3. צומת שדה טרנזיסטור אפקט (JFET)

צומת שדה אפקט טרנזיסטור (JFET)

ל- MOSFET יש מספר יתרונות על פני הטרנזיסטור של אפקט השדה (JFET). יש לציין כי התנגדות הקלט של ה- MOSFET גבוהה מזו של ה- JFET. מסיבה זו, MOSFET נבחר לטובת JFET עבור רוב היישומים. עם זאת, JFET משמש עדיין במצבים מוגבלים במיוחד עבור יישומים אנלוגיים.

ראינו כי MOSFETs שיפור דורשים מתח שער שאינו אפס כדי ליצור ערוץ הולכה. לא זרם זרם-רוב יכול לזרום בין המקור לניקוז, ללא מתח שער זה. לעומת זאת, ה- JFET שולט על מוליכות זרם המוביל בערוץ קיים בין שני אנשי קשר אומיים. זה עושה זאת על ידי שינוי הקיבול המקביל של המכשיר.

למרות שאנו ניגשים ל- JFET מבלי להשתמש בתוצאות שהופקו קודם לכן עבור MOSFET, אנו נראה קווי דמיון רבים בהפעלת שני סוגי המכשירים. קווי דמיון אלה מסוכמים בסעיף 6: "השוואה בין MOSFET ל- JFET".

סכמטית עבור המבנה הפיזי של JFET מוצג באיור 13. כמו ה- BJT, ה- JFET הוא מכשיר תלת-מסופי. יש לו רק אחד pn צומת בין השער לערוץ ולא שניים כמו ב BJT (אם כי נראה שיש שניים pn צמתים שמוצג באיור 13, אלה מחוברים במקביל על ידי חיווט מסופי השער יחד. לכן ניתן להתייחס אליהם כאל צומת אחת).

אל האני n-ערוץ JFET, שמוצג באיור 14 (א), נבנה באמצעות רצועה של nסוג חומר עם שני pחומרים מסוגים מתפזרים לרצועה, אחד בכל צד. ה p-ג'נל JFET יש רצועה של pסוג חומר עם שני nסוג חומר מתפזר לרצועה, כפי שמוצג באיור 13 (b). איור 13 מראה גם את סמלי המעגל.

כדי לקבל תובנה הפעולה של JFET, תן לנו לחבר את n-אנל JFET למעגל חיצוני כפי שמוצג באיור 14 (א). מתח אספקה חיובי, V_DD, מוחל על ניקוז (זה מקביל ל V_CC מתח אספקה עבור BJT) ואת המקור מחובר משותף (קרקע). מתח אספקת שער, V_GG, מוחל על השער (זה מקביל ל V_BB עבור BJT).

איור 13- מבנה פיזי של JFET

V_DD מספק מתח מקור הניקוז, v_DS, שגורמת לזרם ניקוז, i_D, לזרום מנקז למקור. מאז צומת מקור השער הוא מוטה לאחור, אפס שער תוצאות הנוכחי. זרם הניקוז, i_D, השווה לזרם המקור, קיים בערוץ המוקף ב pשער סוג. מתח השער אל המקור, v_GS, אשר שווה, יוצר אזור דלדול בערוץ שמפחית את רוחב הערוץ. זה, בתורו, מגביר את ההתנגדות בין ניקוז למקור.

איור 14 - JFET בעל ערוץ n המחובר למעגלים חיצוניים

אנו רואים פעולה עם JFET v_GS = 0, כפי שמוצג באיור 14 (b). זרם הניקוז, i_D, דרך n- תעלה מהניקוז למקור גורמת לירידה במתח לאורך התעלה, עם פוטנציאל גבוה יותר בצומת הניקוז. זה מתח חיובי בצומת ניקוז השער הפוך- biases את pn צומת ומייצרת אזור דלדול, כפי שמוצג על ידי אזור מוצל כהה באיור 14 (ב). כאשר אנו להגדיל v_DS, זרם הניקוז, i_D, גם מגדילה, כפי שמוצג באיור 15.

פעולה זו גורמת לאזור דלדול גדול יותר ועמידות ערוץ מוגברת בין ניקוז למקור. כפי ש v_DS הוא גדל עוד יותר, נקודה הוא הגיע למקום שבו אזור דלדול חותך את הערוץ כולו בקצה הניקוז ואת זרם הניקוז מגיע לנקודת הרוויה שלה. אם נגדיל v_DS מעבר לנקודה זו, i_D נשאר קבוע יחסית. הערך של זרם הניקוז הרווי V_GS = 0 הוא פרמטר חשוב. זה ניקוז מקור הרוויה הנוכחי, I_DSS. מצאנו את זה KV_T² עבור מצב דלדול MOSFET. כפי שניתן לראות בתרשים 15, הגדלת v_DS מעבר לערוץ שנקרא קמצוץ- off נקודה (-V_P, I_DSS) גורם לעלייה קלה מאוד i_D, וה i_D-v_DS עקומת אופיינית הופך כמעט שטוח (כלומר, i_D נשאר קבוע יחסית v_DS הוא גדל עוד יותר). נזכיר את זה V_T (המיועד כעת V_P) הוא שלילי עבור n-מקלדת. הניתוח מעבר לנקודת הקמצוץ (באזור הרוויה) מתקבל כאשר מתח הניקוז, V_DS, גדול מ -V_P (ראה איור 15). כדוגמה, נניח V_P = -4V, משמעות הדבר היא כי מתח הניקוז, v_DS, חייב להיות גדול או שווה ל - (- 4V) כדי שה - JFET יישאר באזור הרוויה (הפעלה רגילה).

תיאור זה מציין כי JFET הוא מכשיר מסוג דלדול. אנו מצפים כי המאפיינים שלה יהיו דומים לאלה של MOSFETs דלדול. עם זאת יש חריג חשוב: אמנם ניתן להפעיל MOSFET מסוג דלדול במצב שיפור (על ידי יישום חיובי v_GS אם ההתקן הוא n-אנל) זה לא מעשי במכשיר JFET. בפועל, המקסימום v_GS מוגבל ל- 0.3V מאז pn-Junction נשאר מנותק למעשה עם זה מתח קדימה קטן.

איור 15 - i_D נגד v_DS אופייני עבור n-אנל JFET (V_GS = 0V)

3.1 JFET גיוון מתח אל מקור

בפרק הקודם, פיתחנו את i_D-v_DS עקומת אופיינית עם V_GS = 0. בסעיף זה, אנו רואים את השלם i_D-v_DS מאפיינים עבור ערכים שונים של v_GS. שים לב כי במקרה של BJT, עקומות אופייניות (i_C-v_CE) יש i_B כפרמטר. ה- FET הוא מכשיר הנשלט על-ידי מתח v_GS עושה את השליטה. איור 16 מראה את i_D-v_DS עקומות אופייניות עבור שניהם n-אנל ו p-ג'אנל.

איור 16-i_D-v_DS עקומות אופייניות עבור JFET

ככל שעולה (v_GS הוא שלילי יותר עבור n-אנל ועוד חיובי עבור a p-אנל) אזור דלדול נוצר וקמצוץ- off מושגת על ערכים נמוכים יותר של i_D. לפיכך עבור n-ג'נל JFET של איור 16 (א), המקסימום i_D מפחית מ I_DSS as v_GS נעשה שלילי יותר. אם v_GS הוא ירד עוד (שלילי יותר), ערך של v_GS הוא הגיע לאחר מכן i_D יהיה אפס ללא קשר לערך של v_DS. ערך זה של v_GS נקרא V_{GS (OFF)}, או מתח קמצוץ (V_p). הערך של V_p היא שלילית עבור n-Gannel JFET וחיובית עבור p-ג'אנל. V_p ניתן להשוות V_T עבור מצב דלדול MOSFET.

מאפייני העברה של JNET 3.2

מאפיין ההעברה הוא חלק מזרם הניקוז, i_D, כפונקציה של מתח הניקוז למקור, v_DSעם v_GS שווה לקבוצת מתחים קבועים (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V באיור 16 (א)). מאפיין ההעברה כמעט בלתי תלוי בערך v_DS מאז לאחר JFET מגיע קמצוץ- off, i_D נותר קבוע יחסית לערכים הולכים וגדלים של v_DS. זה ניתן לראות מן i_D-v_DS עקומות של איור 16, שבו כל עקומת הופך שטוח בערך של ערכים v_DS>V_p.

באיור 17, אנו מראים את מאפייני ההעברה ואת i_D-v_DS מאפיינים עבור n-ג'אנל. אנחנו העלילה האלה עם משותף i_D ציר כדי להראות כיצד להשיג אחד מהשני. מאפייני העברה ניתן להשיג מתוך הרחבה של i_D-v_DS עקומות כפי שמוצג על ידי הקווים המקווקו באיור 17. השיטה השימושית ביותר לקביעת מאפיין ההעברה באזור הרוויה היא ביחס הבא (משוואת שוקלי):

(16)

לפיכך, אנחנו צריכים רק לדעת I_DSS ו V_p כדי לקבוע את המאפיין כולו. גליונות הנתונים של היצרנים לעיתים קרובות נותנים את שני הפרמטרים הללו, כך שניתן לבנות את מאפיין ההעברה. V_p בגליון המפרט של היצרן מוצג כ- V_{GS (OFF)}. שים לב ש i_D רווי, (כלומר הופך קבוע) כמו v_DS עולה על המתח הדרוש לערוץ כדי לצבוט. זה יכול לבוא לידי ביטוי כמו משוואה עבור v_{DS, ישב} ל כל אחד עקומה, כדלקמן:

(17)

As v_GS הופך להיות שלילי יותר, קמצוץ- off מתרחשת בערכים נמוכים של v_DS ואת הרוויה הנוכחי הופך קטן יותר. האזור שימושי עבור פעולה ליניארית הוא מעל קמצוץ- off ומתחת מתח פירוט. באזור זה, i_D הוא רווי וערכו תלוי v_GS, על פי משוואה (16) או מאפיין ההעברה.

איור 17 - מאפייני העברה JFET עקומות

העברה ו i_D-v_DS עקומות אופייניות עבור JFET, אשר מוצגים באיור 17, שונים מן הקימורים המקביל עבור BJT. עקומות BJT יכול להיות מיוצג כמרווח באופן שווה עבור צעדים אחידים בבסיס הנוכחי בגלל הקשר ליניארי בין i_C ו i_B. ה- JFET ו- MOSFET אינם מקבילים לזרם בסיס כיוון שזרמי השער הם אפס. לכן, אנחנו נאלצים להראות את המשפחה של הקימורים i_D לעומת v_DS, והקשרים הם מאוד לא לינאריים.

ההבדל השני מתייחס לגודל ולצורה של האזור האוהמי של הקימורים האופייניים. נזכיר כי באמצעות BJTs, אנו להימנע פעולה לא לינארית על ידי הימנעות 5 נמוך יותר של ערכים של v_CE (כלומר, אזור הרוויה). אנו רואים כי רוחב של אזור ohmic עבור JFET הוא פונקציה של המתח אל מקור המקור. אזור האוהל הוא די ליניארי עד הברך מתרחשת קרוב לקמצוץ את. אזור זה נקרא אזור אוהמי כי כאשר הטרנזיסטור משמש באזור זה, הוא מתנהג כמו נגד ohmic אשר ערך נקבע על ידי הערך של v_GS. ככל שגודל המתח שער למקור פוחת, רוחב האזור האומני גדל. כמו כן, נציין מאיור 17 כי מתח הפירוק הוא פונקציה של מתח השער למקור. למעשה, כדי להשיג הגברת אותות לינארית באופן סביר, עלינו להשתמש רק בקטע קטן יחסית של העקומות הללו - שטח הפעולה הליניארי נמצא באזור הפעיל.

As v_DS מגביר מאפס, נקודת הפסקה מתרחשת בכל עקומה שמעבר לה זרם הניקוז עולה מעט מאוד v_DS ממשיכה לגדול. בערך זה של מתח הניקוז למקור, קמצוץ- off מתרחשת. ערכי הקמצוץ מסומנים בתרשים 17 והם מחוברים לעקומה מקווקעת המפרידה בין אזור האוהם לבין האזור הפעיל. כפי ש v_DS ממשיך לגדול מעבר קמצוץ- off, נקודה היא הגיעה למקום שבו המתח בין ניקוז ומקור הופך כל כך גדול כי מפולת שלגים מתרחשת. (תופעה זו מתרחשת גם דיודות ב BJTs). בנקודת השבירה, i_D עולה בחדות עם עלייה זניחה v_DS. התפלגות זו מתרחשת בסוף הניקוז של צומת ערוץ השער. לפיכך, כאשר מתח הניקוז, v_DG, עולה על מתח התמוטטות (BV_GDS עבור pn צומת), מתרחשת מפולת (עבור v_GS = 0 V]. בשלב זה, i_D-v_DS אופייני מציג את הצורה המוזרה שמוצג על החלק הימני של איור 17.

האזור בין מתח קמצוץ ומפולת המפולת נקרא אזור פעיל, מגבר אזור ההפעלה, אזור הרוויה, או אזור קמצוץ. האזור האוהמי (לפני קמצוץ- off) נקרא בדרך כלל אזור טריודה, אבל זה נקרא לפעמים אזור מבוקר מתח. ה- JFET מופעל באזור האוהל הן כאשר נדרש משתנה משתנה והן ביישומי מיתוג.

מתח ההתפלגות הוא פונקציה של v_GS כמו גם v_DS. ככל שגודל המתח בין השער למקור גדל (שלילי יותר עבור n-אנל ועוד חיובי עבור p-כאנל), מתח הירידה יורד (ראה איור 17). עם v_GS = V_p, זרם הניקוז הוא אפס (למעט זרם דליפה קטן), ועם v_GS = 0, את הרוויה הנוכחי רווי ערך,

(18)

I_DSS האם ה רוויה מקור לניקוי המקור.

בין קמצוץ- off ו התמוטטות, זרם הניקוז הוא רווי ולא משתנה במידה ניכרת כפונקציה של v_DS. לאחר JFET עובר את נקודת ההפעלה קמצוץ, הערך של i_D ניתן לקבל מן הקימורים אופייני או מן המשוואה

(19)

גרסה מדויקת יותר של משוואה זו (בהתחשב במדרון הקל של העקומות האופייניות) היא כדלקמן:

(20)

λ הוא מקביל ל λ עבור MOSFETs, ו- 1 /V_A עבור BJTs. מאז λ הוא קטן, אנו מניחים כי . זה מצדיק השמטת הגורם השני במשוואה ושימוש בקירוב עבור תעדוף וניתוח אות גדול.

הרוויה לנקזוז מקור הנוכחי, I_DSS, הוא פונקציה של טמפרטורה. השפעות הטמפרטורה על V_p אינם גדולים. למרות זאת, I_DSS פוחתת עם עליית הטמפרטורה, הירידה היא ככל 25% עבור 100^o עלייה בטמפרטורה. אפילו שינויים גדולים יותר מתרחשים V_p ו I_DSS בגלל שינויים קלים בתהליך הייצור. זה ניתן לראות על ידי הצגת נספח עבור 2N3822 שבו המקסימום I_DSS הוא 10 mA המינימום הוא 2 mA.

הזרמים והמתחים בסעיף זה מוצגים עבור n-ג'אנל. הערכים עבור p-ג'נל JFET הם ההפך של אלה שניתנו עבור n-כאנל.

3.3 JFET אות קטן דגם AC

מודל אות קטן של JFET ניתן לגזור בעקבות אותם נהלים המשמשים את MOSFET. המודל מבוסס על הקשר של משוואה (20). אם ניקח בחשבון רק את ac רכיב של המתחים וזרמים, יש לנו

(21)

הפרמטרים במשוואה (21) ניתנים על ידי הנגזרים החלקיים,

(22)

המודל המתקבל מוצג באיור 18. שים לב שהמודל זהה למודל MOSFET שמקורו בעבר, למעט העובדה שהערכים של g_m ו r_o מחושבים באמצעות נוסחאות שונות. למעשה, הנוסחאות זהות V_p הוחלף עבור V_T.

איור 18 - מודל AC קטן של JFET

כדי לעצב מגבר JFET, נקודת Q עבור dc ניתן לקבוע את זרם הטיה בצורה גרפית, או באמצעות ניתוח מעגל בהנחת מצב קמצוץ עבור הטרנזיסטור. ה dc זרם הטיה בנקודת ה- Q צריך להיות בין 30 לבין 70% I_DSS. זה מאתר את נקודת Q באזור הליניארי ביותר של הקימורים האופייניים.

מערכת היחסים בין i_D ו v_GS ניתן לתוות על גרף חסר ממדים (כלומר, עקומה מנורמל) כפי שמוצג באיור 20.

הציר האנכי של גרף זה הוא i_D/I_DSS ואת הציר האופקי הוא v_GS/V_p. שיפוע העקומה הוא g_m.

הליך סביר לאיתור הערך השקט ליד מרכז אזור ההפעלה הליניארי הוא בחירה ו. שימו לב מאיור 6.20 שזה קרוב לנקודת האמצע של העקומה. לאחר מכן, אנו בוחרים. זה נותן מגוון רחב של ערכים עבור v_ds כי לשמור על הטרנזיסטור במצב קמצוץ.

איור 20 -i_D/I_DSS נגד v_GS/V_p

אנחנו יכולים למצוא את transconductance ב Q- נקודה או מן המדרון של עקומת איור 20 או באמצעות משוואה (22). אם נשתמש בהליך זה, הפרמטר transconductance ניתן על ידי,

(23)

זכור כי ערך זה של g_m תלוי בהנחה כי I_D מוגדר במחצית I_DSS ו V_GS . 0.3V_p. ערכים אלה מייצגים בדרך כלל נקודת התחלה טובה לקביעת ערכי שקט עבור ה- JFET.

קודם - 2. מתכת-תחמוצת FET מוליכים למחצה (MOSFET)

הבא 4. מגבר ותצורות מגבר FET