisade vaatamisel, kui see on maksimaalne IDSS on 10 mA ja minimaalne on 2 mA.
Selles lõigus esitatud voolud ja pinged on esitatud n-kanaliline JFET. A väärtused p-kanaliline JFET on vastupidine n-kanal.
3.3 JFET väikese signaaliga AC mudel
JFET väikese signaali mudelit saab tuletada samade protseduuride järgi, mida kasutatakse MOSFETi puhul. Mudel põhineb võrrandi (20) suhetel. Kui arvestame ainult ac meil on olemas pinge ja voolu komponent
(21)
Parameetrid võrrandis (21) on antud osaliste derivaatide poolt,
(22)
Saadud mudel on näidatud joonisel 18. Pange tähele, et mudel on identne eelnevalt tuletatud MOSFET-mudeliga, välja arvatud selle väärtused gm ja ro arvutatakse erinevate valemitega. Tegelikult on valemid identsed, kui Vp on asendatud VT.
Joonis 18 - JFETi väikese signaali vahelduvvoolu mudel
JFET-võimendi konstrueerimiseks Q-punkt dc biasvoolu saab määrata kas graafiliselt või kasutades vooluahela analüüsi, eeldades transistori väljalülitamise režiimi. The dc Q-punkti kallutusvool peaks olema 30% ja 70% vahel IDSS. See otsib Q-punkti iseloomulike kõverate kõige lineaarsemas piirkonnas.
Suhe nende vahel iD ja vGS Joonisel 20 on kujutatud mõõtmedeta graafik (st normaliseeritud kõver).
Selle graafiku vertikaaltelg on iD/IDSS ja horisontaaltelg on vGS/Vp. Kõvera kalle on gm.
Mõistlik protseduur vaikse väärtuse leidmiseks lineaarse tööpiirkonna keskme lähedal on valida ja. Pange tähele jooniselt 6.20, et see on kõvera keskpunkti lähedal. Järgmisena valime. See annab suure hulga väärtusi väärtusele vds mis hoiavad transistorit välja.
Joonis 20 -iD/IDSS versus vGS/Vp
Me võime leida Q-punktis trans-konduktsiooni kas joonise 20 kõvera kallakust või võrrandi (22) abil. Kui me seda protseduuri kasutame, siis annab juhtivuse parameetri,
(23)
Pea meeles, et see väärtus on gm sõltub eeldusest, et ID on seatud poole võrra IDSS ja VGS . 0.3Vp. Need väärtused moodustavad tavaliselt hea lähtepunkti JFETi vaiksete väärtuste määramiseks.