3. Junction Field-effect Transistor (JFET)
CURRENT - 3. Junction Field-effect Transistor (JFET)
VORIGE- 2. Metaaloxide-halfgeleider-FET (MOSFET)
Junction Field-effect Transistor (JFET)
De MOSFET heeft een aantal voordelen ten opzichte van de junctie veldeffecttransistor (JFET). Met name is de ingangsweerstand van de MOSFET hoger dan die van de JFET. Om deze reden wordt de MOSFET voor de meeste toepassingen in het voordeel van de JFET geselecteerd. Desalniettemin wordt de JFET nog steeds in beperkte situaties gebruikt, vooral voor analoge toepassingen.
We hebben gezien dat versterkings-MOSFET's een niet-nul-poortspanning vereisen om een kanaal voor geleiding te vormen. Er kan geen meerderheidsdraaggolfstroom vloeien tussen de bron en de afvoer zonder deze toegepaste poortspanning. In tegenstelling hiermee regelt de JFET de geleiding van de meerderheidsdraaggolfstroom in een bestaand kanaal tussen twee ohmse contacten. Dit gebeurt door de equivalente capaciteit van het apparaat te variëren.
Hoewel we JFET's benaderen zonder de resultaten te gebruiken die eerder voor MOSFET's zijn afgeleid, zullen we veel overeenkomsten zien in de werking van de twee soorten apparaten. Deze overeenkomsten zijn samengevat in Hoofdstuk 6: "Vergelijking van MOSFET met JFET".
Een schema voor de fysieke structuur van de JFET wordt getoond in figuur 13. Net als de BJT is de JFET een apparaat met drie aansluitingen. Het heeft eigenlijk maar één pn kruising tussen de poort en het kanaal in plaats van twee zoals in de BJT (hoewel er er twee lijken te zijn) pn knooppunten weergegeven in afbeelding 13, deze zijn parallel verbonden door de poortaansluitingen samen te bedraden. Ze kunnen dus als een enkel knooppunt worden behandeld).
De n-kanaal JFET, weergegeven in figuur 14 (a), is opgebouwd met een strook van n-type materiaal met twee p-type materialen verspreid in de strip, een aan elke kant. De p-kanaal JFET heeft een strip van p-type materiaal met twee n-type materialen diffuus in de strip, zoals weergegeven in figuur 13 (b). Figuur 13 toont ook de circuitsymbolen.
Om inzicht te krijgen in de werking van de JFET, laten we de n-kanaal JFET naar een extern circuit zoals getoond in Figuur 14 (a). Een positieve voedingsspanning, VDD, wordt toegepast op de afvoer (dit is analoog aan de VCC voedingsspanning voor een BJT) en de bron is aangesloten op common (aarde). Een poort voedingsspanning, VGG, wordt toegepast op de poort (dit is analoog aan VBB voor de BJT).
Figuur 13-fysieke structuur van JFET
VDD levert een drain-source spanning, vDS, dat zorgt voor een afvoerstroom, iD, om van afvoer naar bron te stromen. Omdat de gate-source-junctie in de tegengestelde richting is gepositioneerd, resulteert er geen gate-stroom. De afvoerstroom, iD, die gelijk is aan de bronstroom, bestaat in het kanaal omgeven door de p-type poort. De gate-to-source spanning, vGS, wat gelijk is aan, creëert een uitputting regio in het kanaal dat de kanaalbreedte verkleint. Dit verhoogt op zijn beurt de weerstand tussen afvoer en bron.
Figuur 14 - n-kanaals JFET aangesloten op externe circuits
We beschouwen JFET-werking met vGS = 0, zoals weergegeven in figuur 14 (b). De afvoerstroom, iD, Door de n-kanaal van afvoer naar bron veroorzaakt een spanningsval langs het kanaal, met het hogere potentiaal bij de aftakking van de afvoerpoort. Deze positieve spanning op de aansluiting van de drain-gate omkeert de pn knooppunt en produceert een uitputtingsgebied, zoals weergegeven door het donkere gearceerde gebied in figuur 14 (b). Wanneer we toenemen vDS, de afvoerstroom, iD, neemt ook toe, zoals weergegeven in Afbeelding 15.
Deze actie resulteert in een groter uitputtingsgebied en een verhoogde kanaalweerstand tussen afvoer en bron. Zoals vDS wordt verder verhoogd, een punt wordt bereikt waar het depletiegebied het gehele kanaal bij de afvoerrand afsnijdt en de afvoerstroom zijn verzadigingspunt bereikt. Als we toenemen vDS voorbij dit punt, iD blijft relatief constant. De waarde van de verzadigde afvoerstroom met VGS = 0 is een belangrijke parameter. Het is de drain-source verzadigingsstroom, IDSS. We vonden het KVT2 voor de depletiemodus MOSFET. Zoals te zien is in figuur 15, toenemend vDS voorbij dit zogenaamde kanaal afknijpen punt (-VP, IDSS) veroorzaakt een zeer lichte toename in iDEn iD-vDS karakteristiek wordt bijna vlak (dwz iD blijft relatief constant als vDS wordt verder verhoogd). Herhaal dat VT (nu aangewezen VP) is negatief voor een n-kanaals apparaat. Werking voorbij het afknijppunt (in het verzadigingsgebied) wordt verkregen wanneer de afvoerspanning, VDS, is groter dan -VP (zie figuur 15). Laten we zeggen bijvoorbeeld VP = -4V, dit betekent dat de afvoerspanning, vDS, moet groter zijn dan of gelijk aan - (- 4V) om ervoor te zorgen dat de JFET in de regio voor verzadiging (normaal gebruik) blijft.
Deze beschrijving geeft aan dat de JFET een apparaat van het depletie-type is. We verwachten dat de kenmerken vergelijkbaar zijn met die van de uitputting MOSFET's. Er is echter een belangrijke uitzondering: hoewel het mogelijk is om een MOSFET van het depletie-type in de enhancement-modus te gebruiken (door een positieve vGS als het apparaat is n-kanaal) dit is niet praktisch in het JFET-type apparaat. In de praktijk is het maximum vGS is beperkt tot ongeveer 0.3V sinds de pn-knoop blijft in wezen afgesloten met deze kleine voorwaartse spanning.
Figuur 15 - iD tegen vDS karakteristiek voor n-kanaal JFET (VGS = 0V)
3.1 JFET Poort-naar-bron spanningsvariatie
In het vorige gedeelte hebben we de iD-vDS karakteristieke curve met VGS = 0. In deze sectie beschouwen we het complete iD-vDS kenmerken voor verschillende waarden van vGS. Merk op dat in het geval van de BJT de karakteristieke curven (iC-vCE) hebben iB als de parameter. De FET is een spanningsgestuurd apparaat waarbij vGS doet de controle. Figuur 16 toont de iD-vDS karakteristieke curves voor zowel de n-kanaal en p-kanaal JFET.
Figuur 16-iD-vDS karakteristieke curven voor JFET
Zoals toeneemt 
(vGS is negatiever voor een n-kanaal en meer positief voor een p-kanaal) wordt het depletiegebied gevormd en wordt afknijpen bereikt voor lagere waarden van iD. Vandaar voor de n-kanaal JFET van figuur 16 (a), het maximum iD vermindert van IDSS as vGS wordt negatiever gemaakt. Als vGS is verder afgenomen (meer negatief), een waarde van vGS wordt bereikt waarna iD zal nul zijn, ongeacht de waarde van vDS. Deze waarde van vGS wordt genoemd VGS (OFF)of afknijpspanning (Vp). De waarde van Vp is negatief voor een n-kanaal JFET en positief voor a p-kanaal JFET. Vp kan worden vergeleken met VT voor de depletiemodus MOSFET.
3.2 JFET overdrachtseigenschappen
De overdrachtskarakteristiek is een grafiek van de afvoerstroom, iD, als een functie van drain-to-source spanning, vDSmet vGS gelijk aan een reeks constante spanningen (vGS = -3V, -2, -1V, 0V in figuur 16 (a)). De overdrachtskarakteristiek is bijna onafhankelijk van de waarde van vDS sinds nadat de JFET knijpt, iD blijft relatief constant voor stijgende waarden van vDS. Dit is te zien aan de iD-vDS curves van figuur 16, waarbij elke curve ongeveer vlak wordt voor waarden van vDS>Vp.
In figuur 17 tonen we de overdrachtseigenschappen en de iD-vDS kenmerken voor een n-kanaal JFET. We plotten deze met een gemeenschappelijk iD as om te laten zien hoe je de ene van de andere kunt verkrijgen. De overdrachtseigenschappen kunnen worden verkregen via een extensie van de iD-vDS curven zoals weergegeven door de stippellijnen in Figuur 17. De meest bruikbare methode om de overdrachtskarakteristiek in het verzadigingsgebied te bepalen, is met de volgende relatie (de Shockley-vergelijking):
(16)
Daarom hoeven we alleen maar te weten IDSS en Vp om het hele kenmerk te bepalen. Op de databladen van fabrikanten worden deze twee parameters vaak vermeld, zodat de overdrachtskarakteristiek kan worden geconstrueerd. Vp in het specificatieblad van de fabrikant wordt weergegeven als VGS (OFF). Merk op dat iD verzadigd (dat wil zeggen wordt constant) als vDS overschrijdt de spanning die nodig is om het kanaal af te knijpen. Dit kan worden uitgedrukt als een vergelijking voor vDS, zat For elk curve, als volgt:
(17)
As vGS wordt negatiever, de afknijping treedt op bij lagere waarden van vDS en de verzadigingsstroom wordt kleiner. Het nuttige gebied voor lineaire bediening ligt boven afknijpen en onder de doorslagspanning. In deze regio, iD is verzadigd en de waarde ervan hangt ervan af vGS, volgens Vergelijking (16) of de overdrachtskenmerk.
Figuur 17 - JFET-overdrachtkarakteristieken
De overdracht en iD-vDS karakteristieke curven voor de JFET, die worden getoond in figuur 17, verschillen van de overeenkomstige curven voor een BJT. De BJT-curven kunnen worden weergegeven als gelijkmatig verdeeld voor uniforme stappen in basisstroom vanwege de lineaire relatie tussen iC en iB. De JFET en MOSFET hebben geen stroom analoog aan een basisstroom omdat de poortstromen nul zijn. Daarom zijn we gedwongen om de familie van bochten te laten zien iD vs vDSen de relaties zijn erg niet-lineair.
Het tweede verschil heeft betrekking op de afmeting en vorm van het ohmse gebied van de karakteristieke krommen. Bedenk dat bij het gebruik van BJT's we niet-lineaire bewerking voorkomen door het lagere 5% van waarden van vCE (dat wil zeggen, de saturatie regio). We zien dat de breedte van het ohmse gebied voor de JFET een functie is van de poort-naar-bronspanning. Het ohmse gebied is tamelijk rechtlijnig totdat de knie dichtbij komt om af te knellen. Deze regio wordt de ohmse regio omdat wanneer de transistor in dit gebied wordt gebruikt, deze zich gedraagt als een ohmse weerstand waarvan de waarde wordt bepaald door de waarde van vGS. Naarmate de grootte van de gate-to-source-spanning afneemt, neemt de breedte van het ohmse gebied toe. We merken ook op uit Figuur 17 dat de doorslagspanning een functie is van de gate-to-source-spanning. Om een redelijk lineaire signaalversterking te verkrijgen, moeten we in feite slechts een relatief klein deel van deze curven gebruiken - het gebied van lineaire werking bevindt zich in het actieve gebied.
As vDS stijgt vanaf nul, er treedt een breekpunt op elke curve op, waarna de afvoerstroom erg weinig toeneemt vDS blijft toenemen. Bij deze waarde van drain-to-source-spanning treedt pinch-off op. De afknijpwaarden zijn gelabeld in Afbeelding 17 en zijn verbonden met een gestreepte curve die het ohmse gebied van het actieve gebied scheidt. Zoals vDS blijft toenemen voorbij afknijpen, een punt wordt bereikt waar de spanning tussen afvoer en bron zo groot wordt dat lawineafbraak optreedt. (Dit verschijnsel doet zich ook voor in diodes en in BJT's). Op het breakdown-punt, iD neemt sterk toe met een verwaarloosbare toename in vDS. Deze doorslag vindt plaats aan het draineinde van de gate-kanaalovergang. Vandaar dat, wanneer de drain-gate spanning, vDG, overschrijdt de doorslagspanning (BVGDS voor de pn knooppunt), lawine optreedt [voor vGS = 0 V]. Op dit punt, de iD-vDS karakteristiek vertoont de eigenaardige vorm die wordt getoond aan de rechterkant van figuur 17.
Het gebied tussen de afknijpspanning en lawine-uitval wordt de actief gebied, versterker werkend gebied, verzadigingsgebiedof afknijpgebied. Het ohmse gebied (vóór afknijpen) wordt meestal de triodegebied, maar het wordt soms het spanningsgeregelde regio. De JFET wordt gebruikt in het ohmse gebied, zowel wanneer een variabele weerstand gewenst is als in schakeltoepassingen.
De doorslagspanning is een functie van vGS evenals vDS. Als de grootte van de spanning tussen poort en bron wordt verhoogd (meer negatief voor n-kanaal en meer positief voor p-kanaal) neemt de doorslagspanning af (zie figuur 17). Met vGS = Vp, de afvoerstroom is nul (behalve een kleine lekstroom) en met vGS = 0, de afvoerstroom verzadigt zich op een waarde,
(18)
IDSS is de verzadiging afvoer-naar-stroombron.
Tussen afknijpen en afbreken is de afvoerstroom verzadigd en verandert niet aanzienlijk als functie van vDS. Nadat de JFET het afknijppunt heeft bereikt, is de waarde van iD kan worden verkregen uit de karakteristieke curven of uit de vergelijking
(19)
Een meer accurate versie van deze vergelijking (rekening houdend met de lichte helling van de karakteristieke curves) is als volgt:
(20)
λ is analoog aan de λ voor MOSFET's en voor 1 /VA voor BJT's. Sinds λ is klein, we nemen dat aan 
. Dit rechtvaardigt het weglaten van de tweede factor in de vergelijking en het gebruik van de benadering voor voorinstelling en grote signaalanalyse.
De verzadiging afvoer-naar-source stroom, IDSS, is een functie van temperatuur. De effecten van temperatuur op Vp zijn niet groot. Echter, IDSS neemt af naarmate de temperatuur stijgt, de afname is net zoveel als 25% voor een 100o temperatuurstijging. Nog grotere variaties komen voor in Vp en IDSS vanwege kleine variaties in het productieproces. Dit is te zien aan de Bijlage voor de 2N3822 waar dit het maximum is IDSS is 10 mA en het minimum is 2 mA.
De stromen en spanningen in deze sectie worden gepresenteerd voor een n-kanaal JFET. De waarden voor a p-kanaal JFET zijn het omgekeerde van die gegeven voor de n-kanaal.
3.3 JFET AC-model met klein signaal
Een JFET-kleinsignaalmodel kan worden afgeleid volgens dezelfde procedures die worden gebruikt voor de MOSFET. Het model is gebaseerd op de relatie van Vergelijking (20). Als we alleen de ac component van de spanningen en stromen, hebben we
(21)
De parameters in Vergelijking (21) worden gegeven door de partiële afgeleiden,
(22)
Het resulterende model wordt getoond in figuur 18. Merk op dat het model identiek is aan het eerder ontleende MOSFET-model, behalve dat de waarden van gm en ro worden berekend met behulp van verschillende formules. Eigenlijk zijn de formules identiek als Vp wordt vervangen door VT.
Figuur 18 - JFET klein signaal ac-model
Om een JFET-versterker te ontwerpen, is het Q-punt voor de dc biasstroom kan grafisch worden bepaald, of door gebruik te maken van circuitanalyse uitgaande van een afknijpmodus voor de transistor. De dc biasstroom op het Q-punt moet liggen tussen 30% en 70% van IDSS. Dit lokaliseert het Q-punt in het meest lineaire gebied van de karakteristieke krommen.
De relatie tussen iD en vGS kan worden geplot op een dimensieloze grafiek (dwz een genormaliseerde curve) zoals weergegeven in figuur 20.
De verticale as van deze grafiek is iD/IDSS en de horizontale as is vGS/Vp. De helling van de curve is gm.
Een redelijke procedure voor het lokaliseren van de rustwaarde nabij het midden van het lineaire operatiegebied is het selecteren van en. Merk op uit figuur 6.20 dat dit ongeveer in het midden van de curve is. Vervolgens selecteren we. Dit geeft een breed scala aan waarden voor vds die de transistor in de afknijpmodus houdt.
Figuur 20 -iD/IDSS tegen vGS/Vp
We kunnen de transconductantie vinden op het Q-punt, hetzij vanaf de helling van de curve van Figuur 20, hetzij met behulp van Vergelijking (22). Als we deze procedure gebruiken, wordt de parameter transconductance gegeven door
(23)
Onthoud dat deze waarde van gm hangt af van de veronderstelling dat ID is ingesteld op de helft IDSS en VGS . 0.3Vp. Deze waarden vertegenwoordigen gewoonlijk een goed startpunt voor het instellen van de rustwaarden voor de JFET.