3. Junction lauko poveikio tranzistorius (JFET)

Junction lauko poveikio tranzistorius (JFET)

MOSFET turi daug privalumų, palyginti su sankryžos lauko efektu (JFET). Pažymėtina, kad MOSFET įvesties varža yra didesnė nei JFET. Dėl šios priežasties daugumai programų MOSFET yra pasirinktas JFET naudai. Nepaisant to, JFET vis dar naudojamas ribotose situacijose, ypač analoginėse programose.

Mes matėme, kad MOSFET patobulinimams reikalinga ne nulinė vartų įtampa, kad būtų sukurtas laidumo kanalas. Tarp šio šaltinio ir nuotekų be srauto, į kurį neįeina vidinė įtampa, negali būti srauto srauto. Priešingai, JFET valdo daugumos nešlio srovės laidumą esamame kanale tarp dviejų ohminių kontaktų. Tai atliekama keičiant ekvivalentišką įrenginio talpą.

Nors mes kreipiamės į JFET nenaudodami anksčiau gautų MOSFET rezultatų, pamatysime daug panašumų veikdami dviejų tipų įrenginiuose. Šie panašumai apibendrinti 6 skyriuje: „MOSFET ir JFET palyginimas“.

JFET fizinės struktūros schema parodyta 13 paveiksle. Kaip ir BJT, JFET yra trys galiniai įrenginiai. Jis iš esmės yra tik vienas pn jungtis tarp vartų ir kanalo, o ne du, kaip BJT (nors yra du pn 13 pavaizduotos sankryžos, jos yra sujungtos lygiagrečiai sujungiant vartų terminalus. Tokiu būdu jie gali būti traktuojami kaip viena jungtis).

Šios n-channel JFET, parodyta 14 (a), yra pagamintas naudojant juostelę n- tipo medžiaga su dviem p- ant juostos išsklaidytos rūšies medžiagos, po vieną kiekvienoje pusėje. The p-channel JFET turi juostelę p- tipo medžiaga su dviem n- į juostą išsklaidytos rūšies medžiagos, kaip parodyta 13 (b) paveiksle. 13 paveiksle taip pat pateikiami grandinės simboliai.

Norėdami įžvelgti JFET veikimą, sujunkite n- kanalo JFET į išorinę grandinę, kaip parodyta 14 (a). Teigiama maitinimo įtampa, V_DD, taikomas nutekėjimui (tai yra analogiška. \ t V_CC BJT maitinimo įtampa) ir šaltinis yra prijungtas prie bendro (žemės). Vartų įtampa, V_GG, yra taikomas vartai (tai analogiška V_BB BJT).

13 pav. JFET fizinė struktūra

V_DD suteikia nutekėjimo šaltinio įtampą, v_DS, kuris sukelia nutekėjimo srovę, i_D, tekėti iš nutekėjimo į šaltinį. Kadangi vartų šaltinio sankryža yra atvirkščiai, nulinės vartų dabartiniai rezultatai. Išleidimo srovė, i_D, kuris yra lygus šaltinio srovei, yra kanale, kurį supa p- tipo vartai. Įtampos iš vartų į šaltinį, v_GS, kuris yra lygus, sukuria a išeikvojimo regione kanale, kuris sumažina kanalo plotį. Tai, savo ruožtu, padidina atsparumą tarp drenažo ir šaltinio.

14 paveikslas - n kanalo JFET, prijungtas prie išorinės grandinės

Mes laikome JFET operaciją v_GS = 0, kaip parodyta 14 (b). Išleidimo srovė, i_D, pro n- kanalas nuo nutekėjimo iki šaltinio sukelia įtampos kritimą išilgai kanalo, turintis didesnį potencialą nutekėjimo vartų jungtyje. Ši teigiama įtampa drenažo vartų jungtyje priešinga pn jungtis ir sukuria išeikvojimo regioną, kaip parodyta tamsoje šešėlinėje zonoje 14 (b). Kai mes padidiname v_DS, išleidimo srovė, i_D, taip pat didėja, kaip parodyta 15.

Šis veiksmas sukelia didesnį išeikvojimo sritį ir padidintą kanalo varžą tarp nutekėjimo ir šaltinio. Kaip v_DS toliau didinamas, pasiekiamas taškas, kai išeikvojimo sritis išjungia visą kanalą nutekėjimo krašte, o nutekėjimo srovė pasiekia soties tašką. Jei mes padidinsime v_DS už šio taško, i_D išlieka santykinai pastovi. Sotinto drenažo srovės vertė su V_GS = 0 yra svarbus parametras. Tai yra nutekėjimo šaltinio prisotinimo srovė, I_DSS. Mes nustatėme, kad tai yra KV_T² išeikvojimo režimui MOSFET. Kaip matyti iš 15 pav., Didėja v_DS už šio vadinamojo kanalo žiupsnelis taškas (-V_P, I_DSS) labai sumažėjo i_D, i_D-v_DS charakteringa kreivė tampa beveik plokščia (ty i_D išlieka santykinai pastovi, kaip v_DS toliau didinamas). Prisiminkite V_T (dabar paskirta V_P) yra neigiamas n- kanalų įrenginys. Veikimas už nuleidimo taško (prisotinimo srityje) gaunamas, kai išleidimo įtampa, V_DS, yra didesnis nei -V_P (žr. 15 pav.). Pavyzdžiui, sakykime V_P = -4V, tai reiškia, kad nutekėjimo įtampa, v_DS, turi būti didesni arba lygūs - (- 4V), kad JFET liktų prisotinimo (normalus) regione.

Šis aprašymas rodo, kad JFET yra išeikvojimo tipo įrenginys. Tikimės, kad jo charakteristikos bus panašios į išeikvojimo MOSFET. Tačiau yra svarbi išimtis: nors didinimo režimu galima naudoti išeikvojimo tipo MOSFET (taikant teigiamą v_GS jei prietaisas yra nkanalas) tai nėra praktiška JFET tipo įrenginyje. Praktiškai maksimalus v_GS nuo 0.3V yra ribotas nuo pn-junkcija išlieka iš esmės sujungta su šia maža priekine įtampa.

15 pav. i_D palyginti su v_DS būdingas n- kanalo JFET (V_GS = 0V)

3.1 JFET Gate-To-Source įtampos pokytis

Ankstesniame skyriuje sukūrėme i_D-v_DS charakteristika V_GS = 0. Šiame skyriuje svarstome visą i_D-v_DS charakteristikos įvairioms v_GS. Atkreipkite dėmesį, kad BJT atveju būdingos kreivės (i_C-v_CE) turi i_B kaip parametras. FET yra įtampa valdomas įrenginys, kur v_GS kontroliuoja. 16 pav i_D-v_DS būdingos kreivės n- kanalas ir p- kanalo JFET.

16 pav.i_D-v_DS JFET charakteristikos kreivės

Didėjant (v_GS yra neigiamas n-chanelis ir labiau teigiamas a p-chanelis) susidaro išeikvojimo sritis ir pasiekiama mažesnė vertė i_D. Taigi n16 (a) kanalo JFET, maksimalus i_D sumažėja nuo I_DSS as v_GS yra neigiamas. Jei v_GS toliau mažėja (neigiama), o vertė - v_GS pasiekiama po to i_D bus lygus nuliui, nepriklausomai nuo vertės v_DS. Ši vertė yra v_GS vadinamas V_{GS (išjungta)}arba įtampą (V_p). Vertė V_p yra neigiamas n- kanalo JFET ir teigiamas a p- kanalo JFET. V_p galima palyginti su V_T išeikvojimo režimui MOSFET.

3.2 JFET perdavimo charakteristikos

Perdavimo charakteristika yra nutekėjimo srovės diagrama, i_D, kaip išleidimo į šaltinį funkcija, v_DS, Su v_GS lygus pastovios įtampos rinkiniui (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V 16 (a) paveiksle). Perdavimo charakteristika yra beveik nepriklausoma nuo v_DS nes po JFET pasiekimo i_D išlieka santykinai pastovi didėjančioms vertėms v_DS. Tai galima matyti iš i_D-v_DS 16 diagramos kreivės, kur kiekviena kreivė yra maždaug lygi v_DS>V_p.

17 paveiksle parodome perdavimo ypatybes ir i_D-v_DS charakteristikos n- kanalo JFET. Mes braižome juos bendru i_D ašis rodo, kaip gauti vieną iš kito. Perdavimo charakteristikos gali būti gautos pratęsiant i_D-v_DS kreivės, kaip parodyta punktyrinėmis linijomis 17 paveiksle. Naudingiausias perdavimo charakteristikos sodrumo srityje nustatymo metodas yra toks: (Shockley lygtis):

(16)

Todėl mums reikia žinoti I_DSS ir V_p nustatyti visą charakteristiką. Gamintojų duomenų lapuose dažnai nurodomi šie du parametrai, todėl perdavimo charakteristiką galima sukonstruoti. V_p gamintojo specifikacijos lape yra rodomas taip V_{GS (išjungta)}. Prisimink tai i_D prisotina (ty tampa pastovi) kaip v_DS viršija įtampą, reikalingą kanalui nuspausti. Tai gali būti išreikšta kaip lygtis v_{DS, s} forumas kiekvienas kreivė:

(17)

As v_GS tampa neigiamas, paspaudimas atsiranda esant mažesnėms vertėms v_DS ir soties srovė tampa mažesnė. Naudinga linijinio veikimo sritis yra didesnė už nuspaustą ir žemesnę nei gedimo įtampa. Šiame regione i_D yra prisotintas ir jo vertė priklauso nuo v_GS, pagal lygtį (16) arba perdavimo charakteristiką.

17 - JFET perdavimo charakteristikų kreivės

Perkėlimas ir i_D-v_DS 17 pavaizduotos JFET charakteristikos kreivės skiriasi nuo atitinkamų BJT kreivių. BJT kreivės gali būti pateikiamos tolygiai, tolygiai išdėstytos bazinės srovės vienodiems žingsniams dėl linijinio ryšio tarp i_C ir i_B. JFET ir MOSFET neturi srovės, analogiškos bazinei srovei, nes vartų srovės yra nulinės. Todėl esame priversti parodyti kreivių šeimą i_D vs v_DSir santykiai yra labai netiesiniai.

Antrasis skirtumas yra susijęs su būdingų kreivių ohminio regiono dydžiu ir forma. Prisiminkite, kad naudojant BJT, vengiame netiesinės operacijos, išvengiant mažesnės 5% vertės v_CE (ty prisotinimo regionas). Matome, kad „JFET“ ohminio regiono plotis yra įtampos nuo vartų iki šaltinio funkcija. Ohminis regionas yra gana linijinis, kol kelis artėja prie žiupsnelio. Šis regionas vadinamas ohminis regionas nes kai tranzistorius naudojamas šiame regione, jis elgiasi kaip ohminis rezistorius, kurio vertė nustatoma pagal v_GS. Mažėjant vartų-šaltinių įtampos dydžiui, didėja ominės srities plotis. Mes taip pat atkreipiame dėmesį iš 17 paveikslo, kad gedimo įtampa yra nuo vartų iki šaltinio įtampos funkcija. Tiesą sakant, norėdami gauti pagrįstą tiesinį signalo stiprinimą, turime naudoti tik santykinai nedidelį šių kreivių segmentą - linijinio veikimo plotas yra aktyvioje srityje.

As v_DS padidėja nuo nulio, kiekvienoje kreivėje atsiranda lūžio taškas, per kurį drenažo srovė labai mažėja v_DS toliau didėja. Esant tokiai nutekėjimo iš šaltinio įtampai, atsiranda žiupsnelis. Nuspaustos vertės pažymėtos 17 paveiksle ir yra sujungtos su taškine kreivė, kuri atskiria ohminį regioną nuo aktyvaus regiono. Kaip v_DS ir toliau didėja, neišjungiamas, pasiekiamas taškas, kur įtampa tarp nutekėjimo ir šaltinio tampa tokia didelė lavinų suskirstymas atsiranda. (Šis reiškinys taip pat pasireiškia dioduose ir BJT). Suskirstymo taške i_D smarkiai didėja, o jų kiekis padidėjo nežymiai. \ t v_DS. Šis gedimas įvyksta vartų kanalo jungties nutekėjimo gale. Taigi, kai nutekamųjų vartų įtampa, v_DG, viršija išjungimo įtampą (BV_GDS prie pn jungtis), lavina pasireiškia [už v_GS = 0 V]. Šiuo metu i_D-v_DS charakteristika turi ypatingą formą, parodytą dešinėje 17 paveikslo dalyje.

Regionas tarp įtampos ir lavinų suskirstymo vadinamas aktyvus regionas, stiprintuvo veikimo regionas, soties regionasarba nuspaudęs regionas. Ohminis regionas (prieš išsijungimą) paprastai vadinamas triodo regionas, bet kartais tai vadinama įtampos kontroliuojamas regionas. JFET veikia ohminiame regione, kai pageidaujamas kintamasis rezistorius ir perjungiant programas.

Gedimo įtampa yra funkcija v_GS taip pat v_DS. Kadangi įtampa tarp vartų ir šaltinio padidėja (daugiau neigiama. \ T n-chanelis ir labiau teigiamas pkanalas), mažėja įtampos įtampa (žr. 17 pav.). Su v_GS = V_p, išleidimo srovė yra lygi nuliui (išskyrus mažą nuotėkio srovę) ir su v_GS = 0, išleidimo srovė prisotina esant vertei,

(18)

I_DSS yra sotumo nutekėjimo iki šaltinio srovė.

Tarp išspaudimo ir gedimo, drenažo srovė yra prisotinta ir nesikeičia žymiai kaip v_DS. Pasibaigus JFET veikimo taškui, nuspaudžiamas veikimo taškas i_D galima gauti iš charakteristikų kreivių arba iš lygties

(19)

Tikslesnė šios lygties versija (atsižvelgiant į nedidelį charakteringų kreivių nuolydį) yra tokia:

(20)

λ yra analogiškas λ MOSFETs ir 1 /V_A BJT. Nuo λ yra mažas, mes manome, kad . Tai pateisina antrojo veiksnio praleidimą lygtyje ir apytikslio naudojimą šališkumui ir dideliam signalų analizei.

Sotumo nutekėjimo iki šaltinio srovė, I_DSS, yra temperatūros funkcija. Temperatūros poveikis V_p nėra dideli. Tačiau I_DSS sumažėja, kai temperatūra pakyla, o 25 sumažėja tiek, kiek 100%^o temperatūros padidėjimas. Dar didesni variantai atsiranda V_p ir I_DSS dėl nedidelių gamybos proceso pokyčių. Tai galima pamatyti peržiūrint 2N3822 priedą, kuriame yra maksimalus I_DSS yra 10 mA ir minimalus yra 2 mA.

Šiame skyriuje pateiktos srovės ir įtampos pateikiamos n- kanalo JFET. A reikšmės p-channel JFET yra atvirkščiai tiems, kurie pateikti n-kanalas.

3.3 JFET mažo signalo kintamosios srovės modelis

JFET mažo signalo modelį galima gauti pagal tas pačias procedūras, kurios naudojamos MOSFET. Modelis pagrįstas lygties (20) santykiu. Jei svarstome tik ac įtampos ir srovės komponentas

(21)

Parametrai lygtyje (21) pateikiami iš dalinių darinių,

(22)

Gautas modelis parodytas 18 paveiksle. Atkreipkite dėmesį, kad modelis yra identiškas anksčiau gautam MOSFET modeliui, išskyrus tai, kad g_m ir r_o apskaičiuojamos pagal skirtingas formules. Tiesą sakant, formulės yra tapačios, jei V_p yra pakeistas V_T.

18 paveikslas. JFET mažo signalo kintamosios srovės modelis

Sukurti JFET stiprintuvą, dc šališkumo srovė gali būti nustatyta grafiškai, arba naudojant grandinės analizę, darant prielaidą, kad tranzistorius yra išjungtas. The dc „Q“ taške turi būti tarp 30% ir 70% I_DSS. Tai nustato Q tašką tiesiškiausių charakteristikų kreivėse.

Santykis tarp i_D ir v_GS galima brėžti be matmenų grafiko (ty normalizuotos kreivės), kaip parodyta 20.

Šios diagramos vertikali ašis yra i_D/I_DSS ir horizontali ašis v_GS/V_p. Kreivės nuolydis yra g_m.

Pagrįsta procedūra ramybės būsenos nustatymui netoli tiesinio veikimo regiono centro yra pasirinkti ir. Atkreipkite dėmesį iš 6.20 paveikslo, kad tai yra netoli kreivės vidurio taško. Toliau mes pasirenkame. Tai suteikia platų reikšmių diapazoną v_ds kad tranzistorius būtų išjungtas.

20 pav.i_D/I_DSS palyginti su v_GS/V_p

Q-taške transconductance galima rasti arba iš 20 kreivės nuolydžio, arba naudojant lygtį (22). Jei naudojame šią procedūrą, transconductance parametrą nurodo:

(23)

Atminkite, kad ši vertė g_m priklauso nuo prielaidos, kad I_D yra nustatyta pusė I_DSS ir V_GS . 0.3V_p. Šios vertės paprastai yra geras pradinis taškas, kuriuo nustatomos JFET ramybės vertės.

PREVIOUS- 2. Metalo oksido puslaidininkinis FET (MOSFET)

NEXT- 4. FET stiprintuvo konfigūracijos ir pakreipimas