3. צומת שדה אפקט טרנזיסטור (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 מתקרבים JFETs ללא שימוש בתוצאות הנגזרות מוקדם יותר עבור MOSFETs, נוכל לראות קווי דמיון רבים במבצע של שני סוגי התקנים. קווי דמיון אלה מסוכמים בסעיף 6: "השוואה של 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).

ה 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, VDD, מוחל על ניקוז (זה מקביל ל VCC מתח אספקה ​​עבור BJT) ואת המקור מחובר משותף (קרקע). מתח אספקת שער, VGG, מוחל על השער (זה מקביל ל VBB עבור BJT).

מבנה פיזי של JFET

איור 13- מבנה פיזי של JFET

VDD מספק מתח מקור הניקוז, vDS, שגורמת לזרם ניקוז, iD, לזרום מנקז למקור. מאז צומת מקור השער הוא מוטה לאחור, אפס שער תוצאות הנוכחי. זרם הניקוז, iD, אשר שווה הנוכחי המקור, קיים בערוץ מוקף pשער סוג. מתח השער אל המקור, vGS, אשר שווה, יוצר אזור דלדול בערוץ שמפחית את רוחב הערוץ. זה, בתורו, מגביר את ההתנגדות בין ניקוז למקור.

n-channel JFET

איור 14 - N-channel JFET מחובר למעגלים חיצוניים

אנו רואים פעולה עם JFET vGS = 0, כפי שמוצג באיור 14 (b). זרם הניקוז, iD, 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 vDS, זרם הניקוז, iD, גם מגדילה, כפי שמוצג באיור 15.

פעולה זו גורמת לאזור דלדול גדול יותר ועמידות ערוץ מוגברת בין ניקוז למקור. כפי ש vDS 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 vDS מעבר לנקודה זו, iD נשאר קבוע יחסית. הערך של זרם הניקוז הרווי VGS = 0 הוא פרמטר חשוב. זה ניקוז מקור הרוויה הנוכחי, IDSS. מצאנו את זה KVT2 עבור מצב דלדול MOSFET. כפי שניתן לראות בתרשים 15, הגדלת vDS מעבר לערוץ שנקרא קמצוץ- off נקודה (-VP, IDSS) גורם לעלייה קלה מאוד iD, וה iD-vDS עקומת אופיינית הופך כמעט שטוח (כלומר, iD נשאר קבוע יחסית vDS הוא גדל עוד יותר). נזכיר את זה VT (המיועד כעת VP) הוא שלילי עבור n-מקלדת. הניתוח מעבר לנקודת הקמצוץ (באזור הרוויה) מתקבל כאשר מתח הניקוז, VDS, גדול מ -VP (ראה איור 15). כדוגמה, נניח VP = -4V, משמעות הדבר היא כי מתח הניקוז, vDS, 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 vGS אם ההתקן הוא n-אנל) זה לא מעשי במכשיר JFET. בפועל, המקסימום vGS מוגבל ל- 0.3V מאז pn-Junction נשאר מנותק למעשה עם זה מתח קדימה קטן.

איור 15 - iD נגד vDS אופייני עבור n-אנל JFET (VGS = 0V)

3.1 JFET גיוון מתח אל מקור

בפרק הקודם, פיתחנו את iD-vDS עקומת אופיינית עם VGS = 0. בסעיף זה, אנו רואים את השלם iD-vDS מאפיינים עבור ערכים שונים של vGS. שים לב כי במקרה של BJT, עקומות אופייניות (iC-vCE) יש iB כפרמטר. ה- FET הוא מכשיר הנשלט על-ידי מתח vGS עושה את השליטה. איור 16 מראה את iD-vDS עקומות אופייניות עבור שניהם n-אנל ו p-ג'אנל.

איור 16-iD-vDS עקומות אופייניות עבור JFET

כמו עליות (vGS הוא שלילי יותר עבור n-אנל ועוד חיובי עבור a p-אנל) אזור דלדול נוצר וקמצוץ- off מושגת על ערכים נמוכים יותר של iD. לפיכך עבור n-ג'נל JFET של איור 16 (א), המקסימום iD מפחית מ IDSS as vGS נעשה שלילי יותר. אם vGS הוא ירד עוד (שלילי יותר), ערך של vGS הוא הגיע לאחר מכן iD יהיה אפס ללא קשר לערך של vDS. ערך זה של vGS נקרא VGS (OFF), או מתח קמצוץ (Vp). הערך של Vp היא שלילית עבור n-Gannel JFET וחיובית עבור p-ג'אנל. Vp ניתן להשוות VT עבור מצב דלדול MOSFET.

מאפייני העברה של JNET 3.2

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

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


(16)

לפיכך, אנחנו צריכים רק לדעת IDSS ו Vp כדי לקבוע את כל המאפיין. גיליונות הנתונים של התעשיינים לעתים קרובות לתת את שני הפרמטרים, כך מאפיין ההעברה יכול להיות בנוי. Vp ב מפרט המפרט של היצרן מוצג כ VGS (OFF). שים לב ש iD (כלומר, הופך קבוע) vDS עולה על המתח הדרוש לערוץ כדי לצבוט. זה יכול לבוא לידי ביטוי כמו משוואה עבור vDS, ישב ל כל אחד עקומה, כדלקמן:


(17)

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

איור 17 - מאפייני העברה JFET עקומות

העברה ו iD-vDS 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 iC ו iB. ה- JFET ו- MOSFET אינם מקבילים לזרם בסיס כיוון שזרמי השער הם אפס. לכן, אנחנו נאלצים להראות את המשפחה של הקימורים iD לעומת vDS, 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 vCE (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 vGS. ככל שגודל מתח השער אל המקור פוחת, גדל רוחב אזור האוהמים. כמו כן, אנו מציינים מתרשים 17 כי מתח ההתפלגות הוא פונקציה של מתח השער אל המקור. למעשה, כדי להשיג הגברה אות ליניארי סביר, עלינו לנצל רק קטע קטן יחסית של עקומות אלה - אזור הפעולה ליניארי הוא באזור הפעיל.

As vDS מגביר מאפס, נקודת הפסקה מתרחשת בכל עקומה שמעבר לה זרם הניקוז עולה מעט מאוד vDS 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 vDS 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, iD עולה בחדות עם עלייה זניחה vDS. התפלגות זו מתרחשת בסוף הניקוז של צומת ערוץ השער. לפיכך, כאשר מתח הניקוז, vDG, עולה על מתח התמוטטות (BVGDS עבור pn צומת), מתרחשת מפולת (עבור vGS = 0 V]. בשלב זה, iD-vDS 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 vGS כמו גם vDS. ככל שגודל המתח בין השער למקור גדל (שלילי יותר עבור n-אנל ועוד חיובי עבור p-כאנל), מתח הירידה יורד (ראה איור 17). עם vGS = Vp, זרם הניקוז הוא אפס (למעט זרם דליפה קטן), ועם vGS = 0, את הרוויה הנוכחי רווי ערך,


(18)

IDSS האם ה רוויה מקור לניקוי המקור.

בין קמצוץ- off ו התמוטטות, זרם הניקוז הוא רווי ולא משתנה במידה ניכרת כפונקציה של vDS. לאחר JFET עובר את נקודת ההפעלה קמצוץ, הערך של iD 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 /VA 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, IDSS, הוא פונקציה של טמפרטורה. השפעות הטמפרטורה על Vp אינם גדולים. למרות זאת, IDSS פוחתת עם עליית הטמפרטורה, הירידה היא ככל 25% עבור 100o עלייה בטמפרטורה. אפילו שינויים גדולים יותר מתרחשים Vp ו IDSS בגלל שינויים קלים בתהליך הייצור. זה ניתן לראות על ידי הצגת נספח עבור 2N3822 שבו המקסימום IDSS 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 gm ו ro מחושבים באמצעות נוסחאות שונות. למעשה, הנוסחאות זהות Vp הוחלף עבור VT.

איור 18 - JFET קטן האות מודל AC

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% IDSS. זה מאתר את נקודת Q באזור הליניארי ביותר של הקימורים האופייניים.

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

הציר האנכי של גרף זה הוא iD/IDSS ואת הציר האופקי הוא vGS/Vp. שיפוע העקומה הוא gm.

הליך סביר לאיתור ערך שקט ליד מרכז אזור הפעולה ליניארי הוא לבחור ו. הערה מ איור 6.20 כי זה ליד נקודת האמצע של העקומה. לאחר מכן, נבחר. זה נותן מגוון רחב של ערכים עבור vds כי לשמור על הטרנזיסטור במצב קמצוץ.

איור 20 -iD/IDSS נגד vGS/Vp

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 gm תלוי בהנחה כי ID מוגדר במחצית IDSS ו VGS . 0.3Vp. ערכים אלה מייצגים בדרך כלל נקודת התחלה טובה לקביעת ערכי שקט עבור ה- JFET.