3. Junction terepi hatású tranzisztor (JFET)
JELENLEG - 3. Csatlakozási terepi tranzisztor (JFET)
ELŐZŐ - 2. Fém-oxid-félvezető FET (MOSFET)
Junction terepi hatású tranzisztor (JFET)
A MOSFET-nek számos előnye van az összekötő terepi hatású tranzisztorhoz (JFET) képest. Nevezetesen, a MOSFET bemeneti ellenállása magasabb, mint a JFET. Ezért a legtöbb alkalmazásnál a MOSFET a JFET javára van kiválasztva. Mindazonáltal a JFET-et még mindig korlátozott helyzetekben használják, különösen analóg alkalmazások esetén.
Láttuk, hogy a javító MOSFET-ek nem-nulla kapu feszültséget igényelnek a csatorna létrehozásához. Az alkalmazott kapu feszültség nélkül a forrás és a lefolyó között nincs többségi hordozóáram. Ezzel szemben a JFET szabályozza a többségi hordozó áramának vezetőképességét egy meglévő csatornában két ohmikus érintkező között. Ezt a készülék egyenértékű kapacitásának változtatásával végezzük.
Bár a JFET-ekhez közelítünk anélkül, hogy a korábban MOSFET-ekre kapott eredményeket felhasználnánk, sok hasonlóságot fogunk látni a két típusú eszköz működésében. Ezeket a hasonlóságokat a 6. szakasz foglalja össze: „A MOSFET és a JFET összehasonlítása”.
A JFET fizikai szerkezetének vázlata a 13 ábrán látható. A BJT-hez hasonlóan a JFET egy három végberendezés. Alapvetően csak egy pn a kapu és a csatorna közötti csomópont helyett kettő, mint a BJT-ben (bár úgy tűnik, hogy kettő van pn Az 13 ábrán látható csomópontok párhuzamosan vannak összekötve a kapu terminálok összekapcsolásával. Így egyetlen csomópontként kezelhetők.
A nA 14 (a) ábrán látható -csatornás JFET-et egy csík segítségével állítjuk elő n-típusú anyag két p- a szalagba szétszóródó típusú anyagok, egyet mindkét oldalon. A p-csatornás JFET-nek van egy csíkja p-típusú anyag két n- a szalagba diffundált típusú anyagok, amint azt az 13 (b) ábra mutatja. Az 13 ábra az áramköri szimbólumokat is mutatja.
Ahhoz, hogy betekintést nyerjünk a JFET működésébe, csatlakoztassuk a n-csatornás JFET egy külső áramkörhöz, amint az a 14 (a) ábrán látható. Pozitív tápfeszültség, VDD, a lefolyóhoz van alkalmazva (ez hasonló a. \ t VCC BJT tápfeszültség) és a forrás közös (föld). Kapu tápfeszültség, VGG, a kapuhoz van alkalmazva (ez hasonló VBB a BJT számára).
13 ábra - JFET fizikai szerkezete
VDD lefolyó forrás feszültséget biztosít, vDS, ami lefolyási áramot okoz, iD, a lefolyóból a forrásig áramlik. Mivel a kapuforrás-csomópont fordított torzítású, nulla kapu aktuális eredményei. A leeresztő áram, iD, amely megegyezik a forrás áramával, a. által körülvett csatornában létezik p-típusú kapu. A kapu-forrás feszültség, vGS, ami egyenlő, létrehoz egy kiürített tartomány a csatornán, amely csökkenti a csatorna szélességét. Ez viszont növeli a lefolyás és a forrás közötti ellenállást.
14. ábra - n-csatornás JFET külső áramkörhöz csatlakoztatva
A JFET működését figyelembe vesszük vGS = 0, az 14 (b) ábrán látható. A leeresztő áram, iD, keresztül n-csatorna a lefolyástól a forrásig feszültségesést okoz a csatorna mentén, a nagyobb potenciállal a csatorna-kapu csomópontnál. Ez a pozitív feszültség a leeresztő-kapu csomópontján fordítottan torzítja a pn az 14 (b) ábrán látható sötét árnyékolt terület mutatja. Amikor növeljük vDS, a lefolyóáram, iD, ugyancsak növekszik, amint az az 15 ábrán látható.
Ez a művelet nagyobb kimerülési tartományt és nagyobb csatornaellenállást eredményez a lefolyó és a forrás között. Mint vDS tovább növekszik, egy pontot érünk el, ahol a kimerülési tartomány levágja a teljes csatornát a leeresztőélen, és a lefolyóáram eléri a telítési pontját. Ha növeljük vDS ezen a ponton túl, iD viszonylag állandó marad. A telített lefolyóáram értéke VGS = Az 0 fontos paraméter. Ez a lefolyási forrás telítettségi áram, IDSS. Megtaláltuk KVT2 a kimerülési üzemmódhoz MOSFET. Ahogy az 15 ábrán látható, növekszik vDS ezen az ún. csatornán túl lecsíp pont (-VP, IDSS) nagyon csekély növekedést okoz iD, És a iD-vDS a jelleggörbe majdnem lapos (pl. iD viszonylag állandó marad vDS tovább növekszik). Emlékezzünk erre VT (most kijelölt VP) negatív egy n-csatornás eszköz. A lehúzási ponton túli működés (a telítési tartományban) akkor érhető el, ha a leeresztő feszültséget, VDS, nagyobb, mint -VP (lásd az 15 ábrát). Példaként mondjuk VP = -4V, ez azt jelenti, hogy a leeresztő feszültség, vDS, nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie - (- 4V) -vel ahhoz, hogy a JFET maradjon a telítettségi (normál működési) régióban.
Ez a leírás azt jelzi, hogy a JFET egy kimerítő típusú eszköz. Azt várjuk, hogy a jellemzői hasonlóak legyenek a kimerülési MOSFET-ekéhoz. Van azonban egy fontos kivétel: Míg a javítási módban lehetőség van egy kimerülési típusú MOSFET használatára (egy pozitív vGS ha az eszköz n-csatornás) ez nem praktikus a JFET típusú eszközben. A gyakorlatban a maximális vGS az 0.3V kb pn-csatlakozás lényegében le van zárva ezzel a kis előfeszültséggel.
15 ábra - iD ellen vDS jellemző n-csatornás JFET (VGS = 0V)
3.1 JFET Gate-To-Source feszültségváltozás
Az előző részben kifejlesztettük a iD-vDS jelleggörbe VGS = 0. Ebben a részben tekintjük a teljesnek iD-vDS a különböző értékek jellemzői vGS. Ne feledje, hogy a BJT esetében a jellemző görbék (iC-vCE) van iB paraméterként. A FET egy feszültségvezérelt eszköz, ahol vGS az ellenőrző. Az 16 iD-vDS mind a n-csatornás és p-csatornás JFET.
16 ábraiD-vDS JFET jellemző görbéi
Ahogy növekszik 
(vGS negatívabb egy n-csatorna és pozitívabb az a p-csatorna) a kimerülési régió képződik, és az alacsonyabb értékeknél a csípés megszűnik iD. Ezért a na 16 (a) ábrán látható csatornás JFET a maximális iD csökkenti IDSS as vGS negatívabb. Ha vGS tovább csökkent (negatívabb), értéke vGS ezután elértük iD nulla lesz, függetlenül az értékétől vDS. Ez az érték vGS nak, nek hívják VGS (KI)vagy megszakító feszültség (Vp). Az értéke Vp negatív egy n-csatornás JFET és pozitív a p-csatornás JFET. Vp összehasonlítható VT a kimerülési üzemmódhoz MOSFET.
3.2 JFET átviteli jellemzők
Az átviteli jellemző a leeresztő áram diagramja, iD, a lefolyó-forrás feszültség függvényében, vDS, És vGS egyenlő állandó feszültségekkel (vGS = -3V, -2, -1V, 0V az 16 (a) ábrán). Az átviteli jellemző közelítőleg független az értéktől vDS miután a JFET elérte a csípést, iD viszonylag állandó marad a növekvő értékekhez vDS. Ez látható a iD-vDS az 16 ábra görbéi, ahol az egyes görbék megközelítőleg síkba kerülnek a vDS>Vp.
Az 17 ábrán az átviteli jellemzőket és a iD-vDS jellemzői egy n-csatornás JFET. Ezeket közösen ábrázoljuk iD tengely, hogy megmutassa, hogyan szerezhető be a másikból. Az átviteli jellemzők a iD-vDS görbék, amelyeket a 17. ábra szaggatott vonalai mutatnak. A telítési régióban az átviteli karakterisztika meghatározásának leghasznosabb módszere a következő összefüggés (a Shockley-egyenlet):
(16)
Ezért csak tudnunk kell IDSS és a Vp hogy meghatározzuk a teljes jellemzőt. A gyártók adatlapjai gyakran megadják ezt a két paramétert, így az átviteli karakterisztika elkészíthető. Vp a gyártó specifikációs lapján a VGS (KI). Vegye figyelembe, hogy iD telít, vagyis állandóvá válik vDS meghaladja azt a feszültséget, amely ahhoz szükséges, hogy a csatorna megszoruljon. Ezt ki lehet fejezni egyenletként vDS, ült mert minden görbe, az alábbiak szerint:
(17)
As vGS negatívabbá válik, a csíptetés alacsonyabb értékeken történik vDS és a telítettségi áram kisebb lesz. A lineáris működés hasznos területe a lekapcsolás és a megszakítási feszültség alatt van. Ebben a régióban iD telített és értéke függ vGS, az egyenlet (16) vagy az átviteli jellemző szerint.
17 - JFET átviteli jellemzők görbék
Az átadás és iD-vDS Az 17 ábrán látható JFET jellemző görbéi különböznek a BJT megfelelő görbéitől. A BJT görbék egyenletesen elhelyezhetők az alapáramban az egyenletes lépések között, a lineáris kapcsolat miatt iC és a iB. A JFET és a MOSFET nem rendelkezik az alapárammal analóg árammal, mivel a kapuáramok nulla. Ezért kénytelenek vagyunk megmutatni a görbék családját iD vs vDSés a kapcsolatok nagyon nemlineárisak.
A második különbség a jellemző görbék ohmikus régiójának méretére és alakjára vonatkozik. Emlékezzünk rá, hogy a BJT-k használatakor elkerüljük a nemlineáris műveleteket, elkerülve az alacsonyabb 5% értéket vCE (azaz a telítettségi régió). Látjuk, hogy a JFET ohmikus régiójának szélessége a kapu-forrás feszültség függvénye. Az ohmikus régió egészen lineáris, amíg a térd közel van a tapadáshoz. Ezt a régiót az ohmikus régió mert amikor a tranzisztort használják ebben a régióban, úgy viselkedik, mint egy ohmikus ellenállás, amelynek értékét az vGS. Amint a kapu-forrás feszültség nagysága csökken, az ohm tartomány szélessége növekszik. A 17. ábráról azt is megjegyezzük, hogy a megszakítási feszültség a kapu-forrás feszültség függvénye. Valójában az ésszerűen lineáris jelerősítés eléréséhez ezeknek a görbéknek csak egy viszonylag kis szakaszát kell felhasználnunk - a lineáris működés területe az aktív régióban van.
As vDS nulláról növekszik, minden görbenél megszakadási pont lép fel, amely felett a lefolyóáram nagyon kis mértékben nő vDS tovább növekszik. A leeresztés-forrás feszültség ezen értékénél megszorul. Az összenyomási értékeket az 17 ábrán jelöltük, és szaggatott görbével vannak összekötve, amely elválasztja az ohmikus régiót az aktív tartománytól. Mint vDS továbbra is növekszik, mint a csipkedés, egy pont érhető el, ahol a lefolyó és a forrás közötti feszültség annyira nagy lesz lavina bontás bekövetkezik. (Ez a jelenség a diódákban és a BJT-kben is előfordul). A bontási ponton iD élesen növekszik, elhanyagolható növekedéssel vDS. Ez a meghibásodás a kapu-csatorna csomópontjának leeresztési végénél történik. Ezért, amikor a leeresztő kapu feszültsége, vDG, meghaladja a feszültséget (BVGDS az pn kereszteződés), a lavina előfordul vGS = 0 V]. Ezen a ponton a iD-vDS A jellemző az 17 ábra jobb oldalán látható sajátos alakot mutatja.
A feszültség és a lavina lebontás közötti tartományt a aktív régió, erősítő működési régió, telítettségi régióvagy csípős régió. Az ohmikus régiót (a csípés előtt) általában a triode régió, de néha azt is nevezik feszültségvezérelt tartomány. A JFET az ohmikus tartományban működik mind változó ellenállás esetén, mind pedig az alkalmazások váltásakor.
A megszakítási feszültség a vGS valamint vDS. Mivel a kapu és a forrás közötti feszültség nagysága megnő (negatívabb a n-csatornás és pozitívabb p-csatorna), a megszakítási feszültség csökken (lásd az 17 ábrát). Val vel vGS = Vp, a leeresztő áram nulla (kivéve egy kis szivárgási áramot) és vGS = 0, a leeresztési áram egy értéken telít,
(18)
IDSS a telítettség elvezetése áramforráshoz.
A leeresztés és a meghibásodás között a leeresztő áram telített és nem változik észrevehetően vDS. Miután a JFET áthalad a csíptető működési ponton, az érték iD a jellemző görbékből vagy az egyenletből nyerhető
(19)
Az egyenlet pontosabb változata (figyelembe véve a jelleggörbék enyhe lejtését) a következő:
(20)
λ analóg a λ MOSFET-ek és 1 /VA BJT-k esetében. Mivel λ kicsi, feltételezzük, hogy 
. Ez indokolja a második tényező kihagyását az egyenletben, és a közelítés használatát a torzításhoz és a nagy jelelemzéshez.
A telítettség elvezetése a forrásra, IDSS, a hőmérséklet függvénye. A hőmérséklet hatása Vp nem nagyok. Azonban, IDSS a hőmérséklet emelkedésével csökken, a csökkenés ugyanolyan, mint egy 25% 100 esetébeno a hőmérséklet emelkedése. Még nagyobb változatok történnek Vp és a IDSS a gyártási folyamat enyhe eltérése miatt. Ez látható az 2N3822 függelékének megtekintésével, ahol a maximális IDSS az 10 mA, a minimum pedig 2 mA.
Az ebben a részben ismertetett áramokat és feszültségeket egy n-csatornás JFET. Az a p-csatornás JFET-ek a fordítottak n-csatorna.
3.3 JFET kis jelű AC modell
A JFET kisjelű modellt a MOSFET-hez hasonló eljárások alapján lehet levezetni. A modell az egyenlet (20) kapcsolatán alapul. Ha csak a ac a feszültségek és áramok összetevője
(21)
A (21) egyenlet paramétereit a részleges származékok adják meg,
(22)
Az eredményül kapott modell az 18 ábrán látható. Ne feledje, hogy a modell megegyezik a korábban előállított MOSFET modellel, kivéve, hogy a gm és a ro különböző képletekkel számítják ki. Valójában a képletek azonosak, ha Vp helyettesíti VT.
18. ábra - JFET kicsi jel AC modell
A JFET erősítő megtervezéséhez a Q-pont a dc A torzításáram grafikusan, vagy áramkörelemzés alkalmazásával határozható meg, feltételezve, hogy a tranzisztor lekapcsolási módja van. A dc a Q-pontban a torzításáramnak 30% és 70% között kell lennie IDSS. Ez a Q-pontot a karakterisztikus görbék leg lineárisabb régiójában találja.
Köztük lévő kapcsolat iD és a vGS ábrázolható egy dimenzió nélküli grafikonon (azaz egy normalizált görbe), amint az a 20 ábrán látható.
Ennek a grafikonnak a függőleges tengelye iD/IDSS és a vízszintes tengely vGS/Vp. A görbe meredeksége gm.
Ésszerű eljárás a nyugalmi érték elhelyezésére a lineáris működési régió közepe közelében a és kiválasztása. Figyeljük meg a 6.20. Ábráról, hogy ez közel van a görbe középpontjához. Ezután kiválasztjuk. Ez az értékek széles skáláját adja vds amely a tranzisztort megszakító üzemmódban tartja.
20 ábra -iD/IDSS ellen vGS/Vp
A Q-pontban a transzconduktivitást a 20 ábra görbéjének meredekségéből vagy az (22) egyenletből lehet megtalálni. Ha ezt az eljárást alkalmazzuk, a transzconductance paramétert a,
(23)
Ne feledje, hogy ez az érték gm attól függ, hogy ID félig van beállítva IDSS és a VGS . 0.3Vp. Ezek az értékek általában jó kiindulópontot jelentenek a JFET nyugalmi értékeinek beállításához.