3। जंक्शन फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (JFET)

जंक्शन फील्ड-प्रभाव ट्रांजिस्टर (JFET)

MOSFET के जंक्शन क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (JFET) पर कई फायदे हैं। विशेष रूप से, MOSFET का इनपुट प्रतिरोध JFET की तुलना में अधिक है। इस कारण से, MOSFET को अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए JFET के पक्ष में चुना गया है। बहरहाल, अभी भी JFET का उपयोग सीमित स्थितियों में विशेष रूप से एनालॉग अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है।

हमने देखा है कि वृद्धि MOSFETs को चालन के लिए एक चैनल बनाने के लिए एक गैर-शून्य गेट वोल्टेज की आवश्यकता होती है। कोई भी बहुमत-वाहक प्रवाह इस लागू गेट वोल्टेज के बिना स्रोत और नाली के बीच प्रवाह नहीं कर सकता है। इसके विपरीत, जेएफईटी दो ओमिक संपर्कों के बीच एक मौजूदा चैनल में बहुमत-वाहक वर्तमान के चालन को नियंत्रित करता है। यह डिवाइस के समतुल्य समाई को अलग करके करता है।

यद्यपि हम MFFETs के लिए पहले प्राप्त परिणामों का उपयोग किए बिना JFETs से संपर्क करते हैं, हम दो प्रकार के उपकरणों के संचालन में कई समानताएं देखेंगे। इन समानताओं को संक्षेप में धारा 6: "MOSFET की तुलना JFET" में किया गया है।

JFET की भौतिक संरचना के लिए एक योजनाबद्ध चित्र 13 में दिखाया गया है। BJT की तरह, JFET एक तीन टर्मिनल डिवाइस है। यह मूल रूप से केवल एक है pn BJT में गेट और चैनल के बजाय जंक्शन दो के रूप में (हालांकि वहाँ दो प्रतीत होते हैं pn चित्र 13 में दिखाए गए जंक्शन, ये समानांतर में गेट टर्मिनलों को एक साथ जोड़कर जुड़े हुए हैं। वे इस प्रकार एक एकल जंक्शन के रूप में माना जा सकता है)।

RSI n-चैनल JFET, चित्र 14 (ए) में दिखाया गया है, की एक पट्टी का उपयोग करके बनाया गया है nदो के साथ टाइप सामग्री p-प्रकार की सामग्री पट्टी में भिन्न होती है, प्रत्येक तरफ एक। p-चैनल JFET की एक पट्टी है pदो के साथ टाइप सामग्री n-प्रकार की सामग्री पट्टी में फैल गई, जैसा कि चित्र 13 (b) में दिखाया गया है। चित्रा 13 भी सर्किट प्रतीकों को दर्शाता है।

JFET के संचालन में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए, हमें कनेक्ट करें nएक बाहरी सर्किट के लिए -चैनल JFET जैसा कि चित्र 14 (ए) में दिखाया गया है। एक सकारात्मक आपूर्ति वोल्टेज, V_DD, नाली के लिए लागू किया जाता है (यह के अनुरूप है V_CC BJT के लिए आपूर्ति वोल्टेज) और स्रोत आम (जमीन) से जुड़ा हुआ है। एक गेट आपूर्ति वोल्टेज, V_GG, गेट पर लागू किया जाता है (यह के अनुरूप है V_BB BJT के लिए)।

चित्रा 13-JFET की शारीरिक संरचना

V_DD एक नाली-स्रोत वोल्टेज प्रदान करता है, v_DS, जो एक नाली वर्तमान का कारण बनता है, i_D, नाली से स्रोत तक प्रवाह करने के लिए। चूंकि गेट-सोर्स जंक्शन रिवर्स-बायस्ड है, शून्य गेट वर्तमान परिणाम है। नाली चालू, i_D, जो स्रोत करंट के बराबर है, चैनल से घिरा हुआ है p-टाइप गेट। गेट-टू-सोर्स वोल्टेज, v_GS, जो के बराबर है, एक बनाता है रिक्तीकरण क्षेत्र चैनल में जो चैनल की चौड़ाई कम करता है। यह बदले में, नाली और स्रोत के बीच प्रतिरोध को बढ़ाता है।

चित्रा 14 - एन-चैनल JFET बाहरी सर्किटरी से जुड़ा हुआ है

हम साथ JFET ऑपरेशन पर विचार करते हैं v_GS = 0, जैसा कि चित्र 14 (b) में दिखाया गया है। नाली चालू, i_Dके माध्यम से nनाली से स्रोत तक चैनल चैनल के साथ एक वोल्टेज ड्रॉप का कारण बनता है, नाली-गेट जंक्शन पर उच्च क्षमता के साथ। ड्रेन-गेट जंक्शन पर यह पॉजिटिव वोल्टेज रिवर्स-बायसेज़ pn जंक्शन और घटता क्षेत्र पैदा करता है, जैसा कि चित्रा 14 (बी) में अंधेरे छायांकित क्षेत्र द्वारा दिखाया गया है। जब हम बढ़ाते हैं v_DSनाली चालू, i_D, चित्र 15 में दिखाए गए अनुसार बढ़ता है।

इस क्रिया के परिणामस्वरूप एक बड़ी कमी क्षेत्र और नाली और स्रोत के बीच एक चैनल प्रतिरोध बढ़ जाता है। जैसा v_DS इसमें और वृद्धि हुई है, एक बिंदु पर पहुंचा जाता है जहां कमी क्षेत्र नाली किनारे पर पूरे चैनल को काट देता है और नाली वर्तमान अपने संतृप्ति बिंदु तक पहुंच जाती है। अगर हम बढ़ाते हैं v_DS इससे आगे, i_D अपेक्षाकृत स्थिर रहता है। के साथ संतृप्त नाली वर्तमान का मूल्य V_GS = 0 एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। यह है नाली-स्रोत संतृप्ति वर्तमान, I_DSS। हमने इसे पाया KV_T² कमी मोड MOSFET के लिए। जैसा कि चित्रा 15 से देखा जा सकता है, बढ़ रहा है v_DS इस तथाकथित चैनल से परे चुटकी भर बिंदु (-V_P, I_DSS) में बहुत मामूली वृद्धि का कारण बनता है i_D, और i_D-v_DS विशेषता वक्र लगभग सपाट हो जाता है (अर्थात, i_D के रूप में अपेक्षाकृत स्थिर रहता है v_DS और बढ़ जाता है)। याद करें कि V_T (अब नामित V_P) के लिए ऋणात्मक है n-चैनल डिवाइस। चुटकी बंद बिंदु से परे ऑपरेशन (संतृप्ति क्षेत्र में) नाली वोल्टेज प्राप्त होने पर, V_DS, से अधिक है -V_P (चित्र 15 देखें)। एक उदाहरण के रूप में, आइए बताते हैं V_P = -4V, इसका मतलब है कि नाली वोल्टेज, v_DS, संतृप्ति (सामान्य ऑपरेटिंग) क्षेत्र में रहने के लिए JFET के क्रम में (- 4V) से अधिक या बराबर होना चाहिए।

यह विवरण बताता है कि JFET एक कमी-प्रकार डिवाइस है। हमें उम्मीद है कि इसकी विशेषताओं में कमी MOSFETs के समान होगी। हालांकि एक महत्वपूर्ण अपवाद है: जबकि वृद्धि मोड में एक कमी-प्रकार MOSFET संचालित करना संभव है (एक सकारात्मक आवेदन करके) v_GS अगर डिवाइस है n-शनलाइन) यह JFET- प्रकार के उपकरण में व्यावहारिक नहीं है। व्यवहार में, अधिकतम v_GS के बाद से लगभग 0.3V तक सीमित है pn-जंक्शन इस छोटे से आगे के वोल्टेज के साथ अनिवार्य रूप से कट-ऑफ रहता है।

चित्र 15– i_D बनाम v_DS के लिए विशेषता n-चैनल JFET (V_GS = 0V)

3.1 JFET गेट-टू-सोर्स वोल्टेज भिन्नता

पिछले भाग में, हमने विकसित किया i_D-v_DS साथ विशेषता वक्र V_GS = एक्सएनयूएमएक्स। इस खंड में, हम पूर्ण पर विचार करते हैं i_D-v_DS के विभिन्न मूल्यों के लिए विशेषताएँ v_GS। ध्यान दें कि BJT के मामले में, विशेषता घटता है (i_C-v_CE) है i_B पैरामीटर के रूप में। FET एक वोल्टेज-नियंत्रित उपकरण है जहां v_GS नियंत्रण करता है। चित्रा 16 से पता चलता है i_D-v_DS दोनों के लिए विशेषता घटता है n-चैनल और p-चैनल JFET

चित्र 16-i_D-v_DS जेएफईटी के लिए विशेषता घटता

के रूप में बढ़ता है (v_GS एक के लिए और अधिक नकारात्मक है n-ऑनलाइन और ए के लिए अधिक सकारात्मक p-चैनल) ह्रास क्षेत्र बनता है और निम्न मानों के लिए पिंच-ऑफ प्राप्त होता है i_D। इसलिए के लिए nचित्रा 16 (ए) के चैनल JFET, अधिकतम i_D से कम करता है I_DSS as v_GS अधिक नकारात्मक बनाया जाता है। अगर v_GS और घटाया गया है (अधिक नकारात्मक), का मान v_GS जिसके बाद पहुंचा है i_D के मूल्य की परवाह किए बिना शून्य होगा v_DS। का यह मूल्य v_GS कहा जाता है V_{जी एस (बंद)}या, चुटकी बजाते वोल्टेज (V_p)। का मूल्य V_p एक के लिए नकारात्मक है n-चैनल JFET और पॉजिटिव a p-चैनल JFET V_p से तुलना की जा सकती है V_T कमी मोड MOSFET के लिए।

3.2 JFET स्थानांतरण विशेषता

स्थानांतरण विशेषता नाली की धारा का एक भूखंड है, i_Dनाली-से-स्रोत वोल्टेज के एक कार्य के रूप में, v_DS, साथ में v_GS निरंतर वोल्टेज के एक सेट के बराबर (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V चित्रा 16 (ए) में। हस्तांतरण विशेषता के मूल्य से लगभग स्वतंत्र है v_DS JFET के चुटकी बन्द होने के बाद से, i_D के मूल्यों में वृद्धि के लिए अपेक्षाकृत स्थिर रहता है v_DS। इससे देखा जा सकता है i_D-v_DS चित्रा 16 के घटता, जहां प्रत्येक वक्र मान के मान के लिए लगभग सपाट हो जाता है v_DS>V_p.

चित्रा 17 में, हम स्थानांतरण विशेषताओं और दिखाते हैं i_D-v_DS ए के लिए विशेषताएँ n-चैनल JFET हम एक आम के साथ इन की साजिश करते हैं i_D अक्ष कैसे दूसरे से एक प्राप्त करने के लिए दिखाने के लिए। स्थानांतरण विशेषताओं के विस्तार से प्राप्त किया जा सकता है i_D-v_DS चित्र 17 में धराशायी लाइनों द्वारा दिखाए गए अनुसार घटता है। संतृप्ति क्षेत्र में स्थानांतरण विशेषता निर्धारित करने का सबसे उपयोगी तरीका निम्न संबंध (शॉक्ले समीकरण) के साथ है:

(16)

इसलिए, हमें केवल जानने की आवश्यकता है I_DSS और V_p संपूर्ण विशेषता को निर्धारित करने के लिए। निर्माताओं की डेटा शीट अक्सर इन दो मापदंडों को देती है, इसलिए स्थानांतरण विशेषता का निर्माण किया जा सकता है। V_p निर्माता के विनिर्देश पत्र में दिखाया गया है V_{जी एस (बंद)}। ध्यान दें कि i_D संतृप्त, (जैसे, स्थिर हो जाता है) v_DS चैनल को चुटकी में बंद करने के लिए आवश्यक वोल्टेज से अधिक है। इसके लिए एक समीकरण के रूप में व्यक्त किया जा सकता है v_{डी एस, बैठ गया} एसटी से प्रत्येक वक्र, निम्नानुसार है:

(17)

As v_GS अधिक नकारात्मक हो जाता है, कम मूल्यों पर चुटकी बंद होती है v_DS और संतृप्ति धारा छोटी हो जाती है। लीनियर ऑपरेशन के लिए उपयोगी क्षेत्र चुटकी बंद और ब्रेकडाउन वोल्टेज के नीचे है। इस क्षेत्र में, i_D संतृप्त है और इसका मूल्य इस पर निर्भर करता है v_GS, समीकरण (16) या हस्तांतरण विशेषता के अनुसार।

चित्रा 17 - JFET हस्तांतरण विशेषताओं घटता है

स्थानांतरण और i_D-v_DS जेएफईटी के लिए विशेषता वक्र, जो चित्रा एक्सएनयूएमएक्स में दिखाए गए हैं, बीजेटी के लिए इसी घटता से भिन्न होते हैं। BJT घटता को समान रूप से आधार रेखा में समान चरणों के लिए स्थान दिया जा सकता है क्योंकि बीच में रैखिक संबंध है i_C और i_B। JFET और MOSFET में बेस करंट का कोई समकालिक नहीं है क्योंकि गेट धाराएँ शून्य हैं। इसलिए, हम घटता परिवार दिखाने के लिए मजबूर हैं i_D बनाम v_DS, और रिश्ते बहुत ही ग़ैर हैं।

दूसरा अंतर विशेषता घटता के ओमिक क्षेत्र के आकार और आकार से संबंधित है। याद रखें कि BJTs का उपयोग करने में, हम मूल्यों के निम्न 5% से बचकर नॉनलाइन ऑपरेशन से बचते हैं v_CE (यानी, संतृप्ति क्षेत्र)। हम देखते हैं कि जेएफईटी के लिए ओमिक क्षेत्र की चौड़ाई गेट-टू-सोर्स वोल्टेज का एक फ़ंक्शन है। जब तक घुटने से चुटकी बंद नहीं होती तब तक ओमिक क्षेत्र काफी रैखिक होता है। इस क्षेत्र को कहा जाता है ओमिक क्षेत्र क्योंकि जब इस क्षेत्र में ट्रांजिस्टर का उपयोग किया जाता है, तो यह एक ओमिक रोकनेवाला की तरह व्यवहार करता है जिसका मूल्य इसके मूल्य से निर्धारित होता है v_GS। जैसे-जैसे गेट-टू-सोर्स वोल्टेज का परिमाण कम होता जाता है, ओमिक क्षेत्र की चौड़ाई बढ़ती जाती है। हम चित्र 17 से भी ध्यान देते हैं कि ब्रेकडाउन वोल्टेज गेट-टू-सोर्स वोल्टेज का एक कार्य है। वास्तव में, यथोचित रैखिक सिग्नल प्रवर्धन प्राप्त करने के लिए, हमें इन वक्रों के केवल एक अपेक्षाकृत छोटे खंड का उपयोग करना होगा - सक्रिय क्षेत्र में रैखिक संचालन का क्षेत्र है।

As v_DS शून्य से बढ़ता है, प्रत्येक वक्र पर एक विराम बिंदु होता है जिसके बाहर नाली की धारा बहुत कम बढ़ जाती है v_DS में वृद्धि जारी है। ड्रेन-टू-सोर्स वोल्टेज के इस मूल्य पर, चुटकी बंद होती है। पिंच-ऑफ मान चित्रा 17 में लेबल किए गए हैं और एक धराशायी वक्र के साथ जुड़े हुए हैं जो ओमिक क्षेत्र को सक्रिय क्षेत्र से अलग करता है। जैसा v_DS चुटकी बंद से आगे बढ़ना जारी है, एक बिंदु पर पहुंच गया है जहां नाली और स्रोत के बीच वोल्टेज इतना बड़ा हो जाता है कि हिमस्खलन का टूटना होता है। (यह घटना डायोड और बीजेटी में भी होती है)। ब्रेकडाउन बिंदु पर, i_D में नगण्य वृद्धि के साथ तेजी से बढ़ता है v_DS। यह ब्रेकडाउन गेट-चैनल जंक्शन के ड्रेन एंड पर होता है। इसलिए, जब ड्रेन-गेट वोल्टेज, v_DGब्रेकडाउन वोल्टेज से अधिक है (BV_GDS के लिए pn जंक्शन), हिमस्खलन होता है [के लिए v_GS = 0 V]। इस बिंदु पर, i_D-v_DS चित्र एक्सएनयूएमएक्स के दाहिने हिस्से में दिखाई गई अजीबोगरीब आकृति प्रदर्शित करती है।

चुटकी बंद वोल्टेज और हिमस्खलन टूटने के बीच के क्षेत्र को कहा जाता है सक्रिय क्षेत्र, एम्पलीफायर ऑपरेटिंग क्षेत्र, संतृप्ति क्षेत्रया, चुटकी बंद क्षेत्र ओमिक क्षेत्र (पिंच-ऑफ से पहले) को आमतौर पर कहा जाता है ट्रायोड क्षेत्र, लेकिन इसे कभी-कभी कहा जाता है वोल्टेज नियंत्रित क्षेत्र। जेएफईटी को ओमिक क्षेत्र में संचालित किया जाता है, जब एक चर अवरोधक वांछित होता है और स्विचिंग अनुप्रयोगों में।

ब्रेकडाउन वोल्टेज का एक कार्य है v_GS साथ ही वी_DS। जैसा कि गेट और स्रोत के बीच वोल्टेज की भयावहता बढ़ जाती है (अधिक नकारात्मक है n-चैनल और अधिक सकारात्मक के लिए p-चैनल), ब्रेकडाउन वोल्टेज कम हो जाता है (चित्र 17 देखें)। साथ में v_GS = V_pड्रेन करंट शून्य (एक छोटे लीकेज करंट को छोड़कर) है, और साथ है v_GS = एक्सएनयूएमएक्स, ड्रेन करंट मूल्य पर संतृप्त होता है

(18)

I_DSS विश्व का सबसे लोकप्रिय एंव संतृप्ति ड्रेन-टू-सोर्स करंट.

चुटकी-बंद और टूटने के बीच, नाली चालू संतृप्त है और इसके कार्य के रूप में सराहनीय रूप से नहीं बदलता है v_DS। JFET के बाद चुटकी बंद ऑपरेटिंग बिंदु, का मान i_D विशेषता घटता या समीकरण से प्राप्त किया जा सकता है

(19)

इस समीकरण का एक और अधिक सटीक संस्करण (विशेषता घटता की थोड़ी ढलान को ध्यान में रखते हुए) इस प्रकार है:

(20)

λ के अनुरूप है λ MOSFETs के लिए, और 1 / के लिएV_A BJTs के लिए। जबसे λ छोटा है, हम यह मानते हैं । यह समीकरण में दूसरे कारक को छोड़ने और पूर्वाग्रह और बड़े सिग्नल विश्लेषण के लिए अनुमानित उपयोग का औचित्य साबित करता है।

संतृप्ति ड्रेन-टू-सोर्स करंट, I_DSS, तापमान का एक कार्य है। तापमान का प्रभाव V_p बड़े नहीं हैं। हालाँकि, I_DSS तापमान बढ़ने के साथ घटता है, 25 के लिए 100% जितना घटता है^o तापमान में वृद्धि। में भी बड़े बदलाव होते हैं V_p और I_DSS विनिर्माण प्रक्रिया में मामूली बदलाव के कारण। यह 2N3822 के लिए परिशिष्ट को देखने के द्वारा देखा जा सकता है जहां अधिकतम I_DSS 10 mA है और न्यूनतम 2 mA है।

इस अनुभाग में धाराएँ और वोल्टेज एक के लिए प्रस्तुत किए गए हैं n-चैनल JFET मूल्यों के लिए ए p-चैनल JFET इसके लिए दिए गए विपरीत हैं n-चैनल।

3.3 JFET स्मॉल-सिग्नल एसी मॉडल

एक JFET छोटे-सिग्नल मॉडल को MOSFET के लिए उपयोग की जाने वाली समान प्रक्रियाओं के बाद प्राप्त किया जा सकता है। मॉडल समीकरण (20) के रिश्ते पर आधारित है। अगर हम केवल विचार करें ac वोल्टेज और धाराओं का घटक, हमारे पास है

(21)

समीकरण (21) में पैरामीटर आंशिक डेरिवेटिव द्वारा दिए गए हैं,

(22)

परिणामी मॉडल चित्रा 18 में दिखाया गया है। ध्यान दें कि मॉडल पूर्व में प्राप्त MOSFET मॉडल के समान है, सिवाय इसके कि मूल्यों के g_m और r_o विभिन्न योगों का उपयोग करके गणना की जाती है। वास्तव में सूत्र समान हैं यदि V_p के लिए प्रतिस्थापित किया जाता है V_T.

चित्र 18 - JFET छोटा सिग्नल एसी मॉडल

एक JFET एम्पलीफायर डिजाइन करने के लिए, क्यू-बिंदु के लिए dc पूर्वाग्रह वर्तमान या तो रेखांकन द्वारा निर्धारित किया जा सकता है, या ट्रांजिस्टर के लिए चुटकी बंद मोड संभालने सर्किट विश्लेषण का उपयोग करके। dc Q- बिंदु पर पूर्वाग्रह 30% और 70% के बीच होना चाहिए I_DSS। यह विशेषता घटता के सबसे रैखिक क्षेत्र में क्यू-बिंदु का पता लगाता है।

बीच के रिश्ते i_D और v_GS जैसा कि चित्र 20 में दिखाया गया है, एक आयाम रहित ग्राफ (यानी, एक सामान्य वक्र) पर प्लॉट किया जा सकता है।

इस ग्राफ की ऊर्ध्वाधर धुरी है i_D/I_DSS और क्षैतिज अक्ष है v_GS/V_p। वक्र का ढलान है g_m.

लीनियर ऑपरेटिंग क्षेत्र के केंद्र के पास अर्ध-मान का पता लगाने के लिए एक उचित प्रक्रिया का चयन करना है और। चित्रा 6.20 से ध्यान दें कि यह वक्र के मध्य बिंदु के पास है। अगला, हम चयन करते हैं। यह के लिए मूल्यों की एक विस्तृत श्रृंखला देता है v_ds चुटकी बंद मोड में ट्रांजिस्टर रखें।

चित्र 20 -i_D/I_DSS बनाम v_GS/V_p

हम चित्र 20 की वक्र की ढलान से या समीकरण (22) का उपयोग करके Q- बिंदु पर पारगमन पा सकते हैं। यदि हम इस प्रक्रिया का उपयोग करते हैं, तो ट्रांसकनेक्टैस पैरामीटर द्वारा दिया जाता है,

(23)

याद रखें कि इस का मूल्य g_m इस धारणा पर निर्भर करता है कि I_D एक-आधा पर सेट है I_DSS और V_GS . 0.3V_p। ये मान आमतौर पर JFET के लिए मौन मूल्यों को स्थापित करने के लिए एक अच्छे प्रारंभिक बिंदु का प्रतिनिधित्व करते हैं।

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