3. Transistor ad effetto di campo a giunzione (JFET)

Junction Field-effect Transistor (JFET)

Il MOSFET ha un certo numero di vantaggi rispetto al transistor ad effetto di campo a giunzione (JFET). In particolare, la resistenza di ingresso del MOSFET è superiore a quella del JFET. Per questo motivo, il MOSFET viene selezionato a favore del JFET per la maggior parte delle applicazioni. Ciò nonostante, JFET è ancora utilizzato in situazioni limitate, in particolare per le applicazioni analogiche.

Abbiamo visto che i MOSFET di potenziamento richiedono una tensione di gate non zero per formare un canale per la conduzione. Nessuna corrente di portatore di maggioranza può scorrere tra la sorgente e lo scarico senza questa tensione di gate applicata. Al contrario, il JFET controlla la conduttanza della corrente di maggioranza del vettore in un canale esistente tra due contatti ohmici. Lo fa variando la capacità equivalente del dispositivo.

Sebbene ci avviciniamo ai JFET senza utilizzare i risultati derivati in precedenza per i MOSFET, vedremo molte somiglianze nel funzionamento dei due tipi di dispositivi. Queste somiglianze sono riassunte nella Sezione 6: "Confronto tra MOSFET e JFET".

Uno schema per la struttura fisica del JFET è mostrato in Figura 13. Come il BJT, il JFET è un dispositivo a tre terminali. Ha fondamentalmente solo uno pn congiunzione tra il cancello e il canale piuttosto che due come nel BJT (anche se sembrano esserci due pn giunzioni mostrate in Figura 13, queste sono collegate in parallelo collegando insieme i terminali del gate. Possono quindi essere trattati come una singola giunzione).

I n-channel JFET, mostrato nella Figura 14 (a), è costruito usando una striscia di n-tipo di materiale con due p-tipo di materiali diffusi nella striscia, uno su ciascun lato. Il p-channel JFET ha una striscia di p-tipo di materiale con due n-tipo di materiali diffusi nella striscia, come mostrato nella Figura 13 (b). La figura 13 mostra anche i simboli del circuito.

Per ottenere informazioni sul funzionamento del JFET, colleghiamo il n-channel JFET su un circuito esterno come mostrato in Figura 14 (a). Una tensione di alimentazione positiva, V_DD, viene applicato allo scarico (questo è analogo al V_CC tensione di alimentazione per un BJT) e la sorgente è collegata al comune (terra). Una tensione di alimentazione del gate, V_GG, viene applicato al gate (questo è analogo a V_BB per il BJT).

Figura 13: struttura fisica di JFET

V_DD fornisce una tensione drain-source, v_DS, che causa una corrente di scarico, i_D, per fluire dallo scarico alla fonte. Poiché la giunzione gate-source è polarizzata inversa, la corrente di gate zero risulta. La corrente di scarico, i_D, che è uguale alla corrente della sorgente, esiste nel canale circondato da p-tipo di porta. La tensione da porta a fonte, v_GS, che è uguale a, crea a regione di esaurimento nel canale che riduce la larghezza del canale. Questo, a sua volta, aumenta la resistenza tra scarico e fonte.

Figura 14 - JFET a canale n collegato a circuiti esterni

Consideriamo l'operazione JFET con v_GS = 0, come mostrato nella Figura 14 (b). La corrente di scarico, i_D, Attraverso la n-channel da drain to source provoca una caduta di tensione lungo il canale, con il potenziale più elevato alla giunzione drain-gate. Questa tensione positiva alla giunzione drain-gate contrasta inversamente pn giunzione e produce una regione di svuotamento, come mostrato dall'area ombreggiata scura nella Figura 14 (b). Quando aumentiamo v_DS, la corrente di scarico, i_D, aumenta anche, come mostrato in Figura 15.

Questa azione si traduce in una regione di svuotamento maggiore e una maggiore resistenza del canale tra scarico e sorgente. Come v_DS è ulteriormente aumentato, si raggiunge un punto in cui la regione di svuotamento taglia l'intero canale sul bordo dello scarico e la corrente di scarico raggiunge il suo punto di saturazione. Se aumentiamo v_DS oltre questo punto, i_D rimane relativamente costante. Il valore della corrente di scarico satura con V_GS = 0 è un parametro importante. È il corrente di saturazione sorgente di scarico, I_DSS. L'abbiamo trovato KV_T² per il MOSFET in modalità depletion. Come si vede dalla figura 15, in aumento v_DS oltre questo cosiddetto canale pinch-off punto (-V_P, I_DSS) causa un leggero aumento in i_D, e il i_D-v_DS curva caratteristica diventa quasi piatta (es. i_D rimane relativamente costante come v_DS è ulteriormente aumentato). Richiama questo V_T (ora designato V_P) è negativo per a ndispositivo a canale. L'operazione oltre il punto di pinch-off (nella regione di saturazione) si ottiene quando la tensione di drain, V_DS, è più grande di -V_P (vedi Figura 15). Ad esempio, diciamo V_P = -4V, questo significa che la tensione di drain, v_DS, deve essere maggiore o uguale a - (- 4V) affinché il JFET rimanga nella regione di saturazione (normale operativa).

Questa descrizione indica che il JFET è un dispositivo di tipo esaurimento. Ci aspettiamo che le sue caratteristiche siano simili a quelle dei MOSFET di esaurimento. Tuttavia, vi è un'eccezione importante: mentre è possibile utilizzare un MOSFET di tipo a esaurimento nella modalità di miglioramento (applicando un positivo v_GS se il dispositivo è n-channel) questo non è pratico nel dispositivo di tipo JFET. In pratica, il massimo v_GS è limitato a circa 0.3V dal pn-la giunzione rimane essenzialmente interrotta con questa piccola tensione diretta.

Figura 15 - i_D v_DS caratteristica per n-canale JFET (V_GS = 0V)

Variazione di tensione gate-to-source 3.1 JFET

Nella sezione precedente, abbiamo sviluppato il i_D-v_DS curva caratteristica con V_GS = 0. In questa sezione, consideriamo il completo i_D-v_DS caratteristiche per vari valori di v_GS. Si noti che nel caso del BJT, le curve caratteristiche (i_C-v_CE) hanno i_B come parametro Il FET è un dispositivo a tensione controllata dove v_GS fa il controllo. La figura 16 mostra il i_D-v_DS curve caratteristiche per entrambi n-canale e p-canale JFET.

Figura 16-i_D-v_DS curve caratteristiche per JFET

All'aumentare (v_GS è più negativo per a n-channel e più positivo per a p-channel) viene formata la regione di svuotamento e si ottiene il pinch-off per valori inferiori di i_D. Quindi per il n-canale JFET di Figura 16 (a), il massimo i_D riduce da I_DSS as v_GS è reso più negativo. Se v_GS è ulteriormente diminuito (più negativo), un valore di v_GS è raggiunto dopo di che i_D sarà zero indipendentemente dal valore di v_DS. Questo valore di v_GS è chiamato V_{GS (OFF)}, o tensione di spegnimento (V_p). Il valore di V_p è negativo per a n-canale JFET e positivo per a p-canale JFET. V_p può essere paragonato a V_T per il MOSFET in modalità depletion.

3.2 JFET caratteristiche di trasferimento

La caratteristica di trasferimento è un grafico della corrente di drain, i_D, in funzione della tensione drain-to-source, v_DS, con v_GS uguale ad un insieme di tensioni costanti (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V in Figura 16 (a)). La caratteristica di trasferimento è quasi indipendente dal valore di v_DS da quando il JFET raggiunge il pizzico, i_D rimane relativamente costante per l'aumento dei valori di v_DS. Questo può essere visto dal i_D-v_DS curve di Figura 16, dove ogni curva diventa approssimativamente piatta per valori di v_DS>V_p.

Nella Figura 17, mostriamo le caratteristiche di trasferimento e il i_D-v_DS caratteristiche per un n-canale JFET. Tracciamo questi con un comune i_D asse per mostrare come ottenerne uno dall'altro. Le caratteristiche di trasferimento possono essere ottenute da un'estensione del i_D-v_DS curve come mostrato dalle linee tratteggiate nella Figura 17. Il metodo più utile per determinare la caratteristica di trasferimento nella regione di saturazione è con la seguente relazione (l'equazione di Shockley):

(16)

Quindi, dobbiamo solo sapere I_DSS ed V_p per determinare l'intera caratteristica. Le schede tecniche dei produttori spesso forniscono questi due parametri, quindi è possibile costruire la caratteristica di trasferimento. V_p nella scheda delle specifiche del produttore è mostrato come V_{GS (OFF)}. Nota che i_D satura, (cioè, diventa costante) come v_DS supera la tensione necessaria affinché il canale si schiaccia. Questo può essere espresso come un'equazione per v_{DS, sat} per ogni curva, come segue:

(17)

As v_GS diventa più negativo, il pizzico si verifica a valori inferiori di v_DS e la corrente di saturazione diventa più piccola. La regione utile per il funzionamento lineare è al di sopra del pinch-off e al di sotto della tensione di breakdown. In questa regione, i_D è saturo e il suo valore dipende da v_GS, secondo Equation (16) o la caratteristica di trasferimento.

Figura 17 - Curve caratteristiche di trasferimento JFET

Il trasferimento e i_D-v_DS le curve caratteristiche per il JFET, che sono mostrate nella Figura 17, differiscono dalle curve corrispondenti per un BJT. Le curve BJT possono essere rappresentate come distanziate uniformemente per passi uniformi nella corrente di base a causa della relazione lineare tra i_C ed i_B. JFET e MOSFET non hanno corrente analoga a una corrente di base perché le correnti di gate sono zero. Pertanto, siamo costretti a mostrare la famiglia delle curve i_D vs. v_DSe le relazioni sono molto non lineari.

La seconda differenza si riferisce alla dimensione e alla forma della regione ohmica delle curve caratteristiche. Ricordiamo che usando BJTs, evitiamo l'operazione non lineare evitando la percentuale inferiore di 5 di valori di v_CE (cioè, il regione di saturazione). Vediamo che la larghezza della regione ohmica per il JFET è una funzione della tensione da porta a fonte. La regione ohmica è abbastanza lineare fino a quando il ginocchio si verifica vicino a staccarsi. Questa regione è chiamata il regione ohmica perché quando il transistor è usato in questa regione, si comporta come un resistore ohmico il cui valore è determinato dal valore di v_GS. Quando l'ampiezza della tensione gate-source diminuisce, l'ampiezza della regione ohmica aumenta. Notiamo anche dalla Figura 17 che la tensione di breakdown è una funzione della tensione gate-to-source. Infatti, per ottenere un'amplificazione del segnale ragionevolmente lineare, dobbiamo utilizzare solo un segmento relativamente piccolo di queste curve: l'area di funzionamento lineare si trova nella regione attiva.

As v_DS aumenta da zero, si verifica un punto di rottura su ciascuna curva oltre la quale la corrente di drain aumenta molto poco v_DS continua ad aumentare. A questo valore di tensione drain-to-source, si verifica il pinch-off. I valori di pinch-off sono etichettati in Figura 17 e sono collegati con una curva tratteggiata che separa la regione ohmica dalla regione attiva. Come v_DS continua ad aumentare oltre il pizzicamento, si raggiunge un punto in cui la tensione tra drain e source diventa così grande rottura delle valanghe si verifica. (Questo fenomeno si verifica anche nei diodi e nei BJT). Al punto di rottura, i_D aumenta drasticamente con un aumento trascurabile di v_DS. Questa rottura si verifica all'estremità di drenaggio della giunzione del canale di gate. Quindi, quando la tensione drain-gate, v_DG, supera la tensione di rottura (BV_GDS per l' pn giunzione), la valanga si verifica [per v_GS = 0 V]. A questo punto, il i_D-v_DS caratteristica mostra la particolare forma mostrata nella parte destra della figura 17.

La regione tra la tensione di pin-off e la rottura della valanga è chiamata regione attiva, regione operativa dell'amplificatore, regione di saturazione, o regione pinch-off. La regione ohmica (prima del "pinch-off") viene solitamente chiamata " regione del triodo, ma a volte è chiamato il regione a tensione controllata. Il JFET viene azionato nella regione ohmica sia quando si desidera un resistore variabile che in applicazioni di commutazione.

La tensione di scarica è una funzione di v_GS così come v_DS. Come l'intensità della tensione tra gate e source è aumentata (più negativo per n-channel e più positivo per p-channel), la tensione di breakdown diminuisce (vedi Figura 17). Con v_GS = V_p, la corrente di drain è zero (tranne che per una piccola corrente di dispersione) e con v_GS = 0, la corrente di drain si satura ad un valore,

(18)

I_DSS Europe è corrente di drain-to-source di saturazione.

Tra pinch-off e breakdown, la corrente di drain è saturata e non cambia in modo sensibile in funzione di v_DS. Dopo che JFET ha superato il punto operativo di pinch-off, il valore di i_D può essere ottenuto dalle curve caratteristiche o dall'equazione

(19)

Una versione più accurata di questa equazione (tenendo conto della leggera inclinazione delle curve caratteristiche) è la seguente:

(20)

λ è analogo al λ per MOSFET e 1 /V_A per BJT. Da λ è piccolo, lo assumiamo . Ciò giustifica l'omissione del secondo fattore nell'equazione e l'utilizzo dell'approssimazione per la polarizzazione e l'analisi del segnale di grandi dimensioni.

La corrente di drain-to-source di saturazione, I_DSS, è una funzione della temperatura. Gli effetti della temperatura sopra V_p non sono grandi Però, I_DSS diminuisce all'aumentare della temperatura, diminuendo fino a 25% per un 100^o aumento della temperatura. Si verificano anche variazioni più grandi V_p ed I_DSS a causa di lievi variazioni nel processo di produzione. Questo può essere visto visualizzando l'Appendice per 2N3822 dove il massimo I_DSS è 10 mA e il minimo è 2 mA.

Le correnti e le tensioni in questa sezione sono presentate per un n-canale JFET. I valori per a p-channel JFET sono il contrario di quelli dati per il n-canale.

3.3 JFET Small-Signal ac Model

Un modello a piccolo segnale JFET può essere derivato seguendo le stesse procedure utilizzate per il MOSFET. Il modello si basa sulla relazione di Equazione (20). Se consideriamo solo il ac componente delle tensioni e delle correnti, abbiamo

(21)

I parametri in Equation (21) sono dati dai derivati parziali,

(22)

Il modello risultante è mostrato in Figura 18. Si noti che il modello è identico al modello MOSFET derivato in precedenza, ad eccezione dei valori di g_m ed r_o sono calcolati utilizzando diverse formule. In realtà le formule sono identiche se V_p è sostituito V_T.

Figura 18 - Modello CA JFET a segnale piccolo

Per progettare un amplificatore JFET, il Q-point per il dc la corrente di polarizzazione può essere determinata graficamente, o usando l'analisi del circuito assumendo la modalità pinch-off per il transistor. Il dc la corrente di polarizzazione al punto Q dovrebbe essere compresa tra 30% e 70% di I_DSS. Questo individua il punto Q nella regione più lineare delle curve caratteristiche.

La relazione tra i_D ed v_GS può essere tracciato su un grafico adimensionale (cioè una curva normalizzata) come mostrato in Figura 20.

L'asse verticale di questo grafico è i_D/I_DSS e l'asse orizzontale è v_GS/V_p. La pendenza della curva è g_m.

Una procedura ragionevole per localizzare il valore di quiescenza vicino al centro della regione operativa lineare consiste nel selezionare e. Notare dalla Figura 6.20 che questo è vicino al punto medio della curva. Successivamente, selezioniamo. Ciò fornisce un'ampia gamma di valori per v_ds che mantiene il transistor nella modalità pinch-off.

Figura 20 -i_D/I_DSS v_GS/V_p

Possiamo trovare la transconduttanza al punto Q o dalla pendenza della curva di Figura 20 o usando l'equazione (22). Se usiamo questa procedura, il parametro transconductance è dato da,

(23)

Ricorda che questo valore di g_m dipende dal presupposto che I_D è impostato a metà I_DSS ed V_GS . 0.3V_p. Questi valori rappresentano in genere un buon punto di partenza per l'impostazione dei valori di quiescenza per JFET.

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